半实物仿真技术发展综述

1、半实物仿真技术开展综述1、半实物仿真技术1.1 半实物仿真系统定义半实物仿真,又称为硬件在回路中的仿真 (Hardware in the Loop Simulation) ,是指 在仿真实验系统的仿真回路中接入局部实物的实时仿真.实时性是进行半实物仿真的必要 前提.半实物仿真同其它类型的仿真方法相比具有经济地实现更高真实度的可能性.从系统 的观点来看,半实物仿真允许在系统中接入局部实物,意味着可以把局部实物放在系统中 进行考察,从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验,因此半实物仿真是 提升系统设计的可靠性和研制质量的必要手段.1.2 半实物仿真的先进性及其特点半实物仿真技术自20世

2、纪60年代问世直到目前美国研制航天飞机,始终盛行不衰.美 国大多数国防工程承包商都有一个或多个半实物仿真实验室,这些实验室代表了当前世界 先进水平.其先进性表达在：(1)有高速高精度的仿真机；(2)有先进完备的环境模拟设备.国内半实物仿真技术在导弹制导、火箭限制、卫星 姿态限制等应用研究方面也到达了较高水平.半实物仿真的特点是：(3)在回路中接入实物,必须实时运行,即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同(4)需要解决限制器与仿真计算机之间的接口问题.(5)半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际1.3 半实物仿真系统的根本组成与原理半实物仿真系统属于实时仿真系统.它是一种硬件在环实时技术,把实

3、物利用计算机 接口嵌入到软件环境中去,并要求系统的软件和硬件都要实时运行,从而模拟整个系统的 运行状态,如图2所示.实时系统由以下几局部组成.(1)仿真计算机仿真计算机是实时仿真系统的核心局部,它运行实体对象和仿真环境的数学模型和程 序.一般来说,采用层次化、模块化的建模法,将模块化程序划分为不同的速率块,在仿 真计算机中按速率块实时调度运行.对于复杂的大型仿真系统,可用多台计算机联网实时 运行.(2)物理效应设备物理效应设备的作用是模拟复现真实世界的物理环境,形成仿真环境或称为虚拟环境. 物理效应设备实现的技术途径多种多样,方案之一是采用伺服限制回路,通过伺服限制回 路限制形成相应的物理量,

4、方案之二是在已储存好的数据库中搜索相应的数据,转化为相 应的物理量.(3)接口设备仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的物理效应设备.接口设备同时将 操作人员或实物系统的限制输入信号馈入仿真计算机.半实物仿真系统原理框图如图1所示.在仿真计算机中通过对动力学系统和环境的数学 模型解算,获得系统和环境的各种参数.对半实物仿真系统,这些参数通过物理效应设备 生成传感器所需要的测量环境,从而构成完整的闭环仿真系统.物理效应设备是实现仿真 系统所需要的中间环节,它的动态特性、静态特性和时间延迟都将对仿真系统的置信度和 精度产生影响,应该有严格的相应技术指标要求.图1半实物仿真系统原理框图半实物

5、仿真系统是虚、实结合的系统,它具有以下特点：(1)建立仿真模型.任何仿真模型的实现,都必须建立被仿真对象实体的数学模型.除 建立被仿真实体的数学模型,还应建立环境模型,例如飞行仿真系统中大气环境(气压、 气温、阵风、扰动气流等)模型、地理环境(地形、地貌)模型等.(2)实物的接入与仿真环境的生成.实时仿真系统一般都接入实物系统, 例如将发动机 仿真系统进行含实物仿真试验.各种物理效应设备将模拟生成实物系统所需要的物理环境, 通过物理效应设备和接口使仿真计算机和接入的实物系统构成一个完整的含实物仿真系统.(3)系统仿真试验.系统仿真试验具有良好的可控性、无破坏性,可屡次重复,经济、 平安、不受气

