技术领域
[0001] 本
发明涉及磁悬浮控制领域，具体为一种基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统。
背景技术
[0002] 磁悬浮控制
算法是磁悬浮列车技术中的关键技术，控制算法的研究、设计与验证多基于磁悬浮实验平台，设计可靠、方便快捷的磁悬浮控制系统是开展实验研究的
基础。
[0003] 磁悬浮控制技术经历了模拟
控制器和数字控制器两个阶段，早期悬浮控制器采用
硬件电路来实现，特点是响应快，但参数调整困难，不能根据算法灵活的改变硬件结构。而随着DSP(Digital Signal Processing)数字
信号处理器的发展，目前多数磁浮实验台和列车的控制系统是基于DSP实现的。
[0004] 目前磁悬浮控制系统设计多数基于DSP
数字信号处理器，需设计并制造硬件
电路板，设计控制方案时，编程实现控制算法，将代码集成于硬件电路中，用磁浮实验台对系统进行测试。该过程面临问题主要有：采用这种方法学者和工程技术人员在进行控制算法优化和设计需要大量汇编语言和C语言编写代码，需进行大量的底层硬件驱动和电路设计，还需进行A/D和D/A转换模
块设计，开展悬浮控制算法设计与优化时开展如此大量的硬件驱动设计和电路设计，浪费精
力；有的研究人员并不精通控制电路知识，这种方法更是增大了悬浮控制算法的设计难度；此外，手工编程还面临代码不可靠
风险，代码可读性差，后续传承性差，极大地限制了控制算法的优化和验证效率。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术方案的不足,本发明提供一种基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统，克服了传统方法中大量的硬件驱动和电路设计的难题，避免了复杂的代码编写，算法可读性极强，控制代码自动编译生成，可靠性强，能有效的解决背景技术提出的问题。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 一种基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统，包括基于DSPACE实时仿真系统的实时处理器、与所述实时处理器的输入端口连接的悬浮
传感器、与所述实时处理器的输出端口连接的斩波器，以及与所述实时处理器通过以太网通讯的管理计算机；
[0008] 所述悬浮传感器将采集的电磁
铁悬浮间隙和电
磁铁振动
加速度信号输入到所述实时处理器；所述实时处理器对悬浮传感器信号进行转换和运算处理并输出
控制信号，所述斩波器对所述实时处理器输出的控制信号进行功率放大，并根据控制信号调整电磁铁的
电流以控制电磁铁的吸力；所述管理计算机运行MATLAB/Simulink，建立控制方案
流程图,将控制方案自动编译生成控制代码，并将控制代码下载到所述实时处理器中,所述管理计算机可以
访问实时处理器中正在运行的实时程序，对采集到的传感器
输入信号和实处理器控制信号进行
可视化分析，以及参数的读取和
修改。
[0009] 进一步地，所述实时处理器通过模拟
接口接收传感器信号，利用内置
模数转换卡将
模拟信号转换为数字信号，所述实时处理器内部的数字
信号处理器依照控制算法对信号进行运算处理，得到控制信号，通过内置
数模转换卡将数字信号转换为模拟信号输出。
[0010] 进一步地，所述DSPACE实时仿真系统具体为基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及
半实物仿真的硬件和
软件工作平台，可与MATLAB/Simulink实现完全无缝的连接。
[0011] 进一步地，所述DSPACE实时仿真系统硬件部分为所述实时处理器，所述实时处理器具体为搭载DS1202实时平台的MicroLabBox。
[0012] 进一步地，所述管理计算机内安装有与实时处理器实现无缝连接的MATLAB/Simulink软件系统和DSPACE实时仿真
系统软件。
[0013] 进一步地，所述DSPACE实时仿真系统软件部分为控制开发
