基于RTW的PID算法及半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研究

1、第 28卷 第 4期Vol.28,No.42007年 8月 Aug . 2007江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOF JIANGXI UNIVERSITYOF SCIENCE ANDTECHNOLOGY收稿日期 :2007-03-22作者簡(jiǎn)介 :周賢娟 (1981-, 女 , 2005級(jí)碩士研究生 .文章編號(hào) :1007-1229(2007 04-0028-04基于 RTW 的 PID 算法及半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研究周賢娟 ,鄢化彪 ,韓樹(shù)人 ,劉生華(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 , 江西 贛州 341000摘 要 :基于 MATLAB/RTW 的功能研究 , 設(shè)計(jì)了一種半實(shí)物仿真系統(tǒng) , 系統(tǒng)采用

2、的是基于軟件開(kāi)發(fā)、 硬件開(kāi)發(fā)和算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的快速原型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù) , 利用這種方法可開(kāi)發(fā)和研究工程實(shí) 踐中的產(chǎn)品 (如 PID 控制器 . 具體過(guò)程是根據(jù) Matlab/Simulink/RTW 提供的實(shí)時(shí)的開(kāi)發(fā)環(huán)境 , 使用 RTW(Real-time workshop 進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和目標(biāo)代碼生成功能 , 用戶(hù)可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期 , 降 低成本 .RTW 可以支持基于模型的實(shí)時(shí)控制及調(diào)試 , 適用于加速仿真過(guò)程和快速原型化 . 關(guān)鍵詞 :MATLAB/SIMULINK/RTW ; PID 控制 ; 半實(shí)物仿真 ; 實(shí)時(shí)控制 中圖分類(lèi)號(hào) :TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :AStudy on PID

3、Arithmetic and Hardware-in-the-loopSimulation System on RTWZHOU Xian-juan , YAN Hua-biao , HAN Shu-ren , LIU Sheng-hua(Faculty of M echanical and Electronic Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China Abstract :Based on the study of M ATLAB/RTW function, a hardwa

4、re-in the loop simulation system which adopts rapid prototyping designing technology is designed. The rapid prototyping designing technology consists of software exploitation, hardware development and the algorithm designing and realizing , which offers a way to help develop swiftly. With the way, t

5、he product in engineering practice (eg. PID controller can be studied and developed. Key words :M ATLAB/Simulink/RTW ; PID control ; hardware-in-the-loop simulation ; real-time control0引 言現(xiàn)代市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性和快速性的趨勢(shì) , 為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝 , 必須不斷地縮短 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期 , 這就出現(xiàn)了新產(chǎn)品面臨著多樣性的需求和快速開(kāi)發(fā)之間的矛盾 1. 為了設(shè)計(jì)可靠的控制 系統(tǒng) , 滿(mǎn)足用戶(hù)的需求

6、 , 縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期 , 需要采用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具來(lái)加速設(shè)計(jì)流程 . 為此 , 本文采用 了 一 種 快 速 原 型 設(shè) 計(jì) 方 案 進(jìn) 行 控 制 系 統(tǒng) 開(kāi) 發(fā) 以 達(dá) 到 縮 短 產(chǎn) 品 開(kāi) 發(fā) 周 期 的 目 的 . 該 方 案 利 用 了 M AT-LAB/SIUMILINK/RTW 提供實(shí)時(shí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境 , 通過(guò)具體的控制系統(tǒng)實(shí)例介紹了利用 MATLAB/SIU-MILINK/RTW 進(jìn)行半實(shí)物仿真的主要步驟 , 實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物仿真結(jié)果與利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行純軟件仿真結(jié)果相符合 , 該方案在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用前景 .本文介紹的基于 RTW 的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中 , RTW

