用于控制課程群的硬件在環(huán)仿真教學平臺研發(fā)

蔣 偉，陳 琰，馬海寧，王千龍

（揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

硬件在環(huán)（hardware-in-the-loop，HIL）仿真[1-2]是將實物控制器與在計算設備上實現(xiàn)的被控對象的仿真模型連接在一起進行測試的技術。在HIL 仿真測試中，被控對象的特性、控制器的動態(tài)、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實地反映出來，因此HIL 仿真是一種非常接近物理實際的仿真技術。

控制類課程的內(nèi)容通常包含強電、高溫、流體等危險復雜的對象，這形成了控制課程群實踐環(huán)節(jié)的3層壁壘：①真實對象實驗準備耗時長，且實驗過程安全難以保證；②利用模擬電路搭建的對象單一且無法更新，實驗效果觀測不直觀；③閉環(huán)實驗的振蕩和過沖在真實設備中實驗代價大，甚至有危險。

通過HIL 仿真技術在數(shù)字信號處理器（DSP）中運行數(shù)字化的對象模型，用來配合數(shù)字控制器的整定，可以填補傳統(tǒng)教學過程從軟件仿真直接過渡到實驗驗證的壁壘，在教學和科研過程中避免過度的硬件投入和安全隱患。

1 方案的設計與論證

1.1 硬件在環(huán)仿真設計

圖1 給出了傳統(tǒng)數(shù)字控制平臺和硬件在環(huán)仿真教學仿真平臺的框圖。圖1(a)中：C(s)是傳統(tǒng)數(shù)字控制平臺的控制器，H(s)是傳感調(diào)理電路，G(s)是被控對象（以電路為例）。圖1(b)中G(s)是被控對象，由DSP的仿真核實現(xiàn)，傳感調(diào)理電路H(s)和控制器C(s)的功能由DSP 的控制核實現(xiàn)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

1.2 HIL 仿真平臺方案

仿真平臺結(jié)構如圖2 所示，由雙核浮點數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320F28379D 計算單元、隔離式模擬數(shù)字輸出接口和人機接口3 大模塊構成。

圖2 HIL 仿真平臺結(jié)構框圖

雙核浮點DSP 是平臺的核心器件，控制核在內(nèi)部CPU 總線上將控制變量傳遞給仿真核，仿真核通過CPU 總線將狀態(tài)變量（如電壓、電流）傳遞給控制核，完成采樣信號的傳遞，在一塊雙核DSP 芯片內(nèi)部完成對控制對象模型的控制。

鍵盤與顯示模塊可以讓學生選擇當前模型和控制參數(shù)。仿真核在控制核控制信號作用下的輸出波形通過隔離式接口電路輸出，便于學生使用示波器觀察波形。

1.3 教學案例對象模型建立

以典型二階系統(tǒng)Buck 電路和雙容水箱為教學案例，下面簡述實時仿真模型建立過程。

1.3.1 Buck 變換器仿真模型建立

雖然Buck 電路（如圖3 所示）是個典型的時變非線性電路，但是通過平均化狀態(tài)空間建模可以去除該電路的非線性開關特性，并引導學生關注其二階系統(tǒng)的線性特性。通過Buck 電路的開關T開通、關斷期間的KVL 和KCL 方程，可獲得平均化的系統(tǒng)方程如式（1）所示，其中d為開關T的占空比穩(wěn)態(tài)值。

圖3 Buck 電路

對方程（1）進行離散化[3-4]，得到式（2）所示離散方程組。利用Gauss-Seidel 法對該方程組進行迭代，當?shù)介L足夠小時，可以得出圖3 中狀態(tài)變量iL和VC的實時解。

1.3.2 雙容水箱仿真模型建立

雙容水箱液位控制是經(jīng)典的二階系統(tǒng)過程[5-6]，這里暫不考慮由于管道長度導致的系統(tǒng)時延。如圖4 所示，以水箱1 的流量Q1為輸入，水箱2 的液面高度h2為輸出。閥1、閥2 的液阻分別為R1、R2，水箱1、2 的底面積分別為A1、A2。

根據(jù)物料動態(tài)平衡關系可以得到方程組（3）：

圖4 雙容水箱液位控制結(jié)構圖

1.4 在環(huán)仿真實驗流程設計

為滿足不同實驗對象需要，將微分方程進行離散化后得到差分方程。最后，把該差分方程封裝起來，便于調(diào)用。

以雙容水箱特性實驗為例。教師在實驗前，將仿真核設置為“雙容水箱控制實驗”，仿真核從預置的（包含多種控制對象）庫中，調(diào)用所需函數(shù)。在學生設置的控制核輸入信號的作用下，DSP 會根據(jù)計算結(jié)果，給出對應輸入信號下的響應波形，學生通過示波器觀測實時波形。

2 平臺的實現(xiàn)與測試

圖5 為本文設計的仿真平臺樣機。使用者通過控制遙桿按鈕切換多種模式，實現(xiàn)不同控制對象模式下的輸出變化。在此半實物仿真平臺下，學生可以完成系統(tǒng)特性的測試[7-9]與學習。

圖5 仿真平臺實物圖

圖6 (a)展示了Buck 變換器在開環(huán)運行下突加負載的情形?？梢钥闯觯敵鲭娏鱅out隨負載增加而增加，而輸出電壓Uout經(jīng)過振蕩后由于電路寄生參數(shù)的存在，穩(wěn)定在一個略低的值上，符合實際情況。圖6(b)展示了Buck 變換器的占空比（PWM）不變、輸入電壓突增的情形?？梢钥闯?，其輸出電壓和電流等比例上升，且顯示出典型阻尼型二階系統(tǒng)特性。

圖6 樣機試驗情況

圖7 為雙容水箱開環(huán)仿真波形，整個仿真周期為100 s。先向上水箱注水，經(jīng)過10 s 上水箱滿并開始溢出，同時停止注水。在15 s 時打開閥1，上水箱開始漏水，下水箱液面開始上升直到溢出。30 s 時打開閥2，此時上下水箱同時漏水，液面高度下降直到達到穩(wěn)態(tài)。在80 s 時，輸入變?yōu)?，最后上下水箱液面都下降變?yōu)?。經(jīng)驗證，樣機實驗模擬結(jié)果和計算機仿真結(jié)果一致。

圖7 樣機試驗模擬雙容水箱液面高度

3 總結(jié)與展望

（1）本文設計的仿真平臺主要適用于自動控制、計算機控制技術等控制仿真課程，學生通過該平臺可以直觀地觀測到實驗對象的輸出特性，加深對控制系統(tǒng)的理解。該教學平臺可以有效填補實踐教學中由仿真到硬件調(diào)制中間缺失的硬件仿真環(huán)節(jié)。

（2）本文設計的硬件在環(huán)仿真平臺實現(xiàn)了對一些基本電路模型的半實物仿真，適用于本科階段的電力電子課程等實驗教學，同時還可以利用該仿真平臺對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析。

（3）硬件在環(huán)仿真平臺有測試環(huán)境[10-12]可控性強、可重復仿真、試驗成本低等優(yōu)點，在控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中將會占據(jù)越來越重要的地位，應用前景廣闊。