6、象条件和场地环境的限制.(4)系统仿真的应用.系统仿真技术可广泛应用于国防、能源、水利、工业等工程领域 和非工程领域,也可广泛应用于产品研制的方案论证、设计分析、生产制造、试验评估、 人员练习的全过程.(5)系统仿真的实时性.仿真计算机从“并行计算的模拟计算机开展到“串行计算的数字计算机,其中突出的技术关键是如何保证仿真系统的运行实时性.实时性表达在循 环迭代计算的帧周期上,应根据仿真系统内的信息变化速率快慢选定帧周期.联网仿真的 网络延迟和物理效应设备的时间延迟都将影响仿真系统的实时性.1.4 半实物仿真工作流程用户在进行半实物仿真时,一般要经历以下“瀑布式流程,如图2所示,对实际系统建模,

7、进行纯数学仿真即数学仿真模型,对模型进行修改,设计定型,将模型中局部数 学化的模型用实物代替作实物实时仿真,再修改模型进行仿真,最后确定模型.完成了数学模型的建立和仿真验证后,用户可以建立半实物实时仿真系统.在Matlab/Simulink系统平台上建立半实物实时仿真系统十分简便,即将原来的用数学方法表 达的输入、输出信号模型用实际的I/O板替换,然后对硬件目标进行描述,生成实时代码, 将实时代码下载到本地仿真平台上,最后运行模型、进行仿真数据监视并可以在线修改仿 真模型的数学局部.图2半实物仿真流程2、主要半实物仿真系统2.1 dSPACE半实物仿真平台在半实物仿真系统中,由于实物的引入,需

8、要模拟这些部件的真实工作环境和鼓励信 号,还需要以一些专用的物理仿真模型加以实现.半实物仿真作为替代真实环境或设备的 一种典型方法,既提升了仿真的逼真性,又解决了以前存在于系统中的许多复杂建模难题, 因此半实物仿真成了主要的开展方向.另外,在开发的初期阶段,需要快速地建立限制对 象原型及限制器模型,并对整个限制系统进行屡次离线的及在线的试验来验证限制系统软、 硬件方案的可行性,这个过程称之为快速限制RCP.dSPACE实时仿真系统为半实物仿 真和RCP的应用提供了一个协调统一的一体化解决途径.dSPACE基于MATLAB/Simulink 的限制系统开发及测试的工作平台,实现了和MATLAB/

9、Simulink的无缝连接.dSPACE时系 统拥有高速计算水平的硬件系统,还拥有方便易用的实现代码生成 /下载和试验/调试的软 件环境.2.1.1 dSPACE 简介dSPACE®时仿真系统是由德国dSPAC虫司开发的一套基于MATLAB/Simulink的限制 系统在实时环境下的开发及测试工作平台,实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接.dSPACE 实时系统由两大局部组成,一是硬件系统,二是软件环境.其中硬件系统的主要特点是具 有高速计算水平,包括处理器和I/O接口等；软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试 验调试等工作.dSPACE具有强大的功能,可以很好地完成限

10、制算法的设计、测试和实现, 并为这一套并行工程提供了一个良好的环境.dSPACE的开发思路是将系统或产品开发诸功 能与过程的集成和一体化,即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真,从实时仿真实验 到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成.dSPACE的软件环境主要由两大局部组成,一局部是实时代码的生成和下载软件RTI(Real-Time Interface ),它是连接 dSPACE时系统与 MATLAB/Simulink纽带,通过对 RTW (Real-Time Workshop)进行扩展,可以实现从Simulink模型到dSPACE时硬件代码的自动下载.另一局部为测试软件,其中包含

11、了综合实验与测试环境(软件)ControlDesk、自动试验及参数调整软件 MLIB/MTRACE PC与实时处理器通信软件 CLIB以及实时动画软件 RealMotion等.dSPACE时仿真系统的结构如图3所示.图3 dSPAC#实物仿真系统框图dSPACE时仿真系统具有许多其它仿真系统具有的无法比较的优点：组合性强.使用标准组件系统,可以对系统进行多种组合过渡性好,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.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.实时性好.一旦代码下载到实

12、时系统,将独立运行,不会产生对试验过程的中断.可靠性高.dSPACES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.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.基于PC机、WINDOWS作系统,其代码生成及下载软件、试验工具软件都基于 WINDOWS作系统,硬件接口采用标准总线,方便掌握使用.2.1.2 dSPACE软件环境介绍 代码的生成及下载软件描述限制系统的C代码可以由Simulink方框图自动生成并下载到实时系统硬件中,这项工作主要由MATLAB/RTWdSPACE统中的RTI来完

