基于CompactRIO/FPGA的超高速控制器快速原型設計與試驗驗證

張天宏，殷彬彬，2，張 鑫

（1.南京航空航天大學 江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京210016；2.中航工業航空動力控制系統研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

隨著航空發動機控制技術的發展，主動控制逐漸成為減小裕度、提高性能的重要控制技術之一[1]。實現主動控制的必要條件是采用高頻響的電動執行機構。這些執行機構的頻響（帶寬約數十Hz）比傳統的燃油或進口導流葉片（IGV）執行機構的要高1個數量級（帶寬約數百Hz），比如1種用于主動穩定控制的執行機構帶寬高達500Hz[2-3]。基于高頻響執行機構的主動控制要求控制器具有快速處理能力，迫切需要開發1種超高速控制器[4]。

基于處理器的傳統控制系統在程序控制下依次進行信號采集、算法計算、邏輯處理和控制輸出，該程序控制的串行操作過程必然會限制控制循環速率的提高。通常，基于處理器的控制系統循環速率抖動可達100μs，很難滿足主動控制中對高頻響執行機構的超高速控制需求。而FPGA是實現超高速控制的理想平臺，受益于FPGA的并行工作機制，算法計算和邏輯處理可以直接由硬件并行實現，避免了程序控制的順序操作過程。FPGA有著并行、高效、穩定可靠等優勢，擅長處理超高速邏輯運算和精確計時控制任務[5-6]。但是，傳統的FPGA開發需要采用專門的硬件編程語言（HDL），開發周期長且難度較大。

快速控制原型（RapidControlPrototype，RCP）是在1種先進的開發平臺下，快速構建控制器的硬件，并開發控制代碼，實現對控制算法的測試。在設計初期發現潛在錯誤，逐步完成原型到目標產品控制器的轉換，從而提高控制系統的開發效率、降低研究成本[7-8]。

本文基于RCP思想提出了1種基于Compact RIO/FPGA的超高速控制器快速原型設計方法，并開展了針對高頻響控制對象的硬件在環仿真試驗，驗證了超高速控制器快速原型的有效性。

1 快速原型控制器硬件平臺構建

利用NICompactRIO9074實時控制器機箱，構建了超高速快速原型控制器硬件平臺，如圖1所示。

圖1 超高速快速原型控制器硬件平臺

該平臺主要由實時控制器、可重配置的FPGA以及工業級I/O模塊組成。NI9074將實時處理器和FPGA集成于同一機箱，即在同一底板上集成了400 MHz的PowerPC處理器MPC5200B和200萬門電路的XILINXSpartan-3FPGA芯片。PowerPC處理器與FPGA之間通過PCI總線進行實時數據交換。實時控制器的軟件基于VxWorks實時操作系統，用于和上位機的實時通信、CompactRIO的組件管理以及復雜邏輯和浮點算法處理。FPGA則實現并行控制算法執行和I/O接口信號控制。

NI9074提供了豐富的FPGA硬件資源，在40 MHz的時鐘源下可以實現最快達到25ns的控制循環速率，時鐘抖動僅為250ps。FPGA本質上是并行工作機制，各功能模塊以并行的方式執行，即不同的功能模塊不會競爭相同的資源。當增加額外的處理功能時，不會影響原有功能的運行速度，把影響并行執行和硬件可靠性的因素降到了最低，帶來高確定性和可靠性[9-10]。因此，通過CompactRIO/FPGA可以實現高的速率、精度和可靠的控制任務。

在I/O模塊配置方面，采用cRIO9205AI和cRIO9263AO模塊，分別用于電壓信號采集和輸出。NI9205具有32路單端或16路差分模擬輸入，16位分辨率和250kS/s的最高采樣率，每條通道具有±200mV、±1V、±5V和±10V的可編程輸入范圍。NI9263具有16路16位分辨率的模擬輸出，電壓量程為±10V。

2 快速原型控制器程序設計

基于CompactRIO的快速原型控制器軟件開發需要借助于LabVIEW 開發環境以及相應的LabVIEW Real-Time（RT）和FPGA模塊。LabVIEW軟件提供圖形化編程環境，實現快速原型控制器的程序設計、編寫與部署。RT和FPGA模塊分別用于開發VxWorks實時操作系統下的實時程序和FPGA的硬件碼流。

LabVIEW一般用于開發運行于Windows等桌面操作系統上的應用程序，而LabVIEW RT模塊則提供了在特定嵌入式硬件設備（如CompactRIO）上開發基于實時操作系統VxWorks的應用軟件。LabVIEW FPGA模塊可實現在普通的PC機上對FPGA芯片的圖形化開發。LabVIEW的圖形化編程方式可以大大減少在VHDL學習上所花費的精力，從而可以專注于算法邏輯設計和測試驗證；同時LabVIEW是1種并行結構的編程語言，非常適合于執行FPGA的并行結構設計同步或異步的并行任務[11]。