7、 2是 MATLAB 圖形建模和仿真環(huán)境 Simulink 的一個(gè) 重要的補(bǔ)充功能模塊 , 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)圖 2RTW 的半實(shí)物仿真過(guò)程配制自動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序 . 利用它可加速仿真過(guò)程 , 或生成可在不同的快速原型化實(shí)時(shí)環(huán)境下的 程序 .1系統(tǒng)組成及原理1.1硬件組成計(jì)算機(jī)是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的核心 , 負(fù)責(zé)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理 , 并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行決策 , 產(chǎn)生控制信息 , 從而控制被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài) . 為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的能力 , 本系統(tǒng)采用主、 目標(biāo)機(jī) 結(jié)構(gòu) , 如圖 1所示 .宿主機(jī) :是

8、帶有以太網(wǎng)卡和通訊端口的臺(tái)式 計(jì)算機(jī) , 其上安裝 Windows 操作 系 統(tǒng) , 并 安 裝M ATLAB 、 Simulink 、 RTW (Real TimeWorkshop 、 xPCTarget 以及相應(yīng)的 C 語(yǔ)言編譯器等軟件 . 主要用于實(shí)現(xiàn)仿真前期準(zhǔn)備和仿真過(guò)程中的實(shí)時(shí) 交互任務(wù) , 具體擔(dān)負(fù)著編譯仿真源程序、 啟動(dòng)仿 真運(yùn)行、 在運(yùn)行過(guò)程中提供交互控制等任務(wù) .目標(biāo)機(jī) :當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)常采用帶ISA 插 槽 和 以 太 網(wǎng) 卡 的 工 控 機(jī) (如 PC/104或CompactPCI ; 當(dāng)控制系統(tǒng)控制對(duì)象單一、簡(jiǎn)單且 要求不高 , 為了節(jié)約成本采用單片機(jī) ; 它用于

9、實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真程序 , 具體負(fù)責(zé)執(zhí)行仿真目標(biāo)程序、 通過(guò) I/O 通 道與外部實(shí)物進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、 實(shí)現(xiàn)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真 .主機(jī)和目標(biāo)機(jī)通過(guò) RS232或 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通信 .外圍設(shè)備 :是實(shí)際的工業(yè)被控對(duì)象 , 在仿真過(guò)程中 , 先在主計(jì)算機(jī)上用 Simulink 建立仿真模型 , 通過(guò)RTW 的編譯為可執(zhí)行代碼 , 然后通過(guò)連接好的網(wǎng)絡(luò)下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行 . 目標(biāo)機(jī)可以通過(guò)各種 I/O 板卡接入被控對(duì)象進(jìn)行半實(shí)物仿真 .1.2軟件環(huán)境操作系統(tǒng)為 Windows , 所用的程序?yàn)?MATLAB7.0/Real-time Workshop/Real-time Windows Target

10、、 相應(yīng)的 C 語(yǔ)言編譯器 .1.3系統(tǒng)原理基于 RTW 的半實(shí)物仿真的過(guò)程如圖 2所示 .RTW 自動(dòng)程序創(chuàng)建過(guò)程能在不同的主機(jī)環(huán)境下生成用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的程序 . 該創(chuàng)建過(guò)程使用高級(jí)語(yǔ)言編譯器中的聯(lián)編實(shí)用程序來(lái)控制 所生成源代碼的編譯和鏈接過(guò)程 . 創(chuàng)建過(guò)程包含如下 4個(gè)步驟 :(1 分析模型和對(duì)模型文件 進(jìn)行編譯 ;(2 由目標(biāo)語(yǔ)言編譯器從模 型中生成代碼 ;(3 程序聯(lián) 編 文 件 (makefile 的生成 ;(4 在自定義的程序創(chuàng)建文 件的控制下 , 由聯(lián)編實(shí)用程序生圖 1基于 RTW 的半實(shí)物仿真的主、 目標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié) , 監(jiān)視等宿主機(jī)外圍硬件目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算TRW 生成的應(yīng)用程序