软件包和COMP_MLBX编译器，所述控制开发软件包还包括有Controldesk试验工具软件包和内嵌在Simulink的RTI库。
[0014] 进一步地，所述管理计算机的工作内容为：
[0015] 首先，运行MATLAB/Simulink建立控制方案流程图，按照图形化方式显示控制算法流程图；
[0016] 然后，从RTI库中选取I/O接口并且配置I/O接口参数，COMP_MLBX编译器编译算法命令自动生成控制代码，将控制代码下载到实时控制器中；
[0017] 最后，在所述管理计算机上运行ControlDesk软件，与所述实时处理器进行交互操作，进行参数的读写，全过程监测算法试验过程的数据、悬浮传感器的输入信号和实时处理器的控制
输出信号，所述管理计算机在运行ControlDesk软件时，可用
鼠标拖拽模块建立试验调试界面，读取实时处理器中运行程序的过程数据和参数，对数据进行可视化分析，可对参数进行在线修改。
[0018] 进一步地，控制系统开展悬浮控制算法优化和验证的步骤为：
[0019] 步骤100、利用管理计算机中的MATLAB/Simulink建立磁浮实验台悬浮系统的悬浮控制方案；
[0020] 步骤200、在Simulink控制方案
框图中，从RTI库
拖放模块
指定实验测试所需的实时处理器I/O接口，并对I/O接口参数进行设置；
[0021] 步骤300、对设计好的控制方案simulink模型进行编译，自动生成控制方案实时模型C代码；
[0022] 步骤400、将管理计算机与实时处理器连接通讯，将控制方案实时模型下载到实时处理器并启动之；
[0023] 步骤500、将所述悬浮传感器和斩波器分别与实时处理器的输入端和输出端连接，所述实时处理器充当悬浮控制器，将该系统接入磁悬浮实验系统，对悬浮控制方案进行实验测试；
[0024] 步骤600、用ControlDesk实验工具软件包与实时处理器进行交互操作，如建立虚拟试验仪表、显示控制系统的状态，以及调整控制参数并
跟踪过程响应曲线；
[0025] 步骤700、重复上述步骤100～步骤600，根据实验反馈信息对控
制模型进行修改、完善并验证。
[0026] 进一步地，在步骤700中，实验测试过程将得到控制策略对磁悬浮试验装置控制效果的反馈信息，具体反馈信息为磁浮系统悬浮
稳定性如何、在外界扰动情况下电磁铁的振荡幅度，以及悬浮控制算法是否有足够的鲁棒性。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028] (1)本发明利用DSPACE实时处理器硬件MicroLabBox作为磁悬浮控制器应用于磁悬浮列车控制技术，MicroLabBox搭载高性能处理器核心，提供丰富的I/O接口。磁悬浮实验台悬浮传感器信号接入实时处理器输入端，控制信号从实时处理器输出端输出给到斩波器，斩波器放大信号并驱动电磁铁工作，实现了磁悬浮实验台的控制回路，无需设计A/D和D/A转换模块，无需硬件驱动和电路设计，克服了传统方法中大量的硬件驱动和电路设计的难题；
[0029] (2)本发明利用管理计算机上预装的Matlab/Simulink进行控制算法的图形化设计，利用集成于Matlab/Simulink环境下的RTI模块库,实现了simulink模型与实时处理器硬件接口之间的联接，在进行实时控制模型的搭建时，只需从Simulink预设模块库中拖放相应的数学模块，从RTI中拖放I/O资源，配置信号输入输出接口即可。避免了复杂的代码编写，算法可读性极强，控制代码自动编译生成，可靠性强。
附图说明
[0030] 图1为基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统结构示意图；
[0031] 图2为本发明的控制算法simulink模型图；
[0032] 图3为基于本发明开展磁悬浮实验测试时的测试曲线图；
[0033] 图4为本发明的控制方案设计与验证流程示意图。
具体实施方式
[0034] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 如图1所示，本发明提供了一种基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统，包括基于DSPACE实时仿真系统的实时处理器，与所述实时处理器输入端通过
