基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

于春梅， 易 奎， 侯惠讓?zhuān)?畢效輝

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 四川 綿陽(yáng) 621010)

1 控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

自動(dòng)控制類(lèi)課程是自動(dòng)化、電氣工程、機(jī)電一體化等專(zhuān)業(yè)的主要課程，其中包括控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)的研究生入學(xué)考試重點(diǎn)課程“自動(dòng)控制理論”。盡管各個(gè)學(xué)校均給予該課程足夠的重視，但由于學(xué)時(shí)數(shù)、設(shè)備數(shù)的限制，控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程仍存在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多的問(wèn)題。不少學(xué)校增加了設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，但多以電子電路模擬和Matlab仿真為主，學(xué)生往往對(duì)實(shí)際系統(tǒng)感覺(jué)陌生。

西南科技大學(xué)控制理論與控制工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在四川省精品課程和四川省精品資源共享課程等項(xiàng)目支持下，開(kāi)發(fā)了以Flash動(dòng)畫(huà)為主的電子教材[1]以及基于Matlab仿真軟件的電子輔助教材[2]。這些教材對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解具有很好的效果。但是，Matlab只能針對(duì)數(shù)學(xué)模型，而Flash無(wú)法隨系統(tǒng)參數(shù)變化而改變。為了改善這一狀況，我?？刂萍夹g(shù)實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)了一些典型控制對(duì)象如吊車(chē)擺、倒立擺、機(jī)械臂等；但這些設(shè)備價(jià)格昂貴，只能進(jìn)行演示，滿足少數(shù)特別優(yōu)秀本科生、研究生的實(shí)驗(yàn)要求，絕大多數(shù)學(xué)生不能得到良好鍛煉。

虛擬樣機(jī)技術(shù)可以將一些分散的零部件組成完整的機(jī)械模型，并對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，可方便地虛擬出工程實(shí)際場(chǎng)景，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[3-5]。將虛擬樣機(jī)技術(shù)與Matlab等軟件結(jié)合的聯(lián)合仿真手段也在機(jī)車(chē)制造等行業(yè)得到了較廣泛的應(yīng)用[6-8]。

隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的普及，不少高校將其作為構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的工具。這其中，美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)因具有預(yù)測(cè)模型性能，計(jì)算運(yùn)動(dòng)路徑、速度和加速度等功能，并且直觀、明了，成為許多高校的首選。北京航空航天大學(xué)將其用于全校性公共選修課程“建模與仿真”的實(shí)驗(yàn)，主要面向有一定ADAMS 軟件基礎(chǔ)的學(xué)生[9]。天津理工大學(xué)機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)課搭建起了3-RRRT 并聯(lián)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，主要使用對(duì)象為機(jī)電專(zhuān)業(yè)的研究生[10]。

借助ADAMS開(kāi)發(fā)出在控制類(lèi)課程中普遍適用的虛擬平臺(tái)，使學(xué)生能感受到實(shí)際系統(tǒng)控制的情境，而又不需要掌握ADAMS軟件本身，是西南科技大學(xué)控制理論與控制工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)。

基于此，本文主要完成以下工作：

(1) 設(shè)計(jì)構(gòu)成典型控制對(duì)象的物理模型，并提供與Matlab聯(lián)合仿真的接口供學(xué)生設(shè)計(jì)控制器并觀察控制效果；

(2) 錄制控制器加入前后仿真運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生對(duì)控制器的作用有直觀感受；

(3) 添加各種測(cè)量信號(hào)并記錄運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)和曲線，作為系統(tǒng)辨識(shí)課程的輸入輸出數(shù)據(jù)。

2 物理模型的構(gòu)建

物理模型的構(gòu)建是控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)。本團(tuán)隊(duì)主要挑選了倒立擺、吊車(chē)擺、2自由度機(jī)械臂、加速度計(jì)等典型控制對(duì)象作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,一方面是因?yàn)檫@些對(duì)象具有鮮明的應(yīng)用背景，另一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室有這些對(duì)象的實(shí)物，便于學(xué)生與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比較。而一旦幾何模型搭建完成，學(xué)生僅用計(jì)算機(jī)就可以對(duì)其進(jìn)行控制。建立模型的步驟如下。

步驟1：建立物理模型并修改參數(shù)。

啟動(dòng)MSC.ADAMS/View并建立一個(gè)新的數(shù)據(jù)文件；設(shè)置長(zhǎng)度、力等單位和合適的柵格尺寸；由各零件構(gòu)建幾何模型，比如連桿(關(guān)節(jié)、擺桿等)、長(zhǎng)方體(質(zhì)塊、小車(chē))、彈簧阻尼器等組成所需要的系統(tǒng)。

步驟2：添加約束。

當(dāng)建立了虛擬模型后，還需要加一些約束來(lái)表明構(gòu)件之間的約束關(guān)系，同時(shí)將不同的構(gòu)件連接在一起，組成一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)。加入約束還能夠減少系統(tǒng)的自由度數(shù)，不同的約束減少的自由度數(shù)不同。平移副包括小車(chē)沿地面的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)塊的直線運(yùn)動(dòng)等，轉(zhuǎn)動(dòng)副包括擺桿的旋轉(zhuǎn)、機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)等。

