TIDSP嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

1、TI DSP電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究平臺(tái)一、 簡(jiǎn)介2二、 產(chǎn)品介紹31. TMS320F2812 DSP控制卡32. 基于MATLAB和TI DSP的快速控制原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)53. 直線電機(jī)倒立擺及其MATLAB/DSP控制系統(tǒng)74. 磁懸浮球及其MATLAB/DSP控制系統(tǒng)9三、 TI DSP電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案12四、 附錄：121、直線電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)122、cSPACE的MATLAB/Simulnk算法開(kāi)發(fā)軟件說(shuō)明143、cSPACE監(jiān)控軟件說(shuō)明154、倒立擺數(shù)學(xué)建模155、LQR控制算法介紹186、PID控制算法及整定方法簡(jiǎn)介191、 簡(jiǎn)介DSP以其強(qiáng)大的運(yùn)算性能、豐富的片內(nèi)外設(shè)和存儲(chǔ)資源、

2、改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)及流水線技術(shù)、便攜的開(kāi)發(fā)環(huán)境和豐富的應(yīng)用支持，以及龐大的開(kāi)發(fā)群體，在汽車電子、通訊、工業(yè)自動(dòng)化、軍事裝備、醫(yī)療儀器、家電、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電力電子和電網(wǎng)設(shè)備、宇航和航空電子設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此了解和掌握DSP開(kāi)發(fā)很有利于對(duì)高校的機(jī)電相關(guān)的工科學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。目前市場(chǎng)上的的DSP開(kāi)發(fā)板有很多，但是DSP的應(yīng)用除了包含本身的軟件和硬件設(shè)計(jì)，還包含PID、LQR最優(yōu)控制等自動(dòng)控制算法以及濾波器等信號(hào)處理設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)MATLAB仿真，以及最為關(guān)鍵的是如何把理論分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制。因而擁有以上功能的DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)會(huì)很有助于學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)軟硬件、算法、建模仿真和

3、實(shí)時(shí)控制開(kāi)發(fā)能力的提升，為進(jìn)入工作崗位打下更好的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。安徽合動(dòng)智能科技有限公司針對(duì)以上的市場(chǎng)需求，推出了采用TMS320F2812的DSP控制卡、基于MATLAB和TI DSP的快速控制原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（cSPACE）、直線電機(jī)倒立擺和磁懸浮球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，能提供極為豐富的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的軟硬件、自動(dòng)控制原理、信號(hào)處理、傳感器、伺服電機(jī)、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)時(shí)控制知識(shí)，并為本科和研究生課程提供豐富的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和高級(jí)實(shí)驗(yàn)，目前作為基礎(chǔ)教學(xué)和科研平臺(tái)已經(jīng)在高校中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，客戶包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、解放軍國(guó)防科技大學(xué)、美

4、國(guó)佐治亞理工學(xué)院、新加坡國(guó)立大學(xué)、南陽(yáng)理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)外一流高校。2、 產(chǎn)品介紹1. TMS320F2812 DSP控制卡特點(diǎn)如下：1) 以TI公司C28x系列的TMS320F2812芯片為主處理器2) 開(kāi)發(fā)板資源豐富：引出片內(nèi)的QEP正交編碼器、SCI串行通信、PWM、片內(nèi)AD、IO等接口，并外擴(kuò)AD7656帶6路16位AD芯片、AD5754帶4路16位DA的芯片以及HCTL2032編碼器解碼芯片3) 示例程序全：附帶的資料系統(tǒng)地介紹了DSP芯片的基本特點(diǎn)、硬件結(jié)構(gòu)、工作原理、開(kāi)發(fā)環(huán)境和使用方法，內(nèi)容包括CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘和系統(tǒng)控制、存儲(chǔ)空間及通用I/O接口、中斷管理方式、片內(nèi)外設(shè)、尋址方式

