matlab外文翻译外文文献英文文献MATALAB混合仿真平台控制算法的概述

1、MATALAB 混合仿真平台控制算法的概述MATALB 混合仿真平台，即为将硬件引入到仿真回路里的半实物仿真系 统，可用于过程控制器的开发与测试。 平台提供了三种控制器的嵌入方法， 尤 其能用 Matlab 语言编写， 大大提高了平台的灵活性。 为了建立过程控制混合 仿真试验系统，必须解决 PC 机作为虚拟控制器设计环境的实现和在 Windows 操作系统中实时控制的实现这两个问题。我们先详细阐述过程控制 混合仿真试验系统的实现原理； 最后介绍平台控制算法的嵌入方法， 并通过实 验仿真验证平台的有效性。过程控制混合仿真平台实现原理：(1)数值计算，MATLAB提供了大约600 多个数学和工程上

2、常用的函数。这些函数的数值运算是针对矩阵操作优化过 的，可以使用它来代替底层编程语言。 在保持同样性能的情况下， 编程工作量 非常小，数值计算采用了 LAPACK ， BLAS， FFTW 等优秀数学函数库，使得 计算效率得到进一步的提升。 MATLAB 包含的主要数学函数有线性代数和矩 阵运算、 傅立叶变换和统计分析、 微分方程求解、 稀疏矩阵运算以及三角和其 他初等数学运算等；除此之外，随着 Matlab 的应用领域不断的扩大，补充了 用于许多特定领域的函数。 (2 )算法开发，强大的计算能力，方便易用的编程 语言和丰富的数学函数使 MATLAB 最适于用于算法开发工作。 典型的应用包 括

3、：数据分析，信号处理，图像处理，系统建模和高级算法研究等。不管用户 是使用已有的算法，还是自行开发， MATLAB 提供了一个通用的平台。使用 MATLAB 进行算法开发就像平时书写数学表达式一样。将用户在 MATLAB 中开发的算法结合到外部运行的系统中。 一旦用户的算法和仿真经过了编写和 调试， MATLAB Compiler 和 C/C+ Math Library 会将 MATLAB 应用自动 转换成可移植 C 和 C+ 代码的工具。对于信号处理，控制系统设计和其他一 些应用， MATLAB 工具箱提供了一系列先进的技术。工具箱远远超出了提供 一些基本算法的范畴： 他们提供了一个学习，

4、研究，创新前沿理论和技术的舞 台。提供的算法工具箱有 Neural Network Toolbox 、Optimization Toolbox 、 System Identification Toolbox 、Robust Control Toolbox 、 M odel Predictive Control Toolbox 、Control System Toolbox ， Fuzzy logic Toolbox 等。(3 )数 据分析与可视化，通过 MATLAB ，用户可以分析所有类别的数据包括信号， 图像，多项式，时间历程，多变量数据和线性系统等。从分析中总结出来的结 果可以作为将来进一

5、步的算法和模型开发的基础。 此外，用户可以快速地将代 码片段和知识转换成可以重复使用的自动分析例程， 不需要变量声明和维数定 义，可很快编写出程序。 MATLAB 提供了方便的数据访问工具。例如， Data Acquisition Toolbox 允许用户将实时的测量数据直接传送到 MATLAB 进行 分析，Database Toolbox允许用户访问符合 ODBC和JDBC的数据库，而 M 文件， C 和 Fortran 程序中的处理文本和二进制文件的 I/O 函数，则允 许用户处理任何格式的数据。 MATLAB 和相关的工具箱包含了科学计算中需 要的专业图形功能。从 2-D 原始数据的曲线

6、图到带标记的等值线图和交互式 的 GUI ，这些工具提供了模型可视化的能力，帮助用户理解复杂的系统。特 别是 MATLAB 提供了对 3-D 标量和矢量可视化的能力，包括显示等值面和 流图。这个能力使科学家和工程师们能够对大量、 复杂和多维的数据进行可视 化。Matlab 实时仿真环境， RTW 是 MATLAB 提供的一个实时开发环境， 是 MathWork 系列软件的重要组成部分。 RTW 与 MATLAB 其他组成软件 的无缝连接， 既满足了设计者在系统概念与方案设计等方面的需求， 也为系统 的技术实现或完成不同功能的系统实时操作实验提供了方便， 并且为并行工程 的实现创造了一个良好的环