13、成.RTI的使用方法就是用图形方式从 dSPACE RTI库中选定相应的I/O模型,将其拖放到用Simulink搭建的系统模型方框图中, 并指定I/O参数以完成对它的选定,选定后,只要用鼠标点击一下对话框中的Build命令,RTI就会自动编译、下载并启动实时模型.另外,RTI还根据信号和参数产生一个变量文件, 可以用dSPAC的试验工具软件如ControlDesk来进行变量的访问.当仿真系统比较复杂时, 就需要RTI-MP勺帮助以完成多处理器系统的设计并建立多处理器网络结构. 测试软件dSPACEg供的测试软件主要有：ControlDesk综合实验环境、ML旧/MTRAC改现自动

14、 试验及参数调整软件.(1) ControlDeskControlDesk是dSPAC力司开发的新一代综合试验和测试软件工具,提供对试验过程 的综合治理,它可实现的功能包括：对实时硬件的可视化治理用户虚拟仪表的建立变量的可视化治理参数的可视化治理试验过程的自动化(2) MLIB/MTRACE利用MLIB和MTRACE可以大大增强dSPACE时系统的自动试验水平.使用这两个库可 以在不中断试验的情况下从 MATLA直接访问dSPAC板上运行的应用程序中的变量.甚至无 需知道变量的地址,有变量名就足够了.这样就可以利用MATLA的数字计算及图形水平进行顺序自动测试、数据记录和限制参数的优化.MLI

15、评口MTRACE合使用可组成一个完美的整体.有 MATLAB大的计算水平做支持,可 以自动执行所能想到的任何试验.比方限制器的优化：用 MTRAGE录数据,然后将数据传 送给MATLAB MATLAB动计算出新的限制器参数,并通过 MLIB送回处理器板或限制板.总之,dSPACE进行基于Simulink模型半实物仿真和实时限制的首选工具,利用以上软件工具可以完成从系统建模、分析、离线仿真到实时仿真的全过程如图4所示.图4利用dSPAC或时仿真过程2.1.3 利用dSPACE!行限制系统的开发在进行限制系统的开发时,常常需要面临许多难以解决的问题,而开发的时间却要求 愈来愈紧迫.由于制造过程中存

16、在误差、老化及元器件装配等问题,对限制系统提出了相 当高的可靠性要求；对限制性能越来越高的要求使限制算法也越来越复杂；并行工程要求 设计、实现、测试及生产准备同时进行；有时限制对象在开发过程中也在不断发生变化. 由上述过程可以看出,传统的开发方法至少存在三个较大的问题：1、在对限制规律的限制特性或限制效果还没有一点把握的情况下,硬件电路已经制造了,这时还不知道设计方案能在多大程度上满足要求,或者根本不能满足要求.2、由于采用手工编程,会产生代码不可靠的问题,这样在测试过程中对出现的问题, 很难确定是限制方案不理想还是软件代码有错误.更重要的是手工编程将会占用大量的时 间,导致虽然有了限制方案,

17、却要等待很长的时间才能对其进行验证和测试,从而在不知 道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间、人力和物力,给开发带来了不必要的开支 和经济损失.3、即使软件不存在问题,如果在测试过程中发现限制方案不理想,需要进行修改,那么 新的一轮工作又将开始.大量的时间又将消耗在软件的修改和调试上.另外,由于涉及的 部门和人员过多,再加上治理不善造成的种种不协调,导致开发周期长而又长.而用dSPAC提倡的基于模型面向应用的现代化开发方法那么要有效的多.现代开发方法的最重要的特征就是计算机辅助限制系统设计CACSD Computer-Aided Control SystemDesign).将计算机支持工具贯

18、穿于限制系统开发测试的全过程.CACSD仅仅是进行限制方案的设计和离线仿真,还包括实时RCP产品代码的生成和硬件在回路测试,这是一个完 整的流线型限制系统开发步骤.dSPACE流线型限制系统的开发提供了一套 CACSD工具包CDP(Control Development Package).CDPt要基于以下工具：MATLAB用于进行模型的分析、设计、优化和数据的离线处理Simulink :用来进行基于方框图的限制系统离线仿真Real-Time-Workshop :用来从方框图模型直接生成C代码.dSPAC玄司的RTI:用来使代码可以在单处理器目标系统中运行.dSPACE系列软件工具：用来对闭环

