實(shí)時(shí)仿真方法在伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究.pdf

1、系統(tǒng)仿真是迅速發(fā)展起來的一門綜合的新興學(xué)科，它涉及到控制理論、相似性原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域，隨著系統(tǒng)仿真的理論方法和應(yīng)用技術(shù)研究的深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行仿真的技術(shù)越來越受到人們的重視。實(shí)時(shí)仿真是在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物的一種仿真形式。實(shí)時(shí)仿真同其它類型的仿真方法相比具有實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的可能性，是仿真技術(shù)中置信度最高的一種仿真方法。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，實(shí)時(shí)仿真允許在系統(tǒng)中接入部分實(shí)物，

2、意味著可以把實(shí)物放在系統(tǒng)中進(jìn)行考察和檢驗(yàn)，是提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性的必要手段。 本文將實(shí)時(shí)仿真技術(shù)應(yīng)用于一類典型伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。將微型足球機(jī)器人、球桿系統(tǒng)和倒立擺等伺服控制對(duì)象置于仿真回路中，直接獲得系統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能和展開相應(yīng)研究，對(duì)該類控制系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用具有很好的推動(dòng)作用。 論文主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新工作： (1)詳細(xì)綜述了系統(tǒng)仿真技術(shù)與實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的概念、形成發(fā)展及其主要的應(yīng)用，著重研究

3、了實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真算法與體系結(jié)構(gòu)，完成了對(duì)建立一套實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案和平臺(tái)設(shè)計(jì)的開發(fā)過程，分析和驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。 (2)基于拉格朗日法的動(dòng)力學(xué)建模。針對(duì)伺服控制對(duì)象中的一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，由于其狀態(tài)變量比較多，因此其動(dòng)力學(xué)模型比較復(fù)雜?；谙到y(tǒng)齊次坐標(biāo)變換和系統(tǒng)能量的變化，推導(dǎo)并建立了該類伺服系統(tǒng)受控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)模型。 (3)基于MATLAB/Simulnk與dSPACE的無縫連接，建立伺服控制實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，

4、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)硬件的圖形化和參數(shù)變量的可視化，通過建立虛擬儀表與實(shí)時(shí)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，完成試驗(yàn)過程的綜合管理。 (4)基于建立的伺服控制實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，對(duì)微型足球機(jī)器人系統(tǒng)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模型的辨識(shí)和系統(tǒng)的跟隨性能測(cè)試。 (5)在對(duì)球桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制分析基礎(chǔ)上，應(yīng)用ITAE最優(yōu)控制準(zhǔn)則對(duì)系統(tǒng)伺服控制器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了系統(tǒng)參數(shù)的全局最優(yōu)解，并在建立的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中

5、加以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。 (6)通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析，不僅完成了倒立擺系統(tǒng)可擺性分析，而且將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程劃分為起擺、擺動(dòng)和穩(wěn)擺三個(gè)主要階段，并進(jìn)一步細(xì)劃每一階段的主要控制目標(biāo)，依此設(shè)定控制器類型，基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制狀態(tài)的平穩(wěn)切換。 (7)基于最優(yōu)控制思想，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)一級(jí)倒立擺、旋轉(zhuǎn)二級(jí)倒立擺和2dof平面倒立擺的平衡控制。通過在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，驗(yàn)證了控制器的魯棒性?；趯?shí)時(shí)仿真平臺(tái)，給定PRBS偽隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)輸