CN104635511A - 基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，包括机械部分和电气部分；机械部分为磁悬浮小球装置，电气部分包括PC机，仿真器，实时嵌入式控制器，功率放大器，电涡流位移传感器；PC机作为上位机，基于物理模型设计控制系统，自动代码生成并通过仿真器下载到实时控制器，控制器的输出经过功率放大器控制磁悬浮小球装置的线圈电流大小，电涡流位移传感器采集小球的位置信息反馈到控制器，通过此闭环回路对小球进行控制；将磁悬浮小球同基于模型和自动代码生成技术的控制系统开发方法相结合，为控制理论学习提供了好的实验平台，具有控制系统开发时间短、成本低等特点。

Description

基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台。

背景技术

近年来，随着各行业及工业的快速发展，市场对装备的需求和要求大大提高，因此装备的复杂性也大大提高，具体体现在要求装备在高速、高精度性能上有更好的表现，相应的控制对象体现出更大程度的非线性和时变性等问题，这些问题对控制系统的要求更加的严格，因此控制系统的设计和开发及新的优越的控制算法也面临着巨大的挑战。

上述控制对象体现的复杂非线性时变系统，造成系统模型建立困难甚至无法建立，而经典控制理论和现代控制理论由于对被控对象的精确模型要求对于上述问题显得无能为力，因此“智能控制”理论应运而生，目前，智能控制发展出了专家系统、模糊控制、神经控制等理论及应用方法，但还不够成熟，所以还有必要针对智能控制继续深入研究。

不论传统的控制理论或现代控制理论亦或是智能控制方法，对于控制系统和控制算法的开发和设计，仿真都是一种很好地研究和验证方式，但目前普遍存在仿真研究和控制实施分离的做法，这使得控制算法在理论上领先于具体应用，对于解决实际的控制问题存在短板和限制，也拖慢了理论的实际应用节奏。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，能够在本实验台基础上学习磁悬浮的技术原理，方便快捷地学习控制理论，并设计开发控制算法，用于实现小球的稳定悬浮。

为了达到以上的目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，包括机械部分和电气部分，所述机械部分为磁悬浮小球装置，包括小球、和为小球提供浮力的线圈；所述电气部分包括依次连接的PC机、仿真器、实时嵌入式控制器、功率放大器和采集小球位置信息的电涡流位移传感器；PC机作为上位机控制设计部分，基于物理模型设计控制系统自动生成代码，并通过仿真器下载到实时嵌入式控制器进行D/A转化后输出，实时嵌入式控制器输出信号经过功率放大器后控制磁悬浮小球装置线圈的电流大小，电涡流位移传感器采集小球的位置信息并反馈到实时嵌入式控制器进行A/D转换，实时嵌入式控制器根据反馈的小球位置信息和设定位置信息进行控制解算，实现对小球的位置控制。

进一步，所述磁悬浮小球装置，包括支撑平台，通过螺杆和螺母安装在支撑平台上方的下平台和上平台；所述线圈通过螺杆和螺母悬挂在上平台下方，通过螺杆和螺母调节线圈的水平位置和高度；所述电涡流位置传感器固定在下平台上；小球在控制过程中悬浮在线圈与电涡流位置传感器之间；所述支撑平台通过螺杆和螺母支撑，通过螺杆和螺母调节整体的水平位置。

进一步，所述电涡流位置传感器自身带有螺纹，通过自带螺纹连接固定在下平台上，通过螺纹调节与线圈的垂直距离。

进一步，所述仿真器通过USB接口与PC机相连，通过JTAG接口与实时嵌入式控制器相连。

进一步，所述实时嵌入式控制器采用TMS320F28335浮点DSP控制器，控制器内部集成有A/D转换电路，控制器外围接有D/A转换电路和仿真接口模块。

进一步，所述PC机为台式机、工业控制机或便携式笔记本，利用Matlab\Simulink设计控制算法，并自动生成嵌入式控制器可执行的代码，代码集成开发环境使用CCS3.3。

