本科工程师使用基于模型的开发液压伺服控制系统设计与仿真软件金宝app

在过去,控制工程的独家省计算机和电子工程师高学历和多年的经验在低级编程语言。今天,工程师和学生都可以使用基于模型的设计快速设计和实现实时控制系统,而无需学习低级编程。使用在汽车和航空行业,基于模型设计的地方发展中心高级系统模型。这种方法有助于工程不仅学生理解的基本物理系统组件、组件之间的交互和整个系统的行为。

基于模型的设计与仿真软件金宝app^®和仿真软金宝app件桌面实时™改变了我们教机械控制加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波(加州理工大学)。在我422 -机械控制,快节奏的介绍控制理论要求所有老年人的机械工程部门,学生使用MATLAB^®仿真软件金宝app处理实验数据和模型模拟开放和闭环系统。因为他们利用MATLAB环境在整个本科阶段的学习,他们撞到地面运行过程中实验室。最重要的是,模型和仿真软件桌面实金宝app时使他们连接控制设计理论与实际实现快速实现实时控制器原型。

课程概述

机械控制由三个小时的讲座和一个实验室每周三个小时。对于涵盖的主题包括单变量线性系统建模、时域分析、传递函数,根轨迹,频率响应方法和比例积分微分(PID)和超前滞后控制器。

四个实验加强演讲的主题。在前三个实验室,学生探索模拟直流伺服位置控制,槽式水位调节器,液压伺服控制。每个实验都是在连续两周完成。

最后的实验室是一个控制器设计的项目,使学生有机会应用技术经验和背景他们获得了整个过程。与前面的实验室,学生有一个完整的星期开发控制器之间的会话,在最后的实验室设计完成后在一个会话。

实验室工作流程

第一个三个实验室遵循相同的基本步骤:系统辨识、系统分析、建模和仿真。学生测量开环系统的行为使用国家仪器PCI绪16数据采集板的军医记录系统输出为输入值的范围。他们的任务是使用这个系统识别数据来设计一个控制器使用古典方法典型地,根轨迹技术。

在MATLAB工作,学生们后处理数据通过绘制波形,计算时间常数,等等。然后构建和模拟仿真软件系统的开环模型。金宝app比较仿真结果与实际测量后,他们建立一个系统的闭环模型,通过仿真测试其性能。这种方法增强了经典控制理论技术的重要性和价值的模拟闭环系统之前,确保稳定和安全的实现。

每个实验室的学生提交一份报告,通常记录他们的结果与图和MATLAB生产的情节。

实现液压伺服控制

第三实验室和最终的设计项目,学生探索液压伺服控制系统中使用的类似建筑、制造、航空航天工业公司(图1)。我们实验室的房间有一个液压伺服控制系统组成的铅质量安装在一个直线轴承和双头液压缸驱动。在前几年,学生使用一个图形化编程环境来完成实验任务。提高实验室,我需要一个环境,可以提供更准确的积分和微分控制的高采样率和低延迟的软件。

今天,学生使用仿真软件和实时窗口实现液压伺服控制的目标。金宝app这一阶段的课程,他们擅长使用仿真软件建立系统模型的控制器使用反馈,收益,和输入源,可以理解控制系统是如何工金宝app作的,只要看着仿真软件模型(图2)。

转换为这个实验室仿真软件的一个主要优势是,学生可以遵循相同的工作流,他们金宝app用于实验室但是现在可以修改控制算法本身,用仿真软件编码器生成代码^®,然后运行该系统使用实时仿真软件桌面实时。金宝app在前几年,学生仅限于proportional-only设计,但仿真软件和桌面实时仿真软件,他们可以构建实时实现的任何类型的控制,包括proportional-o金宝appnly、比例加积分,和完整的PID。

金宝app模型范围使学生很容易分析信号和回答关于他们的控制器的性能的关键问题。当被问及一个特定的驱动信号已经饱和,例如,学生可以立即使用仿真软件可视化信号。金宝app更很难回答这个问题,如果嵌入式系统不提供内部信号。

在实验室里使用基于模型的设计

在最后的实验任务,学生们设计他们自己的控制器。他们使用液压系统,分析了在前面的实验室,但我改变其质量和添加一个阻尼弹簧改变它的动态。

我执行系统识别通过测量系统的开环频率响应使用信号分析仪。从这个频率响应数据,学生们估计系统的传递函数使用在MATLAB曲线拟合技术。然后他们有了大约两小时来设计PID控制器的仿真软件。金宝app我给他们选择使用传统的根轨迹技术或输出控制系统工具箱™的设计工具。

我总是确保学生已经学会手工绘制根轨迹之前我介绍输出设计工具。学生们看到后是多么容易执行根轨迹分析的输出工具,他们不感兴趣的传统技术。然而,输出工具是一个功能强大的教具。在讲座中,我可以用它来显示屏幕的一侧根轨迹和阶跃响应。当我移动极点在根轨迹,我可以看到,第一次,学生真正理解之间的联系频率域和时间域不同的控制设计。

在最后一小时的实验室里,他们用仿真软件桌面实时实现设计和评估每个控制器的实时性金宝app能。

虽然课程强调迭代设计的价值,实验室的时间是昂贵的,所以学生只允许两个尝试。他们通常发现他们的第一个设计不工作他们认为,由于模型的局限性或设计错误。他们用他们的初步结果,指导我进行改进设计。我们评估每个控制器的实时性能通过绘制所需的概要文件与实测断面(图3)。

最低的学生表现最好的控制器(均方根误差)赢得额外的信用。

这样的实验室经验,在多个团队的学生设计控制系统中,观察它们的实时实现,一个三小时的实验室里进行修改,re-test-all会话可能离不开基于模型的设计和仿真软件的快速原型功能和实时仿真软件的桌面。金宝app

从教学的角度来看,能够显示学生在实际硬件控制器设计工作帮我演示控制理论的相关性。没有实战经验,课程材料看起来学术和理论,但是一旦他们看到自己的控制器来回移动质量,没有一个学生再次说,“我不认为控制理论。”