控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用

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1 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用
第 9 章 半实物仿真与实时控制 薛定宇 著《控制系统计算机辅助设计—MATLAB 语言与应用》第二版，清华大学出版社 CAI课件开发：鄂大志 、薛定宇 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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主要内容 dSPACE 简介与常用模块 Quanser 简介与常用模块 半实物仿真与实时控制实例 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.1 dSPACE 简介与常用模块 9.1.1 dSPACE 简介 dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering) 实时仿真系统 是由德国 dSPACE 公司开发的一套和 MATLAB/Simulink 可以“无缝连接”的控制系 统开发及测试的工作平台。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身 就是一个完整的实时仿真系统，DSP 和 I/O 全部 集成于同一板上。 标准组件系统 把处理器板，I/O 板分开，并提 供多个系列和品种，允许用户根据特定需求随意 组装，可以使用多块处理器板、多块 (多种)I/O 板，使系统运算速度、内存和 I/O 能力均可大大 扩展，从而可以满足复杂的应用。 特定应用装置 如汽车、火车、飞机等低空系统 的特殊开发环境。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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dSPACE 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比 拟的特点，例如其组合性与灵活性强、快速性与实时 性好、可靠性高，可与 MATLAB/Simulink 无缝连 接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设 计。 由于 dSPACE 巨大的优越性，现已广泛应用于航空 航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工 业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开 始用 dSPACE 解决实际问题。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.1.2 dSPACE 模块组 目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACE 部件是 ACE 1103 和 ACE1104 ,它们是典型的智能化 单板系统，包括 DSP 硬件控制板 DS1103 和 DS1104、 实时控制软件 Control Desk、实时接口 RTI 和实时 数据采集接口 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， DS1104 采用 PCI 总线接口，PowerPC 处理器，具有 很高的处理性能及性能价格比，是理想的控制系统设 计入门级产品。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.2 Quanser 简介与常用模块 9.2.1 Quanser 简介 Quanser 产品包括加拿大 Quanser 公司研 发的控制实验用的各种受控对象装置、与 MATLAB/Simulink 或 NI 公司 LabView 等接 口板卡和实时控制软件 WinCon 等，可以用类 似于 SPACE 的方式进行半实物仿真与实时控 制研究。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.2.2 Quanser 常用模块介绍 Quanser 系列产品提供了 MultiQ 板卡或其 他形式的接口板卡，带有数模转换器输入(DAC)、 模数转换器输出(ADC) 、电机编码输入(ENC)等 输入输出接口，可以直接将计算机与受控对象连 接起来，形成闭环控制结构。 WinCon 是在 Windows 环境下实现实时控制 的应用程序，该程序可以启动由 Simulink 模型 生成的代码，向 MultiQ 板卡发送命令或从板卡 采集数据，达到实时控制的目的。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

9 9.2.3 Quanser 旋转运动控制系列 实验受控对象简介
旋转倒立摆 平面倒立摆 回转仪 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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平面连杆机器人 柔性臂 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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倒立摆系统的简要描述： 旋转倒立摆实验中，在水平面上用一个直流电机 来驱动一个刚性臂的一端，臂的另一端装有一个自 由度的转轴由电机控制。在这个转轴上安装一个摆 杆。通过控制旋转臂的运动来保持摆杆处于垂直倒 立状态。 平面倒立摆则将一根长摆杆安装在一含有两个自 由度的接头上，这样摆杆就可以沿两个方向自由摆 动，摆杆的摆角通过传感器测量。将这个机构装于 2 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.3 半实物仿真与实时控制实例 受控对象的数学描述与仿真研究 Quanser 实时控制实验 dSPACE 实时控制实验 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.3.1 受控对象的数学描述与 仿真研究 球杆系统实物图 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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球杆系统的控制原理: 通过电机带动连杆 CD，调整 夹角 ，从而调整横杆 BC 的水平夹角 ，使得小球能 快速稳定地静止在指定的位置。连杆 AB 为固定的支撑 臂。 球杆系统示意图 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电机 的电压 为控制信号，需要设计一个控制器，由 预期位置 和检测到的实际位置 之间的误差信 号 来计算控制信号 。钢球在连杆 BC 上起滑动变阻器的作用，其位置 可以通过电 阻的值直接检测出来。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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电机拖动系统的数学模型 电机仿真模型 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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推导出电机电压信号 与夹角 之间的传递函数描述 电机拖动仿真模型 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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球杆系统的数学模型 受控对象模型 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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球杆系统控制模型 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.3.2 Quanser 实时控制实验 实时控制 Simulink 框图 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.3.3 dSPACE 实时控制实验 dSPACE 使用的 Simulink 框图 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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9.4 本章要点简介 给出了半实物仿真的概念，综述了目前与 MATLAB/Simulink 可以无缝连接的两大主流半实物仿真软硬件系统，即 dSPACE与 Quanser 产品，并介绍了和实时控制相关的模块，还简述了可以搭建实时控制实验的 Quanser 受控对象旋转运动控制实验系列装置。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院

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以旋转运动控制系列中的球杆系统为例，介绍了其建模方法与 Simulink 模型搭建方法，进行了系统的仿真研究，并分别介绍了由 Quanser 控制器及 dSPACE 控制器对其实时控制的方法及控制效果。 2019/4/15 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用 东北大学信息学院