CN110032089A - 一种用于电气装置控制算法研发的快速控制原型系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电气装置控制算法研发的快速控制原型系统，包括一台用户主机和一台实时目标机，其中用户主机为装有Matlab/Simulink的个人电脑、工作站或服务器，实时目标机包含上下两层结构，上层结构基于Arm Cortex A系列处理器，用以执行控制运算功能并与用户主机交互；下层结构基于TMS320C28x系列微控制器，拥有控制信号接口和反馈信号接口，用以与受控电气装置交互。本发明成本低、运算能力强大、灵活度高，研发人员在用户主机建立控制算法模型后，可将算法快速部署至实时目标机中执行，最终通过其控制信号接口和反馈信号接口对受控电气装置进行实时监控调试，从而加快研发速度。
Description
技术领域
本发明属于快速控制原型领域，具体设计一种用于电气装置控制算法研发的快速控制原型系统。
背景技术
现今，中小型电气装置的控制主要通过嵌入式微控制器即单片机实现。在研发过程中，工程师对硬件系统的控制算法进行建模仿真后，需要人为将其转换为嵌入式程序代码并烧写至芯片中进行硬件验证，由此带来一系列困难：当控制算法较为复杂时，编写代码的过程会更加复杂，出错时难以检查；调试过程中，每一次对变量的修改，都需要重新烧写单片机程序，较为费时；程序运行过程中，难以对程序内部变量进行实时观测。
近年来，快速控制原型(Rapid Control Prototyping，RCP)技术逐步成为复杂系统开发的有效解决方案。快速控制原型能够使工程师快速地对系统控制算法进行测试。工程师仅需在Matlab/Simulink中建立好控制算法的数学模型后，即可将其部署到配套的实时目标机中，通过实时目标机的I/O口对硬件电子系统进行控制，从而进行算法设计的验证，极大程度缩短开发时间。实时目标机的设计是快速控制原型技术的关键，市面现有的实时目标机中，低端款如树莓派、STM32F4-Discovery、Arduino等经典开发板均可用作为简单的实时目标机，其价格低廉，使用灵活，但CPU运算速率、控制信号输出能力和反馈信号输入能力较差，无法满足电力电子等高速复杂电气装置的控制需求；高端款如dSPACE、OPAL-RT、Speedgoat等企业开发的高性能实时目标机，选用英特尔多核处理器与FPGA相结合的架构，运算能力和输出能力强大，适合复杂大型系统的研发，但其封闭的内部系统、庞大的体积与高昂的价格导致其不适用于中小型电气装置的研发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电气装置控制算法研发的快速控制原型解决方案，其配套实时目标机需要具有强大的驱动输出能力和物理采样能力，并具备高计算能力、高灵活性、高安全性和低成本的特点。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于电气装置控制算法研发的快速控制原型平台，包括一台用户主机和一台实时目标机，其特征在于：
所述的用户主机为个人电脑、工作站或者服务器，使用Matlab/Simulink仿真软件建立控制算法模型；
所述的实时目标机包含上层结构和下层结构，其中上层结构以Arm Cortex A系列微处理器作为处理核心，包含通信接口，与用户主机通过通信链路相连；下层结构以TMS320C28x系列微控制器作为处理核心，包含控制信号接口和反馈信号接口，与受控电气装置通过信号线相连；实时目标机的上层结构与下层结构之间通过并行或者串行数据总线实现高速数据互传。
所述的用户主机通过代码生成技术将Matlab/Simulink仿真软件中的控制算法模型转化为控制程序，并通过通信链路将控制程序部署至所述的实时目标机；实时目标机的上层结构以特定时间周期运行控制程序，读取下层结构的反馈采样，经过计算得到控制指令；下层结构通过TMS320C28x系列微控制器内部的预置程序，根据上层结构的控制指令生成控制信号并将其输出到受控电气装置，同时对来自受控电气装置的反馈信号进行处理并生成反馈采样上传到上层结构。
所述的用户主机允许用户通过Matlab/Simulink仿真软件的人机界面修改控制算法模型中的参数，并将此参数通过通信链路映射至实时目标机相应的程序变量，实现对控制程序及受控电气装置的实时调试。