5、和指令系統(tǒng)、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS、DSP最小系統(tǒng)及相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)，以及跟以上芯片的接口程序等4) 提供實(shí)際電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例：本實(shí)驗(yàn)提供豐富的接口實(shí)例程序，使學(xué)生建立DSP芯片的主要知識(shí)體系和實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的DSP系統(tǒng)中，達(dá)到開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目的。詳細(xì)硬件資源如下所示：l 主處理器為T(mén)MS320F2812 DSP，處理能力為150MIPSl 集成了自主研發(fā)的TI DSP 高性能仿真器l 8通道的12bit AD，轉(zhuǎn)換時(shí)間為250ns，輸入范圍為（0，3V）l 6通道的16bit AD，轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.1us，輸入范圍為（-10，10V）l 4通道16bit的DA，建立時(shí)間為10us，輸出

6、范圍為（-10，+10V）l 3通道獨(dú)立的PHM信號(hào)，分辨率為16位，1通道有兩路輸出，共6路輸出，這6路輸出也可以作為輸出的IO引腳使用l 4路輸入IO引腳l 4通道QEP單元正交編碼信號(hào)處理模塊l 1路RS232串口l 128k16bit 的片內(nèi)flash 和18k16bit 的SARAMl 三個(gè)32 bit 的系統(tǒng)定時(shí)器，4個(gè)16 bit通用定時(shí)器額外可擴(kuò)充的功能：l 5通道PHM信號(hào)，分辨率為16位l 多達(dá)56個(gè)可單獨(dú)編程的復(fù)用口，亦可用作通用I/O 口l 三個(gè)外部中斷口，并有外圍中斷擴(kuò)展模塊，可支持多達(dá)45 個(gè)外圍中斷實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程學(xué)時(shí)內(nèi)容1GPIO認(rèn)識(shí)和讀取信號(hào)實(shí)驗(yàn)2熟悉DSP芯片中

7、GPIO接口的特性與開(kāi)發(fā)方式2片內(nèi)AD接口的認(rèn)識(shí)和讀取信號(hào)實(shí)驗(yàn)2熟悉DSP芯片中AD接口的特性與開(kāi)發(fā)方式3SCI接口的認(rèn)識(shí)和讀取信號(hào)實(shí)驗(yàn)2熟悉DSP芯片中SCI接口的串行通訊方式4SPI和DA接口的認(rèn)識(shí)和讀取信號(hào)實(shí)驗(yàn)2熟悉DSP芯片中DA接口的特性與開(kāi)發(fā)方式5數(shù)據(jù)、地址總線和HCTL2032編碼器接口實(shí)驗(yàn)2介紹HCTL正交編碼器的使用方式，提供詳細(xì)的實(shí)例程序6數(shù)據(jù)、地址總線和AD7656芯片對(duì)的接口實(shí)驗(yàn)2了解DSP如何外擴(kuò)AD芯片6自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2按小組進(jìn)行DSP的自主設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)自主設(shè)計(jì)，掌握DSP的開(kāi)發(fā)流程，提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力。2. 基于MATLAB和TI DSP的快速控制原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

8、系統(tǒng)照片特點(diǎn)如下：1) 快速控制原型（Rapid Controller Prototyping，RCP）和硬件在回路實(shí)時(shí)仿真(Hardware-in-Loop，HIL)是目前國(guó)際上控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用方法，它把計(jì)算機(jī)仿真（純軟件）和實(shí)時(shí)控制（硬件在回路）有機(jī)結(jié)合起來(lái)，用戶可把仿真結(jié)果直接用于實(shí)時(shí)控制，極大提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率2) 本公司研制的快速控制原型和硬件在回路開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱cSPACE系統(tǒng)）基于TMS320F2812DSP和MATLAB/Simulink開(kāi)發(fā)，擁有AD、DA、IO、Encoder和快速控制原型開(kāi)發(fā)、硬件在環(huán)仿真功能3) MATLAB/Simulink自動(dòng)生成DSP控制

