基于Matlab的模糊控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)混合仿真平臺(tái)

1、th Proceedings of the 25 Chinese Control Conference 7-11 August, 2006, Harbin, Heilongjiang基于 Matlab 的模糊控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)混合仿真平臺(tái)楊鵬,李永富,張燕,李松河北工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 , 天津市 300130E-mail: yphebut摘 要 : 介紹了利用 MATLAB 的實(shí)時(shí)工具箱 RTW 和 RTWT ,建立模糊控制實(shí)時(shí)混合仿真平臺(tái)的方法。該平臺(tái)分 為上下兩層,上層為計(jì)算機(jī),應(yīng)用 Matlab 完成模糊控制算法的計(jì)算,下層為一塊 I/O卡,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和 控制量的輸出, 將實(shí)際系

2、統(tǒng)引入到了仿真回路里。 平臺(tái)應(yīng)用 Matlab 模糊邏輯工具箱或 S 函數(shù)完成模糊控制算法的 設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)仿真結(jié)果表明基于 MATLAB 的混合仿真系統(tǒng)具有很高的仿真精度, 并能真實(shí)反映實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制 中的各種擾動(dòng)和噪聲的影響,為從事模糊控制的研究人員提供了一種快捷、方便、經(jīng)濟(jì)的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 工具。關(guān)鍵詞 : MATLAB, 模糊控制 , 混合仿真 , RTWReal-Time Mixed Simulation Platform For Fuzzy Control Systerm Based OnMatlabFirst A. Peng Yang, Second B. Yongfu Li

3、, Third C. Yan Zhang ,Forth D.Song LiDepartment of Automation, Hebei University of Technology, Tianjin 300130E-mail: yphebutAbstract: This paper introduces a method of building a real-time mixed simulation platform for fuzzy control system based on MATLAB.The platform is composed of two layers.The u

4、pper layer is computer for the realization of fuzzy control algorithm with MATLAB. The lower one is a I/O card which is used for acquiring data and outputing the control value , and then puts the real system into the simulate loop.The design of fuzzy control algorithm is completed by the use of fuzz

5、y logic box or S function provided by MATLAB. Simulation results show that the mixed simulation platform can simulate processes with high precision, and it will reflect the effect of disturbances and noise in practical industrial processes.Key Words: MATLAB, fuzzy control, mixed simulation, RTWT個(gè)問(wèn)題,

6、本論文提出了一種將硬件系統(tǒng)引入到仿真 回路里的混合仿真平臺(tái)。 平臺(tái)以 Simulink 作為仿真環(huán) 境,以 Simulink 模型作為連接物理目標(biāo)的接口,應(yīng) 用模糊邏輯工具箱或 s 函數(shù)完成模糊控制器的設(shè) 計(jì),有助于實(shí)現(xiàn)模糊控制器的快速原型設(shè)計(jì)。1 引言 (Introduction在過(guò)去的 30年里,模糊控制已經(jīng)為將人的控制 經(jīng)驗(yàn)及推理過(guò)程引入自動(dòng)控制策略提供了一條簡(jiǎn)潔 的途徑。目前人們開(kāi)始重視經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 性能的改善、模糊自適應(yīng)控制與專(zhuān)家模糊控制理論 與設(shè)計(jì)方法的研究。模糊控制已成為最近幾十年在 控制領(lǐng)域發(fā)展最為迅猛的一個(gè)研究方向 1。2 Matlab 實(shí) 時(shí) 仿 真 環(huán) 境 (Th

7、e MatlabReal-Time SimulationRTW(Real-Time Workshop是 MATLAB 提供的 一個(gè)實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境,可用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品的 快速原型化。 它能直接從 Simulink 的模型中產(chǎn)生優(yōu)化 的、可移植的和個(gè)性化的代碼,并根據(jù)目標(biāo)配置自 動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序,在硬件上運(yùn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 模型,同時(shí)還支持基于模型的調(diào)試。使用 RTW 進(jìn)行 實(shí)時(shí)硬件的設(shè)計(jì)測(cè)試,用戶(hù)可以縮短開(kāi)發(fā)周期,降 低成本。 當(dāng)用戶(hù)在 Simulink 環(huán)境下建模, 并得到較滿(mǎn) 意的仿真結(jié)果后, 就可將 RTW 與一個(gè)快速原型化目 標(biāo)(例如 RTWT 目標(biāo)聯(lián)合使用。該快速原型化目MATLA

