当前位置：文档之家 › 基于DSP的快速控制原型系统

基于DSP的快速控制原型系统

  • 格式：pdf
  • 大小：547.11 KB
  • 文档页数：5

收稿日期:2008210220基金项目:高等学校学科创新引智计划项目(B08015)・作者简介:方　正(1981-),男,安徽寿县人,东北大学讲师,博士・第30卷第8期2009年8月东北大学学报(自然科学版)JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Vol130,No.8Aug.2009

基于DSP的快速控制原型系统

方　正,张淇淳,齐玉成(东北大学流程工业综合自动化教育部重点实验室,辽宁沈阳　110004)

摘 要:为了在实际控制系统开发中缩短控制算法的设计周期,提高控制器的可靠性,并简化在调试过程中对控制算法的修改,设计与开发了基于DSP的快速原型控制系统・该系统包括基于TIF2812DSP的硬件控制器和基于MATLAB/Simulink的软件开发环境・用户可以在Simulink环境中利用RTW功能直接从Simulink模型自动生成可执行代码,并下载到DSP控制器中进行实时控制,从而降低了开发人员繁重的编程任务,提高了控制系统开发的效率・通过带有神经网络补偿和前馈补偿的智能PD控制器的实时控制实验,验证了系统的有效性・关　键　词:快速控制原型;TIDSP;Simulink;自动代码生成;PD控制器中图分类号:TP273.5 文献标识码:A 文章编号:100523026(2009)0821069205

ARapidControlPrototypingSystemBasedonDSP

FANGZheng,ZHANGQi2chun,QIYu2cheng(KeyLaboratoryofIntegratedAutomationofProcessIndustry,MinistryofEducation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China.Correspondent:FANGZheng,E2mail:fangzhneg@mail.neu.edu.cn)

Abstract:Toshortentheperiodsrequiredfordevelopingcontrolalgorithms,improvethereliabilityofcontrollersandsimplifythemodificationofcontrolalgorithms,aDSP2basedrapidcontrolprototyping(RCP)systemwasdesignedanddeveloped.TheRCPsystemiscomposedofahardwarecontrollerwithTIF2812DSPembeddedinitandanintegratedsoftwaredevelopmentenvironmentprovidedbyMATLAB/Simulink.ThroughtheReal2TimeWorkshopfunctionofMATLAB,userscandirectlygenerateexecutablecodesfromSimulinkmodelanddownloadthemintotheDSPcontrollerforreal2timecontrol,thusreducingdevelopers’heavyprogrammingtasksandenhancingtheefficiencyofR&D.Areal2timecontrolexperimentwasdonefortheintelligentPDcontrollerwithneuralnetworkandfeedforwardcompensationtodemonstratethevalidityofthesystem.Keywords:rapidcontrolprototyping;TIDSP;Simulink;automaticcodegeneration;PDcontroller

当今,开发工具对于产品快速推向市场起着

重要作用・在传统的开发方法中,为了建立一个实

时控制系统,设计者通常需要编写大量的代码,然

后还需要在代码中调节控制器参数来进行控制器

调试・这样,开发人员不仅要拥有丰富的代码编写

经验以及花费很多精力编写代码,而且所设计的

系统的可靠性也很难保证・此外,大量的代码也为

后期的系统维护和调试带来很多困难・快速控制

原型[1](rapidcontrolprototyping,RCP)是解决这一问题的有效方法,特别是对于复杂控制算法的设计与开发・目前,快速控制原型思想对于工业界

