基于dSPACE的磁懸浮系統實驗平臺設計

邵雪卷, 孟凡斌, 陳志梅, 張井崗

(太原科技大學 電子信息工程學院, 山西 太原 030024)

基于dSPACE的磁懸浮系統實驗平臺設計

邵雪卷, 孟凡斌, 陳志梅, 張井崗

(太原科技大學 電子信息工程學院, 山西 太原 030024)

針對磁懸浮系統的位置控制,設計了以dSPACE為核心的實時控制平臺,并通過PID和內模控制算法的成功應用,表明了其合理性及有效性。介紹了實驗平臺的結構、平臺的設計和應用。該系統為控制系統的教學和先進控制策略的研究提供了一個良好的實驗平臺。

磁懸浮系統； 實驗平臺； dSPACE

磁懸浮是一種利用磁力使物體處于懸浮平衡狀態的技術,由于懸浮物和支撐之間沒有機械接觸,避免了二者之間的摩擦損耗。近年來,該項技術在軌道交通運輸、精密加工、航空航天、生命醫學等領域得到了廣泛應用[1]。但磁懸浮是一類非線性不穩定系統,具有一定的控制難度,因此先進控制策略在該系統上的研究與應用,具有重要的理論價值與現實意義。從教學的角度而言,學生在進行磁懸浮系統運動控制實驗過程中,可以掌握控制系統的一般設計方法,理解“線性系統”和“非線性系統”的區別,增強動手能力。

以往在進行控制算法驗證時只進行Simulink仿真研究[2-3],雖然可以取得較好離線仿真結果,但是該方法的置信度有限。若采用以DSP為核心的實驗平臺[4],不僅需要編寫大量程序,而且調試過程還要反復修改代碼。若采用基于Matlab的磁懸浮實驗平臺[5-6],又將面臨系統實時性差、參數調節復雜、管理界面不友好等問題。

鑒于上述原因,本文設計了一個以dSPACE為核心的磁懸浮系統實驗平臺,以滿足先進控制算法研究和教學實驗的需求。

1 實驗平臺的結構

本文所設計的磁懸浮系統實驗平臺結構見圖1,該實驗平臺主要由磁懸浮裝置、dSPACE和上位機等構成。

圖1 磁懸浮系統實驗平臺結構

該實驗平臺工作原理:傳感器檢測到空間中的小球位置(模擬量)后經ADC轉換為數字量送入dSPACE,完成算法運算后由DAC輸出控制信號,驅動電磁線圈產生電磁力,以抵消重力對小球的影響。上位機負責監視系統的運行狀態、調節控制器參數。

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發及半實物仿真軟硬件平臺,它擁有運算能力強、可靠性高等優點,能夠應對各種控制工程及其相關領域的開發和測試需求[7],為快速控制原型開發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單板系統中功能最強、I/O最豐富的一款,該單板系統將處理器、I/O等集成到一塊板子上,并配備了A/D、D/A轉換,以及數字量I/O、增量式編碼器、定時器、中斷控制等。dSPACE軟件環境主要由實時接口(real-time interface, RTI)、綜合實驗和調試軟件ControlDesk兩部分組成。RTI對Simulink模塊庫進行了擴展,利用這些模塊可以方便地調用Simulink和dSPACE的軟硬件資源。RTI還對Simulink/RTW的功能進行了擴展,利用它可以將Simulink實時模型轉化為目標代碼,自動下載到dSPACE硬件中。ControlDesk是dSPACE開發的一種綜合實驗軟件工具,利用它提供的虛擬儀表可以輕松地搭建監測界面,以及管理和調節控制器參數[8]。

2 實驗平臺設計

2.1 硬件系統

(1) 磁懸浮裝置。磁懸浮采用的是固高科技GML1001型磁懸浮裝置,它主要由驅動電路、電磁鐵、光源、光電位置傳感器等構成。驅動電路的輸入電壓為-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15針串口,負責信號的輸入輸出。

