第9章,第9章,9.1 实时仿真与半实物仿真 9.2 仿真规划 9.3 仿真工具的特性 9.4 系统实现方案与选择 9.5 实时仿真系统实验平台设计 9.6 系统实时性分析 9.7 小结,9.1 实时仿真与半实物仿真,目前所讨论的，大多是纯数字的仿真方法，并未考虑和外部真实世界之间的关系。在很多实际过程中，不可能准确获得系统的数学模型，所以也就无法建立起仿真模型框图；有时由于实际模型的复杂性，建立起来的模型也不准确，所以需要将实际系统对象原型放置在仿真系统中进行仿真研究。这样的仿真通常称为“硬件在回路”(Hardware-in-the-loop,简称HIL)仿真，又常称之为“半实物仿真”。因为这样的半实物仿真是针对实际过程的仿真，又是实时进行的，所以还可以称为实时仿真。所谓半实物仿真是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。实时性是进行半实物仿真的必要前提。实时仿真技术的典型应用场合之一就是半实物仿真系统。,9.2 仿真规划,1.瀑布开发方法 2.迭代开发方法,1.瀑布开发方法,图9.1 瀑布开发模型,2.迭代开发方法,图9.2 迭代开发模型,9.3 仿真工具的特性,(1)图形模型开发 虽然也有其他图形模式，但在仿真工具中的图形模型常是以框图形式来表示的。 (2)公式建模 尽管图形建模能力十分强大，还有许多情况需要在仿真模型中用一系列公式来描述其行为。 (3)实时HIL仿真 对非实时环境下开发的模型，可以在实时HIL仿真环境下进行编译和运行。 (4)底层仿真模型的扩展库 仿真工具提供的模型越多，开发者用于仿真开发的时间就越短。 (5)支持向量矩阵运算 许多仿真运算基于或有效利用了向量和矩阵运算，而一个具有鲁棒性的仿真环境应该易于用向量和矩阵来实现仿真。,9.3 仿真工具的特性,(6)仿真运行中产生数据显示 获得仿真系统行为的最快的方法是在其运行过程中查看图形或动画显示。 (7)存储仿真数据、创建图形和离线造表 在多仿真计算环境中，有必要存储每次运行的输出数据以便后续分析和显示。,(1)图形模型开发,虽然也有其他图形模式，但在仿真工具中的图形模型常是以框图形式来表示的。,(2)公式建模,尽管图形建模能力十分强大，还有许多情况需要在仿真模型中用一系列公式来描述其行为。,(3)实时HIL仿真,对非实时环境下开发的模型，可以在实时HIL仿真环境下进行编译和运行。,(4)底层仿真模型的扩展库,仿真工具提供的模型越多，开发者用于仿真开发的时间就越短。这个功能是假设仿真工具提供的模型与仿真开发者的使用有关。,(5)支持向量矩阵运算,许多仿真运算基于或有效利用了向量和矩阵运算，而一个具有鲁棒性的仿真环境应该易于用向量和矩阵来实现仿真。,(6)仿真运行中产生数据显示,获得仿真系统行为的最快的方法是在其运行过程中查看图形或动画显示。如果有明显问题，用户可以停止仿真运行，找出问题，并且开始新的运行。,(7)存储仿真数据、创建图形和离线造表,在多仿真计算环境中，有必要存储每次运行的输出数据以便后续分析和显示。,9.4 系统实现方案与选择,9.4.1 方案的提出 9.4.2 RTW的基础及应用 9.4.3 dSPACE实时系统,9.4.1 方案的提出,图9.3 Windows方式,图9.4 MATLAB实时内核方式,9.4.1 方案的提出,图9.5 实时仿真系统原理框图,9.4.2 RTW的基础及应用,1.RTW的主要特点 2.RTW的程序创建 3.RTW的开放式体系结构,1.RTW的主要特点,1)RTW支持连续时间、离散时间和混合时间系统，包括条件执行系统和非虚拟型系统。 2)RTW将Simulink外部模式的运行监视器(Run-Time Monitor)与实时目标无缝集成在一起，提供了极好的信号监视和参数调整界面。 3)RTW支持Stateflow代码生成器，可用来生成事件驱动型系统的有限状态机代码。,图9.6 RTW在系统设计中的作用,2.RTW的程序创建,1)分析模型和对模型描述文件进行编译。 2)由目标语言编译器从模型中生成代码。 3)程序联编文件(Makefile)的生成。 4)在自定义的程序创建文件的控制下，由联编实用程序生成可执行程序。