和教育界中广泛应用的控制系统和机器人都产生

了巨大的影响・快速控制原型影响工业界的重要

原因是它可以节省在不同设备上开发控制算法的

时间,从而可以减少30%～40%的开发费用・RCP释放了在控制执行时的细节问题,如控制算法在计算机上的C代码编程实现等,从而加速了

控制策略的实现・目前国外有一些公司提供了RCP系统的软

件和硬件解决方案・如VisSim(VisualSolutionsInc.),MATRIXx(NationalInstruments),以及

MATLAB(MathWorksInc.)等提供了图形化的编程环境来进行控制器的设计・其中,MATLAB/

Simulink是知名度最大和最为流行的控制系统设计与仿真软件・MATLAB的扩展工具RTW提供了从Simulink模型到C语言代码的自动生成功

能・因此,有一些研究者[2-4]利用MATLAB/

Simulink和商业化的硬件系统进行快速原型系统的研发・Strobel[2]提出了基于dSPACE和

Simulink的汽车系统的温度控制快速原型控制系统・dSPACE控制器虽然功能较强大,但是价格极

其昂贵,不适合一般研究机构使用・Hong[4]等描

述了利用MATLAB和TI的TMS320C30评估板

进行数字信号处理的快速原型系统・但是这些系

统都不适合实时控制,并且由于使用的是评估板,因此硬件资源非常有限・在MATLAB所支持的

嵌入式对象中,TI的C2000系统是最适合伺服系

统实时控制的・MATLAB的TargetforTI

C2000[5]提供了在TMS320F2812和

TMS320F2407eZdsp开发板上直接利用Simulink进行编程和实时控制的功能,但是TIeZdsp开发

板的价格较昂贵,且硬件接口资源有限,无法实现

如多轴运动控制、高精度采样以及无线控制等・为了解决以上问题,本文提出了基于TI

TMS320F2812DSP的快速控制原型系统方案,并设计与开发了相应的软硬件系统・

1　总体设计思想

快速原型控制系统设计的要点在于把握好设

计需求,从快速性、有效性的角度制定总体方案,然后选择或设计合适的软硬件平台・软件系统要

以提高系统开发效率为目的,具有实时性高、可靠

性强、易于使用和维护等特点・本文所设计的快速

原型控制系统主要面向科研与教学,因此不仅要

考虑系统的性能,也要考虑设备成本,以获得较高

的系统性价比・针对以上需求,提出了一种基于DSP的快速

原型控制系统的低成本设计方案,它提供了完整

的硬件接口和基于MATLAB/Simulink的高效的

软件开发平台・系统的总体结构如图1所示・

图1　基于DSP的快速控制原型系统总体结构Fig.1　ArchitectureofrapidcontrolprototypingsystembasedonDSP

2　基于DSP的硬件系统设计

在硬件系统设计中,核心处理器必须具有很

高的运算速度来完成复杂算法运算并且支持自动

代码生成功能・

TMS320F2812是满足以上需求的

很好选择[6],因此本文采用该芯片来开发硬件控制器系统・硬件系统结构如图2所示・虽然F2812DSP的硬件资源较丰富,但是只

利用F2812DSP自带的基本资源还不能满足常用

控制系统的要求・例如:F2812DSP只提供了2个

编码器输入,这样只能同时采集两路增量式编码

器脉冲;自带的AD转换器转换精度较差,且稳定

性不高,不适合高精度的控制;没有提供无线通讯

和网络通讯接口等・因此,本文在F2812DSP芯片

的基础上对硬件系统进行了功能扩展,增加了2路编码器信号输入、11路12位高精度AD输入图2　硬件系统结构图Fig.2　Architectureofhardwaresystem0701东北大学学报(自然科学版) 第30卷和1个无线通讯接口,以及4路直流电机驱动接