(2) 上位機。工控機具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強等特點,本文選用研華610H工控機作上位機,機箱內置16位ISA插槽,可供安裝DS1103控制板,并由機箱內的電源負責供電。

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

根據上述各硬件系統的技術指標獲知,不需要添加其他轉換電路,直接采用RVVP電纜將磁懸浮裝置的15針串口和P1B的對應引腳相連,如圖2所示。并配備顯示器、鍵盤、鼠標等構成一個完整的實時控制平臺,平臺實物圖見圖3。

圖2 磁懸浮系統實時控制平臺硬件電路連接

2.2 通用RTI

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

圖3 磁懸浮系統實時控制平臺實物圖

圖4 位置信號測量RTI模塊

(2) 控制信號RTI模塊。驅動電路的輸入(即控制信號)電壓選用RTI庫中的DS1103DAC_C5模塊,如圖5所示。考慮到輸出電壓過高會對控制板和磁懸浮裝置造成損害,在輸出模塊前添加限幅環節,將控制電壓限定在-10 V～+10 V。配置DACH5通道。

圖5 控制信號RTI模塊

3 磁懸浮實驗平臺的應用

3.1 控制算法開發流程

基于dSPACE的磁懸浮系統控制算法開發流程[10]見圖6。

圖6 磁懸浮系統控制算法開發流程

主要流程有：

(1) 建模。

(2) 控制器設計。

(3) 離線仿真。在Simulink中系統建立仿真模型,研究參數變化對系統性能的影響。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庫中I/O模塊替換離線仿真框圖中被控對象的邏輯連接關系,并對I/O模塊進行配置。

(5) 目標代碼生成。利用dSPACE進行控制系統的實驗研究,只需點擊鼠標就可以將Simulink下實時框圖轉化為目標代碼，并下載到DS1103控制板中。

(6) 綜合實驗和調試。利用ControlDesk提供的豐富虛擬儀表,可以直觀地獲取實時數據。該系統允許反復在線修改控制器參數,直到達到期望的控制效果。

3.2 實驗及結果

本文所采用的磁懸浮裝置物理參數見表1[11]。

表1 磁懸浮裝置的物理參數

為了檢驗本文的磁懸浮系統實時控制平臺的有效性,分別將PID控制[11]和內模控制[12]應用于該實驗平臺中。初始給定位置電壓為-3 V,在15 s左右手動加入干擾,仿真步長設置為1 ms。

(1) PID控制。基于dSPACE的磁懸浮系統PID控制實時框圖如圖7所示。

圖7 PID控制實時框圖

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

(2) 內模控制。基于dSPACE的磁懸浮系統內模控制實時框圖如圖9所示。

內模控制時小球的位置變化曲線見圖10,其中內模控制器的濾波器時間常數λ=0.04。

選擇超調量(σ%)、調節時間(ts,5%誤差帶)、干擾作用后的過渡時間(tt)、穩定后的波動范圍(Δ)及時間乘以誤差絕對值積分(ITAE),作為檢驗實驗平臺性能的指標。兩種控制方法的性能指標見表2。

圖8 PID控制時小球位置變化曲線

圖9 內模控制實時框圖

圖10 內模控制時小球位置變化曲線

表2 不同控制方法的性能指標

通過上述實驗結果可以看出,采用PID控制和內模控制方法都能實現小球的穩定懸浮,這與文獻中的結果保持一致。系統穩定后波動范圍在0.08 V以內,控制精度較高。

此外,采用該平臺進行控制實驗,只需替換部分I/O模塊就可以完成Simulink離線仿真模型到實時控制框圖的轉換；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時控制框圖到目標代碼的轉換,節省了編程的時間。利用ControlDesk可以創建多種參數顯示方式,方便地在線修改控制器參數。采用該平臺進行實時控制時,即使缺乏實際控制經驗的學生也可以快速地掌握實驗平臺的操作方法,了解不同控制策略及控制參數對系統性能的影響。

