【正文】 9 MATALAB 混合仿真平臺控制算法的概述 MATALB 混合仿真平臺，即為將硬件引入到仿真回路里的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，可用于過程控制器的開發(fā)與測試。平臺提供了三種控制器的嵌入方法，尤其能用 Matlab 語言編寫，大大提高了平臺的靈活性。為了建立過程控制混合仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，必須解決 PC 機(jī)作為虛擬控制器設(shè)計(jì)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)和在Windows 操作系統(tǒng)中實(shí)時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)問題。我們先詳細(xì)闡述過程控制混合仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理；最后介紹平臺控制算法的嵌入方法，并通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證平臺的有效性。 過程控制混合仿真平臺實(shí)現(xiàn)原 理 ： (1)數(shù)值計(jì)算， MATLAB 提供了大約 600 多個(gè)數(shù)學(xué)和工程上常用的函數(shù)。這些函數(shù)的數(shù)值運(yùn)算是針對矩陣操作優(yōu)化過的，可以使用它來代替底層編程語言。在保持同樣性能的情況下，編程工作量非常小，數(shù)值計(jì)算采用了 LAPACK， BLAS， FFTW 等優(yōu)秀數(shù)學(xué)函數(shù)庫，使得計(jì)算效率得到進(jìn)一步的提升。 MATLAB 包含的主要數(shù)學(xué)函數(shù)有線性代數(shù)和矩陣運(yùn)算、傅立葉變換和統(tǒng)計(jì)分析、微分方程求解、稀疏矩陣運(yùn)算以及三角和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算等；除此之外，隨著 Matlab 的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，補(bǔ)充了用于許多特定領(lǐng)域的函數(shù)。 (2）算法 開發(fā)，強(qiáng)大的計(jì)算能力，方便易用的編程語言和豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)使 MATLAB 最適于用于算法開發(fā)工作。典型的應(yīng)用包括：數(shù)據(jù)分析，信號處理，圖像處理，系統(tǒng)建模和高級算法研究等。不管用戶是使用已有的算法，還是自行開發(fā)， MATLAB 提供了一個(gè)通用的平臺。使用MATLAB 進(jìn)行算法開發(fā)就像平時(shí)書寫數(shù)學(xué)表達(dá)式一樣。將用戶在 MATLAB 中開發(fā)的算法結(jié)合到外部運(yùn)行的系統(tǒng)中。一旦用戶的算法和仿真經(jīng)過了編寫和調(diào)試， MATLAB Compiler 和 C/C++ Math Library 會將 MATLAB 應(yīng)用自動轉(zhuǎn)換成可移植 C 和 C++代碼的工具。對于信號處理，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和其他一些應(yīng)用， MATLAB 工具箱提供了一系列先進(jìn)的技術(shù)。工具箱遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了提供一些基本算法的范疇：他們提供了一個(gè)學(xué)習(xí)，研究，創(chuàng)新前沿理論和技術(shù)的舞臺。提供的算法工具箱有 Neural Network Toolbox、 Optimization Toolbox、System Identification Toolbox、 Robust Control Toolbox、 Model Predictive Control Toolbox、 Control System Toolbox， Fuzzy logic Toolbox 等。 (3）數(shù)據(jù)分析與可視化，通過 MATLAB，用戶可以分析所有類別的數(shù)據(jù)包括信號，圖像，多項(xiàng)式，時(shí)間歷程，多變量數(shù)據(jù)和線性系統(tǒng)等。從分析中總結(jié)出來的結(jié)10 果可以作為將來進(jìn)一步的算法和模型開發(fā)的基礎(chǔ)。此外，用戶可以快速地將代碼片段和知識轉(zhuǎn)換成可以重復(fù)使用的自動分析例程，不需要變量聲明和維數(shù)定義，可很快編寫出程序。 MATLAB 提供了方便的數(shù)據(jù)訪問工具。例如， Data Acquisition Toolbox 允許用戶將實(shí)時(shí)的測量數(shù)據(jù)直接傳送到 MATLAB 進(jìn)行分析 ， Database Toolbox 允許用戶訪問符合 ODBC 和 JDBC 的數(shù)據(jù)庫，而M 文件 ， C 和 Fortran 程序中的處理文本和二進(jìn)制文件的 I/O 函數(shù)，則允許用戶處理任何格式的數(shù)據(jù)。 