TMS320F280049C 学习笔记13 数字控制库 Digital Control Library (DCL)_c2000ware中的dcl库

简介

c2000数字控制库（DCL）为使用TI c2000单片机的数字控制应用程序开发人员提供了一套软件功能，当前为3.4版。全部库中的函数以C或汇编代码的形式提供。该库同时支持C28内核和CLA（需要调用不同的函数）。
该库的用户手册是[1]。
除了支持传统的PID形式外，还支持直接使用传函的ZPK3形式：

本文仅总结传统PI控制器，其他控制器未来有需要时再研究。
另外在[6]的相同路径下还提供了PI调试的帮助文档《PID Controller Tuning Guide》、《Nonlinear PID Controller Tuning Guide》。

1 特性

1.3.3 函数命名规则

函数的命名法则如图所示：

1.3.5 支撑子结构

每个控制器结构包含两个32位指针，每个指针保存一个独立的支撑子结构。

第一个这样的子结构包含一个影子参数集（SPS），用户可以使用它在执行参数更新序列之前加载。在复制参数并重新启用它们之前，更新序列执行通过禁用中断，将SPS参数安全复制到主控制器结构中。不会使用部分更新的参数集运行，并允许在不干扰控制回路的情况下更改控制器参数，这确保了控制器的可靠性。

第二个子结构是公共支撑结构（CSS）。CSS包含用于错误检查和参数更新的支持数据。

SPS和CSS的使用是可选的，不需要该附加功能的用户可以安全地忽略这些结构。

1.3.9 稳定性测试

该库包含测试所有直接形式补偿器稳定性的函数。稳定性由基于传递函数分母系数的极点位置确定。通用多项式稳定性函数可在库头文件DCL.h中找到，在一阶情况下，结论是不重要的。对于二阶和三阶补偿器，采用Jury阵列法。所有稳定性测试函数返回bool数据类型：如果所有补偿器极点位于单位圆内，则返回“真”，否则返回“假”。

1.5 执行速度评估

手册中的这节详细对比了各个函数的执行速度和占用空间，所有测试都是在没有开启编译优化的条件下进行的。这里挑几个自己用的记录一下，其中FPU32就是传统的C28浮点内核。

2. 使用方法

2.3 整合到现有工程

手册2.3节介绍了将DCL整合至现有工程的方法。

1. 对于以浮点运算为核心的编程来说，需要添加如下3个头文件：

#include "DCLF32.h" // C28
#include "DCLCLA.h" // CLA
"DCL.h" // 这个文件需要包含到工作目录，会被上述两个头文件自动引用
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2. 参考27页表9将需要用到的函数复制到工程。
3. 编辑cmd文件。这步主要是为了提高程序执行速度。
4. 创建一个控制变量。
   
5. 一些安全更新特性（可选）
6. 声明参考值等变量
7. 初始化变量，如果使用Direct Form形式，还要初始化一些用于延迟的变量。
8. 调用运行函数，获得返回值。

2.4 在线修改参数

介绍了如何在线安全的修改PI参数，需要用到前文提到的SPS和CSS指针。

3.2 线性PI控制器

库函数分成两个大类：parallel并联型和ideal型，ideal型也被称为串联型。

PI调节器的介绍在51页3.2节，均集成抗饱和和输出限幅功能。
与平时自己写的积分器不太相同的是，Ki=Kii*Tsc，也就是设计积分系数时需要将采样周期乘进去。

几个代码的区别：
后缀C3和C4的函数功能完全一致：C3是用C写的，只需要包含DCLF32.h头文件就可以；C4是用汇编写的，需要复制一个汇编文件到工程。
适用于CLA的代码同理，L2是用汇编写的，L4是用C写的。

C5并联形式PI控制器包含增强型抗饱和复位逻辑，允许积分路径从饱和状态恢复，即使比例增益为零。

C6、C7和L5控制器将串联形式的PI与Tustin积分器相结合。这种配置最适合于基于高频环路增益和零频率选择控制器增益的应用，因为Kp和Ki在串联形式的控制器中有效地解耦。此外，Tustin积分器在低于奈奎斯特极限的所有频率下都有固定的90度相位滞后，简化了补偿器的设计。

4 示例: PI controller running on CLA

在手册的141页第5章提供了很多示例，使用的DSP是28069，移植到其他芯片上也很简单。这里记录一个典型的示例。

这个例子演示了在CLA上运行PI控制器的一种方法。CPU程序包含一个ISR，该ISR由转换的ADC的end-of-conversion (EOC)触发。反馈数据从C28x CPU上的ISR中从ADC读取，并使用位于CPU-to-CLA message RAM中的变量（yk）和给定参考（rk）传递给CLA。ISR将ADC结果转换为有符号浮点格式，然后在CLA上触发任务3并等待其完成。
CLA task 3调用函数DCL_runPI_L1()，该函数使用汇编函数中的PI控制器，存储在位于CLA-to-CPU message RAM的uk中。