11、 宿主目標(biāo)通信 Simulink 模型模板聯(lián)編文件system.tmf生成聯(lián)編文件 生成代碼 用戶(hù)開(kāi)發(fā)的模型 和模板聯(lián)編文件自動(dòng)的程序 創(chuàng)建過(guò)程 可執(zhí)行的 C語(yǔ)言程度 程序model.exeM ake-fmodel.mk模型代碼model.c 或 model.adb model.model-export.h自定義聯(lián)編文件M ake-rtw.m! #" #$%&%周賢娟等 :基于 RTW 的 PID 算法及半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研究 第 28卷第 4期 29圖 3系統(tǒng)方框圖成可執(zhí)行程序 .在實(shí)際的工業(yè)控制器開(kāi)發(fā)中 , 用 Simulink 和 xPC Target 對(duì)工業(yè)被控系統(tǒng)進(jìn)行

12、半實(shí)物仿真時(shí) , 既要通過(guò) 數(shù)據(jù)采集卡 D/A 接口將仿真工控機(jī)的計(jì)算結(jié)果送往被控系統(tǒng) , 還要通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)送到仿真工 控機(jī) .xPC Target 提供了將這些 I/O 接口接入計(jì)算機(jī)的各種驅(qū)動(dòng)程序 . 避免直接用 RTW 進(jìn)行半實(shí)物仿真方 案時(shí) , 需用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)接口程序等工作 , 簡(jiǎn)化半實(shí)物仿真的工作量 . 在建立 Simulink 仿真模型時(shí) , 直接將所 用到的板卡功能對(duì)應(yīng)的模塊拖入 Simulink 仿真模型中 3, 并在實(shí)際仿真工控機(jī)中插入相應(yīng)板卡 , 然后編譯 模型文件 , 模型文件中的板卡信息被編譯為可執(zhí)行代碼 , 下載到目標(biāo)機(jī)并執(zhí)行和 I/O 板建立了聯(lián)系 ,

13、 將實(shí) 際的板卡連到仿真回路中 , 在仿真過(guò)程中可從數(shù)據(jù)采集卡輸入輸出數(shù)據(jù) , 進(jìn)行半實(shí)物仿真 .2半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)2.1宿主機(jī)生成代碼在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)首先 , 通過(guò)利用單片機(jī)(MCS-51系列 aduc812 作為實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)機(jī)來(lái)驗(yàn)證利用 RTW 進(jìn)行半實(shí)物仿真 是可行、 可靠、 便捷的 .該實(shí)驗(yàn)的步驟為 : 建立正弦發(fā)生器 Simulink 仿真模型見(jiàn)圖 3, 得到 model.mdl 文件 ; 創(chuàng)建實(shí)時(shí)應(yīng)用 程序 . 創(chuàng)建實(shí)時(shí)應(yīng)用程序能夠讓系統(tǒng)與一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘同 步運(yùn)行 , 并和外部系統(tǒng)進(jìn)行交互控制 . 具體步驟如下 :(1 求解器 Solver 選項(xiàng)設(shè)置 ; 打開(kāi) Simulink 設(shè)置頁(yè)Co

14、nfiguration Parameters 中的 Solver 選項(xiàng)卡 , 定義仿真起始時(shí)間和終止時(shí)間 , 設(shè)置求解器步長(zhǎng)為固定步長(zhǎng)以及任 務(wù)模式為單任務(wù)模式 .(2 RTW 的 主 要 設(shè) 置 ; 首 先 , RTW 目 標(biāo) 設(shè) 置 .Re-al-Time Wowkshop 的每個(gè)目標(biāo)都對(duì)應(yīng)兩個(gè)特定的文件 1: 系統(tǒng)目標(biāo)文件(*.tlc , 是一個(gè)目標(biāo)語(yǔ)言編輯器 (Target Language Compiler ; 模板 Makefile 文件(*.mf . 其次 , RTW 特性設(shè)置 .Real-Time Wowkshop 的主要構(gòu) 成和特性 : Simulink code Gener