7、境。它能直接从 Simulink 的模型中产生优化的、 可移植的和个性化的代码， 并根据目标配置自动生成多种环境下的程序， 在硬 件上运行动态系统模型，同时还支持基于模型的调试。使用 RTW 进行实时硬件的设计测试，用户可以缩短开发周期，降低成 本。当用户在 Simulink 环境下建模，并得到较满意的仿真结果后， 就可将 RTW 与一个快速原型化目标（例如 RTWT 目标）联合使用。该快速原型化目标与 用户的物理系统连接在一起。 用户可使用 Simulink 模型作为连接物理目标的 接口，完成对系统的测试。RTW 的实现机制是一个复杂的过程， 这里仅从 RTW 自动构建应用程序 的过程这一方

8、面进行分析。 RTW 生成应用程序的过程图 （ modle 为建立的 simulink模型的名称）RTW构造应用程序的过程由一个 M-file的命令来控 制，对于大多数目标，缺省命令是 make.rtw 。其过程如下： 1.模型分析，首先分析 Simulink 模型，分析的过程包括以 下一些主要任务（1）数值化仿真参数和模框参数；（2）传递信号宽度和采样时间；（3）确定模块中框图的执行次序；（4）计算工作向量的大小 （主要是针对 S-Functions 模框 ）。在这个过程中， RTW 读取模型文件 modle.mdl ，然后把它编译为模型的 内部描述。这个描述存储是与语言无关的 ASCII

9、文件，名称为 model.rtw 。 我们可以把这个文件看作是下个过程的输入，它将会在代码生成后被自动删 除。2.调用 TLC 程序来生成 C 代码，在这个阶段， TLC 把存储在 modle.rtw 中的内部模型描述转换为特定的目标代码。 TLC 是一种解释性的程序语言， 设计这个程序语言的唯一的目的就是把模型描述转变成代码。在编译过程中 TLC 执行包含多个目标文件 （TLC 脚本文件 ） 和 TLC 函数库的程序。目标文 件分为两种： 一种是系统目标文件， 一种是模块目标文件。 这些目标文件指定 如何把 modle.rtw 用作输入，从 modle 中生成代码。Real-Time Wor

10、kshop 绑定了用于各种目标环境下的系统目标文件，图 3.5 给出了所有可用的系统目标文件。在本系统中，我们的目标环境是 windows ，选定的快速原型化目标为 RTWT ，那么在构建程序前，指定 rtwin.tlc 作为我们在编译过程用到的 TLC 脚本文件。3.生成定制 Makefile ，在这一步中，将产生定制的模板文件 （makefile ） ， 文件名称是 model.mk. 。生成的 makefi1e 用来指导 make utility 编译和链接 模型，从而生成源代码。 RTW 是从一个系统生成模板 （system template makefile） 中生成 modle.m

11、k 的，这个模板文件名称是 system.tmf （syetem 是 指被选择目标名称 ） ，例如在上一步中， 我们选择了 rtwin.tlc 作为我们的系统 目标文件，那么同时也选定了一个叫做 rtwin.tmf 作为了我们的系统模板文 件。模板文件 （makefile ） 允许用户定制编译器、编译器的选项和程序建立期间 其他的信息，如果所用的编译器不同，那么 makefile 文件也将不同，例如当 目标为 Windows 时，系统目标文件是 rtwin.tlc ，但是如果用 visual CC+ 的编译器时，系统模板文件就是 win_vc.tmf ，而选用 watcom 时，系统的模 板文

12、件就是win_watc.tmf 。molde.mk 只是system.tmf的一个拷贝，可以修 改此文件来定制构建程序的过程。RTWT（Real-Time Windows Target） 是 MATLAB 提供和发行的一个基 于 RTW 体系框架的附加产品， 它可将 PC 机转变为一个实时系统， 其目的是 引入一种快速原型设计的方法， 用于控制器的实时测试和开发。 在这个环境里， 一台 PC 机既作为宿主机，又作为目标机存在。对于 RTWT ， Simulink 和所 生成的代码都运行在同一个 PC 机上，其运行界面可使用户 PC 机的处理器运 行在 Windows NT 或者 Windows

