四旋翼虚拟仿真实验平台开发与实践

传统的四旋翼飞行器控制实验平台价格昂贵,实验开展过程容易受场地、学生数量和气候等条件的限制,该矛盾在“控制原理与技术”课程教学中尤为突出。针对以上问题,该文提出一种基于半物理仿真的四旋翼虚拟实验平台设计方案,并详细介绍了平台的关键技术,包括四旋翼物理模型建立、自定义目标软硬件实现,以及虚拟四旋翼与嵌入式目标之间的通信方法等。通过该虚拟仿真实验平台,可开展飞行器建模和飞行姿态控制等综合性实验,让学生掌握控制技术的实际应用方法,激发学生学习兴趣。

一种负刚度可调的高静低动刚度隔振系统特性分析及实验研究

针对现有高静低动刚度隔振器的设计参数均已固定,磁负刚度机构无法在线调整的问题,本文设计一种新型负刚度可调的电磁隔振器。利用永磁体与螺旋线圈设计电磁负刚度元件,并对其进行有限元仿真分析。通过静力分析,推导负刚度可调高静低动刚度隔振器力-位移-电流和刚度-位移-电流的数学表达式,得到系统在平衡位置获得准零刚度特性的条件。建立高静低动刚度隔振系统动态模型,利用平均法研究不同参数对系统幅频特性及力传递率的影响。研制原理样机,搭建试验台架并进行隔振性能测试试验,试验结果表明本文研究的高静低动刚度隔振器具有更宽的有效隔振频域和更低的传递率峰值。

基于模型预测的调距桨控制器设计与研究

调距桨属于舰船推进装置,其液压系统用于改变桨叶的螺距角度,使舰船在航行时可以灵活地改变航速、航向。为了解决调距桨达到指定信号时,超调量过大、响应时间过长的问题,对调距桨液压系统进行抽象建立数学模型,采取模型预测控制(MPC)的算法,对系统输出结果和跟踪信号进行分析,实时滚动优化控制器参数,最终设计出基于模型预测的调距桨控制器。在Matlab/Simulink环境下根据调距桨的实际运行工况,选择跟踪信号和阶跃信号两种情形下对MPC和PID控制器进行对比仿真实验。结果表明,MPC比PID控制器具有更好的准确性和响应速度,累积误差明显小于PID控制器。该控制器能够使调距桨快速达到预期响应,航行的及时性得到保证,可满足调距桨控制系统应用要求。

基于RTW和VC的半物理仿真系统的开发

通过RTW将Simulink仿真模型转化成可移植的嵌入式C++代码,提供了一种从Simulink仿真模型平滑过渡到Visual C++集成开发环境的方法,该方法充分利用了Simulink丰富便捷的建模环境,发挥了VC强大的硬件控制功能和人机界面设计灵活的优点。并结合科研实例介绍了利用该方法开发半物理仿真系统的具体步骤和实现方法。

基于实时视窗目标的硬件在回路仿真实现方法研究

基于Matlab实时视窗目标的硬件在回路中实时仿真系统开发具有周期短,费用低的特点,并且是硬件在回路中仿真最便捷的实现途径,但是实时视窗目标同硬件设备的通信还存在一定的局限性。提供了一种通过S函数自定义设备驱动程序的方法,这样大大扩展了实时视窗目标外部通信能力。结合实例介绍了基于实时视窗目标硬件在回路中仿真系统的体系结构,并且详细分析了仿真系统中借助S函数自定义设备驱动程序的实现方法。该方法具有一定的通用性,对基于Matlab的硬件在回路的实时仿真系统的实现有借鉴作用。

“任务驱动式”教学模式在动力控制课程教学中的应用

如今世界各地的教育都在强调问题解决能力,这是教育中一致关心和讨论的课题。使用什么形式的教学模式才能更好的让学员掌握知识、运用知识,如何让学员面向实战是当下重点问题。传统的教学模式通过教员“满堂灌”,或者少量互动的方式,教学效果不太理想。而“任务驱动式”教学模式目标在如何提高学员解决问题的能力,是面向实战的体现。

不确定Duffing混沌系统的同步控制

在模糊滑模变结构控制基础上,研究具有不确定性Duffing混沌系统的同步控制问题。选择合适的滑模面,基于Lyapunov稳定性理论设计模糊滑模变结构控制器及自适应更新规则,从理论上证明控制系统的稳定性。由于控制器的设计是基于自适应模糊滑模变结构控制的,与常规方法相比,控制器滑动模态不受干扰的影响,有较好的鲁棒性和快速跟踪能力。通过数值仿真实验验证了该系统的有效性。

PID控制系统交互式虚拟仿真软件的设计

介绍一种用于学习PID控制系统的交互式虚拟仿真软件及其设计方法,该软件可用于"自动控制原理"、"过程控制"等课程的辅助教学、虚拟实验以及学生的自学。仿真软件基于V isual C++、M atlab/S imu-link、和M atlab/RTW设计开发,实现了PID控制器设计、PID控制器参数整定等相关内容的多种仿真实验,帮助学生更直观地理解PID控制的物理意义和工作原理,培养了学生的研究能力和综合应用能力。

