Simulink和Arduino：低成本硬件在控制教育中的应用

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德使用Simulink和Arduino作为低成本硬件的R.巴伯，M.霍拉J. 克雷斯波马德里卡洛斯三世大学西班牙（电子邮件：rbarber@ing.uc3m.es，mario. alumnos.uc3m.es，jocrespo@ing.uc3m.es）翻译后摘要：这项工作描述了一个Simulink实验室的做法，使用Arduino作为低成本硬件。必须开发一个外壳，以便将Arduino信号适应真实的工厂，包括直流电机。采用Arduino架构和开放硬件，构建了廉价的数据采集卡。已经进行了几次测试来验证de full系统，并完成了频率研究，以了解拟议架构在控制其他新工厂中的可能性。最后，使用Simulink和Arduino系统的实验室练习，提出了工程学士学位的学生。运用Ziegler-Nichols经验法整定一PID控制器，并在实验对象上进行测试。关键词：Simulink，Arduino，DAQ，Control labs.1引言这项工作的主要目标是使用低成本硬件，将Simulink与马德里卡洛斯三世大学控制工程学士的实验室实践的真实系统连接起来。如今，实用的原型通过昂贵的DAQ连接到计算机。当更新计算机或DAQ时，这意味着非常高的成本。在内部DAQ的情况下，连接在计算机的内部总线上，困难更大。新的基于Arduino的DAQ必须适应实验室原型，以避免硬件更改或修改。1.1 Simulink和低成本硬件Arduino是一个开放的硬件平台，在这个项目中使用。所有必要的工具或文件与此系统的工作可以在其网页上找到（Ditecom设计S.L，2009年）。还有一个活跃的论坛（Keithley Instruments，Inc，2013），围绕该技术的社区分享知识。其他库和文档可位于（Kyhe Ingeniería，S.L. ， 2013 ） 和 （ 国 家 仪 器 公 司 ， 所 有 这 一 切 使 得Arduino不断成长，并在教育机构以及小型和小型工程解决方案中成为一种有价值的技术。Matlab和Simulink已经在工程和学术界作为设计和开发工具得到了巩固。因此，连接两个平台的能力是一个有趣的问题。Arduino与Matlab Simulink的通信有两种方式：新的方式包括安装Matlab 2012b版本附带的Simulink支持目标，图1，并且需要Windows操作系统;如果该版本或Windows在计算机中不可用，则另一种方法是从mathworks web的文件交换区域下载Arduino IO包。这是一个很好的选择在Linux或Mac计算机上运行它。Fig. 1.用于Simulink的Arduino库。它们的工作方式在每种情况下都是不同的。Arduino IO包基于运行在Arduino微控制器上的服务器，该服务器侦听来自串行端口的Matlab命令，并在执行此类命令后，如果被询问，则返回答案。然而，另一种方法包括将Simulink模型转换为直接在Arduino上运行的代码，因此，微控制器可以与主机断开连接。从理论上讲，第二种方式应该允许更快的采样速率，但正如我们将在采样速率分析部分看到的那样，在外部模式下工作会使这种形式更慢。这项工作的想法是向学生隐藏计算机与真实工厂一起工作的方式，可以在Simulink模型中使用Simulink库，或者作为DAQ工作，其中微控制器只是Simulink和工厂之间的链接。© IFAC 250 10.3182/20130828-3-UK-2039.00061第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲251DAQ输出：PWM低通滤 波器信号放大Arduino输入1.2 数据采集系统数据采集（DAQ）处理从现实世界中获取样本（图2），以生成可用于计算机程序或任何其他处理数字信号的设备的数据（Arduino，2013c）。通过传感器获得的测量值与现实世界的性质一样是模拟的，这些电信号必须转换为数字信号。在不同领域的应用程序，有必要与现实世界的措施是无数的。代表性的例子是使用DAQ构建光学望远镜来探测宇宙射线（Arduino，2013 b），或者在CERN 实 验 中 作 为 LHCb （ Arduino ， 2013 c ） 或COMPASS（B）。W. Evans，2012）。如信息通量图所示（图2），模拟传感器感知世界，其模拟量经过数据采集步骤生成大多数电子设备可以理解的信息。目前，市场 上 有 很 多 数 据 采 集 系 统 （ R 。 Pallás ， 2005 ） （ J.Boyer ， 2002 ） （ G. Haefeli ， 2006 ） （ L. 施 密 特 2004年），连续的一个和一个放大器，以适应电压范围，如图所示。3.图三.世界与控制者之间的联系。PWM信号到模拟信号的转换需要在成本、低截止频率和DC输出信号上的低纹波之间进行折衷。为了达到这样的规格，低通，无源和简单的极点滤波器实现。为了最大限度地减少纹波并达到较低的响应时间，选择了1µF电容和15kΩ电阻。这些值提供10.61 Hz的截止频率和0.17Vpp的纹波电压。滤波器传递函数在等式（1）中表示，1G（ s） =s·RC=66.67（1）尽管成本明显高于硬件，软件实现在这项工作中描述。1s ·RC1 + 66.67在图4中表示频率响应。