代码实现

一个典型的PI控制器结构体如下：

//! \brief          Defines the DCL_PI_CLA controller structure
//!
typedef volatile struct {
    float32_t Kp;       //!< Proportional gain 比例增益
    float32_t Ki;       //!< Integral gain 积分增益
    float32_t i10;      //!< I storage 存储积分值
    float32_t Umax;     //!< Upper control saturation limit 控制器输出上限
    float32_t Umin;     //!< Lower control saturation limit 控制器输出下限
    float32_t i6;       //!< Saturation storage 饱和标志位，不饱和为1
    float32_t i11;      //!< I storage
    float32_t Imax;     //!< Upper integrator saturation limit 积分上限
    float32_t Imin;     //!< Lower integrator saturation limit 积分下限
} DCL_PI_CLA;

//! \brief          Defines the DCL_PI controller structure
//!
typedef volatile struct dcl_pi {
    float32_t Kp;       //!< Proportional gain
    float32_t Ki;       //!< Integral gain
    float32_t i10;      //!< I storage
    float32_t Umax;     //!< Upper control saturation limit
    float32_t Umin;     //!< Lower control saturation limit
    float32_t i6;       //!< Saturation storage
    float32_t i11;      //!< I storage
    float32_t Imax;     //!< Upper integrator saturation limit
    float32_t Imin;     //!< Lower integrator saturation limit
    DCL_PI_SPS *sps;    //!< Pointer to the shadow parameter set
    DCL_CSS *css;       //!< Pointer to the common support structure
} DCL_PI;
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1. 并联形式

//! \brief          Executes a parallel form PI controller on the FPU32
//!                 Implemented as inline C function
//! \param[in] p    Pointer to the DCL_PI structure
//! \param[in] rk   The controller set-point reference
//! \param[in] yk   The measured feedback value
//! \return         The control effort
//!
static inline float32_t DCL_runPI_C3(DCL_PI *p, float32_t rk, float32_t yk)
{
    float32_t v1, v2, v4, v5, v9;

    v1 = rk - yk;
    v2 = p->Kp * v1;
    v4 = (v1 * p->Ki * p->i6) + p->i10;
    p->i10 = v4;
    v5 = v2 + v4;
    v9 = (v5 > p->Umax) ? p->Umax : v5;
    v9 = (v9 < p->Umin) ? p->Umin : v9;
    p->i6 = (v5 == v9) ? 1.0f : 0.0f;

#ifdef DCL_TESTPOINTS_ENABLED
    p->css->tpt = v5;
#endif

    return(v9);
}
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2. 串联形式

//! \brief          Executes an inline series form PI controller on the FPU32
//! \param[in] p    Pointer to the DCL_PI structure
//! \param[in] rk   The controller set-point reference
//! \param[in] yk   The measured feedback value
//! \return         The control effort
//!
static inline float32_t DCL_runPI_C2(DCL_PI *p, float32_t rk, float32_t yk)
{
    float32_t v2, v4, v5, v9;

    v2 = p->Kp * (rk - yk);
    v4 = p->i10 + (p->Ki * p->i6 * v2);
    v5 = v2 + v4;
    v9 = (v5 > p->Umax) ? p->Umax : v5;
    v9 = (v9 < p->Umin) ? p->Umin : v9;
    p->i10 = v4;
    p->i6 = (v5 == v9) ? 1.0f : 0.0f;

#ifdef DCL_TESTPOINTS_ENABLED
    p->css->tpt = v5;
#endif

    return(v9);
}
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3. 串联 Tustin积分

其实就是梯形积分，注意相比于前面的普通积分，这里等效的Ki参数是这样的：Ki = Kii * Tsc * 0.5

//! \brief          Executes a series form PI controller with Tustin integrator
//!                 on the FPU32.
//! \param[in] p    Pointer to the DCL_PI structure
//! \param[in] rk   The controller set-point reference
//! \param[in] yk   The measured feedback value
//! \return         The control effort
//!
static inline float32_t DCL_runPI_C6(DCL_PI *p, float32_t rk, float32_t yk)
{
    float32_t v2, v4, v5, v8, v9;

    v2 = (rk - yk) * p->Kp;
    v8 = v2 * p->Ki * p->i6;
    v4 = v8 + p->i11 + p->i10;
    v5 = v2 + v4;
    p->i10 = v4;
    p->i11 = v8;
    v9 = (v5 > p->Umax) ? p->Umax : v5;
    v9 = (v9 < p->Umin) ? p->Umin : v9;
    p->i6 = (v5 == v9) ? 1.0f : 0.0f;

#ifdef DCL_TESTPOINTS_ENABLED
    p->css->tpt = v4;
#endif

    return(v9);
}
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参考文献

1. 《C2000 Digital Control Library Version 3.4 USER’S GUIDE》C:\ti\c2000\C2000Ware_4_00_00_00\libraries\control\DCL\c28\docs