《计算机仿真技术 教学课件 ppt 作者 郝培锋 崔建江 潘峰 第9章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机仿真技术 教学课件 ppt 作者 郝培锋 崔建江 潘峰 第9章（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、9.1 实时仿真与半实物仿真 9.2 仿真规划 9.3 仿真工具的特性 9.4 系统实现方案与选择 9.5 实时仿真系统实验平台设计 9.6 系统实时性分析 9.7 小结,第9章,目前所讨论的，大多是纯数字的仿真方法，并未考虑和外部真实世界之间的关系。在很多实际过程中，不可能准确获得系统的数学模型，所以也就无法建立起仿真模型框图；有时由于实际模型的复杂性，建立起来的模型也不准确，所以需要将实际系统对象原型放置在仿真系统中进行仿真研究。这样的仿真通常称为“硬件在回路”(Hardware-in-the-loop,简称HIL)仿真，又常称之为“半实物仿真”。,9.1 实时仿真与半实物仿真,2019/
2、5/21,3,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,2019/5/21,4,1 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。,2019/5/21,5,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。
3、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。,2019/5/21,6,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
4、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。,2019/5/21,7,9.1.2 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
5、计入门级产品。,2019/5/21,8,2 Quanser 简介与常用模块,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。,2019/5/21,9,2.2 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
6、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。,2019/5/21,10,2.3 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,2019/5/21,11,柔性臂,平面连杆机器人,2019/5/21,12,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
7、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。,2019/5/21,13,3 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,2019/5/21,14,3.1 受控对象的数学描述与 仿真研究,球杆系统实物图,2019/5/21,15,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
8、 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。,2019/5/21,16,电机拖动系统的数学模型,电机仿真模型,2019/5/21,17,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,2019/5/21,18,球杆系统的数学模型,受控对象模型,2019/5/21,19,球杆系统控制模型,2019/5/21,20,9.3.2 Quanser 实时控制实验,实时控制 Simulink 框图,2019/5/21,21,3.3 dSPACE 实时控制实验,dSPACE 使用的 Simulink 框图,2019/5/21,22,要点简介,
9、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。,2019/5/21,23,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。,1.瀑布开发方法 2.迭代开发方法,9.2 仿真规划,1.瀑布开发方法,图9.1 瀑布开发模型,2.