MATLAB 和相關(guān)的工具箱包含了科學(xué)計(jì)算中需要的專業(yè)圖形功能。從 2D 原始數(shù)據(jù)的曲線圖到帶標(biāo)記的等值線圖和交互式的 GUI，這些工具提供了模型可視化的能力，幫助用戶理解復(fù)雜的系統(tǒng)。特別是 MATLAB 提供了對 3D 標(biāo)量和矢量可視化的能力，包括顯示等值面和流圖。這個(gè)能力使科學(xué)家和工程師們能夠?qū)Υ罅?、?fù)雜和多維的數(shù)據(jù)進(jìn)行 可視化。 Matlab 實(shí)時(shí)仿真環(huán)境， RTW 是 MATLAB 提供的一個(gè)實(shí)時(shí)開發(fā)環(huán)境，是 MathWork 系列軟件的重要組成部分。 RTW 與 MATLAB 其他組成軟件的無縫連接，既滿足了設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)概念與方案設(shè)計(jì)等方面的需求，也為系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)或完成不同功能的系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作實(shí)驗(yàn)提供了方便，并且為并行工程的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了一個(gè)良好的環(huán)境。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)配置自動生成多種環(huán)境下的程序，在硬件上運(yùn)行動態(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)測試，用戶可以縮短開發(fā)周期，降低成本。當(dāng)用戶在 Simulink 環(huán)境下建模，并得到較滿意的仿真結(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。該快速原型化目標(biāo)與用戶的物理系統(tǒng)連接在一起。用戶可使用 Simulink 模型作為連接物理目標(biāo)的接口，完成對系統(tǒng)的測試。 RTW 的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的過程，這里僅從 RTW 自動構(gòu)建應(yīng)用程序的過程這一方面進(jìn)行分析。 RTW 生成應(yīng)用程序的過程圖 ( modle 為建立的simulink 模型的名稱 )。 RTW 構(gòu)造應(yīng)用程序的過程由一個(gè) Mfile 的命令來控制，對于大多數(shù)目標(biāo)，缺省命令是 。 其過程如下： ，首先分析 Simulink 模型，分析的過程包括以下一些主要任務(wù) （ 1）數(shù)值化仿真參數(shù)和模框參數(shù)； （ 2）傳遞信號寬度和采樣時(shí)間； 11 （ 3）確定模塊中框圖的執(zhí)行次序； （ 4）計(jì)算工作向量的大小 (主要是針對 SFunctions 模框 )。 在這個(gè)過程中， RTW 讀取模型文件 ，然后把它編譯為模型的內(nèi)部描述。這個(gè)描述存儲是與語言無關(guān)的 ASCII 文件，名稱為 。我們可以把這個(gè)文件看作是下 個(gè)過程的輸入，它將會在代碼生成后被自動刪除。 TLC 程序來生成 C 代碼，在這個(gè)階段， TLC 把存儲在 中的內(nèi)部模型描述轉(zhuǎn)換為特定的目標(biāo)代碼。 TLC 是一種解釋性的程序語言，設(shè)計(jì)這個(gè)程序語言的唯一的目的就是把模型描述轉(zhuǎn)變成代碼。在編譯過程中TLC 執(zhí)行包含多個(gè)目標(biāo)文件 (TLC 腳本文件 )和 TLC 函數(shù)庫的程序。目標(biāo)文件分為兩種：一種是系統(tǒng)目標(biāo)文件，一種是模塊目標(biāo)文件。這些目標(biāo)文件指定如何把 用作輸入，從 modle 中生成代碼。 RealTime Workshop 綁定了用于各種目標(biāo)環(huán)境下的系統(tǒng)目標(biāo)文件，圖 給出了所有可用的系統(tǒng)目標(biāo)文件。在本系統(tǒng)中，我們的目標(biāo)環(huán)境是windows，選定的快速原型化目標(biāo)為 RTWT，那么在構(gòu)建程序前，指定 作為我們在編譯過程用到的 TLC 腳本文件。 Makefile， 在這一步中，將產(chǎn)生定制的模板文件 (makefile )，文件名稱是 .。生成的 makefi1e 用來指導(dǎo) make utility 編譯和鏈接模型，從而生成源代碼。 RTW 是從一個(gè)系統(tǒng)生成模板 (system template makefile)中生成 的，這個(gè)模板文件名稱是 (syetem 是指被選擇目標(biāo)名稱 )，例如在上一步中，我們選擇了 作為我們的系統(tǒng)目標(biāo)文件，那么同時(shí)也選定了一個(gè)叫做 作為了我們的系統(tǒng)模板文件。