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1、第第 9 9 章章半实物仿真与实时控制半实物仿真与实时控制薛定宇薛定宇 著著控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计 MATLAB语言与应用语言与应用 清华大学出版社清华大学出版社2023/1/221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ndSPACE 简介与常用模块简介与常用模块nQuanserQuanser 简介与常用模块简介与常用模块n半实物仿真与实时控制实例半实物仿真与实时控制实例主要内容主要内容2023/1/222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9.1 9.1 dSPACEdSPACE 简介与常用模块简介与常用模块9.1.1 dS
2、PACE 9.1.1 dSPACE 简介简介 dSPACE(digital Signal Processing dSPACE(digital Signal Processing And Control Engineering)And Control Engineering)实时仿真系统实时仿真系统是由德国是由德国 dSPACE dSPACE 公司开发的一套和公司开发的一套和 MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink 可以可以“无缝连接无缝连接”的控制的控制系系统开发及测试的工作平台。统开发及测试的工作平台。2023/1/223控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东
3、北大学信息学院n n单板系统单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身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，就是一个完整的实时仿真系统，DSP DSP 和和 I/O I/O 全部全部 集成于同一板上。集成于同一板上。n n标准组件系统标准组件系统 把处理器板，把处理器板，I/O I/O 板分开，并提板分开，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、多块组装，可以使用多块处理器板、多块(多种多种)I/O I/O 板，使系统运算速度、内存和板，使系统运算速度、内存和 I/O I/O 能力均可大大能
4、力均可大大 扩展，从而可以满足复杂的应用。扩展，从而可以满足复杂的应用。n n特定应用装置特定应用装置 如汽车、火车、飞机等低空系统如汽车、火车、飞机等低空系统 的特殊开发环境。的特殊开发环境。2023/1/224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 dSPACEdSPACE 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比实时系统具有很多其他仿真系统所不能比实时系统具有很多其他仿真系统所不能比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、快速性与实时拟的特点，例如其组合性与灵活性强、快速性与实时拟的特点，例如其组合性与灵活性强、快速性与实时拟的特点，例如其
5、组合性与灵活性强、快速性与实时性好、可靠性高，可与性好、可靠性高，可与性好、可靠性高，可与性好、可靠性高，可与 MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink 无缝连无缝连无缝连无缝连接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设计。接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设计。接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设计。接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设计。由于由于由于由于 dSPACEdSPACE 巨大的优越性，现已广泛应用于航空巨大的优越性，现已广泛应用于航空巨大的优越性，现已广泛应用于航空巨大的优越性，现已广泛应用于航空航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、
6、驱动及工航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工航天、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、学校及研究部门开业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开始用始用始用始用 dSPACEdSPACE 解决实际问题。解决实际问题。解决实际问题。解决实际问题。2023/1/225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9.1.2 9.1.2 dSPACEdSPACE 模块组模块组 目前在教学和一般科学实验方
7、面比较流行的目前在教学和一般科学实验方面比较流行的目前在教学和一般科学实验方面比较流行的目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACEdSPACEdSPACEdSPACE部件是部件是部件是部件是 ACE 1103 ACE 1103 ACE 1103 ACE 1103 和和和和 ACE1104 ACE1104 ACE1104 ACE1104，它们是典型的智能化它们是典型的智能化它们是典型的智能化它们是典型的智能化单板系统，包括单板系统，包括单板系统，包括单板系统，包括 DSP DSP DSP DSP 硬件控制板硬件控制板硬件控制板硬件控制板 DS1103 DS1103 DS1103 DS11