9、代碼，支持MATLAB/Simulink的信號(hào)處理、模糊控制等大部分工具箱4) 變量實(shí)時(shí)觀測(cè)和參數(shù)在線修改功能，極大地提高廣大用戶在電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面的效率。開(kāi)發(fā)流程如下所示：使用本公司研制的cSPACE系統(tǒng)，通過(guò)Matlab/Simulink設(shè)計(jì)好控制算法，將輸入、輸出接口替換為公司的cSPACE模塊，編譯整個(gè)模塊就能自動(dòng)生成DSP代碼，在控制卡上運(yùn)行后就能生成相應(yīng)的控制信號(hào)，從而方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)cSPACE提供的MATLAB接口模塊，可實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)，并以圖形方式實(shí)時(shí)顯示控制結(jié)果；而且DSP采集的數(shù)據(jù)可以保存到硬盤(pán)，研究人員可利用MATLAB對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處

10、理。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程學(xué)時(shí)內(nèi)容1MATLAB/Simulink基礎(chǔ)教程2了解MATLAB/Simulink基礎(chǔ)知識(shí)2電壓采集和顯示2熟悉cSPACE的AD接口、自動(dòng)代碼生成和監(jiān)控界面的使用3DA接口和HCTL2032編碼器接口實(shí)驗(yàn)2熟悉cSPACE的DA接口和HCTL2032編碼器接口4低通濾波器實(shí)驗(yàn)2了解MATLAB/Simulink信號(hào)處理工具箱的低通濾波器的使用5方波、正弦波、斜波信號(hào)發(fā)生2了解MATLAB/Simulink的信號(hào)發(fā)生器3. 直線電機(jī)倒立擺及其MATLAB/DSP控制系統(tǒng) 倒立擺是一個(gè)典型的快速、多變量、非線性、強(qiáng)耦合、自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須采取有效的控制算法才能使之穩(wěn)定。倒立擺

11、控制是控制領(lǐng)域研究的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)倒立擺的控制，可以反映控制系統(tǒng)優(yōu)異的性能。其中倒立擺的實(shí)物圖如下圖所示：直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的倒立擺倒立擺包括直線電機(jī)、擺桿以及測(cè)試擺桿角度的編碼器、測(cè)試電機(jī)直線位移的光柵。對(duì)于倒立擺的控制，采用最優(yōu)控制算法控制倒立擺，下圖為最優(yōu)控制算法的cSPACE框圖：倒立擺最優(yōu)控制算法圖中encoder1、encoder4分別是DSP控制卡采集電機(jī)位置、擺桿的正交編碼信號(hào)處理的模塊。HM-DAC1是cSPACE系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換模塊。編譯模塊之后生成針對(duì)控制卡的目標(biāo)代碼，運(yùn)行程序后控制卡就能采集傳感器的信號(hào)，處理這些信號(hào)經(jīng)過(guò)得到控制量，控制量經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換后得到模擬控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器對(duì)模擬

12、控制信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)使倒立擺能保持穩(wěn)定。直線電機(jī)倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下所示：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體內(nèi)容備注自動(dòng)控制原理根軌跡實(shí)驗(yàn)作為自動(dòng)控制原理課程的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程PID實(shí)驗(yàn)LQR最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)：刂茖?shí)驗(yàn)滑?？刂茖?shí)驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)TMS320F2812 DSP嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)提供豐富的DSP示例程序，可以實(shí)現(xiàn)DSP開(kāi)發(fā)，包括GPIO、SCI、SPI、Encoder編碼器接口、數(shù)據(jù)總線、與AD5754、AD7656、HCTL2032的接口程序可以完整開(kāi)設(shè)DSP實(shí)驗(yàn)課程以及高級(jí)課程交流伺服電機(jī)實(shí)驗(yàn)采用以色列Elmo驅(qū)動(dòng)器，提供電流、速度、位置控制，結(jié)合倒立擺的應(yīng)用，充分理解電機(jī)的電流、