口等,使得该系统可以满足大部分机电一体化控

制、机器人控制以及工业控制系统的硬件需求・本

系统的硬件资源较丰富,但是成本却远远低于商

业化的快速原型控制系统,所以非常适合大学和

研究机构的实验系统使用・

3　基于MATLAB的软件系统设计

系统软件平台是基于MATLAB/Simulink环

境开发的,主要由用户界面、驱动接口模块和控制

算法库模块组成・用户界面模块主要是为控制系

统开发者提供一个开发环境,并显示硬件系统的

Simulink驱动接口以及提供的算法库等・在用户

界面环境中,开发者可以利用Simulink工具箱来

设计控制器,并进行仿真・如果仿真结果满意,则

可以利用MATLAB的RTW功能把Simulink算

法生成CCS环境下的C代码,并进行编译,最后

通过仿真器把可执行代码程序下载到硬件系统中

运行・这样,整个软件系统集被控对象建模、控制

器设计与仿真以及实时控制为一体,可以极大地

提高实时控制系统的开发效率・驱动接口模块的主要功能是提供Simulink对硬件系统的支持・由于MATLAB的Targetfor

TIC2000只提供了F2812DSP片上接口的驱动,对于扩展模块没有提供Simulink接口模块,所以

必须自行开发扩展模块的硬件接口库・Simulink驱动模块库的开发使用了MATLAB中的S函

数[7]及TLC文件两种关键技术・TLC文件的一个非常重要的功能就是能够内嵌(Inline)S函数,从而用户可以将自己的算法、设备驱动和用户模

型增加到Simulink模型代码中・图3给出了

Simulink模块开发流程的示意图・控制算法库的主要功能是提供一些常用的控

制算法模块,用户可以通过更换不同算法模块来

验证不同算法在硬件系统上的实际控制效果・由

于F2812是32位定点处理器,因此在开发过程中

为了提高处理性能,采用了MATLAB的QImath库函数・所开发的硬件驱动模块包括:AD模块、

PWM模块、编码器模块、DI/DO(DigitalIO)模块、串口通讯模块和无线通讯模块等・控制算法模

块包括:离散PID模块、LQR模块、最优PID整

定模块、模型参考自适应控制模块等・

图3　Simulink模块开发流程图Fig.3　DevelopingflowchartofSimulinkmodule

4　实验与分析

为了验证所开发系统的综合性能,本文利用

Quanser(http:∥www.quanser.com.)公司的

SRV02被控对象设计了智能PD控制实验,用以验证利用该系统可以快速进行复杂控制算法的设计与精确的实时控制・为了实现高精度的跟踪控制,本文设计了带有前馈补偿器和RBF神经网络补偿器的智能PD控制器・控制器结构如图4所示・SRV02伺服控制系统的数学模型可以表示如下:

A(z-1)y(k+1)=B(z-1)u(k)+Δ(󰁦x)・(1)式中:u(k),y(k)分别为系统的输入输出;Δ(󰁦x)为系统的非线性项;A(z-1)=1+a1z-1+

合集下载

dspace配置的优缺点比较

dspace配置的优缺点比较

dSPACE

*** 基于Matlab/Simulink平台***

实时快速原型及硬件在回路仿真

的一体化解决途径

1 概述

在当今社会，市场对产品的需求呈现多样性、快速性的趋势，这就使企业的新品开发面临着多样性需求与快速开发之间的矛盾；同时对控制系统鲁棒性及可靠性的要求也日益增加；另外并行工程（即：设计、实现、测试和生产准备同时进行）被提上了日程。DSPACE的产品为并行工程的实现创造了一个良好的环境。

对于进行控制算法研究的工程师而言，最头疼的莫过于没有一个方便而又快捷的途径，可以将他们用控制系统设计软件 (如MATLAB/Simulink) 开发的控制算法在一个实时的硬件平台上实现，以便观察与实际的控制对象相连时，控制算法的性能；而且，如果控制算法不理想，还能够很快地进行反复设计、反复试验直到找到理想的控制方案。

对一些大型的科研应用项目，如果完全遵循过去的开发过程，由于开发过程中存在着需求更改，软件代码甚至代码运行硬件环境不可靠（如：新设计制造的控制单元存在缺陷）等问题，最终导致项目周期长、费用高，缺乏必要的可靠性，甚至还可能导致项目以失败告终。这就要求在开发的初期阶段就引入各种试验手段，并有可靠性高的实时软/硬件环境做支持。

另外，当产品型控制器生产出来后，测试工程师又将面临一个严重的问题。由于并行工程的需求，控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到，用什么方法才能在早期独立地完成对控制器的测试呢？

我们将这些问题概括为两种：快速控制原型（RCP）和硬件在回路仿真（HILS）。dSPACE提供了这两方面应用的统一平台。

2 Dspace介绍

dSPACE实时仿真系统是由dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、I/O等，还拥有方便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境。这样，在dSPACE强大功能的支持下，可以很好地解决上述问题：

