远程控制理论实验室专用控制器的研究与开发

论文摘要

目前,控制理论研究者对于复杂对象控制方法的研究多是通过仿真验证或理论分析,缺乏物理实验系统的验证。因此,为复杂对象控制方法的研究提供一个易于实验的物理实验系统是具有重要意义的。控制器作为控制系统中最为重要的组成部分,其性能决定了整个实验系统的性能是否优越。因此,本文依托于东北大学“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台,首先提出了远程控制理论实验室的总体架构,在此架构下进行了远程控制理论实验室专用控制器的研究与开发。通过本文开发的控制器搭建的实验系统,可以为控制理论研究者提供一个易于复杂对象控制算法研究的实物控制实验系统,使他们不仅能完成复杂对象控制算法的仿真研究,同时也能够快速地在实物系统上进行实时控制实验验证。这样,各种复杂对象控制算法通过实际物理系统的实验验证,也促进了该方法应用于实际工业过程。同时本文开发的控制器支持网络控制,方便远程控制实验系统的构建。本文的主要工作内容如下：1.针对于控制技术的发展现状,对国内外先进控制器技术进行了分析和总结,提出了远程控制理论实验室专用控制器的总体结构思想,对远程控制理论实验室专用控制器系统进行了总体设计,并对其硬件系统和软件系统进行了功能与结构设计。硬件系统采用快速原型和模块化设计思想,并支持网络控制,易于功能扩展和实验连接。软件系统采用图形化编程,支持实时代码自动生成,避免繁琐代码的编写。2.对专用控制器系统中硬件和软件系统进行了详细设计与开发。其中,硬件系统包括了目标控制器和驱动器的设计与开发。目标控制器是核心控制单元,提供AD、PWM和GPIO等丰富接口,驱动器提供通用接口并根据控制信号实现对实物对象的控制。软件系统包括了人机界面、模块库以及实验案例的设计与开发。模块库包括硬件系统接口驱动库、对象模型库和算法库等。3.进行了远程控制理论实验室专用控制器的实验验证。针对Quanser实验对象,利用本文开发的控制器分别进行了基于Simulink的旋转柔性臂实时控制实验、基于MATLAB的旋转倒立摆虚拟仿真实验和基于M语言的伺服模块位置控制实时仿真实验。实验结果表明本系统可以方便地进行物理实验系统验证,并可以进行虚拟仿真实验和实时仿真实验,验证了系统的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 实时控制器的发展现状
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 远程控制理论实验室的总体分析
• 2.1 引言
• 2.2 远程实验室的优缺点
• 2.3 远程控制理论实验室的功能需求
• 2.4 远程控制控制理论实验的总体架构
• 2.5 远程实验步骤设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 远程控制理论实验室专用控制器的总体设计
• 3.1 引言
• 3.2 专用控制器系统的总体架构设计
• 3.2.1 xPC Target简介
• 3.2.2 专用控制器的总体架构
• 3.3 硬件系统的架构设计
• 3.3.1 硬件系统功能设计
• 3.3.2 硬件系统结构设计
• 3.4 软件系统的架构设计
• 3.4.1 软件系统功能设计
• 3.4.2 软件系统结构设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 远程控制理论实验室专用控制器硬件的设计与开发
• 4.1 引言
• 4.2 目标控制器的设计与开发
• 4.2.1 目标控制器设计
• 4.2.2 目标控制器开发
• 4.3 驱动器的设计与开发
• 4.3.1 驱动器设计
• 4.3.2 驱动器开发
• 4.4 本章小结
• 第5章 远程控制器理论实验室专用控制器软件的设计与开发
• 5.1 引言
• 5.2 软件系统的开发环境
• 5.3 人机界面的设计与开发
• 5.3.1 人机界面设计
• 5.3.2 人机界面开发
• 5.4 模块库的设计与开发
• 5.4.1 模块库设计
• 5.4.2 模块库开发
• 5.5 实验案例的设计与开发
• 5.5.1 实验案例设计
• 5.5.2 实验案例开发
• 5.6 本章小结
• 第6章 远程控制理论实验室专用控制器的实验验证
• 6.1 引言
• 6.2 基于旋转柔性臂的实时控制实验
• 6.2.1 旋转柔性臂数学建模
• 6.2.2 旋转柔性臂控制器设计
• 6.2.3 实验结果及分析
• 6.3 基于旋转倒立摆的虚拟仿真实验
• 6.3.1 旋转倒立摆对象数学建模
• 6.3.2 旋转倒立摆控制器设计
• 6.3.3 实验结果及分析
• 6.4 基于伺服模块的实时仿真实验
• 6.4.1 伺服模块对象数学建模
• 6.4.2 伺服模块控制器设计
• 6.4.3 实验结果及分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文