外文翻譯 ---- matalab 混合仿真平臺控制算法的概述

1、<p>　　MATALAB 混合仿真平臺控制算法的概述</p><p>　　MATALB 混合仿真平臺，即為將硬件引入到仿真回路里的半實物仿真系統(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系統(tǒng)，必須解決PC 機作為虛擬控制器設(shè)計環(huán)境的實現(xiàn)和在Windows 操作系統(tǒng)中實時控制的實現(xiàn)這兩個問題。我們先

2、詳細闡述過程控制混合仿真試驗系統(tǒng)的實現(xiàn)原理；最后介紹平臺控制算法的嵌入方法，并通過實驗仿真驗證平臺的有效性。</p><p>　　過程控制混合仿真平臺實現(xiàn)原理：(1)數(shù)值計算，MATLAB 提供了大約600 多個數(shù)學(xué)和工程上常用的函數(shù)。這些函數(shù)的數(shù)值運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)值計算采用了LAPACK，BLAS，F(xiàn)FTW 等優(yōu)秀數(shù)學(xué)函數(shù)庫，

3、使得計算效率得到進一步的提升。MATLAB 包含的主要數(shù)學(xué)函數(shù)有線性代數(shù)和矩陣運算、傅立葉變換和統(tǒng)計分析、微分方程求解、稀疏矩陣運算以及三角和其他初等數(shù)學(xué)運算等；除此之外，隨著Matlab 的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴大，補充了用于許多特定領(lǐng)域的函數(shù)。(2）算法開發(fā)，強大的計算能力，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

4、算法，還是自行開發(fā)，MATLAB 提供了一個通用的平臺。使用MATLAB 進行算法開發(fā)就像平時書寫數(shù)學(xué)表達式一樣。將用戶在MATLAB 中開發(fā)的算法結(jié)合到外部運行的系統(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 Libr</p><p>　　Matlab 實時仿真環(huán)境，RTW 是MATLAB 提供的一個實時開發(fā)環(huán)境，是MathWork 系列軟件的重要組成部分。

5、RTW 與MATLAB 其他組成軟件的無縫連接，既滿足了設(shè)計者在系統(tǒng)概念與方案設(shè)計等方面的需求，也為系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)或完成不同功能的系統(tǒng)實時操作實驗提供了方便，并且為并行工程的實現(xiàn)創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境。它能直接從Simulink 的模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個性化的代碼，并根據(jù)目標配置自動生成多種環(huán)境下的程序，在硬件上運行動態(tài)系統(tǒng)模型，同時還支持基于模型的調(diào)試。</p><p>　　使用RTW 進行實時硬件的設(shè)計

6、測試，用戶可以縮短開發(fā)周期，降低成本。當用戶在Simulink環(huán)境下建模，并得到較滿意的仿真結(jié)果后，就可將RTW 與一個快速原型化目標（例如RTWT 目標）聯(lián)合使用。該快速原型化目標與用戶的物理系統(tǒng)連接在一起。用戶可使用Simulink 模型作為連接物理目標的接口，完成對系統(tǒng)的測試。</p><p>　　RTW 的實現(xiàn)機制是一個復(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行分析。RTW 生成應(yīng)用程

7、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M-file 的命令來控制，對于大多數(shù)目標，缺省命令是make.rtw。</p><p>　　其過程如下：1.模型分析，首先分析 Simulink 模型，分析的過程包括以下一些主要任務(wù)</p><p>　?。?）數(shù)值化仿真參數(shù)和?？騾?shù)；</p><p>　?。?）傳遞

8、信號寬度和采樣時間；</p><p>　?。?）確定模塊中框圖的執(zhí)行次序；</p><p>　　（4）計算工作向量的大小(主要是針對S-Functions ?？?。</p><p>　　在這個過程中，RTW 讀取模型文件modle.mdl，然后把它編譯為模型的內(nèi)部描述。這個描述存儲是與語言無關(guān)的ASCII 文件，名稱為model.rtw。我們可以把這個文件看作是下個

9、過程的輸入，它將會在代碼生成后被自動刪除。</p><p>　　2.調(diào)用TLC 程序來生成C 代碼，在這個階段，TLC 把存儲在modle.rtw 中的內(nèi)部模型描述轉(zhuǎn)換為特定的目標代碼。TLC 是一種解釋性的程序語言，設(shè)計這個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)行包含多個目標文件(TLC 腳本文件)和TLC 函數(shù)庫的程序。目標文件分為兩種：一種是系統(tǒng)目標文件，一種是模塊目標文件。這

10、些目標文件指定如何把 modle.rtw 用作輸入，從modle 中生成代碼。</p><p>　　Real-Time Workshop 綁定了用于各種目標環(huán)境下的系統(tǒng)目標文件，圖3.5 給出了所有可用的系統(tǒng)目標文件。在本系統(tǒng)中，我們的目標環(huán)境是windows，選定的快速原型化目標為RTWT，那么在構(gòu)建程序前，指定rtwin.tlc 作為我們在編譯過程用到的TLC 腳本文件。</p><p&g