步驟3：添加驅(qū)動(dòng)。

添加驅(qū)動(dòng)是為了約束未被約束的自由度。從某種意義上說(shuō)，驅(qū)動(dòng)也是一種約束，只是這種約束是時(shí)間的函數(shù)。驅(qū)動(dòng)分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)(如機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩)和滑移驅(qū)動(dòng)(如小車(chē)的運(yùn)動(dòng)力)。

步驟4：建立測(cè)量。

這一步將需要觀測(cè)的變量標(biāo)示出來(lái)，這樣可以在仿真結(jié)束后觀察這些變量的曲線,比如小車(chē)位移、速度、擺角、角速度等變量曲線。通過(guò)這幾個(gè)步驟建立起來(lái)的吊車(chē)單擺模型的多角度圖如圖1所示。

圖1 吊車(chē)單擺物理模型

一旦建立好幾何模型，只需要指定系統(tǒng)的輸入和輸出(即與Matlab的接口)就可以了。

3 聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)

ADAMS與Matlab的聯(lián)合控制由ADAMS/Controls將兩者連接，由Matlab/Simulink讀入ADAMS中描述系統(tǒng)方程的有關(guān)參數(shù)，通過(guò)其建立的控制方案計(jì)算輸出驅(qū)動(dòng)物理模型。然后，ADAMS中物理模型的位移、速度等輸出又反饋給控制模型，實(shí)現(xiàn)在控制系統(tǒng)軟件環(huán)境下的交互式仿真。在計(jì)算過(guò)程中，ADAMS與Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過(guò)程如圖2所示。

建立ADAMS/Matlab聯(lián)合仿真的步驟如下。

圖2 聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交換過(guò)程

步驟1：創(chuàng)建狀態(tài)變量，并將狀態(tài)變量與模型相關(guān)聯(lián)。

步驟2：指定輸入變量和輸出變量，并將輸入變量數(shù)值設(shè)為零。比如在吊車(chē)單擺中將小車(chē)力指定為輸入，小車(chē)的位移和速度、擺角和角速度指定為系統(tǒng)輸出。

步驟3：加載ADAMS/Controls模塊，導(dǎo)出控制參數(shù)。選擇Matlab為ADAMS的外部控制軟件，在ADAMS工作目錄中生成*.m、*.cmd和*.adm這3個(gè)文件。

至此，物理模型與Matlab的接口已經(jīng)完成。學(xué)生只需在Matlab命令窗口運(yùn)行所生成的*.m文件，輸入命令adams_sys，在ADAMS中建立的物理模型就可以像Simulink中的模塊一樣方便地使用。學(xué)生根據(jù)自己的需要搭建不同的控制器，即可以觀看運(yùn)行效果和運(yùn)行曲線。圖3中分別為針對(duì)吊車(chē)單擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的雙回路PID控制器和狀態(tài)反饋控制器。通過(guò)修改PID參數(shù)或者狀態(tài)反饋系數(shù)就可以得到不同的控制效果。

圖3 吊車(chē)單擺系統(tǒng)的控制

4 可完成的實(shí)驗(yàn)

該控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了為學(xué)生學(xué)習(xí)控制理論課程提供直觀演示外，還可以完成PID控制器的設(shè)計(jì)、狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)、模糊控制器的設(shè)計(jì)、各類(lèi)最小二乘辨識(shí)方法和極大似然法等實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可以作為控制理論、控制系統(tǒng)仿真、運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制、智能控制、系統(tǒng)辨識(shí)等課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的平臺(tái)，為學(xué)生設(shè)計(jì)控制器提供對(duì)象，也為辨識(shí)實(shí)驗(yàn)提供輸入輸出數(shù)據(jù)[11]。

控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)可利用ADAMS設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的控制對(duì)象，只需要提供與Matlab仿真的接口即可，甚至還可以利用其他機(jī)械設(shè)計(jì)軟件如Pro/E等實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的對(duì)象再載入ADAMS[12]；(2)與Matlab的仿真曲線相比，ADAMS生成的實(shí)際運(yùn)行動(dòng)畫(huà)效果更加直觀；(3)只需要計(jì)算機(jī)，即可完成復(fù)雜控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，大大節(jié)約了設(shè)備成本。

筆者注意到，該平臺(tái)還存在以下缺點(diǎn)：(1)聯(lián)合仿真對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，必須同時(shí)安裝ADAMS和Matlab兩種軟件；(2)可以滿足控制器設(shè)計(jì)的要求，但不能模擬組成系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器等元件。至于第一個(gè)缺點(diǎn)，隨著集成化程度的提高，計(jì)算機(jī)的性能滿足聯(lián)合仿真的要求已不是難事；對(duì)第二個(gè)缺點(diǎn)，比如傳感器的非線性、執(zhí)行器的死區(qū)等特性，還是要與實(shí)際系統(tǒng)結(jié)合。學(xué)生可分組測(cè)量實(shí)驗(yàn)室吊車(chē)擺、倒立擺、機(jī)械臂、液位控制等系統(tǒng)的傳感器特性、執(zhí)行器特性等，以獲得第一手資料?？傊?，通過(guò)該平臺(tái)可完成自動(dòng)控制理論到運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、計(jì)算機(jī)控制的順利過(guò)渡。

[1] 畢效輝,于春梅,陳淼.《自動(dòng)控制原理》電子教材[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2005.

[2] 畢效輝,于春梅,張春峰.MATLAB自控理論學(xué)習(xí)與仿真[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2007.

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