信号传输线连接的悬浮传感器，与所述实时处理器的输出端口连接的斩波器，以及与实时处理通过以太网通讯的管理计算机。
[0036] 本实施方式的其中一个创新点在于：悬浮传感器、实时处理器和斩波器组成控制系统回路，三者之间的工作过程为：
[0037] (1)悬浮传感器对磁悬浮实验台的电磁铁运动时的悬浮间隙和振动加速度进行实时测量，将检测的运动状态信号传递到实时处理器内；
[0038] (2)实时处理器将传感器的模拟信号转换为数字信号，利用其内部的
数字信号处理器依照控制算法对悬浮传感器信号运算处理，运算后输出给出控制信号，并转换为模拟信号输出给斩波器；
[0039] (3)斩波器接收实时处理器输出的控制信号，并对控制信号进行功率放大，斩波器根据控制信号调节悬浮电磁铁的电流以控制电磁铁的吸力。
[0040] 基于上述悬浮传感器、实时处理器和斩波器的工作过程，DSPACE实时处理器硬件MicroLabBox处理器作为悬浮控制器，悬浮控制器、悬浮传感器和悬浮斩波器组成控制系统，无需设计A/D和D/A转换模块，也无需硬件驱动和电路设计，克服了传统方法中大量的硬件驱动和电路设计的难题，使得研究方向集中在控制策略的研发。
[0041] 需要特别说明的是，本实施方式的实时处理器具体为DSPACE实时仿真系统的硬件，具体为运行DS1202实时平台的MicroLabBox，所述DSPACE实时仿真系统具体为基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，可与MATLAB/Simulink实现完全无缝的连接。
[0042] 进一步补充说明的是，本实施方式中的DSPACE(digital signal processing and control engineering)实时仿真系统，即数字信号处理与控制工程系统，DS1202实时平台是MATLAB中由DS1202时钟芯片构成的仿真实验平台，而MicroLabBox是一款用于实验室的一体化开发系统，具有尺寸紧凑、系统成本低以及高性能和多用途等优点，能够快速简单地设置控制、测试或测量应用程序，将新的控制方案变成现实，并且具有不同类型的100多个I/O通道，强大的计算能力与极低的I/O延时相结合，提供了出色的实时性能。MicroLabBox由综合的DSPACE软件包提供支持，其中包括用于I/O集成(基于模型)的Simulink Real-Time-Interface(RTI)以及实验软件ControlDesk，从而允许在运行期间通过图形化仪器访问实时应用程序。由于本实施方式的实时处理器具有高速的计算能力，并配备了丰富的I/O支持，可以实现与悬浮传感器和功率放大斩波器的信号输入输出以及控制算法的运算。
[0043] 本实施方式的另一个创新点在于：实时处理器通过以太网与管理计算机实现通讯，管理计算机内安装有与实时处理器实现无缝连接的MATLAB/Simulink软件系统、COMP_MLBX编译器、DSPACE实时仿真系统控制开发软件，所述DSPACE实时仿真系统控制开发软件包括Controldesk试验工具软件包和内嵌于Simulink的RTI库，RTI为Real-Time Interface的缩写，是集成于MATLAB/Simulink环境下的模块库，用于实现simulink控制模型与DSPACE硬件之间的连接。
[0044] 如图2所示，工程技术人员在管理计算机上，利用MATLAB/Simulink拖拽模块建立控制方案流程图,实现悬浮控制方案的图形化设计，控制方案可自动编译生成控制代码，并将控制代码下载到所述实时控制器中开展悬浮控制测试实验。
[0045] 在管理计算机上运行ControlDesk软件，访问实时处理器中正在运行的实时程序，对采集到的传感器信号和处理器控制信号进行可视化分析，还可进行在线调整修改参数，如图3所示，管理计算机参与控制系统开展磁悬浮实验测试时的测试曲线图，图中显示了电磁铁起浮时悬浮间隙逐渐减小至稳定的过程。