11、t;　　3.生成定制Makefile，在這一步中，將產(chǎn)生定制的模板文件(makefile )，文件名稱是model.mk.。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是從一個系統(tǒng)生成模板(system template makefile)中生成modle.mk 的，這個模板文件名稱是system.tmf (syetem 是指被選擇目標名稱)，例如在上一步中，我們選擇了rtwin.tl

12、c 作為我們的系統(tǒng)目標文件，那么同時也選定了一個叫做rtwin.tmf 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，例如當目標為Windows 時，系統(tǒng)目標文件是rtwin.tlc，但是如果用visual C\C++的編譯器時，系統(tǒng)模板文件就是win_vc.tmf，而選用watcom 時，系統(tǒng)的模板文件就是wi

13、n_watc.tmf。molde.mk 只是system.tmf 的一個拷貝，可以修改此文件來定制構(gòu)建程序的過程。</p><p>　　RTWT(Real-Time Windows Target)是MATLAB 提供和發(fā)行的一個基于RTW體系框架的附加產(chǎn)品，它可將PC 機轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，其目的是引入一種快速原型設(shè)計的方法，用于控制器的實時測試和開發(fā)。在這個環(huán)境里，一臺PC 機既作為宿主機，又作為目標機存在。對

14、于RTWT，Simulink 和所生成的代碼都運行在同一個PC 機上，其運行界面可使用戶PC 機的處理器運行在Windows NT 或者Windows 95/98/2000/XP 操作系統(tǒng)的同時采用RTW 生成的代碼。</p><p>　　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、一個編譯器和I/O 設(shè)備板卡，就可將一個PC 機用作實時系統(tǒng)并通過I/O

15、 設(shè)備與外部設(shè)備進行連接。內(nèi)核通過I/O driver 模塊作為接口，與I/O 硬件進行通訊，并且檢查I/O board 安裝的正確性。</p><p>　　Simulink與實時程序之間的通訊是通過Simulink的外部模式下的模塊來實現(xiàn)的。這個模塊直接與實時內(nèi)核建立通訊，來開始和終止可執(zhí)行程序的運行。Simulink模型和實時應(yīng)用程序之間保持著一個校驗機制，實時內(nèi)核使用這個校驗機制來判斷Simulink模型結(jié)

16、構(gòu)在代碼生成的自動中是否和實時應(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)的時候，Simulink模型的參數(shù)可以正確地映射到實時應(yīng)用程序相應(yīng)的參數(shù)上。</p><p>　　RTWT 對I/0 board 的支持，在混合仿真試驗系統(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，那么實時應(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。這一功能的實現(xiàn)需要RTWT的支

17、持。在Simulink模型中加入輸入輸出模塊，設(shè)置與實際板卡一致的參數(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，而只是在程序運行期間，需要采集數(shù)據(jù)或者輸出數(shù)據(jù)時，進行動態(tài)連接。</p><p>　　RTWT 支持標準的I/O boards。當Simulink 模型的運行期間，RTWT 從一個或多個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

18、通道輸送到外部。</p><p>　　RTWT 提供了一個通用的Simulink block library-I/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block 可以很方便的設(shè)置I/O boards。這些block 和其他的Simul

19、ink block 一樣，都支持拖放操作。對于RTWT 不支持的板卡，可利用S-function 模塊自行開發(fā)板卡的驅(qū)動程序。</p><p>　　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 bipolar modes。在Real-Time Windows Target

20、 也提供了參數(shù)設(shè)定的功能，這個功能的應(yīng)用與廠商提供的軟件有相同的靈活性。</p><p>　　Simulink 外部模式下實現(xiàn)參數(shù)傳遞的機制，在外部模式下Simutink 不再對框圖表示的系統(tǒng)模型進行仿真，而是把當前的參數(shù)值下載到目標系統(tǒng)。在初始下載完成后，Simulink 保持在等待狀態(tài)，只有在框圖中的參數(shù)發(fā)生改變或者接收到來自目標機的參數(shù)才開始動作。</p><p>　　當框圖的參數(shù)發(fā)

21、生改變，Simulink 調(diào)用一個外部接口Mex 文件，把新的參數(shù)值和其他一些信號傳遞給外部Mex 文件。外部接口Mex 文件執(zhí)行Inter Process Communication (IPC)通道一端的代碼，這個通道把Simulink 過程(Mex 文件執(zhí)行的過程)和外部可執(zhí)行性程序的過程連接在一起。Mex 文件通過這個通道，把新的參數(shù)傳遞給外部程序。通道的另一端在外部程序中執(zhí)行，這一端把新的參數(shù)值寫到目標參數(shù)結(jié)構(gòu)中。</p&

22、gt;<p>　　Simulink 通過發(fā)送一個含有參數(shù)信息的訊息初始化下載操作。在C/S 結(jié)構(gòu)中，Simulink 作為客戶端，外部程序為服務(wù)端。兩個過程可以是遠程的，也可以是當?shù)氐摹．斂蛻舳撕头?wù)端是遠程的時候，通過TCP/IP 方式傳遞數(shù)據(jù)，當客戶端與服務(wù)端是當?shù)氐臅r候，采用共享內(nèi)存的方式傳送數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中采用的就是后一種方式。</p><p>　　過程控制算法的實現(xiàn)方法，一個通用的仿真平臺

