用于控制课程群的硬件在环仿真教学平台研发

2020-12-16马海宁王千龙

实验技术与管理 2020年10期

蒋伟，陈琰，马海宁，王千龙

（扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

硬件在环（hardware-in-the-loop，HIL）仿真[1-2]是将实物控制器与在计算设备上实现的被控对象的仿真模型连接在一起进行测试的技术。在HIL 仿真测试中，被控对象的特性、控制器的动态、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此HIL 仿真是一种非常接近物理实际的仿真技术。

控制类课程的内容通常包含强电、高温、流体等危险复杂的对象，这形成了控制课程群实践环节的3层壁垒：①真实对象实验准备耗时长，且实验过程安全难以保证；②利用模拟电路搭建的对象单一且无法更新，实验效果观测不直观；③闭环实验的振荡和过冲在真实设备中实验代价大，甚至有危险。

通过HIL 仿真技术在数字信号处理器（DSP）中运行数字化的对象模型，用来配合数字控制器的整定，可以填补传统教学过程从软件仿真直接过渡到实验验证的壁垒，在教学和科研过程中避免过度的硬件投入和安全隐患。

1 方案的设计与论证

1.1 硬件在环仿真设计

图1 给出了传统数字控制平台和硬件在环仿真教学仿真平台的框图。图1(a)中：C(s)是传统数字控制平台的控制器，H(s)是传感调理电路，G(s)是被控对象（以电路为例）。图1(b)中G(s)是被控对象，由DSP的仿真核实现，传感调理电路H(s)和控制器C(s)的功能由DSP 的控制核实现。

图1 闭环控制系统框图

1.2 HIL 仿真平台方案

仿真平台结构如图2 所示，由双核浮点数字信号处理器（DSP）TMS320F28379D 计算单元、隔离式模拟数字输出接口和人机接口3 大模块构成。

图2 HIL 仿真平台结构框图

双核浮点DSP 是平台的核心器件，控制核在内部CPU 总线上将控制变量传递给仿真核，仿真核通过CPU 总线将状态变量（如电压、电流）传递给控制核，完成采样信号的传递，在一块双核DSP 芯片内部完成对控制对象模型的控制。

键盘与显示模块可以让学生选择当前模型和控制参数。仿真核在控制核控制信号作用下的输出波形通过隔离式接口电路输出，便于学生使用示波器观察波形。

1.3 教学案例对象模型建立

以典型二阶系统Buck 电路和双容水箱为教学案例，下面简述实时仿真模型建立过程。

1.3.1 Buck 变换器仿真模型建立

虽然Buck 电路（如图3 所示）是个典型的时变非线性电路，但是通过平均化状态空间建模可以去除该电路的非线性开关特性，并引导学生关注其二阶系统的线性特性。通过Buck 电路的开关T开通、关断期间的KVL 和KCL 方程，可获得平均化的系统方程如式（1）所示，其中d为开关T的占空比稳态值。

图3 Buck 电路

对方程（1）进行离散化[3-4]，得到式（2）所示离散方程组。利用Gauss-Seidel 法对该方程组进行迭代，当迭代步长足够小时，可以得出图3 中状态变量iL和VC的实时解。

1.3.2 双容水箱仿真模型建立

双容水箱液位控制是经典的二阶系统过程[5-6]，这里暂不考虑由于管道长度导致的系统时延。如图4 所示，以水箱1 的流量Q1为输入，水箱2 的液面高度h2为输出。阀1、阀2 的液阻分别为R1、R2，水箱1、2 的底面积分别为A1、A2。

根据物料动态平衡关系可以得到方程组（3）：

图4 双容水箱液位控制结构图

1.4 在环仿真实验流程设计

为满足不同实验对象需要，将微分方程进行离散化后得到差分方程。最后，把该差分方程封装起来，便于调用。

以双容水箱特性实验为例。教师在实验前，将仿真核设置为“双容水箱控制实验”，仿真核从预置的（包含多种控制对象）库中，调用所需函数。在学生设置的控制核输入信号的作用下，DSP 会根据计算结果，给出对应输入信号下的响应波形，学生通过示波器观测实时波形。

2 平台的实现与测试

图5 为本文设计的仿真平台样机。使用者通过控制遥杆按钮切换多种模式，实现不同控制对象模式下的输出变化。在此半实物仿真平台下，学生可以完成系统特性的测试[7-9]与学习。

图5 仿真平台实物图

图6 (a)展示了Buck 变换器在开环运行下突加负载的情形。可以看出，输出电流Iout随负载增加而增加，而输出电压Uout经过振荡后由于电路寄生参数的存在，稳定在一个略低的值上，符合实际情况。图6(b)展示了Buck 变换器的占空比（PWM）不变、输入电压突增的情形。可以看出，其输出电压和电流等比例上升，且显示出典型阻尼型二阶系统特性。

图6 样机试验情况

图7 为双容水箱开环仿真波形，整个仿真周期为100 s。先向上水箱注水，经过10 s 上水箱满并开始溢出，同时停止注水。在15 s 时打开阀1，上水箱开始漏水，下水箱液面开始上升直到溢出。30 s 时打开阀2，此时上下水箱同时漏水，液面高度下降直到达到稳态。在80 s 时，输入变为0，最后上下水箱液面都下降变为0。经验证，样机实验模拟结果和计算机仿真结果一致。