8、B 作為一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí) 語(yǔ)言,它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)和圖像處理功能于一體,具有極高的編程效 率。在模糊控制的設(shè)計(jì)和研究中工程設(shè)計(jì)人員通常 是應(yīng)用 MATLAB 進(jìn)行仿真研究,在仿真過(guò)程中選取 理想的數(shù)學(xué)模型為控制對(duì)象,忽略了許多現(xiàn)場(chǎng)中的 參數(shù),使控制過(guò)程變得相對(duì)比較簡(jiǎn)單。為了解決這 IEEE Catalog Number: 06EX1310此項(xiàng)工作得到河北省教育廳基金資助 , 項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào) :2004413.標(biāo) 與 用戶(hù) 的 物理系統(tǒng)連接在一起。用戶(hù)可 使用 Simulink 模型作為連接物理目標(biāo)的接口,完成對(duì)系 統(tǒng)的測(cè)試 2,3。RTWT(Real-time

9、 Windows Target是 MATLAB 提供和發(fā)行的一個(gè)基于 RTW 體系框架的附加產(chǎn)品, 它可將 PC 機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),其目的是引入一 種快速原型設(shè)計(jì)的方法,用于控制器的實(shí)時(shí)測(cè)試和 開(kāi)發(fā)。在這個(gè)環(huán)境里,一臺(tái) PC 機(jī)既作為宿主機(jī),又 作為目標(biāo)機(jī)存在。 首先在安裝了 matlab,simulink 的 PC 上, 用 Simulink 模塊來(lái)建立模型。 模型建立后, 再利 用 Real-Time Workshop和一個(gè) C-Complier 生成可以 在 Simulink 的外部模式下運(yùn)行的可執(zhí)行代碼, 然后再 在 Simulink 的外部模式下實(shí)時(shí)運(yùn)行可執(zhí)行代碼。 Simuli

10、nk 的外部模式與 RTWT 的結(jié)合提供了一個(gè)圖 形用戶(hù)接口。它的主要功能有 :1 信號(hào)可視化 :利用 Simulink Scope blocks可以可 視化實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)信號(hào),并能將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 Matlab 的工作空間內(nèi)。2 參數(shù)調(diào)節(jié) :利用 Block Parameter dialog boxes可 以在實(shí)時(shí)程序運(yùn)行的情況下,改變程序的參數(shù)。 RTWT 應(yīng)用一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)保證應(yīng)用程序的實(shí) 時(shí)運(yùn)行。實(shí)時(shí)內(nèi)核運(yùn)行在 CPU 的最高優(yōu)先級(jí),利用 PC 的內(nèi)部時(shí)鐘作為自己的時(shí)間信號(hào)源。由于目標(biāo)應(yīng) 用程序被編譯為具有平面存儲(chǔ)模式(flat memory model WindowsNT 應(yīng)用程序,

11、 提供了完全的 32位功 能,無(wú)須在 16位內(nèi)存段與 DOS 擴(kuò)展器間進(jìn)行切換, 因而執(zhí)行效率高,具有相當(dāng)快的運(yùn)算速度,這樣就 可以在較短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算仿真模型,從而可以滿(mǎn)足 實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求。對(duì)于較小的 Simulink 模型, 其采樣頻率可以達(dá)到 10KHz 4。通過(guò) I/O卡將 PC 機(jī)與外部硬件設(shè)備相連, 就可以 方便的搭建一個(gè)實(shí)時(shí)混合仿真系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的仿 真條件與實(shí)際情況更為接近,更加有利于對(duì)控制系 統(tǒng)的研究,也能縮短從仿真實(shí)驗(yàn)到實(shí)用環(huán)節(jié)的研發(fā) 周期。3 實(shí) 時(shí) 混 合 仿 真 平 臺(tái) (The Platform Of Real-Time Mixed Simulation3.1

12、平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) (The Realized Of The Platform實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用了 MathWorks 公司提供的 MATLAB/RTWT,系統(tǒng)分為虛擬控制器與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng) 兩部分,兩者之間通過(guò) I/O卡相連。為了完成不同模 糊控制器的快速原型化設(shè)計(jì),可將不同的硬件系統(tǒng) 引入到仿真回路里,在此以浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限 公司的 THJ-3型高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為 硬件系統(tǒng),該實(shí)驗(yàn)裝置由控制對(duì)象和控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 兩部分組成。對(duì)象配有水槽、鍋爐、三相磁力泵等 各種模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的裝置,并安裝了各類(lèi)監(jiān)測(cè)變送 裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制臺(tái)與控制對(duì)象的分開(kāi)設(shè)計(jì), 使其更加接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),可以看成是微縮了的常用

