+ All Categories
Home > Documents > Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

Date post: 26-Oct-2014
Category:
Upload: nabil-shaukat
View: 618 times
Download: 40 times
Share this document with a friend
Popular Tags:
12
QUANSER COURSE MATERIALS SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION FOR MATLAB®/SIMULINK® SOFTWARE USERS WITH ABET OUTCOMES ASSESSMENT EMBEDDED DEVELOPED BY: Paul Karam, B.A.Sc., Quanser; Michel Levis, M.A.Sc., Quanser; Jacob Apkarian, Ph.D., Quanser; Hakan Gurocak, Ph.D., Washington State University WWW.QUANSER.COM
Transcript
Page 1: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

QUANSER COURSE MATERIALS SAMPLE

BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION FOR MATLAB®/SIMULINK® SOFTWARE USERS

WITH ABET OUTCOMES ASSESSMENT EMBEDDED

DEVELOPED BY: Paul Karam, B.A.Sc., Quanser; Michel Levis, M.A.Sc., Quanser;

Jacob Apkarian, Ph.D., Quanser; Hakan Gurocak, Ph.D., Washington State University

WWW.QUANSER.COM

Page 2: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 1 of 11

PREFACE 

Preparing laboratory experiments can be time‐consuming. Quanser understands time constraints of teaching and  research  professors.  That’s  why  Quanser’s  control  laboratory  solutions  come  with  proven  practical exercises. The course materials are designed to save you time, give students a solid understanding of various control concepts and provide maximum value for your investment. 

Quanser course materials are supplied in two formats: 

1. Instructor Workbook  –  provides  solutions  for  the  pre‐lab  assignments  and  contains  typical experimental  results  from  the  laboratory  procedure.  This  version  is  not  intended  for  the students. 

2. Student Workbook – contains pre‐lab assignments and in‐lab procedures for students. 

 

This  curriculum  is prepared  for users of The MathWorks’s Matlab/Simulink  software  in 

conjunction  with  Quanser’s  QUARC  real‐time  control  software.  A  version  of  the  course materials for National Instruments LabVIEW™ users is also available. 

  

This curriculum is aligned with the requirements of the Accreditation Board for Engineering and Technology (ABET), one of the most respected organizations specializing in accreditation of educational programs in applied science, computing, science and technology. The Instructor Workbook provides professors with a simple framework and set of templates to measure and document students’ achievements of various performance criteria and their ability to: ‐ Apply knowledge of math, science and engineering ‐ Design and conduct experiments, and analyze and interpret data ‐ Communicate effectively ‐ Use techniques, skills and modern engineering tools necessary for engineering practice 

Quanser, Inc. would like to thank Dr. Hakan Gurocak, from the Washington State University Vancouver, for rewriting the original manual to include embedded outcomes assessment. 

 

The following material provides an abbreviated example of pre‐lab assignments and in‐lab procedures for the SRV02 Ball and Beam Rotary Workstation. Please note that the examples are not complete as they are intended to give you a brief overview of the structure and content of the course materials you will receive with the plant. 

Page 3: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 2 of 11

COURSE MATERIALS SAMPLE TABLE OF CONTENTS 

 

PREFACE  ...................................................................................................................... PAGE 1 

INTRODUCTION TO QUANSER BALL AND BEAM CURRICULUM SAMPLE  .................. PAGE 3 

INSTRUCTOR’S MANUAL TABLE OF CONTENTS  .......................................................... PAGE 4 

BACKGROUND SECTION – SAMPLE  ............................................................................ PAGE 6 

PRE‐LAB QUESTIONS SECTION – SAMPLE  ................................................................... PAGE 7 

LAB EXPERIMENTS SECTION – SAMPLE  ...................................................................... PAGE 9 

SYSTEM REQUIREMENTS SECTION – SAMPLE  .......................................................... PAGE 11 

   

Page 4: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 3 of 11

1. INTRODUCTION TO QUANSER BALL AND BEAM COURSE MATERIAL SAMPLE 

Quanser course materials provide step‐by‐step pedagogy for a wide range of control challenges. Starting with the basic principles, students can progress to more advanced applications and cultivate a deep understanding of control theories. The Quanser Ball and Beam course material covers topics, such as: 

Modeling dynamics of the ball from first principles. 

Obtaining a transfer function representation of the system 

Design  of  a  proportional‐velocity  compensator  to  control  the  position  of  the  servo  load  shaft according to time‐domain requirements. 

Assessment of how well the system meets design specifications using root locus. 

Design of a cascade control system to regulate the position of the ball and beam. 