13、速度、位置三環(huán)控制的特點(diǎn)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的說(shuō)明書(shū)自行學(xué)習(xí)研究數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過(guò)建立倒立擺的模型，深入理解拉格朗日系統(tǒng)建模方法微分方程、狀態(tài)方程的設(shè)計(jì)方法作為物理學(xué)、自動(dòng)控制原理的高級(jí)課程建模、仿真、實(shí)時(shí)控制熟悉把學(xué)習(xí)到的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、物理學(xué)、自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)充分結(jié)合起來(lái)，從系統(tǒng)建模、MATLA/Simulink仿真到DSP實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，讓研究人員充分了解如何把理論分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制作為物理學(xué)、自動(dòng)控制原理的高級(jí)課程傳感器技術(shù)包括光電編碼器、磁柵傳感器、數(shù)字霍爾傳感器作為傳感器技術(shù)的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程電子技術(shù)掌握DSP控制卡的設(shè)計(jì)熟悉AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、DA數(shù)模轉(zhuǎn)換、SCI通訊接口、編

14、碼器接口等原理圖和PCB設(shè)計(jì)方法作為電子技術(shù)課程的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程，了解如何設(shè)計(jì)一個(gè)電控系統(tǒng)MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink是理工科人員必備的軟件，本平臺(tái)提供的仿真和實(shí)時(shí)控制案例，能深入理解MATLAB/Simulink的原理和使用MATLAB高級(jí)課程電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制通過(guò)Elmo驅(qū)動(dòng)器，深入理解電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)作為電機(jī)學(xué)或電力拖動(dòng)的高級(jí)課程備注：提供最為豐富的實(shí)驗(yàn)，是畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究生課題研究、教師做科研寫(xiě)論文很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)4. 磁懸浮球及其MATLAB/DSP控制系統(tǒng)磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象鋼球、電磁鐵、 LED 平行光源、硅光電池傳感器、cSPAC

15、E 控制卡以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，它的原理是采用 LED 平行光源和光電傳感器測(cè)量被控對(duì)象鋼球與電磁鐵之間的距離變化，控制系統(tǒng)采集變化的信號(hào)并進(jìn)行 PID、超前校正等控制器的運(yùn)算，得到控制信號(hào)，通過(guò)放大器控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生與鋼球的重力相平衡的電磁力，這樣鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。它的原理是采用LED平行光源和硅光電池位置傳感器測(cè)量被控對(duì)象鋼球與電磁鐵之間的距離變化，控制系統(tǒng)采集變化的信號(hào)并進(jìn)行PID、超前校正等控制器的運(yùn)算，得到控制信號(hào)，通過(guò)放大器控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生與鋼球的重力相平衡的電磁力，鋼球則懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。磁懸浮系統(tǒng)原理示意磁懸浮系統(tǒng)原理框圖下

16、圖為磁懸浮球系統(tǒng)的 PID 控制算法框：磁懸浮球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)PID控制算法可開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體內(nèi)容備注自動(dòng)控制原理根軌跡實(shí)驗(yàn)作為自動(dòng)控制原理課程的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程PID實(shí)驗(yàn)LQR最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)：刂茖?shí)驗(yàn)滑?？刂茖?shí)驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)TMS320F2812 DSP嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)提供豐富的DSP示例程序，可以實(shí)現(xiàn)DSP開(kāi)發(fā)，包括GPIO、SCI、SPI、Encoder編碼器接口、數(shù)據(jù)總線、與AD5754、AD7656、HCTL2032的接口程序可以完整開(kāi)設(shè)DSP實(shí)驗(yàn)課程以及高級(jí)課程數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過(guò)建立磁懸浮球的模型，深入理解數(shù)學(xué)建模方法作為物理學(xué)、自動(dòng)控制原理的高級(jí)課程建模、仿真、實(shí)時(shí)控

17、制熟悉把學(xué)習(xí)到的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、物理學(xué)、自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)充分結(jié)合起來(lái)，從系統(tǒng)建模、MATLA/Simulink仿真到DSP實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，讓研究人員充分了解如何把理論分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制作為物理學(xué)、自動(dòng)控制原理的高級(jí)課程傳感器技術(shù)包括硅光電池傳感器作為傳感器技術(shù)的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程電子技術(shù)掌握DSP控制卡的設(shè)計(jì)熟悉AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、DA數(shù)模轉(zhuǎn)換、SCI通訊接口等原理圖和PCB設(shè)計(jì)方法作為電子技術(shù)課程的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程，了解如何設(shè)計(jì)一個(gè)電控系統(tǒng)MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink是理工科人員必備的軟件，本平臺(tái)提供的仿真和實(shí)時(shí)控制案例，能深入理解MATLAB/Simul