基于PXI和RT-LAB的永磁同步电机快速控制原型设计

基于PXI和RT-LAB的永磁同步电机快速控制原型设计

基于PXI和RT-LAB的永磁同步电机快速控制原型设计

朱鹏程;邱华静;马海涛;李鸿彪

【摘 要】针对永磁同步电机控制器存在算法复杂、代码量大、开发周期长等问题,实现一种基于虚拟仪器的永磁同步电机快速控制原型系统;设计快速控制原型硬件平台,并对硬件设备进行选型,包括PXI虚拟仪器、功率驱动模块、电机对拖台架等;研究永磁同步电机转子磁场定向控制原理基础上,以一台3.1 kW被测电机为被控对象,在RT-LAB实时仿真软件环境下,搭建永磁同步电机控制算法模型;实验结果表明,电机转速与定子电流均可无偏差跟踪参考给定值,系统控制性能良好,且该系统使电机控制器开发周期缩短、成本降低.

【期刊名称】《计算机测量与控制》

【年(卷),期】2016(024)008

【总页数】4页(P93-96)

【关键词】快速控制原型;虚拟仪器;永磁同步电机

【作 者】朱鹏程;邱华静;马海涛;李鸿彪

【作者单位】上海科梁信息工程股份有限公司,上海200233;上海科梁信息工程股份有限公司,上海200233;上海科梁信息工程股份有限公司,上海200233;上海科梁信息工程股份有限公司,上海200233

【正文语种】中 文

【中图分类】TP273 永磁同步电机作为电动汽车的关键部件之一，与感应电机相比具有体积小、重量轻、功率密度高等优点［1］。但是由于电动汽车工作环境恶劣、系统干扰强等不确定因素，永磁同步电机高性能控制往往不易实现。近年来，半实物仿真技术得到快速发展，RCP技术更是在实际工程开发中得到广泛应用［2］。将快速控制原型系统用于车辆电机控制器开发可快速验证控制算法的有效性，具有研发成本低、开发周期短、可进行极端测试等优点。

文献［3］采用dSPACE软硬件环境设计了一套用于大功率电力驱动系统的测试、教学实验平台，实现了电机控制实时仿真。文献［4］为实现电机控制器的性能设计与验证，提出了基于RT－LAB和JMAG的永磁同步电机硬件在环（HIL）实时测试平台。文献［5］基于矢量控制方法，以DSP为核心，设计并实现了电流、速度的检测及控制算法。但dSPACE通常价格昂贵、扩展性能较差，HIL系统将真实功率模块及电机用虚拟对象取代，DSP开发则需要耗费大量精力用于硬件设计与代码编写。

基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计

基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计

基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计

摘要：柴油机排放达到国五法规的技术路线有多种,其中以潍柴和玉柴为代表的主机厂采用具有氧化能力的柴油机氧化催化器(DOC,) 和柴油机颗粒捕集器(DPF,) 以及具有还原尾气中氮氧化物的选择性催化还原(SCR,)反应器组合技术路线作为实施方案,可更加高效地完成对尾气中NOx的转化以及对PM 微粒的捕集,具有一定的典型性和代表性。如果采用发动机ECU 和真实环境进行控制策略验证,需要实时调整硬件和软件,开发周期较长,较高的再生温度会损坏DPF,碳载量的加载需要较长时间,开发成本也较高。采用快速控制原型系统只需对控制策略进行调整,就能满足控制目标的要求,可缩短开发周期,降低开发成本,为此本文开发了基于快速原型的SCR&DPF 电控开发平台。

关键词：基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计

前言：SCR 系统是柴油机有效降低NOx，实现国家第四、第五阶段排放标准的关键尾气处理设备，本文在Simulink 环境中，设计实现了基于原机NOx排放脉谱计算尿素需求量的控制策略，与尿素喷射的恒压控制策略、基于的状态转移策略、温度预测控制策略、OBD 故障诊断控制策略，经过系统设计、建模、代码生成、软件在环测试等环节完成V 型开发流程。用户可以对控制策略进行修改、标定、调试，也可进行二次开发。