相对于现有技术，本发明具有的有益效果：

本发明包括机械部分和电气部分，将被控对象磁悬浮小球装置连接到控制仿真系统中，解决了以往的仿真与控制实施分离的做法造成的模型不匹配问题，因此在本发明控制设计过程中，可以将干扰和实际控制过程中出现的不稳定因素考虑在控制设计中，完善控制算法，使得控制系统设计更可靠稳定。

采用本发明试验台和基于模型与自动代码生产的控制系统开发方法，可以快速的学习控制理论，磁悬浮原理与应用，验证新的控制算法和思想，为复杂动力学系统等的控制算法研究提供支撑平台。

本发明基于模型和自动代码生成的控制系统开发方法由于其前后模型统一，相对于传统的仿真研究与控制实施相分离的做法具有极大的优越性，同时磁悬浮系统具有强烈的非线性，是研究控制理论理想的对象；将基于模型和自动代码生成的控制系统研究方法与磁悬浮小球相结合，为控制理论研究构建了整套实验系统。

进一步，本发明采用上位机设计控制系统和控制算法，在Matlab\Simulink中建立实时控制模型，并通过自动代码生成下载到实时嵌入式控制器，大大简化了手工编写代码的过程，缩短了控制系统的开发设计时间，降低了成本。

本发明设计的试验台和控制系统开发方法可以移植到其他装备的控制系统研究中，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的机械部分磁悬浮小球装置的结构示意图；

图3是本发明的工作过程流程图；

其中，1-线圈；2-小球；3-电涡流位移传感器；4-螺母；5-支撑平台；6-下平台；7-螺杆；8-上平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分。其中，上位机控制设计部分包括PC机和仿真器，PC机作为控制系统设计的主要部分，在Matlab\Simulink环境中设计实时控制系统模型，自动生成代码并借助集成开发环境CCS3.3通过仿真器下载到下位机实时嵌入式控制器中运行。下位机执行与被控部分包括实施嵌入式控制器、功率放大器、磁悬浮小球装置、电涡流位移传感器3。

磁悬浮小球装置包括小球2、和为小球提供浮力的线圈1；PC机、仿真器、实时嵌入式控制器、功率放大器和采集小球2位置信息的电涡流位移传感器3依次连接。

实时嵌入式控制器作为下位机，执行上位机生成的代码，完成信号的A/D和D/A转换、控制的解算，输出控制信号，是磁悬浮小球悬浮过程中的控制中心。功率放大器将控制器输出的信号进行放大，直接输出到线圈1，控制线圈1的电流大小，进而控制小球2的位置。电涡流位移传感器3安装在磁悬浮小球装置的下平台上，在线圈1的正下方，测量小球2到电涡流传感器3顶端的距离，并将信号输出到控制器进行A/D转换，完成信号的反馈过程，实现小球的闭环控制。

参见图2，本发明的磁悬浮小球装置，包括支撑平台5，通过螺杆7和螺母4安装在支撑平台5上方的下平台6和上平台8，线圈1通过螺杆7和螺母4悬挂在上平台8上，通过螺杆7和螺母4调节线圈1的水平位置和高度，支撑平台5通过螺杆7和螺母4调节整体的水平位置，电涡流位置传感器3自身带有螺纹，通过螺纹连接固定在下平台6上，并可调节与线圈1的垂直距离，小球3在控制过程中悬浮在线圈1与电涡流位置传感器3之间。

本发明使用Matlab\Simulink设计的实时控制系统仿真模型，使用的是Matlab2014a版本，磁悬浮小球采用PID闭环控制方式，控制器的核心采用TMS320F28335，28335芯片集成了A/D功能，外围设计有D/A模块和JTAG接口模块，仿真器通过USB接口与PC机相连，通过JTAG接口与实时嵌入式控制器相连。

本发明使用Matlab\Simulink设计的实时控制系统仿真模型的参数配置，在Configuration Parameters中配置代码开发环境，代码种类，目标板类型等参数。