得到的时间响应为0.034s，对于模型实验室直流电动机的处理是足够的。图二.世界与控制者之间的联系。2数据采集系统设计本文的目的是将Simulink应用于控制工程专业本科生的实践实验室，以实现对直流电动机的控制。要将Arduino连接到实践模型，必须对信号进行调节。为了得到它，设计了一个Arduino盾牌。2.1 数据采集系统要求Arduino和实践工厂之间的硬件接口必须考虑微控制器和实践模型的输入和输出电平的特性。原型的输入，即参考信号，由0- 10 V范围内的连续电压信号组成。然而，在Arduino硬件的输出端，我们有一个0-5V范围内的PWM信号。虽然直流电动机可以直接用PWM信号控制，但为了使用其他不使用PWM的模拟系统，必须包括滤波器。为了关闭控制回路，我们对电机的速度进行采样。此信号的限值为[-5，+5] V，也不适合Arduino的模拟输入，其限制为[0，5] V。2.2 模型输入信号调节一旦Arduino生成限制为[0，5] V的PWM信号，就需要将其调整为实验模型所需的[0，10] V。为了适应信号，设计了适当的电子器件，包括滤波器，以获得见图4。滤波器的频率表示一旦信号被滤波，其范围必须适应电机的输入范围。为此，滤波器的输出端将使用同相配置的运算放大器。在图5中，可以观察到从微控制器的PWM信号到电机的参考信号的信号调节。图五. PWM信号调理电子方案。世界传感器执行器数据采集控制器1+第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲252实际上，反馈电阻可以设置为可变电阻，以调整Arduino和工厂接口。2.3 模型输出信号调节该型号具有一个编码器，用于测量电机轴的位置，该编码器输出[-5，5] V范围内的电压信号。该信号还必须调节到[0，5]V之间的微控制器输入（图6）。为此，在模型输出信号的输出端放置一个分压器，将该信号设置在[-2.5，2.5] V范围内。之后，应用偏移以获得所需的[0，5]V。见图6。模型输出信号调节电子方案。3初步测试为了验证所提出的数据采集系统，一些初步的测试已经完成了使用Simulink与Arduino库。几个实验已经完成：研究阶跃和正弦信号，以验证开发的PWM滤波器和研究的整个系统组成的闭环使用的实践模型。3.1 阶跃信号在第一次测试Arduino已连接到脉冲发生器和一个常数作为偏移，如图所示. 第七章见图7。阶跃试验的Simulink模型。第一个实验的目标是测试Simulink与Arduino的连接性以及PWM到模拟滤波器构建的质量。信号的质量是相当好的工作与拟议的平台。图8显示了本实验中滤波后的PWM信号和模拟信号。见图8。滤波器前后的阶跃信号图9示出了所获得的阶跃信号的曲线图，其中可以识别噪声。见图9。滤波后的信号细节3.2 正弦信号以同样的方式，Arduino已连接到一个正弦发生器和一个常数作为偏移，如图所示. 10.见图10。正弦测试的Simulink模型。第一个实验的目标也是测试两者，即Simulink与Arduino的连接性和PWM到模拟滤波器的质量。在这种情况下，由于信号特性，PWM后的信号质量必须更好。图11示出了本实验中滤波后的PWM信号和模拟信号。见图11。滤波器前后的信号第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲253图12示出了所获得的正弦信号的曲线图，其中可以看到噪声。在这种情况下，可以理解的是，由于信号的平滑性，滤波器工作得更好，并且与先前的阶跃信号实验相比，噪声值降低见图12。滤波后的正弦信号细节3.3 系统响应最后，对由Simulink控制器、Arduino板卡、信号调理电路和实物构成的整个系统进行了完整的测试。下图显示了Simulink模型，图十三. Simulink模型测试系统响应。名为Arduino target的时钟模型包含Arduino库中连接到工厂的Simulink模块。在图14中，图14. Simulink模块与Arduino库模块。最后，在图15中，显示了实验结果。对于该测试，选择了正弦信号和电机速度作为输出信号。在图中，红色colout中的输出信号被放大和延迟，与一阶系统对应。图15.使用正弦信号作为输入的信号响应。4抽样率分析为了了解所提出的架构在分析和控制其他机械，电气或机器人工厂的可能性，已经完成了频率研究。通过这项研究，我们可以得出我们可以采样和与实际系统一起工作的范围和频率范围。要进行研究，有必要区分使用Simulink和Arduino的两种工作方法。4.1 来自Simulink的正如已经评论的那样，来自Simulink的Arduino支持，使算法在微控制器中运行，包含一个Simulink模块库，其中有一个称为“模拟输入”，图16，负责测量模拟引脚的电压。该Simulink模块允许将采样率设置为理论上低至0.000001s的值，但这样的值肯定会冻结大多数计算机。合理的值是0.02s采样时间;较低的值意味着缩放时间轴的变化。图16. Simulink模型测试进行频率测试。根据该方案进行了不同采样时间的实验。测试包括在Arduino的一个模拟引脚中的1Hz频率的方波。在图17中，示出了使用0.02的采样时间的结果。图17.信号与时间（秒）与样本编号。采样时间= 0.02s。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲254如图所示，在本实验中，微控制器采集了407个样本，这实际上意味着采样时间为0.024 s。