13、 95/98/2000/XP 操作系统的同时采用RTW 生成的代码。RTWT支持许多类型的I/O设备板卡（包括ISA和PCI两种类型）。用 户只需要安装相关的软件、一个编译器和 I/O 设备板卡，就可将一个 PC 机 用作实时系统并通过 I/O 设备与外部设备进行连接。内核通过 I/O driver 模 块作为接口，与 I/O 硬件进行通讯，并且检查 I/O board 安装的正确性。Simulink 与实时程序之间的通讯是通过 Simulink 的外部模式下的模块来 实现的。这个模块直接与实时内核建立通讯， 来开始和终止可执行程序的运行。 Simulink 模型和实时应用程序之间保持着一个校

14、验机制，实时内核使用这个 校验机制来判断 Simulink 模型结构在代码生成的自动中是否和实时应用程序 的结构保持一致。这就确保了在线修改模型参数的时候， Simulink 模型的参 数可以正确地映射到实时应用程序相应的参数上。RTWT 对 I/0 board 的支持，在混合仿真试验系统中，数据的物理采集 和物理控制输出是靠 I/O 板卡完成的，那么实时应用程序必须在软件上具备 数据采集和控制输出的能力，也就说程序必须要和 I/O 板卡建立连接。这一 功能的实现需要 RTWT 的支持。在 Simulink 模型中加入输入输出模块， 设置 与实际板卡一致的参数， 然后编译连接就可以了， 需要说

15、明的是， 板卡的驱动 程序并不真的参与编译， 而只是在程序运行期间， 需要采集数据或者输出数据 时，进行动态连接。RTWT支持标准的I/O boards。当Simulink 模型的运行期间，RTWT从 一个或多个输入通道获得采样数据作为模型的输入， 然后快速的处理数据， 再 通过 I/O boards 的输出通道输送到外部。RTWT 提供了一个通用的 Simulink block library-I/O driver block library.在 Matlab 命令中输入 rtwinlib 便可以查看，I/O driver block library 提供了 RTWT 所支持的 I/O bo

16、ard 的驱动程序。通过各个 block 可以很方便 的设置 I/O boards 。这些 block 和其他的 Simulink block 一样，都支持拖放 操作。对于 RTWT 不支持的板卡，可利用 S-function 模块自行开发板卡的 驱动程序。I/O boards 是由其厂商提供，往往通过 Switches 或者 Jumpers 和厂商 提供的软件来设定 based dresses， voltage levels 和 unipolar or bipolar modes。在Real-Time Windows Target 也提供了参数设定的功能，这个功能 的应用与厂商提供的软件有相

17、同的灵活性。Simulink 外部模式下实现参数传递的机制，在外部模式下 Simutink 不 再对框图表示的系统模型进行仿真， 而是把当前的参数值下载到目标系统。 在 初始下载完成后， Simulink 保持在等待状态，只有在框图中的参数发生改变 或者接收到来自目标机的参数才开始动作。当框图的参数发生改变， Simulink 调用一个外部接口 Mex 文件，把新 的参数值和其他一些信号传递给外部 Mex 文件。外部接口 Mex 文件执行 Inter Process Communication (IPC) 通道一端的代码，这个通道把 Simulink 过程 (Mex 文件执行的过程 )和外部可

18、执行性程序的过程连接在一起。 Mex 文 件通过这个通道， 把新的参数传递给外部程序。 通道的另一端在外部程序中执 行，这一端把新的参数值写到目标参数结构中。Simulink 通过发送一个含有参数信息的讯息初始化下载操作。 在 C/S 结 构中， Simulink 作为客户端，外部程序为服务端。两个过程可以是远程的， 也可以是当地的。当客户端和服务端是远程的时候，通过 TCP/IP 方式传递 数据，当客户端与服务端是当地的时候， 采用共享内存的方式传送数据， 在本 系统中采用的就是后一种方式。过程控制算法的实现方法， 一个通用的仿真平台， 必须能够方便的让用户 加入自己的控制算法或控制系统设计