18、ink的原理和使用MATLAB高級(jí)課程信號(hào)處理采用低通濾波器處理硅光電池的信號(hào)，降低PD環(huán)節(jié)的噪音模擬電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理課程的高級(jí)實(shí)驗(yàn)備注：提供豐富的實(shí)驗(yàn)，是畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究生課題研究、教師做科研寫(xiě)論文很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3、 TI DSP電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案通過(guò)對(duì)以上產(chǎn)品的組合，可以建立一個(gè)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)室，包含本身的軟件和硬件設(shè)計(jì)，還包含PID、LQR最優(yōu)控制等自動(dòng)控制算法以及濾波器等信號(hào)處理設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)MATLAB仿真，如何把理論分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制。序號(hào)設(shè)備數(shù)量作用描述提供的實(shí)驗(yàn)1TMS320F2812 DSP控制卡 10提供DSP嵌入式系統(tǒng)軟硬件實(shí)驗(yàn)CCS、GP

19、IO、定時(shí)器、片內(nèi)AD、SCI、SPI、數(shù)據(jù)地址總線和外擴(kuò)芯片2直線電機(jī)倒立擺及其MATLAB/DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)5提供TMS320F2812 DSP控制卡的典型應(yīng)用案例，以及電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法了解交流伺服電機(jī)的原理和應(yīng)用提供先進(jìn)的直線電機(jī)平臺(tái)直線電機(jī)原理和交流伺服電機(jī)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制算法實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)建模、仿真、實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)3磁懸浮球及其MATLAB/DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)5提供TMS320F2812 DSP控制卡的典型應(yīng)用案例，以及電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法了解硅光電池位置傳感器的原理和應(yīng)用低通濾波信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)PD算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)傳感器信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)4、 附錄：1、直線電機(jī)原理和結(jié)構(gòu) 直線電機(jī)倒立擺平臺(tái)主要由交流伺服直線電機(jī)

20、以及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成。其實(shí)驗(yàn)的組成如下所示：件號(hào)零件號(hào)說(shuō)明1GB707-88 5-50底座焊接結(jié)構(gòu)2B02005擋塊固定塊3B03001光柵固定塊4B01003光柵5B01005導(dǎo)軌6B03007托線板7B03004讀數(shù)頭8B02004讀數(shù)頭固定板9B02002拖鏈固定塊10B02003工作臺(tái)11B01004動(dòng)子固定板12G03001橡膠擋塊13HMM-030030HMM-030030型動(dòng)子14B01002拖鏈托板15G01001拖鏈16HMS-512030HMS-512030型定子其驅(qū)動(dòng)控制器采用以色列Elmo驅(qū)動(dòng)器，提供電流、速度、位置控制，結(jié)合實(shí)驗(yàn)電機(jī)，充分理解電機(jī)的電流、速度、位置三環(huán)

21、控制的特點(diǎn)。2、cSPACE的MATLAB/Simulnk算法開(kāi)發(fā)軟件說(shuō)明cSPACE采用MATLAB/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在MATLAB/Simulink中的有“WM-cSPACE”工具箱，該工具箱含有DSP卡上的硬件單元的接口模塊。cSPACE系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境是基于廣大科研人員所熟悉的MATLAB/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)，方便用戶使用，同時(shí)能充分利用MATLAB強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算、信號(hào)分析處理、圖形處理功能。上圖所示為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的控制框圖，“HM_AD0”模塊采集方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向信號(hào)，“Lowpass”為低通濾波器模塊，對(duì)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向信號(hào)進(jìn)行濾波，進(jìn)行PID控制后，通過(guò)“HM_DAC16_