一阶直线倒立摆控制器MBD设计方法研究

倒立摆是控制领域检验各种控制策略有效性的典型控制对象。通过可视化仿真设计控制算法并部署于嵌入式电路板从而实现倒立摆控制是很值得研究的问题。提出了一种基于模型设计(MBD)方法用于一阶直线倒立摆控制器的快速开发。首先建立与真实倒立摆机械结构物理特性一致的多体动力学simscape可视化模型;其次在Simulink统一仿真环境下设计开发基于卡尔曼滤波的LQR控制算法,联合两者进行了可视化动态控制仿真;最后利用Embedded Coder自动生成了高效率嵌入式控制C代码,通过软件多线程代码集成并部署到嵌入式控制电路板中实现了倒立摆控制器的快速开发。最终通过实际控制实验,验证了利用上述方法进行控制器设计开发的有效性和便捷性。

变负载下超磁致伸缩作动器非线性动力特性分析

针对应用于混合隔振系统的超磁致伸缩作动器,建立了其耦合磁弹性的动力学方程。在磁致伸缩材料二次畴转模型和均质能量场磁滞模型基础上,分别分析了变应力对Terfenol-D材料饱和磁致伸缩、磁滞算子、矫顽场分布函数以及交互场密度分布函数的影响,并通过实验数据进行最小二乘参数识别和多项式拟合得到了考虑变应力的二次畴转模型和均质能量场磁滞模型,该模型可以有效地应用于变负载下Terfenol-D杆磁致伸缩的计算。通过对作动器耦合磁弹性动力学方程进行数值求解,得到不同频率及不同应力下外部激励磁场与作动器输出位移之间迟滞非线性关系。结果表明:相同频率下增大负载力,滞回环倾斜角度不变但其面积增加,作动器能量转换效率降低,同时负载力对作动器的幅频特性影响十分明显。

数字孪生在“舰船动力控制原理与技术”实践教学改革中的应用

为满足新教学大纲中强化实践与创新能力、突出优化实践性教学环节的教学需求,以“任务驱动式项目案例”教学法为实践教学改革的切入点,在分析课程传统实践教学中存在问题的基础上,对实践教学进行了全面改革。将智能制造领域的数字孪生技术引入实践条件建设,围绕某型调距桨装置和变频恒压供水装置实装样机,按照实战化教学要求全新打造了数字孪生实验平台。教学实践表明,通过数字孪生技术打造的实验平台进行实践教学改革,解决了传统实践教学中存在的问题,激发了学员自主学习、自主实践的主动性,降低了学习成本,提高了学习效率。

恒压供水装置嵌入式控制MBD方法

变频恒压供水装置目前在新型舰船上获得广泛应用,普遍采用进口PLC作为其控制器.为了研制拥有自主知识产权的嵌入式控制系统,本文提出一种基于模型设计(MBD)的变频恒压供水装置嵌入式控制系统快速开发方法.首先通过实验辨识建立与真实变频机组特性基本一致的数学模型;其次在Simulink统一仿真环境下根据模型设计开发模糊自适应PID稳压控制器和基于stateflow有限状态工况切换逻辑控制器,联合2者进行了动态控制仿真实验;最后利用embedded coder自动生成高效率嵌入式控制C代码,在uCOS-Ⅱ实时系统下进行软件多线程代码集成并部署到基于STM32自行设计开发的嵌入式控制电路板中实现嵌入式控制系统的快速开发.最终通过实际装置运行实验,验证了利用该方法进行嵌入式控制系统设计开发的有效性和便捷性.

一种支持Cortex-M3的Simulink自定义目标系统设计

在基于模型的嵌入式控制系统设计开发中,利用Simulink Coder和Embedded Coder等工具为控制算法、系统模型等自动生成嵌入式代码被证实是一种高效、可靠、便捷的方法;Mathworks为自带的Simulink模块和MTALAB函数的目标代码生成提供了支持,缺乏的是对于嵌入式开发中目标外围功能的直接支持,比如数字、模拟输入/输出,网络通信以及其它微控制器自身功能,而这对于嵌入式系统开发往往是不可缺少的重要部分;针对工业级嵌入式产品领域应用广泛的Cortex-M3内核微控制器这一目标,设计开发了支持常用外围功能的STM32F1XTarget目标系统以及配套的嵌入式控制板,详细阐述了STM32F1XTarget的工作流程和自定义设备驱动模块设计原理;设计的目标系统支持由系统模型到应用程序下载的一键式操作,这将算法设计和产品开发无缝连接到一起,大大加速了嵌入式控制系统的开发流程,降低了成本,最后在倒立摆嵌入式控制系统开发中进行了实验验证,检验了该目标的有效性和可靠性。