19、方案， 此过程控制混合仿真平台提供了以 下三种控制算法的嵌入方法：应用 Simulink 提供的模块搭建控制器模型， Simulink 提供了各种各样 的模块集合，在 Simulink 提供的图形用户界面上，只要进行简单拖拉操作， 就可利用这些模块集合构造出复杂的控制器模型。 此外 Simulink 还提供了诸 如模糊逻辑工具箱与神经网络工具箱之类的高级算法控制工具箱， 利用这些工 具箱，结合其他模块，可搭建出各种与之相关的控制算法模型，如模糊 PID 、 神经网络 PID 等，如以模糊 PID 控制器模型。 利用工具箱的图形用户界面编 辑控制器，可方便地设计智能控制器的直观图式系统。利用 S

20、imulink 模块搭建控制器模型灵活方便，它外表以方块图形式呈 现，且采用分层结构。应用 Simulink 模型作为控制器的可视化界面，不仅能 让用户知道控制器具体环节的动态细节， 而且能让用户清晰地了解控制器中各 器件、各子系统的信息交换， 掌握各部分间的交互影响， 为进一步分析改善控 制器提供了便利条件。编写C语言的S-函数实现控制算法，在实际应用中，通常会发现有些算法用普通的Simulink模块不容易搭建，对此可以使用 Simulink支持的S-函 数格式，S-函数作为 Simuli nk的扩展工具有固定的程序格式，可采用 MATLAB 、C/C+ 、 Fortran 等语言编写。但由

21、于在实时仿真过程中需要将 Simulink模型转化为C代码并生成独立文件，只有 C/C+语言编写的S-函 数支持这一功能，因此在算法扩展中必须米用C/C+语言编写的S-函数。S-函数的工作原理和 Simuli nk的仿真原理基本类似，每一个Simuli nk模块都具有输入u、输出y、状态x三个向量和其他一些对应仿真各阶段的方 法。 Simulink 通过循环调用模型中的各模块的特定方法来完成诸如计算输出 值、更新离散状态值、计算连续状态微分等任务。在S-函数中提供了与Simulink 仿 真 不 同 阶 段 相 对 应 的 回 调 函 数 。 初 始 化 阶 段 包 括 mdlInitiali

22、zeSizes ， mdlInitializeSampleTimes 和 mdlInitializeCondi 模 块它们分别起初始化系统输入维数输出维数、 状态变量个数， 定义仿真采样时 间和初始化状态变量的作用。 输出阶段 mdlOutputs 模块计算系统输出。 循环 仿真阶段mdlUpdate模块计算更新系统当前状态变量的值。C语言S函数不仅可以将具有 C 语言描述功能的代码嵌入 Simulink 模块，以便于在 Simulink 中仿真，而且可以很容易的将 C语言S-函数模块功能代码转换成纯 C代码。22MATALAB hybrid simulatio n platformcon t

23、rol algorithm overviewMATLAB Hybrid simulation platform, that is, the hardware put into the simulatio n loop in the loop simulatio n system for process con trol of the development and testing. Platform embedded controller provides three methods, in particular, can use MATLAB Ian guage has greatly en

24、han ced the flexibility of the platform .In order to buildsimulatio n system for processcontrol systems must be addressed as a virtual controller PC, the environment and in the Windows operating system to achieve real-time con trol to achieve these two problems. We first elaborate simulatio n system

25、 for process con trol system prin ciple, and fin ally in troduced the embedded platform control algorithm method and the experiment results verify the effective ness of the platform.Hybrid simulation platform process control theory: (1) numerical calculation, based on more than 600 MATLAB provides s

26、ome commonly used mathematical and engin eeri ng functions. The nu merical computati on of these functions are optimized for matrix operations, you can use it to replace the un derly ing program ming Ian guage. Mai nta in the same performanee in the case, the programming effort is very small, value