PC机为台式机、工业控制机或便携式笔记本，使用Matlab\Simulink设计的实时控制系统仿真模型的自动代码生成结果，在上述配置设置完成后可在Simulink中Build执行，即可自动生成C代码，并由Matlab调用CCS3.3对生成代码进行编译、链接、下载、执行等命令。

参见图3，本发明的工作过程如下：

参见图1和图2连接好机械部分磁悬浮小球装置，连接好电气部分搭建磁悬浮小球控制实验台，上位机PC机对系统进行控制算法设计，在Matlab\Simulik下建立系统的实时控制模型，对模型进行参数配置，利用RTW自动代码生成，并调用代码集成开发环境CCS3.3通过仿真器下载到下位机实时嵌入式控制器中。控制器执行程序，输出D/A信号，此信号微弱，不足以驱动线圈1产生足够大的电磁力吸引小球2悬浮，因此将此信号通过功率放大器，然后输出到线圈1，控制线圈1电流大小。小球2受到电磁引力做出响应，电涡流位移传感器3采集小球2距离传感器3的位置信息，作为反馈信号输出到控制器，控制器将此信号进行A/D转换，设定小球位置信号和此反馈信号相减得到位置误差，控制器根据误差和控制规则进行解算，再次输出调整的信号值，循环此过程，通过此闭环控制，直至小球稳定悬浮在设定位置。

仿真器在此过程可以观测控制器的变量和状态，并返回信息给上位机，上位机得以监测下位机执行和被控部分的状态和变化，并进行分析，便于对控制算法和控制系统的改进和完善。

Claims (6)

1.基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，其特征在于：包括机械部分和电气部分，所述机械部分为磁悬浮小球装置，包括小球(2)、和为小球提供浮力的线圈(1)；所述电气部分包括依次连接的PC机、仿真器、实时嵌入式控制器、功率放大器和采集小球(2)位置信息的电涡流位移传感器(3)；

PC机作为上位机控制设计部分，基于物理模型设计控制系统，自动生成代码，并通过仿真器下载到实时嵌入式控制器进行D/A转化后输出，实时嵌入式控制器输出信号经过功率放大器后控制磁悬浮小球装置线圈(1)的电流大小，电涡流位移传感器(3)采集小球(2)的位置信息并反馈到实时嵌入式控制器进行A/D转换，实时嵌入式控制器根据反馈的小球(2)位置信息和设定位置信息进行控制解算，实现对小球(2)的位置控制。

2.根据权利要求1所述的基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，其特征在于：所述磁悬浮小球装置，包括支撑平台(5)，通过螺杆(7)和螺母(4)安装在支撑平台(5)上方的下平台(6)和上平台(8)；所述线圈(1)通过螺杆(7)和螺母(4)悬挂在上平台(8)下方，通过螺杆(7)和螺母(4)调节线圈(1)的水平位置和高度；所述电涡流位置传感器(3)固定在下平台(6)上；小球(3)在控制过程中悬浮在线圈(1)与电涡流位置传感器(3)之间；所述支撑平台(5)通过螺杆(7)和螺母(4)支撑，通过螺杆(7)和螺母(4)调节整体的水平位置。

3.根据权利要求2所述的基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，其特征在于：所述电涡流位置传感器(3)自身带有螺纹，通过自带螺纹连接固定在下平台(6)上，通过螺纹调节与线圈(1)的垂直距离。

4.根据权利要求1所述的基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，其特征在于：所述仿真器通过USB接口与PC机相连，通过JTAG接口与实时嵌入式控制器相连。

5.根据权利要求1所述的基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，其特征在于：所述实时嵌入式控制器采用TMS320F28335浮点DSP控制器，控制器内部集成有A/D转换电路，控制器外围接有D/A转换电路和仿真接口模块。

6.根据权利要求1所述的基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台，其特征在于：所述PC机为台式机、工业控制机或便携式笔记本，利用Matlab\Simulink设计控制算法，并自动生成嵌入式控制器可执行的代码，代码集成开发环境使用CCS3.3。