Simulation of the Ball and Beam control to ensure that the specifications are met without any actuator saturation. 

Implementation  of  the  controllers  on  the  Quanser  Ball  and  Beam  device  and  evaluation  of  its performance. 

 Every laboratory chapter in the Instructor’s Manual is organized into four sections: 

Background  section  provides  all  the  necessary  theoretical  background  for  the  experiments. Students should read this section first to prepare for the Pre‐Lab questions and for the actual lab experiments.  

Pre‐Lab Questions  section  is  not meant  to  be  a  comprehensive  list  of  questions  to  examine understanding  of  the  entire  background material.  Rather,  it  provides  targeted  questions  for preliminary calculations  that need  to be done prior  to  the  lab experiments. All or some of  the questions in the Pre‐Lab section can be assigned to the students as homework.  

Lab Experiments section provides step‐by‐step  instructions to conduct the  lab experiments and to record the collected data.  

System Requirements  section describes  all  the details of how  to  configure  the hardware  and software  to  conduct  the  experiments.  It  is  assumed  that  the  hardware  and  software configuration have been completed by  the  instructor or  the  teaching assistant prior  to  the  lab sessions. However,  if the  instructor chooses to, the students can also configure the systems by following the instructions given in this section.  

 Assessment of ABET outcomes is incorporated into the Instructor’s Manual – look for indicators such as  A‐1, A‐2 These indicators correspond to specific performance criteria for an outcome. Appendix B of the Instructor’s Manual includes: ‐ details of the targeted ABET outcomes,  ‐ list of performance criteria for each outcome,  ‐ scoring rubrics and instructions on how to use them in assessment. 

 The  outcomes  targeted  by  the  Pre‐Lab  questions  can  be  assessed  using  the  student work.  The  outcomes targeted  by  the  lab  experiments  can  be  assessed  from  the  lab  reports  submitted  by  the  students.  These reports should follow the specific template for content given at the end of each  laboratory chapter. This will provide a basis to assess the outcomes easily.   

Page 5: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 4 of 11

2. INSTRUCTOR’S MANUAL TABLE OF CONTENTS 

The full Table of Contents of the Quanser Rotary Servo Instructor’s Manual is shown here: 

PREFACE 

1. SRV02 BALL AND BEAM POSITION CONTROL 1.1. BACKGROUND 

1.1.1. MODELING FROM FIRST PRINCIPLES 1.1.1.1. NONLINEAR EQUATIONS OF MOTION 1.1.1.2. ADDING SRV02 DYNAMICS 1.1.1.3. OBTAINING TRANSFER FUNCTION 

1.1.2. DESIRED CONTROL RESPONSE 1.1.2.1. TIME‐DOMAIN SPECIFICATIONS 

1.1.3. BALL AND BEAM CASCADE CONTROL DESIGN 1.1.3.1. INNER LOOP CONTROLLER DESIGN: SRV02 PV POSITION CONTROLLER 1.1.3.2. OUTER LOOP CONTROLLER DESIGN 

1.2. PRE‐LAB QUESTIONS 1.3. LAB EXPERIMENTS 

1.3.1. CASCADE CONTROL WITH IDEAL PD CONTROLLER 1.3.1.1. SIMULATION WITH NO SERVO DYNAMICS 1.3.1.2. SIMULATION WITH SERVO DYNAMICS 

1.3.2. CASCADE CONTROL WITH PRACTICAL PD CONTROLLER AND SERVO DYNAMICS 1.3.2.1. SIMULATION WITH PRACTICAL PD CONTROLLER 1.3.2.2. IMPLEMENTATION WITH PRACTICAL PD CONTROLLER 1.3.2.3. CONTROLLER USING THE REMOTE SENSOR (OPTIONAL) 

1.3.3. RESULTS 1.4. SYSTEM REQUIREMENTS 

1.4.1. OVERVIEW OF FILES 1.4.2. SETUP FOR POSITION CONTROL SIMULATION 1.4.3. SETUP FOR POSITION CONTROL IMPLEMENTATION 

1.5. LAB REPORT 1.5.1. TEMPLATE FOR CONTENT (CASCADE CONTROL WITH IDEAL PD EXPERIMENTS) 1.5.2. TEMPLATE FOR CONTENT (CASCADE CONTROL WITH PRACTICAL PD EXPERIMENTS) 1.5.3. TIPS FOR REPORT FORMAT 

