基于dSPACE的磁懸浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

邵雪卷, 孟凡斌, 陳志梅, 張井崗

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

基于dSPACE的磁懸浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

邵雪卷, 孟凡斌, 陳志梅, 張井崗

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

針對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的位置控制,設(shè)計(jì)了以dSPACE為核心的實(shí)時(shí)控制平臺(tái),并通過(guò)PID和內(nèi)?？刂扑惴ǖ某晒?yīng)用,表明了其合理性及有效性。介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。該系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的教學(xué)和先進(jìn)控制策略的研究提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

磁懸浮系統(tǒng)； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； dSPACE

磁懸浮是一種利用磁力使物體處于懸浮平衡狀態(tài)的技術(shù),由于懸浮物和支撐之間沒有機(jī)械接觸,避免了二者之間的摩擦損耗。近年來(lái),該項(xiàng)技術(shù)在軌道交通運(yùn)輸、精密加工、航空航天、生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。但磁懸浮是一類非線性不穩(wěn)定系統(tǒng),具有一定的控制難度,因此先進(jìn)控制策略在該系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用,具有重要的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。從教學(xué)的角度而言,學(xué)生在進(jìn)行磁懸浮系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可以掌握控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法,理解“線性系統(tǒng)”和“非線性系統(tǒng)”的區(qū)別,增強(qiáng)動(dòng)手能力。

以往在進(jìn)行控制算法驗(yàn)證時(shí)只進(jìn)行Simulink仿真研究[2-3],雖然可以取得較好離線仿真結(jié)果,但是該方法的置信度有限。若采用以DSP為核心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4],不僅需要編寫大量程序,而且調(diào)試過(guò)程還要反復(fù)修改代碼。若采用基于Matlab的磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5-6],又將面臨系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜、管理界面不友好等問題。

鑒于上述原因,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以dSPACE為核心的磁懸浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以滿足先進(jìn)控制算法研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的磁懸浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖1,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由磁懸浮裝置、dSPACE和上位機(jī)等構(gòu)成。

圖1 磁懸浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理:傳感器檢測(cè)到空間中的小球位置(模擬量)后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入dSPACE,完成算法運(yùn)算后由DAC輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)電磁線圈產(chǎn)生電磁力,以抵消重力對(duì)小球的影響。上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真軟硬件平臺(tái),它擁有運(yùn)算能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),能夠應(yīng)對(duì)各種控制工程及其相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)和測(cè)試需求[7],為快速控制原型開發(fā)提供了一整套理想的解決方案。

本文采用的是dSPACE DS1103控制板,是目前所有dSPACE單板系統(tǒng)中功能最強(qiáng)、I/O最豐富的一款,該單板系統(tǒng)將處理器、I/O等集成到一塊板子上,并配備了A/D、D/A轉(zhuǎn)換,以及數(shù)字量I/O、增量式編碼器、定時(shí)器、中斷控制等。dSPACE軟件環(huán)境主要由實(shí)時(shí)接口(real-time interface, RTI)、綜合實(shí)驗(yàn)和調(diào)試軟件ControlDesk兩部分組成。RTI對(duì)Simulink模塊庫(kù)進(jìn)行了擴(kuò)展,利用這些模塊可以方便地調(diào)用Simulink和dSPACE的軟硬件資源。RTI還對(duì)Simulink/RTW的功能進(jìn)行了擴(kuò)展,利用它可以將Simulink實(shí)時(shí)模型轉(zhuǎn)化為目標(biāo)代碼,自動(dòng)下載到dSPACE硬件中。ControlDesk是dSPACE開發(fā)的一種綜合實(shí)驗(yàn)軟件工具,利用它提供的虛擬儀表可以輕松地搭建監(jiān)測(cè)界面,以及管理和調(diào)節(jié)控制器參數(shù)[8]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)

(1) 磁懸浮裝置。磁懸浮采用的是固高科技GML1001型磁懸浮裝置,它主要由驅(qū)動(dòng)電路、電磁鐵、光源、光電位置傳感器等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓為-10 V～+10 V,傳感器的輸出電壓為-7.5 V～0 V,且二者皆為模擬量。該裝置底座有一個(gè)15針串口,負(fù)責(zé)信號(hào)的輸入輸出。