4 結語

本文以dSPACE DS1103單板系統為核心,設計了磁懸浮系統實時控制平臺,并采用PID控制、內模控制等策略進行了實驗研究。實驗結果表明,本文所搭建的平臺不僅能夠達到磁懸浮系統的位置控制要求,而且具有結構簡單、操作方便等優點。

該實時控制系統可以為學生的課程設計、畢業設計和先進控制策略研究,提供一個良好的實驗平臺。

References)

[1] Ghosh A, Krishnan T R, Tejaswy P, et al. Design and implementation of a 2-DOF PID compensation for magnetic levitation systems[J].Isa Transactions, 2014, 53(4):1216-1222.

[2] 向曉燕,梁平原,張書真，等.優化算法在磁懸浮控制器設計中的應用[J].計算機仿真,2012,29(10):263-267.

[3] 肖閩進,張建生,錢顯毅.基于模糊自適應的主動磁懸浮系統穩定性控制[J].南京航空航天大學學報,2013,45(3):390-395.

[4] 魏莉,周祖德,吳華春,等.基于DSP的磁懸浮平臺數字控制系統研究[J].武漢理工大學學報,2009,31(17):110-113.

[5] 陳梅蓮,于建均,劉琦,等.基于Matlab實時控制的磁浮球系統的實驗研究[J].實驗技術與管理,2012,29(5):119-123.

[6] 朱堅民,沈正強,李孝茹,等.基于神經網絡反饋補償控制的磁懸浮球位置控制[J].儀器儀表學報,2014,35(5):976- 986.

[7] 謝海斌,龍志強.史美萍.面向dSPACE的實驗教學探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(7):158-164.

[8] 朱燕紅,史美萍,謝海斌.dSPACE實驗系統的開發與實驗設計[J].實驗技術與管理,2015,32(11):125-127.

[9] 李曉寧,李逢春.基于dSPACE的永磁同步電機控制半實物仿真實驗設計[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):12-14.

[10] 邵雪卷,張井崗,趙志誠.基于dSPACE的運動控制系統實驗平臺設計[J].電氣電子教學學報,2012,34(6):71-73.

[11] 固高科技(深圳)有限公司.GML1001型磁懸浮試驗裝置安裝使用說明與自動控制原理實驗[Z].濟南:固高科技(深圳)有限公司濟南辦事處,2010.

[12] 李果,趙志誠.磁懸浮小球系統的內模控制[J].太原科技大學學報,2013,34(3):180-84.

論文“摘要”的編寫

(1) 論文摘要以提供論文的內容梗概為宗旨,應簡明、確切地記述論文的重要內容，一般以200～300字為宜。

(2) 論文摘要的基本要素：目的、方法、結果、結論及其他。 目的：研究、研制、調查的前提、目的和任務所涉及的主題范圍。 方法：所用的原理、理論、條件、對象、材料、工藝、結構、手段、裝備、程序等。 結果：實驗和研究的數據、結果、被確定的關系、觀察結果、得到的效果、性能等。 結論：結果的分析、研究、比較、評價、應用，提出的問題，今后的課題，假設，啟發，建議，預測等。 其他：不屬于研究、研制、調查的主要目的，但就其見識和情報價值而言，也是重要的信息。

(3) 論文摘要用第三人稱書寫，應采用“對……進行了研究”“報告了……”“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。

《實驗技術與管理》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

(2014011020-1，2014011020-2)；山西省研究生教改項目(20142058)；山西省研究生聯合培養基地人才培養項目(2016JD35)；太原科技大學研究生科技創新項目(20145020)

邵雪卷(1975—)，女，山西運城,博士，副教授，主要從事運動控制、過程控制、智能控制等方面的研究.

E-mail：sxj0351@163.com

TP273；G484

A

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