一种循环平稳声场的声源识别定位方法

传统的近场声全息技术在全息面声场预处理时,采用功率谱分析将声场简化为稳定的平稳声场,而旋转或往复机械的辐射声场为循环平稳声场,采用这种简化方法得到的分析结果并不能准确反映声场的特性。鉴此,对此类声场采用循环平稳信号处理方式进行了预处理,并选择循环谱密度作为重要参数进行全息重建,然后通过循环谱密度组合切片的分析方法提取信号特征频率。仿真及实验结果表明:提出的方法可准确分析循环平稳信号的周期特性,并对循环平稳声源进行准确的识别定位。

GMA离散自适应滑模变结构位移追踪控制研究

超磁致伸缩作动器(GMA)有应变大、能量密度高和响应速度快的特点,在主动隔振领域具有广阔的应用前景,但是其自身材料的磁滞非线性导致其位移控制精度大大降低。为提高其控制精度,方便在实际工程中应用,提出一种前馈逆补偿和反馈控制相结合的位移追踪控制策略。首先,采用自由能磁滞模型表示GMA的磁滞非线性特性;然后,通过变步长的LMS自适应滤波器逼近自由能磁滞模型的逆算子,实现前馈逆补偿,反馈控制方面则采用离散自适应滑模变结构控制器来实现;再次,考虑到实际应用中的过程噪声和测量噪声的干扰,采用Kalman滤波器进行滤波,消除了位移跟踪控制中变结构控制量的抖振;最后,仿真试验分析了控制器的跟踪性能以及抗噪声干扰能力,验证了该控制策略的有效性和可靠性。

VC和MATLAB集成的途径及其在仿真中的应用

该文介绍了VisualC ++6.0和MATLAB集成的四种途径。通过一个VC和MATLAB集成在某连续动力系统仿真中应用的实例详细说明了两者联合编程的步骤。两者集成有助于提高某连续动力系统仿真的编程效率 ,减轻编程工作量 。

基于数字孪生的调距桨虚拟样机设计及应用研究

为解决传统实践教学中实装样机数量和承训需求之间的矛盾,将智能制造领域的数字孪生先进理念引入“舰船动力控制原理与技术”课程实践条件建设,围绕某型调距桨装置实装样机给出了打造基于数字孪生的调距桨虚拟样机“分身复用”实践平台建设方案,详细介绍了调距桨数字孪生多学科领域模型的建立方法和调距桨虚拟样机平台集成方式。教学实践表明,通过数字孪生技术打造的实践平台进行综合设计,解决了传统实装样机实践教学中存在的矛盾,激发了学员自主学习、自主训练的主动性,降低了学习成本,提高了学习效率。

一种自适应M/T频率测量方法研究与实现

针对传统M/T测速法在全频段测速精度不一致,低速实时性较差的问题,在深入分析影响测速精度的因素的基础上,提出了一种自适应M/T测频法。该方法在全频段测速,以测量精度保持不变为原则,通过理论分析,绘制了5种工业常用仪表精度等级下的计数系数M、分频系数k与输入信号频率之间的关系曲线,并给出了计数系数M、分频系数k根据频率变化而自适应调整的原则。通过32位STM32F103VCT6单片机高速定时器的输入捕获功能实现了该自适应算法,通过实验证明了自适应调整M参数保证了高频段读数精度不变,低频度大大增强计算的实时性。

高精度热电偶测温电路设计与分析

在工业现场影响热电偶测温精度的因素是多方面的,除热电偶本身误差外,主要是输入通道误差、冷端补偿误差和分度表非线性校正误差;围绕以上3个主要因素,设计了一种可应用于复杂工业环境的高精度热电偶温度测量电路,结合设计方案针对于前两种因素在深入分析误差内在机理基础上给出误差计算公式;针对非线性校正误差提出一种等精度最小二乘拟合校正算法,使用该算法可根据校正精度要求,将测温范围自动划分等精度区间与传统插值法相比,在不增加计算量的前提下大大提高了校正精度;提出的误差计算公式和非线性校正方法,对于高精度热电偶测温电路的设计具有适用性和重要的指导性,经实际应用验证设计方法满足了复杂工业环境下高精度的测温要求。

基于工业以太网的热电偶测温模块设计

为了满足舰船推进监控报警系统扁平化、网络化的发展要求,基于Modbus/TCP工业以太网协议,设计了一种多通道高精度热电偶温度测量模块。模块硬件采用核心板+底板结构的标准化、模块化设计方案,核心板在STM32基础上集成了DM9000以太网通信电路和Flash存储电路,底板通过AD7793实现了高精度多通道热电偶测量电路。模块软件采用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时系统进行多线程设计,网络核心通信线程通过裁剪LwIP+FreeModbus协议栈进行开发,冷端温度补偿算法和热电偶非线性校正算法都采用高精度最小二乘分段拟合实现。系统测试结果表明模块运行稳定且上位机网络通信稳定可靠,各通道温度测量精度高,具有较高的应用和推广价值。