10、迭代开发方法,图9.2 迭代开发模型,(1)图形模型开发 虽然也有其他图形模式，但在仿真工具中的图形模型常是以框图形式来表示的。 (2)公式建模 尽管图形建模能力十分强大，还有许多情况需要在仿真模型中用一系列公式来描述其行为。 (3)实时HIL仿真 对非实时环境下开发的模型，可以在实时HIL仿真环境下进行编译和运行。 (4)底层仿真模型的扩展库 仿真工具提供的模型越多，开发者用于仿真开发的时间就越短。 (5)支持向量矩阵运算 许多仿真运算基于或有效利用了向量和矩阵运算，而一个具有鲁棒性的仿真环境应该易于用向量和矩阵来实现仿真。,9.3 仿真工具的特性,(6)仿真运行中产生数据显示 获得仿真系统
11、行为的最快的方法是在其运行过程中查看图形或动画显示。 (7)存储仿真数据、创建图形和离线造表 在多仿真计算环境中，有必要存储每次运行的输出数据以便后续分析和显示。,9.3 仿真工具的特性,(1)图形模型开发,虽然也有其他图形模式，但在仿真工具中的图形模型常是以框图形式来表示的。,(2)公式建模,尽管图形建模能力十分强大，还有许多情况需要在仿真模型中用一系列公式来描述其行为。,(3)实时HIL仿真,对非实时环境下开发的模型，可以在实时HIL仿真环境下进行编译和运行。,(4)底层仿真模型的扩展库,仿真工具提供的模型越多，开发者用于仿真开发的时间就越短。这个功能是假设仿真工具提供的模型与仿真开发者的
12、使用有关。,(5)支持向量矩阵运算,许多仿真运算基于或有效利用了向量和矩阵运算，而一个具有鲁棒性的仿真环境应该易于用向量和矩阵来实现仿真。,(6)仿真运行中产生数据显示,获得仿真系统行为的最快的方法是在其运行过程中查看图形或动画显示。如果有明显问题，用户可以停止仿真运行，找出问题，并且开始新的运行。,(7)存储仿真数据、创建图形和离线造表,在多仿真计算环境中，有必要存储每次运行的输出数据以便后续分析和显示。,9.4.1 方案的提出 9.4.2 RTW的基础及应用 9.4.3 dSPACE实时系统,9.4 系统实现方案与选择,9.4.1 方案的提出,图9.3 Windows方式,图9.4 MAT
13、LAB实时内核方式,9.4.1 方案的提出,图9.5 实时仿真系统原理框图,9.4.2 RTW的基础及应用,1.RTW的主要特点 2.RTW的程序创建 3.RTW的开放式体系结构,1.RTW的主要特点,1)RTW支持连续时间、离散时间和混合时间系统，包括条件执行系统和非虚拟型系统。 2)RTW将Simulink外部模式的运行监视器(Run-Time Monitor)与实时目标无缝集成在一起，提供了极好的信号监视和参数调整界面。 3)RTW支持Stateflow代码生成器，可用来生成事件驱动型系统的有限状态机代码。,图9.6 RTW在系统设计中的作用,2.RTW的程序创建,1)分析模型和对模型描
14、述文件进行编译。 2)由目标语言编译器从模型中生成代码。 3)程序联编文件(Makefile)的生成。 4)在自定义的程序创建文件的控制下，由联编实用程序生成可执行程序。,图9.7 RTW程序创建过程,3.RTW的开放式体系结构,(1)中间模型描述文件(modle.rtw) 代码生成过程的初始阶段是对源模型进行分析。 (2)目标语言编译器(TLC)程序 目标语言编译器对某一特定程序进行解释，该程序读取中间模型描述文件并生成代码。 (3)从模型中生成的源代码 (4)模板联编文件和程序联编文件 程序联编文件(modle.mk)的作用是对所生成的代码的编译和链接过程进行控制。,3.RTW的开放式体系
15、结构,图9.8 RTW开放式体系结构,(1)中间模型描述文件(modle.rtw),代码生成过程的初始阶段是对源模型进行分析。分析得到的模型描述文件包含了一个等级式结构，该结构记录了系统、模块及其连接的描述。用户可以将自己的模块参数加入到中间模型描述文件中，对代码生成过程进行个性化配置。,(2)目标语言编译器(TLC)程序,目标语言编译器对某一特定程序进行解释，该程序读取中间模型描述文件并生成代码。,(3)从模型中生成的源代码,1)可输出的入口点提供了用户手写代码与生成代码的接口，可以使用户开发自己的定时和执行引擎，或将由几个模型生成的代码合并到一个可执行文件中。 2)可自动使用户代码对生成代
16、码中的信号、参数和其他数据结构进行访问，因而可使用户代码具有参数调整和信号监测功能。 3)自定义代码模块可以使用户将自己的代码直接加入到生成的代码中(模型或子系统中)。 4)运行时界面(RTI)支持文件所包含的代码并提供了访问所生成的模型代码的接口。 主程序； 用于实现用户外部模式通信协议的代码与生成代码中定义的参数和信号； 进行接口的代码； 定时器和其他中断服务例程；,(3)从模型中生成的源代码,硬件I/O驱动模块。,(4)模板联编文件和程序联编文件,程序联编文件(modle.mk)的作用是对所生成的代码的编译和链接过程进行控制。RTW在代码生成/程序建立过程中从模板联编文件中生成modle.mk文件。用户可以生成自己的模板联编文件，对程序联编过程中编译器选项和其他变量进行控制。,9.4.3 dSPACE实时系统,1.系统的组成及特点 2.基于dSPACE的控制系统开发过程,1.系统的组成及特点,1)组合性强：使用标准组件系统，可以对系统进行多种组合，以满足不同需求。 2)过渡性好，易于掌握使用：与MATLAB/Simulink无缝