8、03 和和和和 DS1104DS1104DS1104DS1104、实时控制软件实时控制软件实时控制软件实时控制软件 Control DeskControl DeskControl DeskControl Desk、实时接口实时接口实时接口实时接口 RTI RTI RTI RTI 和实时和实时和实时和实时数据采集接口数据采集接口数据采集接口数据采集接口 MTRACE/MLIBMTRACE/MLIBMTRACE/MLIBMTRACE/MLIB，使用较为方便。其中，使用较为方便。其中，使用较为方便。其中，使用较为方便。其中，DS1104 DS1104 DS1104 DS1104 采用采用采用采用 P
9、CI PCI PCI PCI 总线接口，总线接口，总线接口，总线接口，PowerPC PowerPC PowerPC PowerPC 处理器，具有处理器，具有处理器，具有处理器，具有很高的处理性能及性能价格比，是理想的控制系统设很高的处理性能及性能价格比，是理想的控制系统设很高的处理性能及性能价格比，是理想的控制系统设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。计入门级产品。计入门级产品。计入门级产品。2023/1/226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9.2 9.2 QuanserQuanser 简介与常用模块简介与常用模块9.2.1 Quanse
10、r 9.2.1 Quanser 简介简介 Quanser Quanser Quanser Quanser 产品包括加拿大产品包括加拿大产品包括加拿大产品包括加拿大 Quanser Quanser Quanser Quanser 公司研公司研公司研公司研发的控制实验用的各种受控对象装置、与发的控制实验用的各种受控对象装置、与发的控制实验用的各种受控对象装置、与发的控制实验用的各种受控对象装置、与 MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink 或或或或 NI NI NI NI 公司公司公司公司 LabView Lab
11、View LabView LabView 等接等接等接等接口板卡和实时控制软件口板卡和实时控制软件口板卡和实时控制软件口板卡和实时控制软件 WinCon WinCon WinCon WinCon 等，可以用类等，可以用类等，可以用类等，可以用类似于似于似于似于 SPACE SPACE SPACE SPACE 的方式进行半实物仿真与实时控的方式进行半实物仿真与实时控的方式进行半实物仿真与实时控的方式进行半实物仿真与实时控制研究。制研究。制研究。制研究。2023/1/227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9.2.2 9.2.2 QuanserQuanser 常用模块介绍
12、常用模块介绍 Quanser Quanser Quanser Quanser 系列产品提供了系列产品提供了系列产品提供了系列产品提供了 MultiQ MultiQ MultiQ MultiQ 板板板板卡或其卡或其卡或其卡或其他形式的接口板卡，带有数模转换器输入他形式的接口板卡，带有数模转换器输入他形式的接口板卡，带有数模转换器输入他形式的接口板卡，带有数模转换器输入(DAC)DAC)DAC)DAC)、模数转换器输出模数转换器输出模数转换器输出模数转换器输出(ADC)ADC)ADC)ADC)、电机编码输入、电机编码输入、电机编码输入、电机编码输入(ENC)ENC)ENC)ENC)等等等等输入输出
13、接口，可以直接将计算机与受控对象连输入输出接口，可以直接将计算机与受控对象连输入输出接口，可以直接将计算机与受控对象连输入输出接口，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。接起来，形成闭环控制结构。接起来，形成闭环控制结构。接起来，形成闭环控制结构。WinCon WinCon WinCon WinCon 是是是是在在在在 Windows Windows Windows Windows 环境下实现实时控制环境下实现实时控制环境下实现实时控制环境下实现实时控制的应用程序，该程序可以启动由的应用程序，该程序可以启动由的应用程序，该程序可以启动由的应用程序，该程序可以启动由 Simuli
14、nk Simulink Simulink Simulink 模型模型模型模型生成的代码，向生成的代码，向生成的代码，向生成的代码，向 MultiQ MultiQ MultiQ MultiQ 板卡发送命令或从板卡板卡发送命令或从板卡板卡发送命令或从板卡板卡发送命令或从板卡采集数据，达到实时控制的目的。采集数据，达到实时控制的目的。采集数据，达到实时控制的目的。采集数据，达到实时控制的目的。2023/1/228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9.2.3 9.2.3 QuanserQuanser 旋转运动控制系列旋转运动控制系列 实验受控对象简介实验受控对象简介 旋转倒立
15、摆旋转倒立摆旋转倒立摆旋转倒立摆 平面倒立摆平面倒立摆平面倒立摆平面倒立摆 回转仪回转仪回转仪回转仪2023/1/229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 柔性臂柔性臂柔性臂柔性臂 平面连杆机器人平面连杆机器人平面连杆机器人平面连杆机器人2023/1/2210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倒立摆系统的简要描述：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