13、 過(guò)程裝置。該裝置有多個(gè)手動(dòng)閥門(mén),通過(guò)手動(dòng)閥門(mén) 組的切換可將整套對(duì)象分解組合成多種控制系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了工業(yè)控制中標(biāo)準(zhǔn)的 4-20mA 和 1-5V 信號(hào)接口,可以方便的將信號(hào)接到數(shù)據(jù)采集卡的端 子板上。RTWT 提供了 80多種 I/O卡的驅(qū)動(dòng),對(duì)于 RTWT 不支持的板卡可以應(yīng)用 Simulink 提供的 S 函數(shù)模塊自 行開(kāi)發(fā)板卡的驅(qū)動(dòng)模塊。在此選用的是 NI 公司的 PCI-6024E ,由 Matlab 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)其 A/D與 D/A功 能,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的反饋以及控制信號(hào)的輸出,從 而將虛擬控制器與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境聯(lián)系起來(lái),實(shí)現(xiàn)了 實(shí)物在回路中的混合仿真。 平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1

14、所示。 虛擬控制器環(huán)境實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖 1 半物理仿真系統(tǒng)系統(tǒng)中虛擬控制器由 Matlab 結(jié)合 Simulink 工具 箱實(shí)現(xiàn),以 Simulink 模型作為連接物理目標(biāo)的接 口。 在 Simulink 提供的圖形用戶(hù)界面上, 只要進(jìn)行簡(jiǎn) 單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以 方塊圖形式呈現(xiàn),且采用分層結(jié)構(gòu)。從分析角度講, 這種 Simulink 模型不僅能讓用戶(hù)知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng) 態(tài)細(xì)節(jié),而且能讓用戶(hù)清晰地了解各器件、各子系 統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換,掌握各部分間的交互影 響。 應(yīng)用 Simulink 里的示波器模塊或者其他顯示模塊 可以在線(xiàn)觀察方框圖中各個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并能將 其存儲(chǔ)到

15、 MATLAB 工作空間內(nèi)。因此該仿真平臺(tái)對(duì) 于控制算法的開(kāi)發(fā)與測(cè)試非常的方便有效。3.2 模糊控制器的實(shí)現(xiàn) (Fuzzy Controller模糊控制器的實(shí)現(xiàn)有兩種方法:1 應(yīng)用 Matlab 提供的模糊邏輯工具箱Matlab 的模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制 器 (FLC,及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種途徑。 利用它的圖形用戶(hù) 界面 (GUI編輯隸屬度函數(shù), 可方便地設(shè)計(jì)模糊控制的直觀圖式系統(tǒng)。同時(shí)它還提供了生成和編輯模糊 推理系統(tǒng) (FIS常用的工具函數(shù) (如 newfis, addvar, addmf 等 ,用戶(hù)也可以通過(guò)命令行的方式 (調(diào)用函數(shù) 方式 建立和編輯模糊推理系統(tǒng)。 其中 Fuzzy

16、為調(diào)用基 本 FIS 圖形編輯器的函數(shù), 在命令行下寫(xiě)入 fuzzy , 屏 幕上會(huì)出現(xiàn)帶有輸人、輸出、模糊規(guī)則的模塊系統(tǒng) 圖。在此基礎(chǔ)上用戶(hù)可建立基于 Mamdani 或 T-S 模糊 模型的模糊推理系統(tǒng),并在規(guī)則編輯器中對(duì)所求出 的控制規(guī)則進(jìn)行編輯。2 編寫(xiě) C 語(yǔ)言的 S 函數(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制器應(yīng)用模糊邏輯工具箱雖比較直觀,但仿真速度 比較緩慢,對(duì)于采樣頻率要求較高的系統(tǒng)不能達(dá)到 實(shí)時(shí)控制的要求。對(duì)于這種情況可利用 Simulink 和 C/C+混合編程技術(shù)建立的模糊控制仿真系統(tǒng), 應(yīng)用 C 語(yǔ)言的 S-Function 可大大提高系統(tǒng)的仿真效率。圖 2給出了在 Simulink 中離散系統(tǒng)