CompactRIO的程序開發主要分為RT實時端程序和FPGA 端控制程序2部分。快速原型控制器的RT端實時程序如圖2所示。該程序主要負責參數初始化、PID控制參數設置以及實時數據顯示。RT端的程序運行于VxWorks操作系統中，用于執行對運行速度和實時性要求不高的任務。

快速原型控制器的FPGA端程序主要用于實現PID控制算法、設定控制步長以及管理I/O端口信號輸入輸出，以實現超高速的控制循環和I/O端口控制，如圖3所示。從圖中可見，在40MHz的時鐘源驅動下，通過設置PIDLoopRate（Ticks）參數可以更改控制步長。同時程序是并行運行的，例如在計算比例項的同時也進行著微分項以及積分項的運算。程序的并行化運行特點給控制器帶來了更快的運行效率。在LabView環境下將FPGA端程序編譯為FPGA碼流文件，并下載到CRIO的Flash中，CRIO上電時自動加載到FPGA芯片上。

圖2 快速原型控制器的RT端實時程序

圖3 快速原型控制器的FPGA端程序

3 控制器實物在回路控制試驗

3.1 建立高頻響被控對象模型

為了驗證所設計快速原型控制器的有效性，需要開展控制器實物在回路閉環控制試驗。參考主動控制執行機構的高頻響特性，采用模擬計算機建立1個2階系統模型作為控制對象。實際上，很多高階系統的特性在一定條件下都可以用2階系統來表征，例如航空發動機壓氣機主動穩定性控制用的高頻響電動執行機構就可以看成是2階系統[12]。

2階系統的通用數學模型為

式中：ωn為無阻尼自然振蕩頻率；ζ 為相對阻尼系數[13]。

運用模擬計算機搭建的2階系統參數為：ωn=1191rad/s，ζ=0.11，折合頻率帶寬為fb=311Hz，其傳遞函數為

3.2 控制試驗

根據如圖1所示的結構搭建快速原型控制器，控制對象的輸入/輸出分別與快速原型控制器的信號輸出和采集端口連接，從而構成控制器實物在回路仿真試驗系統。

首先測試控制對象的特性，其開環階躍響應測試曲線如圖4所示，該對象呈現1種典型的2階欠阻尼快速響應特性。

設定控制步長為20μs，采用PID控制算法并設置適當的PID參數，得到閉環階躍響應曲線，如圖5所示。從圖中可見，快速原型控制器能夠快速、穩定地將輸出電壓調節到期望值。

圖4 控制對象的開環響應測試曲線

圖5 20μs步長的PID控制階躍響應曲線

合理的控制步長是保證控制效果的關鍵。如果控制步長太小，相鄰2個采樣點之間信號變化不大，控制量差異也不大，頻繁的控制計算導致效率低下；反之，較大的控制步長則不能及時獲取采樣值并產生及時的控制作用，導致調節速度變慢，甚至失控。

考慮到系統動態特性一般采用帶寬頻率fb表征[14]，可以選擇控制頻率fs=10fb，即

控制步長達到了1/3110s，即321μs。但這僅僅考慮了對系統的動態性能要求。在實際選擇中還需要根據系統的工作環境、各種可能干擾以及系統延時等因素對控制速率進行修正[15]。

本文分別選擇控制步長100、200、500μs進行實物在回路閉環控制試驗，得到的階躍響應曲線如圖6所示。從圖中可見，隨著控制步長的增大，系統的響應變慢，控制量和被控制量的波動變大，最終通過調節PID參數已經不能實現對被控量的穩定控制。結果表明，對于頻響較高的被控對象，需要更快的控制速率才能夠實現對被控對象的穩定可靠控制。因此，選擇

圖6 在不同控制步長下的階躍響應

4 結束語

本文基于CompactRIO/FPGA設計了超高速控制器快速原型，用于航空發動機高頻響執行機構的主動控制試驗研究。以帶寬達311Hz的高頻響2階系統作為控制對象開展了實物在回路閉環控制試驗，驗證了所設計快速原型控制器的超高速控制能力。另外，分析了不同控制步長對控制效果的影響，得出采用超高速微小控制步長是非常必要的結論。

NICompactRIO為超高速控制器快速原型設計提供了1個高效、快捷的途徑，可以滿足航空發動機主動控制的高頻響控制需求。

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