16、一个摆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杆。通过控制旋转臂的运动来保持摆杆处于垂直倒立状态。立状态。平面倒立摆则将一根长摆杆安装在一含有两个自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。将这个机构装于动，摆杆的摆角通过传感器测量。将这个机构装于 2 2 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。2023/1/2211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9.3 9
17、.3 半实物仿真与实时控制半实物仿真与实时控制实例实例n受控对象的数学描述与仿真研究受控对象的数学描述与仿真研究nQuanser 实时控制实验实时控制实验dSPACE 实时控制实验实时控制实验2023/1/2212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9.3.1 9.3.1 受控对象的数学描述与受控对象的数学描述与 仿真研究仿真研究 球杆系统实物图球杆系统实物图球杆系统实物图球杆系统实物图2023/1/2213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 球杆系统示意图球杆系统示意图球杆系统示意图球杆系统示意图球杆系统的控制原理球杆系统的控制原理:通过电机
18、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。2023/1/2214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 在球杆系统中，杆的位置在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电机是输出信号，电机的电压的电压 为控制信号，需要设计一个控制器，由为控制信号，需要设计一个控制器，由预期位置预期位置 和检测到的实际位置和检测到的实际位置 之间的误差信之间的误差信号号 来计算控制信号来计算控制信号 。钢球在连杆钢球在连杆BC BC 上起滑动变阻器的作用，其位置上起滑动变阻器的作用，其位置 可以通过电可以通过电
19、阻的值直接检测出来。阻的值直接检测出来。2023/1/2215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n n电机拖动系统的数学模型电机拖动系统的数学模型电机拖动系统的数学模型电机拖动系统的数学模型 电机仿真模型电机仿真模型电机仿真模型电机仿真模型2023/1/2216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推导出电机电压信号推导出电机电压信号 与夹角与夹角 之间的传递函数描述之间的传递函数描述 电机拖动仿真模型电机拖动仿真模型电机拖动仿真模型电机拖动仿真模型2023/1/2217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n n球杆系统的
20、数学模型球杆系统的数学模型球杆系统的数学模型球杆系统的数学模型 受控对象模型受控对象模型受控对象模型受控对象模型2023/1/2218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 球杆系统控制模型球杆系统控制模型球杆系统控制模型球杆系统控制模型2023/1/2219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9.3.2 9.3.2 QuanserQuanser 实时控制实验实时控制实验 实时控制实时控制实时控制实时控制 Simulink Simulink 框图框图框图框图2023/1/2220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9.3.3
21、 9.3.3 dSPACEdSPACE 实时控制实验实时控制实验 dSPACEdSPACEdSPACEdSPACE 使用的使用的使用的使用的 SimulinkSimulinkSimulinkSimulink 框图框图框图框图2023/1/2221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9.4 9.4 本章要点简介本章要点简介n n给出了半实物仿真的概念，综述了目前与给出了半实物仿真的概念，综述了目前与 MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink 可以无缝连接的两大主流半实物可以无缝连接的两大主流半实物仿真软硬件系统，即仿真软硬件系统，即 dSPACEdSP
22、ACE与与 QuanserQuanser 产品，并介产品，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时控制实验的 QuanserQuanser 受控对象旋转运动控制实验受控对象旋转运动控制实验系列装置。系列装置。n n以旋转运动控制系列中的球杆系统为例，介绍了其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建模方法与 SimulinkSimulink 模型搭建方法，进行了系统的模型搭建方法，进行了系统的仿真研究，并分别介绍了由仿真研究，并分别介绍了由 QuanserQuanser 控制器及控制器及 dSPACEdSPACE 控制器对其实时控制的方法及控制效果。控制器对其实时控制的方法及控制效果。2023/1/2222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