一、SCR电控开发平台整体结构设计

本平台包括硬件部分和软件部分,其整体结构如硬件部分主要由反应器部分、信号输入模块、快速原型模块组成;软件部分即系统的控制策略, 包括SCR 部分控制策略和DPF 控制策略。

2. 基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计系统设计

1.本系统的设计核心在于基于快速原型的代码生成，以V 型开发流程为范式，将从需求提出到模型的实现到最后的标定测试，都全方位实现了其中，系统需求是通过选择性催化还原反应将系统中的NOx还原为氮气; 系统设计的核心内容是根据发动机工况计算出合理的尿素的喷射量，使排放满足法规要求; 软件设计是通过工具将算法表达出来; 代码生成是通过生成目标C 代码; 软件在环测试是通过既定参数，在环境中测试控制策略的准确性; 硬件在环测试(HIL) 是把被控对象的模型生成C代码并编译成可执行的文件放到硬件平台进行测试，本系统采用的PROtroniC 就是1 种具有丰富I /O，处理器性能强大，软件环境功能强大灵活，包含标定数据信息，基于MATLAB /Simulink 的控制系统开发及半实物仿真软硬件快速原型工作平台，允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，实现了的完全无缝连接，该平台可生产可移植的产品级C 代码，可将代码编译后下载到PROtroniC硬件中，可与真实输入输出设备进行连接调试，评估其性能特征，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换，节省了传统开发过程中SIL 与HIL 的测试时间。代码生成是SCR 系统开发的重点内容之一，生成代码的过程用户在建立的算法模型经编译生成描述整个模型结构文本，包含模型中的参数、变量、模块名称以及为代码生成所做的各种配置的rtw 中间文件时，根据目标语言编译TLC生成包含驱动和操作系统以及其他手写代码一同构成嵌入式系统可用的代码。其中model． c 文件包含了其所在模型层面的算法函数，model． h 该文件对模型用到的数据结构进行声明，该文件声明了模型所需要的本地数据和本地宏，若模型有外部信号，该文件还将对这些外部信号进行配置与声明，该文件定义了用户自定义的数据结构，以上头文件皆被model． c 引用。该代码在经过编译后下载到快速原型或ECU 中，进行验证，完成了基于快速原型的开发平台的软件功能测试、代码生成、硬件在环、台架测试标定的全部流程。

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究

压电陶瓷执行器（Piezoelectric ceramic actuators, PCAs）是一种利用压电材料的逆压电效应制作而成的微位移执行器，具有体积小、能量密度高、分辨率高、频响快等优点，已经成为精密定位系统中重要定位及驱动元件。由于基于单片压电陶瓷晶片的压电陶瓷执行器的输出位移比较小，常常采用一定的工艺将多片压电陶瓷晶片和电极叠合而成压电陶瓷叠堆执行器（Piezoelectric

ceramic stackactuators, PCSAs）以提高输出位移。

然而这种通过一定的工艺叠合而成的压电陶瓷叠堆执行器存在的一些缺点限制了其在快速、高精密定位系统中的应用：首先压电陶瓷叠堆执行器会进一步加剧压电陶瓷晶片的输出位移与驱动电压之间存在多值对应的迟滞现象，如何实现对压电陶瓷叠堆执行器的有效控制成为精密定位控制研究中的重点和难点之一；其次叠合工艺会影响压电陶瓷叠堆执行器的动态性能，甚至缩短其使用寿命。因此，压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞线性化方法及压电陶瓷叠堆执行器的动态性能设计方法是压电陶瓷叠堆执行器在快速、高精密定位系统中应用时必须解决的问题，开展这方面的研究具有重要学术意义和工程应用前景。

为了解决上述问题，本文建立了能描述压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型，提出了基于Bouc-Wen数学模型的线性化控制方法用于实现压电陶瓷叠堆执行器的迟滞线性化；建立了能够同时模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象和动态特性的综合模型，提出了能够合理设计压电陶瓷叠堆执行器的动态性能的方法；建立了预压紧压电陶瓷执行器的现象模型；在此基础上，提出并实现了压电致动二维微位移扫描平台的基于现象模型的鲁棒模型参考自适应控制方法。本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下六个方面：1.提出并研究了能够模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型。