[0046] 下面细述将管理计算机与实时处理器之间的交互工作过程：
[0047] 首先，在管理计算机上运行MATLAB/Simulink建立控制方案流程图，如图2所示；
[0048] 然后，从RTI库中选取I/O接口并且配置I/O接口参数，建立控制方案与实时处理器的接口的联接；将联接好的控制方案利用COMP_MLBX编译器编译，自动生成控制代码，生成的控制代码保存在sdf格式的文件内。
[0049] 进一步地，将管理计算机与实时处理器通过以太网连接，运行管理计算机上的Controldesk软件，导入前述sdf格式文件，即可把控制代码导入实时处理器。
[0050] 最后，在所述管理计算机上运行ControlDesk软件，在工作界面上释放控件，关联实时处理器上控制模型的变量和参数，便可访问实时处理器硬件中所运行的实时程序，实时在线修改控制参数，全过程监测算法实施过程的数据、悬浮传感器的输入信号和实时处理器的控制输出信号，可对读取的信号进行可视化处理，可更加直观的管理和分析实验测试过程。
[0051] 基于上述，管理计算机在本实施方式的主要特征点是基于Simulink进行控制算法的图形化设计，在进行控制算法设计时，只需从Simulink预设模块库中拖放相应的数学模块即可，避免了复杂的代码编写，算法可读性极强，控制代码自动编译生成，可靠性强。
[0052] 另外管理计算机利用ControlDesk可实时读取传感器信号数据、控制输出信号数据，并且可全过程监测悬浮控制中的过程数据，也可在线修改控制参数，从而极大地方便悬浮控制方案的优化实验。
[0053] 如图4所示，基于上述控制系统的组成和工作原理，采用基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统开展悬浮控制算法的优化步骤为：
[0054] 步骤100、利用管理计算机中的MATLAB/Simulink建立磁浮实验台悬浮系统的悬浮控制方案；
[0055] 步骤200、在Simulink控制方案框图中，从RTI库拖放模块指定实验测试所需的实时处理器I/O接口，并对I/O接口参数进行设置；
[0056] 步骤300、对设计好的控制方案simulink模型进行编译，自动生成控制方案实时模型C代码；
[0057] 步骤400、将管理计算机与实时处理器连接通讯，将控制方案的实时模型下载到实时处理器并启动实时模型；
[0058] 步骤500、将所述悬浮传感器和斩波器分别与实时处理器的输入端和输出端连接，所述实时处理器充当悬浮控制器，与接入磁悬浮实验系统，对悬浮控制方案进行实验测试；
[0059] 在此步骤中，磁悬浮实验系统具体为磁悬浮轨道、悬浮电磁铁及悬挂系统、安装在实验平台电磁铁上的悬浮传感器、实时处理器和斩波器组成的实验系统。也就是说在制定控制方案以及编译代码后，将悬浮传感器、实时处理器和斩波器三者按照输入和输出方式连接安装，并把悬浮传感器与悬浮电磁铁固定在一起，测量电磁铁加速度以及悬浮间隙，把斩波器与电磁铁连接，驱动电磁铁电流，即开展验证实验。
[0060] 所述实时处理器作为管理计算机的悬浮控制算法与磁悬浮实验平台的连接
桥梁，实时处理器将悬浮传感器的信号转换后，信号经过导入的控制算法代码进行处理，生成控制电磁铁电流的输出信号，斩波器对输出信号进行放大，并调整电磁铁通电电流，进而调整电磁力，改变悬浮间隙和加速度等输入信号。
[0061] 步骤600、使用ControlDesk试验工具软件包与实时处理器进行交互操作，如建立虚拟试验仪表、监控电磁铁的运行状态、在线调整控制参数等；
[0062] 步骤700、重复上述步骤100～步骤600，根据实验测试中的反馈信息优化控制方案。
[0063] 进一步地，在步骤700中，实验测试过程中，将得到控制策略对磁悬浮试验装置控制效果的反馈信息，具体反馈信息为磁浮系统悬浮稳定性如何、在外界扰动情况下电磁铁的振荡幅度、悬浮控制算法是否有足够的鲁棒性等。
[0064] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附
权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
