半实物仿真与实时控制matlab课件

*,*,单击此处编辑母版标题样式,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,东北大学信息学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,清华大学出版社,2024/8/28,1,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,第 9 章半实物仿真与实时控制薛定宇 著2023/9/51,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,主要内容,2024/8/28,2,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,dSPACE 简介与常用模块主要内容2023/9/52高等应,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。,2024/8/28,3,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.1 dSPACE 简介与常用模块9.1.1 dSPACE,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。,2024/8/28,4,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身2023/9/5,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。,2024/8/28,5,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,dSPACE 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比,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。,2024/8/28,6,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.1.2 dSPACE 模块组 目前在教学和一般科学实,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。,2024/8/28,7,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.2 Quanser 简介与常用模块9.2.1 Quans,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。,2024/8/28,8,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.2.2 Quanser 常用模块介绍 Quanser,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,2024/8/28,9,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.2.3 Quanser 旋转运动控制系列,柔性臂,平面连杆机器人,2024/8/28,10,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,柔性臂 平面连杆机器人2023/9/510高等应用数学问题,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。,2024/8/28,11,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,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,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,2024/8/28,12,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,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,9.3.1,受控对象的数学描述与 仿真研究,球杆系统实物图,2024/8/28,13,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.3.1 受控对象的数学描述与 仿真研,球杆系统示意图,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。,2024/8/28,14,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,球杆系统示意图球杆系统的控制原理: 通过电机带动连杆 CD,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。,2024/8/28,15,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电机202,电机拖动系统的数学模型,电机仿真模型,2024/8/28,16,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,电机拖动系统的数学模型 电机仿真模型2023/9/516高等,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,2024/8/28,17,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,推导出电机电压信号 与夹角 之间的传,球杆系统的数学模型,受控对象模型,2024/8/28,18,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,球杆系统的数学模型 受控对象模型2023/9/518高等应用,球杆系统控制模型,2024/8/28,19,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,球杆系统控制模型2023/9/519高等应用数学问题的 M,9.3.2 Quanser,实时控制实验,实时控制,Simulink,框图,2024/8/28,20,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.3.2 Quanser 实时控制实验 实时控制 Simu,9.3.3 dSPACE,实时控制实验,dSPACE,使用的,Simulink,框图,2024/8/28,21,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,9.3.3 dSPACE 实时控制实验 dSPACE 使用的,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。,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。,2024/8/28,22,高等应用数学问题的 MATLAB 求解,MATLAB,语言与应用,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,