为了放大这种效应，我们使用采样时间t=0.002s重复测试。在图18中示出了使用该新样品的结果。图 18. 信 号 与 时 间 （ 秒 ） 与 样 本 编 号 。 采 样 时 间 =0.002s。在这种情况下，它在5秒内记录了220个样本，这给了我们一个采样时间= 0.022秒。查看图8的时间尺度，根据我们的1Hz信号，显然这意味着这里没有实时。我们有一个采样时间，它取决于加载的程序，可以在0.02s左右变化±10%。我们可以处理它的学生4.2 Arduino IO包在这种情况下，微控制器只包含一个持续运行的服务器。Simulink原理图也将使用模拟读取和示波器构建，如图19所示。图19. Arduino IO包的Simulink模块。与前面的情况一样，使用连接到Arduino模拟引脚的1Hz频率方波。现在，在图20的1001的情况下，在10秒内记录样本，这意味着它已经到达采样时间。而且，不存在实时，并且如果采样频率增加，则时间尺度将发生相同的减小。但在这种情况下，由于微控制器上运行的程序始终相同，因此采样率恒定为每秒100个样本。图20.信号与采样时间和采样数量的关系。采样时间= 0.01。5实验室实践最后，在实践平台上开发了一个完整的学生实践，并进行了测试。实践包括调整和测试Ziegler Nichols方法调整PID控制器。5.1 擅长业务实际工厂有一个最高转速为4000 rpm和24 rpm的直流调速器。它有一个转速发电机和编码器作为速度和位置传感器，分别。图21示出了实验平台。见图21。实验平台。在第一步中，学生必须闭合回路以获得连续振荡来计算PID控制器的参数。5.2 擅长业务在第一步中，学生必须用比例调节器闭合回路，以获得连续振荡，从而计算PID控制器的参数。学生必须连接在这项工作中开发的基于Arduino的DAQ的输入和输出，并制作图中所示的Simulink模型。22号。图22.增益调整的Simulink模型。当学生增加比例调节器的参数并达到临界增益时，系统将显示出恒定幅度的振荡。(Fig.第二十三章）图23.来自电机的振荡输出信号。对于这个临界增益（Kc=12），测得振荡周期Tc= 0.14s第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲255根据Ziegler-Nichols在闭环整定方法中提出的值，计算调节器参数：Kp= 0.6 · KC= 7.2K = 1.2 ·Kc= 11.9itcKd= 0.075 ·Kc·tc= 0.126为了测试控制系统如何工作，学生应该构建Simulink方案，图24，其中包括PID调节器的比例，微分和积分参数，并引入计算增益，如下图所示，其中包括模型和Arduino交互模块。6. 结论在这项工作中，已经描述了基于Arduino微控制器的低成本控制系统。Arduino作为Simulink和真实工厂之间的DAQ工作。设计和开发了Arduino外壳，以便将来自微控制器的信号适应实验植物。已经完成了几个测试，以验证完整的系统。频率研究也已经完成，以了解在其他工厂的建议架构的可能性。频率达到允许使用它在大多数机电一体化系统的时间研究。最后，一个实践练习已经提出，解决和测试，以验证该建议。图24. PID控制器的Simulink模型。一旦控制方案已经建立，学生可以验证它。（图25）在图25中，可以观察到对模型的动作控制，图25.受控设备的输出。在图26中，示出图26.输出信号详情一旦显示了调节器，鼓励学生测试参数的不同值，并查看每个值的效果。特别是要分析如何依赖于导数，他们可以得到一个更慢，更稳定的响应，或快速，不稳定的。以及积分参数对到达参考信号的影响。引用Arduino（2013a）. http://arduino.cc/es/Main/SoftwareLastvie：March，2013.Arduino.（2013年b）。http://arduino.ccArduino. （2013年c）。http://arduino.cc/es/Tutorial/HomePage。Last view：2013.B. W.埃文斯. 2012年Arduino编程。R.帕拉斯（2005年）。Adquisición y Distribución deSeñales.编辑Marcombo。J. Boyer，B. C. Knapp等人，2002年。用于HiRes Fly's Eye的。G. Haefeli，A. Bay，A.龚，H.龚，M。Muecke，N.诺伊费尔德岛施耐德2006. LHCb DAQ接口板TELL1.L.施密特2004. COMPASS实验。Ditecom Design S.L.（2009年）。http://www.ditecom.com/instrumentacion/tarjetas-adquisicion-datos.shtml吉时利仪器公司（2013年）。http://www.keithley.com/products/data/multifunction/usb/? Mn=KUSB-3100。Last view：2013.Kyhe Ingeniería，S.L.（2013）http://www.kyheingenieria.com/catalogo29.htm。最后视图2013年3National Instruments Corporation.（2013）http://www.ni.com/data-acquisition/esa/。Last view三月2013.