17、仿真的一般原 理圖。 S-Function 的工作原理和 Simulink 的仿真原理 基本類(lèi)似,在 S-Function 中提供了與 Simulink 仿真不 同 階 段 相 對(duì) 應(yīng) 的 回 調(diào) 函 數(shù) 。 初 始 化 階 段 包 括 mdlInitializeSizes , mdlInitializeSampleTimes 和 mdlInitializeConditions 模塊。 它們分別起初始化系統(tǒng) 仿 真 循 環(huán)圖 2 離散系統(tǒng) Simulink 原理圖輸入維數(shù)、輸出維數(shù)、狀態(tài)變量個(gè)數(shù),定義仿真采 樣 時(shí) 間 和 初 始 化 狀 態(tài) 變 量 的 作 用 。 輸 出 階 段 mdlOu

18、tputs 模 塊 計(jì) 算 系 統(tǒng) 輸 出 。 循 環(huán) 仿 真 階 段mdlUpdate 模塊計(jì)算更新系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)變量的值。 C 語(yǔ)言 S-Function 不僅可以將具有 C 語(yǔ)言描述功能的 代碼嵌入 Simulink 模塊,以便于在 Simulink 中仿真, 而且可以很容易的將 C S-Function模塊功能代碼轉(zhuǎn) 換成純 C 代碼 5。4 仿真研究 (Simulation選取對(duì)象裝置上鍋爐內(nèi)膽的溫度為控制對(duì)象, 該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電熱器的輸入電壓來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐的加 熱功率。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)變頻器控制三項(xiàng)磁力泵 以一定的流量向鍋爐夾套中加入冷卻水,以加快鍋 爐內(nèi)膽的散熱速度。 系統(tǒng)控制器選取自

19、適應(yīng)模糊 PID 控制器,系統(tǒng)的 Simulink 模型如圖 3所示,框圖中的 Fuzzy Logic Controller應(yīng)用模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)完 成,鍋爐內(nèi)膽模塊封裝了 I/O卡的驅(qū)動(dòng)模塊。實(shí)驗(yàn)中 采樣時(shí)間設(shè)為 5秒, 溫度設(shè)定值為 50攝氏度, Simulink 的求解算法為 ode5(Dormand-Prince。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿 真曲線(xiàn)如圖 4所示。RTWT 實(shí)時(shí)仿真的基本步驟:(1在第一次進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí),首先要安裝實(shí) 時(shí)內(nèi)核并設(shè)置默認(rèn)的編譯器,在 Matlab 命令窗口輸 入 rtwintgt setup 安裝實(shí)時(shí)內(nèi)核, 然后輸入 mex setup 設(shè)置默認(rèn)的編譯器,在此設(shè) VC+

20、6.0為編譯器。(2載入 Simulink 仿真模型并設(shè)置仿真參數(shù)。 打開(kāi)建立好的仿真模型,在 Simulation 菜單中選擇 Parameters 命令, 在打開(kāi)的 Simulation Parameters 對(duì)話(huà) 框中單擊 Solver 標(biāo)簽,在該選項(xiàng)卡中設(shè)置固定步長(zhǎng) 和仿真停止時(shí)間,選擇積分求解器;單擊 Real-Time Workshop 標(biāo)簽,在該選項(xiàng)卡中設(shè)置系統(tǒng)目標(biāo)文件, 模板聯(lián)編文件 ,Make 命令等, 在 Category 下拉列表中 選擇 Real-Time Windows Target build options 選項(xiàng), 選中 External model選項(xiàng)。(3創(chuàng)建目標(biāo)應(yīng)用程序。設(shè)置完仿真參數(shù)在 Simulink 模型窗口中按 Ctrl +B ,就可以生成 C 代圖 3 系統(tǒng) Simulink 模塊圖碼,并對(duì)其編譯、連接生成可執(zhí)行的目標(biāo)應(yīng)用程序。 (a 模糊 PID 控制器的控制輸出 (b 鍋爐溫度響應(yīng)曲線(xiàn)圖 4 鍋爐溫度及控制器輸出(4控制目標(biāo)應(yīng)用程序以及信號(hào)跟蹤。目標(biāo)應(yīng) 用程序生成之后, 將 Simulink 設(shè)在外部模式下, 單擊 鏈接目標(biāo)按鈕鏈接目標(biāo)應(yīng)用程序,然后單擊啟動(dòng)或 停止按鈕便可開(kāi)始或結(jié)束實(shí)時(shí)仿真。在 Simulink 模 型中添加 Scope 模塊,可以顯示需要的信號(hào)。5 結(jié)論 (Concl