22、1”接口輸出模擬電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的扭矩，進(jìn)行助力轉(zhuǎn)向。 3、cSPACE監(jiān)控軟件說(shuō)明cSPACE系統(tǒng)的控制界面采用MATLAB/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能在線修改10個(gè)變量和實(shí)時(shí)顯示4個(gè)變量，也可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行調(diào)整，可以顯示曲軸位置、氧傳感器信號(hào)、曲軸轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、噴油信號(hào)等，自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便用戶使用。4、倒立擺數(shù)學(xué)建模傳統(tǒng)的線性控制方法離不開(kāi)被控系統(tǒng)的線性模型，為了進(jìn)行線性控制器的設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行建模。為此，不妨做以下假設(shè)：（1）擺桿和底座為剛體；（2）忽略空氣阻力和擺桿與底座軸承的摩擦力；（3）圖示箭頭所示方向?yàn)槭噶空较?。圖1中，為擺

23、桿質(zhì)量，為擺桿底座的質(zhì)量，為擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到擺桿質(zhì)心的長(zhǎng)度，為擺桿慣量，為加在擺桿底端上的力，為底座的位移，為擺桿與垂直向上方向的夾角。對(duì)擺桿水平方向進(jìn)行受力分析可得： 即： 對(duì)底座水平方向進(jìn)行受力分析可得：將2式代入3式得： 對(duì)擺桿垂直方向上的合力進(jìn)行分析可得：即：對(duì)于擺桿，力矩平衡方程為：注意：此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有負(fù)號(hào)。合并這兩個(gè)方程，約去P和N可得：設(shè)，假設(shè)與1（單位是弧度）相差很小，即1，則可以進(jìn)行近似處理：。用來(lái)代表被控對(duì)象的輸入力F，線性化后可得： 設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為：取狀態(tài)變量：，則狀態(tài)向量為，對(duì)方程組9、10求解代數(shù)方程，得到如下解：整理后的狀態(tài)方程為：將實(shí)

24、際的參數(shù)代入上式：M=0.68kg; %小車質(zhì)量m=0.094kg; %擺桿質(zhì)量b=0.08; %小車摩擦系數(shù)l=0.15m; %擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度求得矩陣a和b的值如下：a = 0 1.0000 0 0 0 -0.1164 1.2373 0 0 0 0 1.0000 0 -0.7164 67.9221 0b = 0 -1.4551 0 8.95465、LQR控制算法介紹最優(yōu)控制理論主要是依據(jù)龐德里亞金的極值原理，通過(guò)對(duì)性能指標(biāo)的優(yōu)化尋找可以使目標(biāo)極小的控制器。其中線性二次型性能指標(biāo)因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)求解Riccatti方程得到控制器參數(shù)，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，求解過(guò)程變得越來(lái)越簡(jiǎn)便，因

25、而在線性多變量系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣。利用線性二次型性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的控制器稱作LQR控制器。假設(shè)線性時(shí)不變系統(tǒng)的狀態(tài)方程模型為（1）可以引入最優(yōu)控制的性能指標(biāo)，即設(shè)計(jì)一個(gè)輸入量，使得（2）為最小，其中和分別為對(duì)狀態(tài)變量和輸入變量的加權(quán)矩陣。如果該系統(tǒng)受到外界干擾而偏離零狀態(tài)，應(yīng)施加怎樣的控制, 才能使得系統(tǒng)回到零狀態(tài)附近，并同時(shí)滿足達(dá)到最小, 那么這時(shí)的 就稱之為最優(yōu)控制。由線性二次型最優(yōu)控制理論可知，若想使最小化，則控制信號(hào)應(yīng)該為：（3）式中 就是Riccati 方程的解，是線性最優(yōu)反饋增益矩陣。這時(shí)只需求解Riccati代數(shù)方程：（4）就可獲得值以及最優(yōu)反饋增益矩陣值。（5）6、PID控制算法及整定方法簡(jiǎn)介在工業(yè)控制中，應(yīng)用最廣泛和成熟的控制器是PID控制器即比例-積分-微分控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，并且形成了完整、成熟的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定方法，很容易被掌握，這也為PID控制器