快速控制原型（RCP）案例 —— 在线闭环仿真控制系统

一、案例介绍

本案例基于我公司自主研发的驱控一体设备，在主流科学计算与仿真平台（支持图形化建模、实时仿真及自动代码生成）上构建了一套完整的快速控制原型（RCP）系统，实现对36μm行程压电致动器的纳米级实时闭环运动控制。

案例的核心特色在于：

基于模型开发与仿真，用户可以在该平台的建模环境中实时设定目标位置，并在系统运行过程中在线修改PID控制器的各项系数，通过硬件在环（HIL）仿真工作流实时观测控制效果的变化。
系统使用高精度位置反馈传感器，构成完整的闭环控制链路；
控制算法采用平台提供的可综合硬件描述语言（HDL）模块库（如PID控制模块等）搭建，利用自动HDL代码生成工具生成硬件描述语言代码，并部署到驱控一体设备内部的FPGA上执行。

本案例面向高校自动化、精密仪器、机电工程、微纳制造等专业的科研与实验教学场景，为工程师、教师、学生提供一个“所见即所得”的工业级实时控制开发与验证平台。

案例环境

（一）驱控一体设备

本案例的核心硬件平台为我公司自主研发的驱控一体设备SEC610，集成了实时处理器、FPGA、功率驱动级和多类型I/O接口，为精密运动控制提供完整的硬件基础。

SEC610预置了与上述仿真平台的实时通信接口和驱动程序，用户无需处理底层硬件细节，即可通过平台的建模界面直接读取传感器数据和输出控制指令，设备内部的FPGA负责执行极高实时性要求的控制算法。

（二）超精密位置传感器

本次案例采用Attocube公司生产的IDS3010皮米精度激光干涉传感器。

SEC610可对该激光干涉仪进行配置和数据采集，运动闭环指标：位置分辨率高达1pm、测量带宽达10MHz、最大目标速度2m/s、最长测量距离达5m。

（三）被控对象

本案例中的被控对象为一台行程36μm的压电致动器/压电电机。该致动器可用于纳米定位台、微纳操作机构、精密光学调整等应用场景。

（四）软件开发环境

科学计算与仿真平台（含实时仿真工具包、HDL代码生成工具、HDL验证工具包）
FPGA开发工具链

案例实现

图3 RCP案例架构示意图

在线仿真、编译：利用仿真平台提供的实时外部通信机制，用户可以在上位机的建模界面中实时修改PID的相关参数，无需停止控制程序或重新编译部署。每次修改的参数值通过通信链路与运行在实时硬件中的模型进行交互，立即生效并影响后续的控制输出。与此同时，所有关键信号（设定位移、实际位移、控制输出、PID各分量等）可以在平台的示波器、仪表板或自定义的UI控件上进行可视化监控和数据记录。

模型开发、在线调参：除PID控制器外，本方案同样支持该平台HDL模块库中的其他模块（如滤波器、状态机、自定义控制算法等）的部署与实时调参。这意味着用户可以在同一套平台上快速验证不同的控制策略，充分体现了本案例作为通用快速控制原型平台的能力。

图4 实时调参界面（输出1为位置(μm)传感器读数，输出y为驱控输出的电压值）

四、案例结果与亮点

图5 信号查看器抓取的位置结果（目标位置从0变化到10μm）

完整的闭环比对：从目标设定到位移反馈的整个闭环通路，通过上位机界面实时观测设定位移与实际位移的对比曲线，直观评估系统控制品质。
所见即所得的在线调参：在系统运行过程中，用户可随时在建模界面中修改PID三个系数，效果即时反馈于示波器波形中。这对于理解和掌握PID各系数的作用机制具有不可替代的教学价值。
通用的控制算法验证平台：本方案不仅支持PID，其它可综合的HDL模块同样可以快速部署验证，为高校、研究机构开展先进控制算法（如自抗扰控制、模型预测控制等）的硬件实现研究提供了高效的实验平台。
真实工业级硬件平台：教学场景下，学生在案例使用中接触到的驱控一体设备、皮米精度干涉仪、压电致动器等均为工业级设备，所学所得与工业实践高度衔接。

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