cSPACE快速控制原型

基于MATLAB的DSP快速控制原型开发系统

一.产品简介 (1)

二.系统组成 (2)

三.硬件资源 (4)

四.应用案例 (6)

4.1.直线电机驱动的二级倒立摆的控制 (6)

4.2.磁悬浮球系统的控制 (8)

4.3.三容水箱过程控制实验系统的控制 (9)

4.4.采用磁流变液阻尼器的1/4车辆振动实验系统的控制 (10)

一.产品简介

快速控制原型（Rapid Controller Prototyping，RCP）和硬件在回路实时仿真(Hardware-in-Loop，HIL)是目前国际上控制系统设计的常用方法，它把计算机仿真（纯软件）和实时控制（硬件在回路）有机结合起来，用户可把仿真结果直接用于实时控制，极大提高控制系统的设计效率。目前，这一系统或设计方法已经在高校和实验室得到普遍采用，最典型的例子为德国的dSPACE快速控制系统原型设计系统。

dSPACE卡是一个基于MATLAB/Simulink开发环境的自动代码生成工具，拥有快速控制原型开发和硬件在环仿真功能。应用这种方法，可使电控单元系统及机械控制系统的开发和测试简捷和高效。因此，dSPACE已经成为运动控制和过程控制开发的好工具，受到了全球用户的欢迎。

本公司研制的cSPACE快速控制原型和硬件在回路开发系统（以下简称cSPACE系统）基于TMS320F2812DSP开发，与dSPACE 公司的DS1104卡相当，拥有AD、DA、IO、Encoder和快速控制原型开发、硬件在环仿真功能，通过Matlab/Simulink设计好控制算法，将输入、输出接口替换为公司的cSPACE 模块，编译整个模块就能自动生成DSP代码，在控制卡上运行后就能生成相应的控制信号，从而方便地实现对被控对象的控制。运行过程中通过cSPACE提供

的MATLAB接口模块，可实时修改控制参数，并以图形方式实时显示控制结果；而且DSP采集的数据可以保存到磁盘，研究人员可利用MATLAB对这些数据进行离线处理，下图为利用cSPACE工具的开发流程图。

图1 cSPACE开发流程图

二.系统组成

微纳科技cSPACE快速控制原型和硬件在回路开发系统根据国际上控制系统设计常用的快速控制原型和硬件在回路原理进行开发，硬件功能与德国dSPACE 公司的DS1104卡相当，拥有dSPACE- DS1104所具备的大部分接口功能和快速控制原型开发、硬件在回路仿真技术，具体包括以下三大部分：

一、cSPACE系统的控制卡采用高性能的TMS320F2812DSP开发，并且外扩

高性能的AD、DA和正交编码信号处理模块，具有丰富的硬件接口，可以同时控制多台电机。

图2 cSPACE的DSP控制卡

二、cSPACE系统的开发环境是基于广大科研人员所熟悉的MATLAB/Simulink进行开发，方便用户使用，同时能充分利用MATLAB强

大的科学计算、信号分析处理、图形处理功能。

图3 cSPACE的MATLAB开发环境

三、cSPACE系统的控制界面采用MATLAB/Simulink进行开发，能在线修改

10个变量和实时显示4个变量，自动存储数据，结构简单，方便用户使用。

图4 cSPACE的监控界面

三.硬件资源

cSPACE的硬件资源如下所示：

●主处理器为TMS320F2812 DSP，处理能力为150MIPS

●16通道的12bit AD，转换时间为250ns，输入范围为（0，3V）

●6通道的16bit AD，转换时间为3.1us，输入范围为（-10，10V）或（-5，5V）●4通道16bit的DA，建立时间为10us，输出范围为（-10，+10V）

●3通道独立的PWM信号，分辨率为16位，1通道有两路输出，共6路输出，

这6路输出也可以作为输出的IO引脚使用

●2路输入IO引脚

●4通道QEP单元正交编码信号处理模块

●1路RS232串口

●1路增强型CAN接口

●128k×16bit 的片内flash 和18k×16bit 的SARAM

●三个32 bit 的系统定时器，4个16 bit通用定时器

用户额外可扩充的功能：

●5通道PWM信号，分辨率为16位

●1路RS232串口

●多达20个可单独编程的复用口，亦可用作通用I/O 口

●三个外部中断口，并有外围中断扩展模块，可支持多达45 个外围中断

我公司cSPACE控制系统与国外同类系统主要性能对比

表1 cSPACE与国外同类产品对比表格

cSPACE系统硬件成本底，控制系统设计好后，可以把生成的目标代码烧写进控制卡，从而构成脱离计算机而独立运行的嵌入式控制系统，控制被控对象，整个过程用户不需进行硬件和C语言或汇编语言的开发，极大减小用户构建控制系统时间和降低成本。

四.应用案例

4.1. 直线电机驱动的二级倒立摆的控制

倒立摆是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，必须采取有效的控制算法才能使之稳定。倒立摆在控制过程中，能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题。因此人们常常利用倒立摆检验各种控制算法对不稳定性、非线性和快速系统的控制能力，以及各种控制算法的有效性。倒立摆的控制研究具有理论意义，多级摆控制是控制领域研究的难点。其中二级倒立摆的实物图如下图所示：

图5 直线电机驱动的二级倒立摆

二级摆包括直线电机、上摆杆和下摆杆以及测试摆杆角度的编码器、测试电机直线位移的光栅。cSPACE 快速控制原型系统接收来自光电编码器的摆杆角度信号和光栅输出的直线电机的工作台位移信号，并对信号进行处理得到1212,,,,,x x φφφφ六个状态变量，然后根据最优控制算法计算得到精确的控制量，经过DA 转换后输出模拟控制信号，再经伺服驱动器放大后驱动直线电机输出相应的力来控制摆杆倒立平衡。下图为硬件组成的原理框图。

图6 二级倒立摆控制系统硬件框图 对于二级倒立摆的控制，采用最优控制算法控制二级倒立摆，下图为最优控制算法的cSPACE 框图