所述的实时目标机可将来自受控电气装置的反馈采样和控制程序执行过程产生的内部变量通过通信链路实时传输至用户主机，进而用户可在Matlab/Simulink中通过示波器、显示器等模块对反馈采样和内部变量进行在线或离线制表及制图操作，实现对控制程序及受控电气装置的实时监测。
所述的用户主机和实时目标机之间的通信链路采用双绞线、同轴电缆、光纤或无线电等通信媒介，并采用RS232、RS485、USB或IEEE 802系列协议等通信协议。
所述的实时目标机的下层结构所包含的控制信号接口，具体包括通用数字输出接口、PWM驱动接口和数字-模拟转换接口等。
所述的实时目标机的下层结构所包含的反馈信号接口，具体包括通用数字输入接口、绝对式编码器接口、增量式编码器接口、旋转变压器接口和模拟-数字转换接口等。
所述的实时目标机的下层结构所包含的控制信号接口和反馈信号接口，与受控电气设备之间可以采用直接电气连接，也可以采用电气隔离连接；电气隔离连接可以采用光耦、光纤或变压器等隔离方式。
所述的实时目标机的下层结构能够通过内部预置程序在系统上电、启动、停止、下电和故障等非运行工况下对受控电气装置进行不间断的安全管理。
本发明在实时目标机的设计上使用Arm Cortex A系列高性能处理器进行算法模型的计算和与上位机通信功能，该系列处理器价格适中，运算性能强大，可以应对复杂的控制算法模型；使用TMS320C28x系列微控制器提供与受控电气装置相连的输入/输出接口，该系列微控制器价格低，具备高精度PWM信号生成功能、高速ADC采样功能以及多类传感器接口，并能够在系统异常的情况下对受控电气装置进行不间断的安全管理，适用于电力电子装置等电气装置的控制。相比现有技术，本发明设计了适用于电气装置控制算法研发的快速控制原型系统，具有高性能、高灵活性、高安全性和低成本的特点。
附图说明
图1为本发明的快速控制原型系统结构图。
图2为本快速控制原型系统各单元的数据交互示意图。
图3为使用本快速控制原型系统进行研发的流程图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明包括一台用户主机和一台实时目标机。所述的用户主机为一装有Matlab/Simulink仿真软件的个人电脑、工作站或服务器，通过通信链路与实时目标机连接通信。通信链路可以采用双绞线、同轴电缆、光纤、无线电等通信媒介实现，通信协议可以采用RS232、RS485、USB或IEEE 802系列协议等通信协议。当采用无线通信时，还可以实现用户与实时目标机的物理隔离，由此在高压、大功率电气设备的控制中可以有效保护研发人员的人身安全。
所述的实时目标机包含上层结构和下层结构，其中上层结构以Arm Cortex A系列微处理器作为处理核心，包含通信接口，与用户主机相连。下层结构以TMS320C28x系列微控制器作为处理核心，包含控制信号接口和反馈信号接口，与受控电气装置通过信号线相连；实时目标机的上层结构与下层结构之间通过并行或者串行数据总线实现高速数据互传。其中，并行总线传输方式包括上下层结构通过多个并行IO口直接相连进行数据传输，或使用一个额外的双端口片外RAM芯片作为共享RAM来共享数据；串行总线包括UART、SPI、I2C等，在一根或多根数据线上对数据按位传输，实现数据共享。
本快速控制原型系统运行过程中的数据交互模式如图2所示。所述的用户主机通过代码生成技术将Matlab/Simulink仿真软件中的控制算法模型转化为控制程序，并通过通信链路将控制程序部署至所述的实时目标机；实时目标机的上层结构以特定时间周期运行控制程序，读取下层结构的反馈采样，经过计算得到控制指令；下层结构通过TMS320C28x系列微控制器内部的预置程序，根据上层结构的控制指令生成控制信号并将其输出到受控电气装置，同时对来自受控电气装置的反馈信号进行处理并生成反馈采样上传到上层结构。
所述的用户主机允许用户通过Matlab/Simulink仿真软件的人机界面修改控制算法模型中的参数，并将此参数通过通信链路映射至实时目标机相应的程序变量，实现对控制程序及受控电气装置的实时调试。
所述的实时目标机可将来自受控电气装置的反馈采样和控制程序执行过程产生的内部变量通过通信链路实时传输至用户主机，进而用户可在Matlab/Simulink中通过示波器、显示器等模块对反馈采样和内部变量进行在线或离线制表及制图操作，实现对控制程序及受控电气装置的实时监测。