23、，必須能夠方便的讓用戶加入自己的控制算法或控制系統(tǒng)設(shè)計方案，此過程控制混合仿真平臺提供了以下三種控制算法的嵌入方法：</p><p>　　應(yīng)用Simulink 提供的模塊搭建控制器模型，Simulink 提供了各種各樣的模塊集合，在Simulink 提供的圖形用戶界面上，只要進行簡單拖拉操作，就可利用這些模塊集合構(gòu)造出復(fù)雜的控制器模型。此外Simulink 還提供了諸如模糊邏輯工具箱與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱之類的高級算法

24、控制工具箱，利用這些工具箱，結(jié)合其他模塊，可搭建出各種與之相關(guān)的控制算法模型，如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 等，如以模糊PID 控制器模型。利用工具箱的圖形用戶界面編輯控制器，可方便地設(shè)計智能控制器的直觀圖式系統(tǒng)。</p><p>　　利用 Simulink 模塊搭建控制器模型靈活方便，它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。應(yīng)用Simulink 模型作為控制器的可視化界面，不僅能讓用戶知道控制器具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細

25、節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解控制器中各器件、各子系統(tǒng)的信息交換，掌握各部分間的交互影響，為進一步分析改善控制器提供了便利條件。</p><p>　　編寫C 語言的S-函數(shù)實現(xiàn)控制算法，在實際應(yīng)用中，通常會發(fā)現(xiàn)有些算法用普通的Simulink 模塊不容易搭建，對此可以使用Simulink支持的S-函數(shù)格式，S-函數(shù)作為Simulink 的擴展工具有固定的程序格式，可采用MATLAB、C/C++、Fortran 等語言

26、編寫。但由于在實時仿真過程中需要將Simulink 模型轉(zhuǎn)化為C 代碼并生成獨立文件，只有C/C++語言編寫的S-函數(shù)支持這一功能，因此在算法擴展中必須采用C/C++語言編寫的S-函數(shù)。</p><p>　　S-函數(shù)的工作原理和Simulink的仿真原理基本類似，每一個Simulink模塊都具有輸入u、輸出y、狀態(tài)x三個向量和其他一些對應(yīng)仿真各階段的方法。Simulink通過循環(huán)調(diào)用模型中的各模塊的特定方法來完成

27、諸如計算輸出值、更新離散狀態(tài)值、計算連續(xù)狀態(tài)微分等任務(wù)。在S-函數(shù)中提供了與Simulink仿真不同階段相對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。初始化階段包括mdlInitializeSizes ， mdlInitializeSampleTimes 和mdlInitializeCondi 模塊它們分別起初始化系統(tǒng)輸入維數(shù)輸出維數(shù)、狀態(tài)變量個數(shù)，定義仿真采樣時間和初始化狀態(tài)變量的作用。輸出階段mdlOutputs模塊計算系統(tǒng)輸出。循環(huán)仿真階段mdlUpdate

28、模塊計算更新系統(tǒng)當前狀態(tài)變量的值。C語言S函數(shù)不僅可以將具有C語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語言S-函數(shù)模塊功能代碼轉(zhuǎn)換成純C代碼。</p><p>　　MATALAB hybrid simulation platform control algorithm overview</p><p>　　MATLAB Hybrid

29、simulation platform, that is, the hardware put into the simulation loop in the loop simulation system for process control of the development and testing. Platform embedded controller provides three methods, in particular

30、, can use MATLAB language has greatly enhanced the flexibility of the platform. In order to build simulation system for process control systems must be addressed as a virtual controller PC, the environment and in the Win

31、dows operating system to achieve real-time con</p><p>　　Real-time using the RTW of the design of test hardware, users can shorten the development cycle and reduce costs. When the user model in SIMULINK envir

32、onment and get satisfactory simulation results, can be a RTW with the goal of rapid prototyping (such as RTWT target) joint use. The goal of rapid prototyping of physical systems and users connected. Users can use the SI

33、MULINK model as the interface to connect the physical target to complete system testing.</p><p>　　RTW implementation mechanism is a complex process, where only from the RTW process automated building applica

34、tions that were analyzed. RTW generated application process diagram (model for the establishment of the SIMULINK name). RTW construction application process by an M-file in order to control for most of the target, the de

35、fault command is make.rtw. The process is as follows: 1. model, first analyzes the SIMULINK model to analyze the process includes the following main tasks (1) Nume</p><p>　　Module built using SIMULIN

36、K controller model flexibility, it looks to block diagram showing the form, and the use of hierarchical structure. Applied SIMULINK model as a visual interface controller, the controller not only allows the user to know

37、the details of specific aspects of the dynamics, but also allows the user a clear understanding of the controller in the device, the subsystem information exchange between various parts of control interaction, for furthe