19、试验进行交互操作.总之,利用CD网以完成从系统建模、分析、离线仿真到实时仿真的全过程.对大多数 用户而言,一般有以下几个步骤：步骤1 :用线性或非线性方程建立限制对象的理论模型.该方程能用MATLABm-file格式或Simulink方框图方式表示,以便于用MATLAB/Simulink进行动态分析.步骤2:用MATLAB具箱设计原始限制方案.步骤3 :用Simulink对限制方案进行离线仿真.步骤4:在Simulink框图中,从RTI库用拖放指令指定实时测试所需的I/O、A/D、D/A, 并对其参数进行设置.步骤5 :选择RTVBuild ,自动完成目标DS朦统的实时C代码的生成、编译、连接

20、和下载.即使是复杂的大型限制系统,该过程也只需几分钟左右步骤6 :用ControlDesk试验工具软件包与实时限制器进行交互操作,如调整限制参数,显示限制系统的状态、跟踪进程响应曲线等.步骤7 :返回步骤1.总之,利用dSPACE可以把精力全神贯注于限制方案的构思,可以大大缩短开发周期.2.2 RT-LAB半实物仿真平台RT-LA欧时仿真器是加拿大Opal-RT Technologies公司推出的基于模型的工程设计与 测试应用平台.应用此仿真器,工程师可以在一个平台上实现工程工程的设计、实时仿真、 快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案.RT-LAB勺应用,为基于模型的设计带来了不同的方法.由

21、于其开放性,RT-LAEBT以灵活的应用于动力学系统仿真与限制场合；其优秀的可扩展性能为所有的应用提供了一个低 风险的起点,使得用户可以根据工程的需要随时随地对系统运算水平进行验证及扩展一一 不管是为了加快仿真速度或者是为满足应用的实时硬件在回路测试的需要.2.2.1 RT-LAB 特性RT-LAB勺主要特性是分布式运算.将复杂的模型分布到假设干处理器上并行运算是RT-LAB勺独创,通常可以用普通的COTS1件作为模型运行的载体目标机,这样做除了扩展 运算水平外,还意味着用户可以在较短的时间内灵活的组建符合自己需要的实时仿真平台, 并能结合工程的需要扩展.RT-LAB勺分布式特点表现为两个方面

22、：分布式的目标机 最多可达63个和分布式的主机平台分布式的目标机运行一运算负荷的分配RT-LABI供的工具可以方便的将系统模型分割为假设干个子系统模型,并分配到假设干个 目标机上并行运算.通过这种方式,当用户的模型在单个目标机上不能实时运行时,RT-LAB可以将运算负荷分配到多个目标机上,这样就有足够的运算水平满足实时性要求.在模型运行时,RT-LABt持多个目标机之间白数据通讯.可以用 TCFYIP、IEEE-1394、 共享内存,或者将这些技术结合起来实现目标机间的实时数据通讯,用户也可以在主机平 台上与目标机上的仿真模型通过 TCP/IP或者IEEE1394进行实时在线交互.分布式的主机

23、平台一一从子系统设计到完整系统仿真的虚拟集成由于将仿真模型分布到目标机上并行运算,因此,RT-LA他是大型仿真工程的团队开发平台,每个开发小组专注于自己的子系统模型的设计,并在自己的仿真目标机进行实时 测试,然后,各个小组的模型可以组合成完整系统的模型.每个子系统之间的数据交换可 以通过目标机之间的实时通讯网络进行.连接性RT-LAB勺应用程序接口 (API)功能全面,并有详细说明文档.对于熟练的编程人员,它 还允许开发者在编写系统级仿真治理软件的时候能够迅速的将自己的应用程序与实时仿真 系统整合.同时,RT-LA也提供了相应的工具来简化实时仿真系统与运行在主机上的面向 非编程人员的应用程序的