15、ator :自動(dòng)為 Simulink 模 型產(chǎn)生 C 語(yǔ)言代碼 ; Make Process :Real-Time Work-shop 的拓展功能 , 可以讓用戶(hù)通過(guò)自定義編譯和聯(lián)結(jié) , 來(lái)達(dá)到應(yīng)用的目的 ; Simulink External mode:外部模式充 當(dāng) Simulink 與實(shí)時(shí)測(cè)試環(huán)境之間的信息橋梁 . 外部模式 在使用 Simulink 時(shí) , 作為前臺(tái)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)的調(diào)整、 數(shù)據(jù)記錄和可視化 .(3 打開(kāi) Real-Time Workshop 對(duì)話框 , 選中 Build , 代 碼隨后自動(dòng)生成 ;(4 整合用戶(hù)自定義函數(shù)、底層驅(qū)動(dòng)函數(shù) (在本實(shí)驗(yàn) 中采用 S 函數(shù) 和

16、自動(dòng)生成的程序 , 編譯生成目標(biāo)文件 ;(5 將宿主機(jī)生成代碼下載到目標(biāo)及系統(tǒng) (此時(shí)要 注意具體的目標(biāo)機(jī)的實(shí)用手冊(cè)或說(shuō)明 ;(6 實(shí)時(shí)仿真 . 目標(biāo)機(jī)接電源 , 主機(jī)通過(guò) Scope 顯示 波形 , 此時(shí)主機(jī)對(duì)目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控 . 純軟件仿真圖與目標(biāo) 機(jī)的仿真圖如圖 4、圖 5所示 . 圖 4主機(jī)上純軟件仿真波形圖 5目標(biāo)機(jī)在主機(jī)上顯示波形 江西理工大學(xué)學(xué)報(bào) 2007年 8月302.2PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建該半實(shí)物仿真平臺(tái)控制器用實(shí)物 , 而受控對(duì)象使用計(jì)算機(jī)建立的數(shù)學(xué)模型 . 圖 6為一實(shí)際的 PID 控制半實(shí)物仿真框圖 .圖 6PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真框圖此框圖將控制

17、器通過(guò)研華 PCL-1710A 卡和工控機(jī)模擬的被控對(duì)象連接起來(lái) , 宿主機(jī)通過(guò) RS232串口 線和控制器連接起來(lái) , 這樣讓輸出的信號(hào)反饋回宿主機(jī) , 形成 PID 閉環(huán)半實(shí)物仿真平臺(tái) .該閉環(huán)系統(tǒng)半實(shí)物仿真的方法及步驟是 :首先 , 對(duì)系統(tǒng)建立較為精確的數(shù)學(xué)模型 , 依此作為被控對(duì)象 , 和實(shí)際的控制電路板組成半實(shí)物仿真模 型 , 系統(tǒng)采集的信號(hào)通過(guò) PCL-1710A 的 A/D 口送入工控機(jī) , 控制信號(hào)由 D/A 口輸出 ;其次 , 在 SIM ULINK 仿真環(huán)境下 , 利用 RTW 的實(shí)時(shí)視窗目標(biāo) (Real-Time Windows Target , 在實(shí)驗(yàn)條件 下 , 較為精確地實(shí)時(shí)地再現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果 , 通過(guò)對(duì)故障和正常等各種情況的比較 , 對(duì)控制參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整 , 最終得到滿(mǎn)意的控制器 .3結(jié) 論基于 RTW 的 PID 算法及半實(shí)物仿真研究 , 實(shí)驗(yàn)表明 :采用 RTW 仿真的結(jié)果和實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本 吻合 , 證明了 RTW 仿真模型和控制算法實(shí)現(xiàn)是可靠的 ; 相對(duì)于 VC+等編程語(yǔ)言或組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)整套控 制系統(tǒng)的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式而言 , 基于 RTW 的快速一體化解決方法 , 可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員把主要精力放在系統(tǒng) 設(shè)計(jì)、 模型搭建上 , 大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間 , 使開(kāi)發(fā)效率大大提高 . 本系統(tǒng)的研究為基于 RTW 開(kāi)發(fā)復(fù)雜