使用本发明提供的本快速控制原型系统进行电气装置控制算法开发的流程如图3所示。首先，用户需要在Simulink中安装配套的模块扩展库，其中包含与实时目标机相匹配的输入/输出接口模块。利用扩展库中的模块以及 Simulink仿真软件自带的模块，用户在Simulink中搭建控制算法模型，其连接与受控电气装置实际的硬件连接保持一致。用户还可以在模型中增加手动开关、参数模块、示波器、显示器等操作观察类模块，以便在运行过程中对控制参数进行实时调试，并对程序变量和反馈采样进行实时监测。而后，用户点击部署按钮，Simulink会通过代码生成器将所搭建的控制算法模型转化为相应的控制程序，进而通过通信链路将控制程序部署至实时目标机中执行。部署完毕后，用户点击运行按钮，Simulink会通过通信链路启动实时目标机中的控制程序，开始运行。用户从Simulink人机界面监测控制程序和受控电气装置的运行状况，并针对性的调节控制参数，以实现预期性能。用户根据调试结果评估是否需要修改控制算法，如果需要，则修改Simulink中的控制算法模型并重复上述步骤，知道运行结果满足要求，完成控制算法设计。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于电气装置控制算法研发的快速控制原型系统，包括一台用户主机和一台实时目标机，其特征在于：
所述的用户主机为个人电脑、工作站或者服务器，使用Matlab/Simulink仿真软件建立控制算法模型；
所述的实时目标机包含上层结构和下层结构，其中上层结构以Arm Cortex A系列微处理器作为处理核心，包含通信接口，与用户主机通过通信链路相连；下层结构以TMS320C28x系列微控制器作为处理核心，包含控制信号接口和反馈信号接口，与受控电气装置通过信号线相连；实时目标机的上层结构与下层结构之间通过并行或者串行数据总线实现高速数据互传。
2.根据权利要求1所述的快速控制原型系统，其特征在于：所述的用户主机通过代码生成技术将Matlab/Simulink仿真软件中的控制算法模型转化为控制程序，并通过通信链路将控制程序部署至所述的实时目标机；实时目标机的上层结构以特定时间周期运行控制程序，读取下层结构的反馈采样，经过计算得到控制指令；下层结构通过TMS320C28x系列微控制器内部的预置程序，根据上层结构的控制指令生成控制信号并将其输出到受控电气装置，同时对来自受控电气装置的反馈信号进行处理并生成反馈采样上传到上层结构。
3.根据权利要求1所述的快速控制原型系统，其特征在于：所述的用户主机允许用户通过Matlab/Simulink仿真软件的人机界面修改控制算法模型中的参数，并将此参数通过通信链路映射至实时目标机相应的程序变量，实现对控制程序及受控电气装置的实时调试。
4.根据权利要求1所述的快速控制原型系统，其特征在于：所述的实时目标机可将来自受控电气装置的反馈采样和控制程序执行过程产生的内部变量通过通信链路实时传输至用户主机，进而用户可在Matlab/Simulink中通过示波器、显示器等模块对反馈采样和内部变量进行在线或离线制表及制图操作，实现对控制程序及受控电气装置的实时监测。
5.根据权利要求1所述的快速控制原型系统，其特征在于：所述的用户主机和实时目标机之间的通信链路采用双绞线、同轴电缆、光纤或无线电等通信媒介，并采用RS232、RS485、USB或IEEE 802系列协议等通信协议。
6.根据权利要求1所述的实时目标机，其特征在于：所述的实时目标机的下层结构所包含的控制信号接口，具体包括通用数字输出接口、PWM驱动接口和数字-模拟转换接口等。
7.根据权利要求1所述的实时目标机，其特征在于：所述的实时目标机的下层结构所包含的反馈信号接口，具体包括通用数字输入接口、绝对式编码器接口、增量式编码器接口、旋转变压器接口和模拟-数字转换接口等。
8.根据权利要求1所述的实时目标机，其特征在于：所述的实时目标机的下层结构所包含的控制信号接口和反馈信号接口，与受控电气设备之间可以采用直接电气连接，也可以采用电气隔离连接；电气隔离连接可以采用光耦、光纤或变压器等隔离方式。
9.根据权利要求1所述的实时目标机，其特征在于：所述的实时目标机的下层结构能够通过内部预置程序在系统上电、启动、停止、下电和故障等非运行工况下对受控电气装置进行不间断的安全管理。
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