24、连接.如：RT-LABUabVIEW APIT具能建立实时模型和LabVIEW的直接联系,不需要编写任何代码；允许用户使用 Python(RT-LAB自带插件)语言来配置模 型以及自动化运行测试步骤.同时,模型可以运行在不同的RT-LABB标机处理器上,且不需要重新设置或编译模型；可以使用 Test Stand的测试自动化；从Simulink程序框图中调用Python的脚本函数；在主机和目标机之间的自动文件传输.2.2.2 Internet上的远程操作由于RT-LAB勺主机与目标机系统之间是通过 DUP/IP协议来进行通讯,可以通过Internet来与仿真目标机进行通讯,这使得 RT-LA吩真

25、实验室可以与外界共享资源协同开 发.止匕外,还允许实时系统的远程操作,如在对一个远程对象上的限制器仿真,限制工程 师可以在办公室内修改数个远程目标工作站的限制参数,甚至完全改变限制策略.RT-LA/境中的软件包DINAMO以进行航空工程设计,利用 DINAMO可适用于静态配平和动态的操纵飞行的自动批量参数估计,可以进行动力学分析；选用RT-3D勺组件,如MATLABVirtualreality工具箱,WorldUp, Altia等,用户可以读取仿真数据并实时的在3D虚拟现实环境中显示出来,而且可以为仿真模型创立 3DS示效果,实时的观察模型的动 作并与其交互.2.2.3 I/O 数据与记录性R

26、T-LAB勺数据I/O和记录特性包括模型仿真的采集与记录,数字信号的采集和产生,以及目标机平台实时操作系统QNX*的硬件驱动.主要包括如下内容：实时数据显示和记录一用户可实时读取实时信号或将其记录为文件；丰富的伙I/O硬件支持一用户可选择第三方提供的ISA/PCI接口的硬件板卡；支持由opal . RTt行研制的I/O板卡；触发子系统一用户可自行设置任务在触发时刻开始执行； 硬件同步一可选用NI6602与Opal-RTOP510保列卡上的时钟作为仿真同步源,以弥补软件时钟精度的缺乏;数据采集一支持AD徵据采集卡,用户可自主设置连续或特定周期的高速数据采集, 且数据采集过程不占用系统仿真时间：波

27、形发生功能一RT-LAB真块集提供各种信号产生功能以及各种任意时刻的开关量 阶跃信号；数字波形捕捉的高级特性一检测在计算机步长间隔内产生的外部事件,并且补偿由于事件的影响滞后而导致的计算误差；通用的共享内存卡驱动一支持共享内存方式的目标机之间的高速数据通讯,允许设备间的数据读写.2.2.4 RT-LAB 的优点RT-LAET泛应用于航空、航天、工业和军事武器系统仿真,其根本的优点如下：(1)基于P仪术：高性价比,运算速度快.在仿真模型各个子系统之间可以获得实时 通信和同步限制,高速实时连接,因此仿真是高性能的并行计算.这些子系统可以任意放 在假设干个节点上,它们之间采用火线(IEEE-1394

28、)连接.(2)支持半实物(硬件在回路)仿真.在Target节点上既可以插入模拟I/O卡也可以插入 数字I/O卡.因此仿真系统可以与外部设备进行通信,如 HIL、Target和I/O卡之间由RT-LAB 仿真平台进行同步治理.(3)支持与其它非实时仿真平台的协同仿真.为了提升仿真模型的实时性,系统的非 实时局部独立运行在RT-LAW台之外的其它平台上,这些非实时平台上的程序通过RT-LAB仿真界面接口程序与仿真模型系统之间交互非实时数据.(4)能自动划分模型并产生分布式仿真代码.RT-LA国J用自身的Simulink图标解释Simulink模型,划分各个子系统,生成源代码,编成可执行程序,下载到

29、 Target节点上, 这一切过程都是RT-LAES动完成.因此,RT-LABT具自动照顾编码细节的优点不但可以加 速开发过程,而且使得仿真模型具有灵活的伸缩水平.(5)支持MATLAB/STATEFL OSTATEFLOWMATLAB件专门用于复杂逻辑系统建模的状 态机工具包,支持MATLAB/STATEFLOW味着提供了对复杂过程系统和离散事件的建模工 具.(6)系统结构随着工程的展开可以向上扩展；当运算量增大,增加/升级运算节点的效费比高；使用商业RTO驱时操作系统),保证了系统的稳定性,可靠性与实时性能.(7)开放系统：可以与其它软件接口,独立于硬件平台,可以满足用户的定制要求.2.2

