控制系统仿真与CAD chapter 9

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 2006 CAI课件开发：鄂大志 、薛定宇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

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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。2015-3-4 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 3

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。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。2015-3-4 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 5

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。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。2015-3-4 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 7

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。2015-3-4 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 8

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2015-3-4

平面倒立摆

回转仪9

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平面连杆机器人

柔性臂

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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。2015-3-4 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 11

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2015-3-4 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 12

9.3.1 受控对象的数学描述与 仿真研究

球杆系统实物图2015-3-4 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 13

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2015-3-4 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 14

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。

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电机拖动系统的数学模型

电机仿真模型2015-3-4 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 16

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2015-3-4 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 17

球杆系统的数学模型

受控对象模型2015-3-4 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 18

球杆系统控制模型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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