(2) 上位機(jī)。工控機(jī)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),本文選用研華610H工控機(jī)作上位機(jī),機(jī)箱內(nèi)置16位ISA插槽,可供安裝DS1103控制板,并由機(jī)箱內(nèi)的電源負(fù)責(zé)供電。

(3) dSPACE。dSPACE DS1103控制板上有P1(模擬量I/O)、P2(數(shù)字量I/O)、P3(增量式編碼器接口)3個(gè)100針插件。P1被分成2個(gè)50針的D-Sub插件(P1A、P1B),輸入輸出電壓范圍為-10 V～+10 V。

根據(jù)上述各硬件系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)獲知,不需要添加其他轉(zhuǎn)換電路,直接采用RVVP電纜將磁懸浮裝置的15針串口和P1B的對(duì)應(yīng)引腳相連,如圖2所示。并配備顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等構(gòu)成一個(gè)完整的實(shí)時(shí)控制平臺(tái),平臺(tái)實(shí)物圖見圖3。

圖2 磁懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制平臺(tái)硬件電路連接

2.2 通用RTI

(1) 位置信號(hào)測(cè)量RTI模塊[9]。小球位置信號(hào)的測(cè)量選用RTI模塊庫(kù)中的DS1103MUX_ADC_CONx模塊,如圖4所示。由于ADC將輸入電壓衰減為實(shí)際值的1/10,因此在信號(hào)采集后擴(kuò)大10倍以還原實(shí)際的電壓大小。為了匹配硬件連接,選擇ADCH13通道。

圖3 磁懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制平臺(tái)實(shí)物圖

圖4 位置信號(hào)測(cè)量RTI模塊

(2) 控制信號(hào)RTI模塊。驅(qū)動(dòng)電路的輸入(即控制信號(hào))電壓選用RTI庫(kù)中的DS1103DAC_C5模塊,如圖5所示。考慮到輸出電壓過(guò)高會(huì)對(duì)控制板和磁懸浮裝置造成損害,在輸出模塊前添加限幅環(huán)節(jié),將控制電壓限定在-10 V～+10 V。配置DACH5通道。

圖5 控制信號(hào)RTI模塊

3 磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

3.1 控制算法開發(fā)流程

基于dSPACE的磁懸浮系統(tǒng)控制算法開發(fā)流程[10]見圖6。

圖6 磁懸浮系統(tǒng)控制算法開發(fā)流程

主要流程有：

(1) 建模。

(2) 控制器設(shè)計(jì)。

(3) 離線仿真。在Simulink中系統(tǒng)建立仿真模型,研究參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。其中控制器部分可以用模塊搭建或編寫S-function。

(4) I/O替換。用RTI庫(kù)中I/O模塊替換離線仿真框圖中被控對(duì)象的邏輯連接關(guān)系,并對(duì)I/O模塊進(jìn)行配置。

(5) 目標(biāo)代碼生成。利用dSPACE進(jìn)行控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以將Simulink下實(shí)時(shí)框圖轉(zhuǎn)化為目標(biāo)代碼，并下載到DS1103控制板中。

(6) 綜合實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。利用ControlDesk提供的豐富虛擬儀表,可以直觀地獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)允許反復(fù)在線修改控制器參數(shù),直到達(dá)到期望的控制效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本文所采用的磁懸浮裝置物理參數(shù)見表1[11]。

表1 磁懸浮裝置的物理參數(shù)

為了檢驗(yàn)本文的磁懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的有效性,分別將PID控制[11]和內(nèi)?？刂芠12]應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。初始給定位置電壓為-3 V,在15 s左右手動(dòng)加入干擾,仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1 ms。

(1) PID控制?；赿SPACE的磁懸浮系統(tǒng)PID控制實(shí)時(shí)框圖如圖7所示。

圖7 PID控制實(shí)時(shí)框圖

PID控制時(shí)小球的位置變化曲線見圖8(圖中V為小球位置對(duì)應(yīng)電壓)，PID控制器參數(shù)為Kp=1.5,KiTs=0.001,Kd/Ts=45，Ts為采樣周期。

(2) 內(nèi)?？刂啤；赿SPACE的磁懸浮系統(tǒng)內(nèi)模控制實(shí)時(shí)框圖如圖9所示。

內(nèi)?？刂茣r(shí)小球的位置變化曲線見圖10,其中內(nèi)模控制器的濾波器時(shí)間常數(shù)λ=0.04。

選擇超調(diào)量(σ%)、調(diào)節(jié)時(shí)間(ts,5%誤差帶)、干擾作用后的過(guò)渡時(shí)間(tt)、穩(wěn)定后的波動(dòng)范圍(Δ)及時(shí)間乘以誤差絕對(duì)值積分(ITAE),作為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能的指標(biāo)。兩種控制方法的性能指標(biāo)見表2。

