基于模型的close-loop闭环仿真

Balance · 发表于 2019-7-7 23:53:37

什么是闭环仿真

上次说了什么是开环仿真以及开环仿真应用的场景，这次再介绍一下闭环仿真(close-loop simulation)。

首先还是先看一张闭环仿真的框图

与开环仿真不同的是，闭环仿真包含无人机的物理模型，即需要对无人机进行物理建模，这样仿真模型就能形成一个闭环的反馈，故称闭环仿真。如上图所示，Simulink控制模型将控制指令，一般是电机的PWM信号输出给物理模型，物理模型根据控制指令更新状态信息，如姿态，速度和位置等。再将这些信息反馈给控制器，从而进行反馈控制。

闭环仿真的作用

那么有人会问，有了开环仿真，为什么还要闭环仿真呢？答案是他们应用的场景不一样。开环仿真主要用来验证模型的输入输出的关系，即给模型输入信号，得到模型的输出信号，以此来验证模型的功能。比如无人机系统里面的导航系统，就是一个典型的开环仿真系统，因为它只需要将传感器输入传入，就能得到导航输出，而无需无人机物理模型的参与。

那什么时候需要闭环仿真？简单来说，就是需要系统的物理模型的时候，就需要闭环仿真。典型的应用场景是控制器的设计。我们知道，控制器根据输入的指令和状态信息，计算出电机的PWM信号，但是这些信号最终作用到实际的无人机上是什么效果，就需要对无人机进行建模。我们将控制器输出的PWM信号输入到无人机物理模型，模型算出无人机的状态信息，如姿态，速度，位置等，再反馈给控制器，控制器再进行控制，这样就形成了一个完整的闭环。

如果物理模型建的足够精准，那么很多功能都可以直接在仿真中进行调试，如控制器的逻辑，参数等等。最主要的是，一些控制的bug通过仿真能很快发现并定位问题，而没有炸机的风险。

基于Simulink的闭环仿真

Simulink提供了非常多的Toolbox，可以十分快速方便的搭建控制模型以及物理系统，对于无人机的物理系统，Simulink甚至还提供了一些已经做好的物理模型，只需要拖动几个模块就能够快速搭建起来。对于模型参数的确定，Matlab也提供了一整套的系统辨识工具，可以说是什么强大了

风帆 · 发表于 2019-7-8 08:20:13

“如果物理模型建的足够精准” 这句话，想知道想通过后面matlab本身的方式，能把物理模型建立的精准吗？是不是得通过一些电机啊，机身结构那些，进行一些实际的测量哦。仅仅通过simulink的物理模型和MATLAB的工具，很难把模型建立的精准把。

Balance · 发表于 2019-7-15 22:43:20

SmilE 发表于 2019-7-8 08:20
“如果物理模型建的足够精准” 这句话，想知道想通过后面matlab本身的方式，能把物理模型建立的精准吗？是 ...

首先你要把物理模型用数学形式表示出来，比如电机模型，你可以简单的认为是一个惯性系统，也可以建立更复杂的模型，比如考虑摩擦，电磁效应等等。这是第一步，即建立精确的数学模型。然后用Simulink将模型搭出来。

第二部，就是对数学模型的参数进行辨识。这里有很多种方式，可以通过理论计算，可以通过实验获得，也可以通过参数辨识的方法来得到。参数辨识用matlab做的话会比较方便

15002919522 · 发表于 2020-4-26 15:27:48

老师有固定翼无人机比较准确的simulink模型嘛