27、calculated usi ng the LAPACK and BLAS, FFTW other excelle nt math library, so the calculation efficiency is further improved. MATLAB contains the main mathematical functions are linear algebra and matrix operations, Fourier transform and statistical analysis, solving differential equations, sparse m

28、atrix operations, and trigonometricand other elementarymathematics, etc. I n additi on, use of MATLAB applicati ons with con ti nu ous expanded to add a function for a number of specific areas. (2) Algorithm development, computing power, easy to use programmingIanguage andrich mathematical fun cti o

29、ns to the most suitable for MATLAB for algorithm developme nt. Typical applicati ons in clude: data an alysis, sig nal process ing, image processing, system modeling and advaneed algorithm research. Whether the user is using the existi ng algorithms or develop ing their own, based on MATLAB provides

30、 a com mon platform. MATLAB for algorithm development using the mathematical expression of the same writing as usual User-based algorithms developed in MATLAB in tegrati on to exter nal systems running. Once the users algorithms and simulation through the writi ng and debugg ing, MATLAB compiler and

31、 the C / C + + Math Library MATLAB applicati on will be automatically conv erted to portable ? and C + + code tool. For signal processing, control system design and other applicati ons, MATLAB toolbox provid ing a range of adva need tech no logy. Toolbox far beyond the scope of provision of some bas

32、ic algorithms: they provide a learning, research, innovation and cutting-edge theory and tech no logy arena. Algorithm toolbox to provide a n eural n etwork toolbox, optimizati on toolbox, system ide ntificati on toolbox, robust con trol toolbox, model predictive control toolbox, the control system

33、toolbox, fuzzy logic toolbox. (3) Data an alysis and visualizatio n, through the MATLAB software, users can analyze all types of data, including signal, image, polynomials, time course, data and multi-variablelinear systems. From the analysisresults can be summed up as a model for the further develo

34、pment of the algorithm and the base. In addition, users can quickly convert the code fragme nt and kno wledge can be reused in automated an alysis rout in es, no variable declarations and the definition of dimension, can write programs quickly. Based on MATLAB provides a convenient data access tools

35、. For example, the data acquisition toolbox allows users to send real-time measureme nt data directly in to MATLAB for an alysis, database toolkit to allow users to access con siste nt with the ODBC and JDBC in the database, while M c and the Fortra n Ian guage docume nts and procedures in han dli n

36、g text and binary file I / O fun ctio n, the n allow the user to han dle any format.And related MATLAB toolbox contains a scientific computing need of professi onal graphics. The raw data from the two-dime nsional curve to the con tour map with markers and in teractive graphical user in terface, the

37、se tools provide a model visualized capabilities to help users understand complex systems. In particular, provides a MATLAB-based three-dimensional scalar and vector visualization capabilities, including display equivale nee face and flow diagram. This capability en ables scie ntists and engineers t

38、o a large number of complex and multidimensional data visualizati on.MATLAB real-time simulation environment,RTW is to provide areal-time based on MATLAB other comp onents of the software for seamless connection, not only to meet the designers in the system concept and program desig n n eeds, the te

39、ch no logy for the system or perform differe nt functions in real-time operating system provides the convenience of experime nts, and for impleme ntati on of con curre nt engin eeri ng to create a good environment. It directly from the SIMULINK simulation model produces optimized, portable and perso

40、nalized code, and automatically gen erate a variety of con figurati ons depe nding on the target un der the program environment, the hardware running dynamic system model also supports model-based debug.Real-time using the RTW of the design of test hardware, users can shorten the development cycle a

41、nd reduce costs. When the user model in SIMULINK environment 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 SIMULINK model as the in ter

42、face to connect the physical target to complete system test ing.RTW implementationmechanism is a complex process, where onlyfrom the RTW process automated buildi ng applicati ons that were an alyzed. RTW gen erated applicati on processdiagram (model for the establishme nt of the SIMULINK name). RTW

43、construction application process by an M-file in order to con trol for most of the target, the default comma nd is make.rtw.The process is as follows: 1. model, first an alyzes the SIMULINK model to an alyze the process in cludes the followi ng mai n tasks(1) Numerical simulatio n parameters and mol