1.6. SCORING SHEET FOR PRE‐LAB QUESTIONS 1.7. SCORING SHEET FOR LAB REPORT (IDEAL PD) 1.8. SCORING SHEET FOR LAB REPORT (PRACTICAL PD) 

   

Page 6: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 5 of 11

 A. BALL AND BEAM INSTRUCTOR’S GUIDE 

A.1. PRE‐LAB QUESTIONS AND LAB EXPERIMENTS A.1.1 HOW TO USE PRE‐LAB QUESTIONS A.1.2 HOW TO USE THE LABORATORY EXPERIMENTS 

A.2. ASSESSMENT FOR ABET ACCREDITATION A.2.1 ASSESSMENT IN YOUR COURSE A.2.2 HOW TO SCORE THE PRE‐LAB QUESTIONS A.2.3 HOW TO SCORE THE LAB REPORTS A.2.4 ASSESSMENT OF THE OUTCOMES FOR THE COURSE 

A.2.4.1. COURSE SCORE FOR OUTCOME A A.2.4.2. COURSE SCORES FOR OUTCOME B, K AND G 

A.2.5 ASSESSMENT WORKBOOK A.3. RUBRICS 

 

   

Page 7: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 6 of 11

3. BACKGROUND SECTION ‐ SAMPLE 

Modeling from First Principles 

As illustrated in Figure 1.1, this system is comprised of two plants: the SRV02 and the Ball and 

Beam (BB01). 

  

The main objective in this section is to obtain the complete SRV02+BB01 transfer function 

where the BB01 transfer function is 

and the SRV02 transfer function is 

 The BB01 transfer function describes the linear displacement of the ball, X(t), with respect to the load angle 

of the servo,l (t). In the next few sections, the time‐based motion equations are developed and the transfer function is obtained. Recall that in Modeling Laboratory, the SRV02 voltage‐to‐load shaft angle transfer function was found to be: 

Also, the nominal model parameters, K and _ , when the SRV02 was in high‐gear configuration were found as: 

and 

 

   

Page 8: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 7 of 11

4.  PRE‐LAB QUESTIONS SECTION ‐ SAMPLE 

 1.  A‐2   Find Kbb by simplifying the expression given in Equation 1.20. Then, evaluate it using the system 

parameters in [6]. Hint: Recall that the mass moment of inertia of a solid sphere is   

 

Answer 1.1  

Outcome  Solution      A‐2          The linear equation of motion becomes 

  Recall that the mas moment of inertia of a solid sphere is 

where m is the mass of the ball and r is its radius. Substituting the parameters listed in [6] into the model gain gives 

 

           

2.  A‐1, A‐2    Find the steady‐state error of the Ball and Beam system given by the Pbb (s)transfer function. 

The system is shown in the Figure 1.9. The compensator is unity   

 

 

 and the reference step is 

 where R0 is the step amplitude. Note that in this calculation the SRV02 dynamics is to be ignored and only the BB01 plant is to be considered. 

Page 9: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 8 of 11

 Answer 2.1  

Outcome  Solution      A‐1   Substituting the BB01 plant in 1.21 along with the compensator and reference input 

defined above into the general error transfer function 

      A‐2  results in the expression

 When simplified, the error becomes 

 This system has two poles along the imaginary axis, i.e. at s = j Kbb. Its response is oscillatory and, therefore, there is no steady‐state value that can be found. By taking the inverse Laplace, the error in the timedomain is  

   

           

   

Page 10: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 9 of 11

5. LAB EXPERIMENTS SECTION ‐ SAMPLE 

Cascade Control with Practical PD Controller and Servo Dynamics ‐ Simulation with Practical PD 

Controller 

The practical PD controller developed in Section 1.1.3.2 is simulated in this section. This is the compensator that will be used to control the actual BB01 device. The control gain and zero may have to be fine‐tuned in order to compensate for the added dynamics of the filtering and the inner‐loop servo control. Follow these steps to simulate the closed‐loop practical cascade PD response: 

1. Enter the BB01 model gain found in Pre‐Lab question 1 in MATLAB as variable Kbb. 2. Enter the practical PD compensator gain Kc, and zero, z, that were found in Pre‐Lab question 12. The 

filter cutoff filter,f , is already set by the script (See Section 1.4.2 for more details). 3. Follow steps 2‐6 in Section 1.3.1.2 to setup the SRV02 model parameters and control gains and setup 

the Simulink diagram. 4. To simulate using the practical PD controller, set the Manual Switch in the BB01 PD Position Control 

subsystem to the downward position. 

5. K‐1    Using MATLAB, plot the root locus of BB01 loop transfer function when using the practical PD compensator. Show the desired locations of the poles on the plot and ensure the poles go through the desired locations at the gain that was computed. 