30、.5 RT-LAB开发流程RT-LAB勺操作主要有十个步骤,下面就以RT-LABI带的模型rtdemo2 . mdl为例来对RT-LAB勺操作流程进行详解：(1)Open Model翻开模型双击RT-LAB Main Control图标启动RT-LAE®序,如图1点击Open Model按钮,弹出一 个文件选择框,选择 <RT-LAB>simulinkmodelsrtdemo2rtdemo2.mdl ,这个模型是安装 完RT-LA%后自带的演示模型,它已经编辑好了,不用再经过编辑就可以用了.(2)Edit编辑模型接上步点击Edit, RT-LAB!动调用MATLAB开模型

31、(如果打不开的话先用MATI ABft接翻开模型一遍,然后再用Edit翻开).翻开模型后可以看到rtdemo2.mdl模型的是由三个子模型组成,分别是 sm-controller , ss-plant 和sc_user_interface .此模型已经根据 RT-LAB 的规那么修改完成.RT-LAEBfi定所有的收集和显示数据的模块(如示波器,手动开关等)必须 放在一个子系统图中,系统命名以sc_打头,而且每个模型只能有一个sc_子系统：规定sm_ 子系统只能有一个,它是整个模型计算过程中的主导模块；ss_在整个计算过程中是附属地 位,在RT-LAB可以有多个.所以,在RT-LAB勺模型中所

32、有的子系统只能以sm_ sc_, ss 三种命名方式出现,而且在子系统中有信号输入的地方要插入一个RT-LAB勺信号同步模块OpComS 讯块.图5 RT-LAB主控(3) Configuration 配置修改完成了模型修改之后就要做一些编译前的配置修改工作.确认在 MainControll面板的 Target选项下面是不是选择了正确的目标平台, 它有三个选项QNXWNTNeutrino 0 Neutrino 是指QNX6.0Z后的版本.点击Configuration进入修改配置.图 6 Configuration 界面图(4) Compile编译过程编译过程出现问题时可以通过编译窗口来检查.

33、整个编译过程先是分割模型,有多少 个子模块就分割成多少块,这也是 RT-LA的布式计算的核心思想,然后利用 MATLAB RTW 的qnxnto_r13.tlc 模块生成CC件,生成QNXS下的可执行文件,完成编译过程.(5) Assign Nodes 分配节点点击Assign Nodes进入节点分配限制界面.在 Subsystems一项下面有sm_controller和ss_p1ant两个子系统.在Remaining Physical Nodes 一项下面有NTO侪DNTO两个节点,添加节点的方法在前面的Configuration说明中有提到.(6) 建立模型可以将使用MATLAB/Simu

34、link开发的模型结构Load至URT-LA&K完成方针前的准备工 作.Execute执行程序完成上述步骤之后就可以执行程序了,点击Execute就可以通过示波器看到程序执行的结果,通过调节滑块可看到波形的变化.(8) Pause暂停执行Pause®钮是一个暂停键,起暂停的作用.(9) Reset结束程序要想真正地结束程序必须通过Reset按钮.如果想再执行一遍程序就再Loa一次,然后 Execute (如果模型没有修改的话,不用执行 Compile,直接可以LOAD.(10) Disconnect 断开模型连接最后一步就是一定要断开模型.点击Disconnect模型就断开连

35、接了.以上是以 rtdemo2.mdl为例作的一个RT-LAB勺使用说明.其中提到的目标机,节点,下位机其实指的 是同一个对象.只要根据以上所讲的十个步骤一步步执行,就完全可以把RT-LA改用起来.2.3 xPC半实物仿真平台MATLA星一种面向科学与工程计算的高级语言,它集科学计算、自动限制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体,具有极高的编程效率.特别是利用Simulink工具箱中丰富的函数库可以很方便地构建数学模型,并进行非实时的仿真.而xPCS标是Mathworks提供一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的 PCL解决途径.为了提升系统实时仿真的 水平,xPCB标采用了宿主机一目标