,图9.7 RTW程序创建过程,3.RTW的开放式体系结构,(1)中间模型描述文件(modle.rtw) 代码生成过程的初始阶段是对源模型进行分析。 (2)目标语言编译器(TLC)程序 目标语言编译器对某一特定程序进行解释，该程序读取中间模型描述文件并生成代码。 (3)从模型中生成的源代码 (4)模板联编文件和程序联编文件 程序联编文件(modle.mk)的作用是对所生成的代码的编译和链接过程进行控制。,3.RTW的开放式体系结构,图9.8 RTW开放式体系结构,(1)中间模型描述文件(modle.rtw),代码生成过程的初始阶段是对源模型进行分析。分析得到的模型描述文件包含了一个等级式结构，该结构记录了系统、模块及其连接的描述。用户可以将自己的模块参数加入到中间模型描述文件中，对代码生成过程进行个性化配置。,(2)目标语言编译器(TLC)程序,目标语言编译器对某一特定程序进行解释，该程序读取中间模型描述文件并生成代码。,(3)从模型中生成的源代码,1)可输出的入口点提供了用户手写代码与生成代码的接口，可以使用户开发自己的定时和执行引擎，或将由几个模型生成的代码合并到一个可执行文件中。 2)可自动使用户代码对生成代码中的信号、参数和其他数据结构进行访问，因而可使用户代码具有参数调整和信号监测功能。 3)自定义代码模块可以使用户将自己的代码直接加入到生成的代码中(模型或子系统中)。 4)运行时界面(RTI)支持文件所包含的代码并提供了访问所生成的模型代码的接口。 主程序； 用于实现用户外部模式通信协议的代码与生成代码中定义的参数和信号； 进行接口的代码； 定时器和其他中断服务例程；,(3)从模型中生成的源代码,硬件I/O驱动模块。,(4)模板联编文件和程序联编文件,程序联编文件(modle.mk)的作用是对所生成的代码的编译和链接过程进行控制。RTW在代码生成/程序建立过程中从模板联编文件中生成modle.mk文件。用户可以生成自己的模板联编文件，对程序联编过程中编译器选项和其他变量进行控制。,9.4.3 dSPACE实时系统,1.系统的组成及特点 2.基于dSPACE的控制系统开发过程,1.系统的组成及特点,1)组合性强：使用标准组件系统，可以对系统进行多种组合，以满足不同需求。 2)过渡性好，易于掌握使用：与MATLAB/Simulink无缝连接，方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设计。 3)快速性好：用户可以在几分钟内完成模型/参数的修改、代码的生成及下载等工作，大大节省了时间和费用。 4)实时性好：一旦代码下载到实时系统，将独立运行，实验工具软件只是通过内存映射访问实验过程中存储的参数和变量的单元，不会产生对实验过程的中断。 5)可靠性高：dSPACE系统软硬件均为精心设计、制造和调试的，无兼容性问题，可以信赖。 6)灵活性强：允许用户在单板/多板系统、单处理器/多处理器系统、自动生成代码/手工编制代码进行选择，适应各方面的应用需求。,2.基于dSPACE的控制系统开发过程,1)MATLAB/Simulink模型建立以及进行离线仿真。 2)实时I/O的接入与设置。 3)应用RTW与RTI完成代码生成、编译与下载。 4)综合实验和测试。,9.5 实时仿真系统实验平台设计,1)仿真设备：如仿真计算机、目标模拟器等，这里所需要的仅仅是实验室提供的PC。 2)仿真环境与工具：所选择的仿真语言与开发环境。 3)参试设备：这里是控制对象实物，如倒立摆实物以及驱动和检测装置。 4)各种接口设备：I/O板卡或运动控制器。 5)支持服务系统：如显示、记录、文档等软硬件。 6)实验控制台：负责总体控制仿真实验。,9.6 系统实时性分析,图9.9 模型执行过程,9.6 系统实时性分析,图9.10 中断情况下的任务定时 a)采样时间间隔与该模型代码的执行相适合 b)采样时间间隔与该模型代码的执行不相适合,9.7 小结,本章针对伺服控制系统实时仿真，首先对仿真模型的开发进行了规划和选择，根据期望的仿真工具特性，提出了两种系统实现方案，结合实际情况从实时性出发深入分析了两种方案的可行性，确定了采用MATLAB RTW与dSPACE软硬件环境作为开发实时仿真实验平台的方案。并且分析了系统的软件结构与实时性能，为伺服控制实时仿真系统的建立与运行提供了可靠的理论依据与实际的快捷途径。,