 

Answer 1.20  

Outcome  Solution      K‐1   Run the setup_srv02_exp04_bb01.m with CONTROL_TYPE = ’AUTO’, PLOT_RL = 1 and 

PD_TYPE = 1 to plot the root locus of the Ball and Beam practical PD loop transfer function pictured in Figure 1.21. Also illustrated is how the poles move to the desired locations when the compensator gain is as computed in Ans.1.20. 

 Figure 1.21: Root locus of BB01 practical PD control loop transfer function. 

           

Page 11: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 10 of 11

 6. Open the ball position scope x (m), the load shaft position scope theta_l (deg), and the SRV02 

motor input voltage scope Vm(V). 7. Start the simulation. By default, the simulation runs for 25.0 seconds. The scopes should be 

displaying responses similar to figures Figure 1.22, Figure 1.23 and Figure 1.24. 8. B‐5, K‐3   Generate a Matlabr figure showing the practical cascade ball position, servo angle, and 

servo input voltage response. 

 Answer 1.21  

Outcome  Solution     B‐5  If the experimental procedure is followed correctly, the response should be similar to 

Figure 1.25.     B‐5  The closed‐loop position response when using the cascade control with the practical 

outer‐loop PD compensator is depicted in Figure 1.25. This is generated using the meas_srv02_bb01_specs.m script. To use this script, do the following: (a)  Execute the setup_srv02_exp04_bb01.m script with CONTROL_TYPE = ’AUTO’, 

PD_TYPE = 1, c_ts = 0.04, ts_bb =3.5, and PO_bb = 10.0. (b)  Run the s_srv02_bb01 Simulinkr model with Manual Switch in the DOWN position. (c)  Run the meas_srv02_bb01_specs.m script. 

           

Page 12: Quanser Course Material Sample - Ball and Beam Rotary Workstation

COURSE MATERIALS

SAMPLE BALL AND BEAM ROTARY WORKSTATION

©2011 Intellectual property of Quanser. Do not reproduce without written permission.

QUANSER.COM +1-905-940-3575 [email protected] Page 11 of 11

6. SYSTEM REQUIREMENTS SECTION ‐ SAMPLE 

Set up for Position Control Simulation 

Follow these steps to configure the lab properly: 

1. Load the MATLAB software. 2. Browse through the Current Directory window in MATLAB and find the folder that contains the 

BB01 controller files. 3. Double‐click on the s_bb01_pos_outer_loop.mdl file to open the Simulink diagram shown in 

Figure 4.11. 4. Double‐click on the setup_srv02_exp04_bb01.m file to open the setup script for the BB01 

Simulink models. 5. Configure setup script: When used with the Ball and Beam, the SRV02 must be in the high‐gear 

configuration and no load is to be specified. Make sure the script is setup to match this configuration, i.e. the EXT_GEAR_CONFIG should be set to ’HIGH’ and the LOAD_TYPE should be set to ’NONE’. Also, ensure the ENCODER_TYPE, TACH_OPTION, K_CABLE, AMP_TYPE, and VMAX_DAC parameters are set according to the SRV02 system that is to be used in the laboratory. Next, set CONTROL_TYPE to ’MANUAL’. 

 

Answer 1.33 Set CONTROL_TYPE = ’AUTO’ to automatically calculate the zero and gain according to the specifications. Set PLOT_RL = 1 and PD_TYPE = 0 to plot the root locus of the open‐loop BB01 system, the Ideal PD compensator, and the BB01+Ideal PD system.  

The students should not have access to the scripts d_pv_design.m, d_bb01_model_param.m, d_bb01_specs.m, and d_bb01_pd.m described in 1.2. However, exactly what should be given to the students is at the discretion of the instructor. It may be desired to supply d_pv_design to automatically calculate the SRV02 PV gains. 

       SRV02 model parameters:

K = 0 rad/s/V tau = 0 s

SRV02 Specifications: tp = 0.15 s PD = 5 % BB01 model parameters:

K_bb = 0 m/s^2/rad BB01 Specifications: ts = 3.5 s PD = 10 % Calculated SRV02 PV control gains

kp = 0 V/rad kv = 0 V/rad/s

Natural frequency and damping ratio: wn = 0 rad/s zeta = 0

BB01 PD compensator: Kc = 0 rad/m z = 1 rad/s wf = 6.28 rad/s Display message shown in Matlab Command Window after running setup \_srv02|exp04\_bb01.m


Recommended