圖8 PID控制時(shí)小球位置變化曲線

圖9 內(nèi)模控制實(shí)時(shí)框圖

圖10 內(nèi)?？刂茣r(shí)小球位置變化曲線

表2 不同控制方法的性能指標(biāo)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用PID控制和內(nèi)?？刂品椒ǘ寄軐?shí)現(xiàn)小球的穩(wěn)定懸浮,這與文獻(xiàn)中的結(jié)果保持一致。系統(tǒng)穩(wěn)定后波動(dòng)范圍在0.08 V以內(nèi),控制精度較高。

此外,采用該平臺(tái)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn),只需替換部分I/O模塊就可以完成Simulink離線仿真模型到實(shí)時(shí)控制框圖的轉(zhuǎn)換；不同控制策略之間只需要改變控制器部分的模塊,且只需一鍵就能夠完成實(shí)時(shí)控制框圖到目標(biāo)代碼的轉(zhuǎn)換,節(jié)省了編程的時(shí)間。利用ControlDesk可以創(chuàng)建多種參數(shù)顯示方式,方便地在線修改控制器參數(shù)。采用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí),即使缺乏實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生也可以快速地掌握實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作方法,了解不同控制策略及控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以dSPACE DS1103單板系統(tǒng)為核心,設(shè)計(jì)了磁懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制平臺(tái),并采用PID控制、內(nèi)?？刂频炔呗赃M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所搭建的平臺(tái)不僅能夠達(dá)到磁懸浮系統(tǒng)的位置控制要求,而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可以為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和先進(jìn)控制策略研究,提供一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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論文“摘要”的編寫

(1) 論文摘要以提供論文的內(nèi)容梗概為宗旨,應(yīng)簡(jiǎn)明、確切地記述論文的重要內(nèi)容，一般以200～300字為宜。

(2) 論文摘要的基本要素：目的、方法、結(jié)果、結(jié)論及其他。 目的：研究、研制、調(diào)查的前提、目的和任務(wù)所涉及的主題范圍。 方法：所用的原理、理論、條件、對(duì)象、材料、工藝、結(jié)構(gòu)、手段、裝備、程序等。 結(jié)果：實(shí)驗(yàn)和研究的數(shù)據(jù)、結(jié)果、被確定的關(guān)系、觀察結(jié)果、得到的效果、性能等。 結(jié)論：結(jié)果的分析、研究、比較、評(píng)價(jià)、應(yīng)用，提出的問題，今后的課題，假設(shè)，啟發(fā)，建議，預(yù)測(cè)等。 其他：不屬于研究、研制、調(diào)查的主要目的，但就其見識(shí)和情報(bào)價(jià)值而言，也是重要的信息。

(3) 論文摘要用第三人稱書寫，應(yīng)采用“對(duì)……進(jìn)行了研究”“報(bào)告了……”“介紹了……”“論述了……”等的記述方式，不要使用“本文”“作者”“我們”等作為主語(yǔ)。

《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》編輯部 編錄

Design of experimental platform for magnetic levitation system based on dSPACE

Shao Xuejuan, Meng Fanbin, Chen Zhimei, Zhang Jinggang

(College of Electronic Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Aiming at the position control of the magnetic levitation, a real-time control platform based on dSPACE is designed. Through the successful application of the PID control and internal model control algorithm, the rationality and validity of the experimental platform are verified. The structure of the experimental platform and its design and application are introduced. This system provides a good platform for teaching of the control system and research of the advanced control strategies.

magnetic levitation system; experimental platform; dSPACE

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.018

2016-05-04 修改日期：2016-08-03

山西省自然科學(xué)

(2014011020-1，2014011020-2)；山西省研究生教改項(xiàng)目(20142058)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2016JD35)；太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20145020)

邵雪卷(1975—)，女，山西運(yùn)城,博士，副教授，主要從事運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、智能控制等方面的研究.

E-mail：sxj0351@163.com

TP273；G484

A

: 1002-4956(2016)12- 0067- 05