44、di ng parameters;(2) Pass ing the sig nal width and sampli ng time;(3) determ ine the module block diagram of the impleme ntati on of the order;(4) Calculatio n of the size of the vector (ma in ly for S-F unctions module box).In this process, RTW read the model file modle.mdl, and the n compile it a

45、s a model of in ternal descripti on. This descripti on is stored in ASCII files and Ian guage-i ndepe ndent, n ame model.rtw. We can use that file as in put for the next process, it will be automatically deleted after the code gen eratio n.2. call TLC program to gen erate C code, at this stage, TLC

46、stored in modle.rtw in the internal model descripti on into a specific object code. TLCis an interpreted programming Ianguage, programming Ianguage design that the only purpose is to model description into the code. TLC in the compilation process of the implementation of multiple object files (TLC s

47、cript file), and TLC library procedures. Object file is divided into two types: one is the target file system, one is the module object file. The target file to specify how to modle.rtw used as an in put, gen erate code from modle.Real-Time Workshop target bi nding en vir onment for a variety of tar

48、get file system, Figure 3.5 shows all the available system target file. In this system, our target environment is windows, the selected target rapid prototyp ing RTWT, the n the build ing process before, we specify rtwin .tic as TLC used in the compilati on process script file.3. Ge nerate customize

49、d M-file, i n this step, will have a custom templatefile (M-file), the file n ame is model.mk. Gen erated makefile used to guide the make utility to compile and link model, which gen erates source code. RTW is a system-ge nerated template (system template M-file) gen erated modle.mk, this template f

50、ile n ame is system.tmf (syetem is the target n ame is selected), such as in the previous step, we selected rtwin .tic as Our system target file, also called rtwin.tmf selected our system as a template file. Template file (M-file) allows users to customize the compiler, compiler options and other in

51、formationduring the process to establish, if thecompiler used in differe nt, the n the makefile file will be differe nt, such as whe n the target is Win dows, the system target file is rtwin . tlc, but with the visual C C + + compiler, the system template file is win_vc.tmf, and choose watcom, the s

52、ystem of the template file is win_watc.tmf. molde.mk only system.tmf a copy, you can modify this file to customize the build process of the process.RTWT (Real-Time Windows Target) is to provide and distribute a MATLAB RTW system framework based on the additional products are shipping 将 turn its mach

53、ines into as a PC system with the aim of rapid prototyping one kind of methods for Kong real-time testing and development. In this environment, a PC, both as a host, but also as the target machi ne there. For RTWT, SIMULINK and the gen erated code running on the same PC, the in terface allows users

54、to run PC-processor running on Windows NT or Windows 95/98/2000/XP operating system, while the code gen erated by RTW .RTWT supports many types of I / O device boards (in clud ing the two types of ISA and PCI). Users on ly n eed to in stall related software, a compiler and I / O device card, a PC ma

55、chine can be used for real-time system and through I / O devices and external devices to connect. Core through the I / O driver module as the in terface and I / O hardware, com muni cati on, and to check I / O board in stallati on is correct.SIMULINK and Real-time com muni catio nbetwee n processes

56、is through the SIMULINK exter nal mode, the module to achieve. This module is to establish com muni cati on directly with the real-time kernel to start and termin ate the operati on of an executable program. SIMULINK models and real-time applications have maintained a checking mechanism to check rea

57、l-time kernel to use this mecha nism to determ ine the SIMULINK model structure in the automatic code generation and real-time whether the structure of the application consistent. This ensures that the line changes whe n the model parameters, SIMULINK model parameters can be correctly mapped to the

58、real-time applicatio n, the corresp onding parameters.RTWT on the I / 0 boards support, in a mixed simulation systems, data collect ion and physical con trol of the physical output by I / O board to complete, then the real-time applications must have the software output data acquisiti on and control

59、 capability , also said that procedures have to be, and I / O board to establish a connection. The realizati on of this fun ctio n requires RTWT support.SIMULINK model, add ing in put and output modules, setting and actual card Yi Di , and then build the connection is available, and n eed to be expla ined that the boards procedure does not it is invoIved in compilation, but only during the program, need to data or output data collected