模板文件 (makefile )允許用戶定制編譯器、編譯器的選項(xiàng)和程序建立期間其他的信息，如果所用的編譯器不同，那么 makefile 文件也將不同，例如當(dāng)目標(biāo)為 Windows 時(shí)，系統(tǒng)目標(biāo)文件是 ，但是如果用 visual C\C++的 編譯器時(shí)，系統(tǒng)模板文件就是 ，而選用 wat 時(shí)，系統(tǒng)的模板文件就是 。 只是 的一個(gè)拷貝，可以修改此文件來定制構(gòu)建程序的過程。 RTWT(RealTime 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)測試和開發(fā)。在這個(gè)環(huán)境里，一臺 PC 機(jī)既作為宿主機(jī)，又作為目標(biāo)機(jī)存在。對于 RTWT， Simulink 和所12 生成的代碼都運(yùn)行在同一個(gè) PC 機(jī)上，其運(yùn)行界面可使用戶 PC 機(jī)的處理器運(yùn)行在 Windows NT 或者 Windows 95/98/2020/XP 操作系統(tǒng)的同時(shí)采用RTW 生成的代碼。 RTWT 支持許多類型的 I/O 設(shè)備板卡 (包括 ISA 和 PCI 兩種類型 ) 。用戶只需要安裝相關(guān)的軟件、一個(gè)編譯器和 I/O 設(shè)備板卡，就可將一個(gè) PC 機(jī)用作實(shí)時(shí)系統(tǒng)并通過 I/O 設(shè)備與外部設(shè)備進(jìn)行連接。內(nèi)核通過 I/O driver 模塊作為接口，與 I/O 硬件進(jìn)行通訊，并且檢查 I/O board 安裝的正確性。 Simulink與實(shí)時(shí)程序之間的通訊是通過 Simulink的外部模式下的模塊來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)模塊直接與實(shí)時(shí)內(nèi)核建立通訊，來開始和終止可執(zhí)行程序的運(yùn)行。Simulink 模型和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序之間保持著一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制，實(shí)時(shí)內(nèi)核使用這個(gè)校驗(yàn)機(jī)制來判斷 Simulink 模型結(jié)構(gòu)在代碼生成的自動中是否和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)保持一致。這就確保了在線修改模型參數(shù)的時(shí)候， Simulink 模型的參數(shù)可以正確地映射到實(shí)時(shí)應(yīng)用程序相應(yīng)的參數(shù)上。 RTWT 對 I/0 board 的支持，在混合仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的物理采集和物理控制輸出是靠 I/O 板卡完成的，那么實(shí)時(shí)應(yīng)用程序必須在軟件上具備數(shù)據(jù)采集和控制輸出的能力，也就說程序必須要和 I/O 板卡建立連接。這一功能的實(shí)現(xiàn)需要 RTWT的支持。在 Simulink 模型中加入輸入輸出模塊，設(shè)置與實(shí)際板卡一致的參數(shù)，然后編譯連接就可以了，需要說明的是，板卡的驅(qū)動程序并不真的參與編譯，而只是在程序運(yùn)行期間，需要采集數(shù)據(jù)或者輸出數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行動態(tài)連接。 RTWT 支持標(biāo)準(zhǔn)的 I/O boards。當(dāng) Simulink 模型的運(yùn)行期間， RTWT 從一個(gè)或多個(gè)輸入通道獲得采樣數(shù)據(jù)作為模型的輸入，然后快速的處理數(shù)據(jù)，再通過 I/O boards 的輸出通道輸送到外部。 RTWT 提供了一個(gè)通用的 Simulink block libraryI/O driver block library. 在 Matlab 命令中輸入 rtwinlib 便可以查看， I/O driver block library 提供了 RTWT 所支持的 I/O board 的驅(qū)動程序。通過各個(gè) block 可以很方便的設(shè)置 I/O boards。這些 block 和其他的 Simulink block 一樣，都支持拖放操作。對于 RTWT 不支持的板卡，可利用 Sfunction 模塊自行開發(fā)板卡的驅(qū)動程序。 I/O boards 是由其廠商提供，往往通過 Switches 或者 Jumpers 和廠商提供的軟件來設(shè)定 based dresses， voltage levels 和 unipolar or bipol