36、机的技术途径,两机通过网卡连接,以TCP/IP协议进行通信.宿主机用Simulink建立模型,进行仿真前的参数配置,然后用 RT忡一个VCS译器将 模型编译为一个可执行文件下载到目标机.目标机通过软盘启动xPC Target实时内核,运行从宿主机下载的RT%成的目标应用程序,通过I/0通道与外部实物进行数据交换,最终 实现半实物的实时仿真测试.在xPCB标环境下,可以从MATLAB使用命令行或xPCTarget 的图形交互界面对程序的执行进行限制.在程序执行期间,可以交互地在线调整模型参数,信号绘图功能可以使人动态地观察信号波形,实现数据可视化和信号跟踪.如果目标机有 监视器,那么可以使用xP

37、CB标的目标治理器功能在目标机上直接观察信号和目标机的各种状 态信息.2.3.1 xPC仿真平台特性xPCB标采用宿主机一目标机的技术途径,其中宿主机拥有运行MATLAB/Simulink,用Simulink模块图来创立模型,进行非实时仿真,用RT毗码生成器和C编译器来生成可执行 代码；目标机执行所生成的代码,通过以太网或串口连接实现宿主机和目标机之间的通信. xPCB标工作本g式如图1所示,其具有如下特点：两机可通过RS-232m£TCP/IP协议进行通信,也可通过局域网、Internet进行连接；支持任何台式PCI、PC/104、CompactPCI工业PCM SBC停板机作为实

38、时目标系 统； 依靠处理器的高性能水平,采样率可到达100 kHz;扩展了 I/O驱动设备库,现已支持超过150种标准I/O板;可以得到来自主机或目标机的信号,也可以动态调整参数；在宿主机和目标机上都可进行交互式的数据可视化和信号跟踪；使用xPC Target Embedded Option能针对独立操作进行系统配置.图7基于Matlab/Simulink 环境的仿真系统原理图图8基于xPC的半实物仿真系统原理图图9半实物仿真过程图2.3.2 系统的硬件连接在xPCB标的半实物仿真中,主要通过数据采集卡来实现计算机和外部设备的连接, 既 需要通过数据采集卡的A/D接口从外部模拟设备采集数据送到

39、目标机,也需要通过 D/A接口 将目标机的计算结果送往外部模拟设备.1采用xPCB标提供的I/O设备xPCB标提供了支持超过150种标准I/O板的I/O驱动设备库.xPCB标所提供的D/A、A/D、 DI、D期模板,它实际上是为不同的板卡提供不同的驱动程序.在应用中,将所用到的I/O设备对应的模板拖人模型中,进行采集卡的参数设置 如通道数、电压范围、采样时间、基 地址等,并在实际仿真测试系统中接入相应板卡.在编译模型文件时,其中的板卡的信息 就会被编译为可执行代码,下载到目标机上后,目标就通过数据采集卡和外部设备建立了 联系,构成实时仿真测试回路.在仿真过程中可以从这些板上输入输出数据,以进行

40、半实 物仿真2采用其他I/O设备如果没有采用xPCB标提供的I/O设备,那么需自己编写设备驱动程序,这时可参考 xpcblocks文件夹下的各种设备驱动程序模块的源代码来编写程序,并存为巾lename.c ,然后在MATLAB令窗口输入命令：mexfilename.c , MATLA自动调用编译器生成mexftl态连接 库文件巾lename.dll ,并将其设置到MATLAB搜索路径中,最后将文件封装成一个 S-function模块,进行参数设置即可.2.3.3 xPC目标应用程序的创立和下载1仿真参数的设置在Simulink中创立需要进行仿真的模型,仿真和实时运行参数都可在Simulatio

41、nPammeterS寸话框中设置,主要包括 So1ver、workspace I/O、Diagnostics、Real-Time workshop等4个下拉菜单的参数设置.2创立和下载XPCg标应用程序仿真参数设置完毕后,同时通过启动盘启动目标机的实时内核,在 Simulink窗口中选 择ToolsReal-Time workshopBuild Model 命令,就可对Simulink模型进行编译、链接生 成可执行的目标应用程序,并将其下载到目标机.2.3.4 在实时仿真测试系统中运行xPC目标应用程序1信号输入、输出信号的输入、输出通过采集卡的I/O通道实现.数据采集卡的D/I、D/O可为数

42、字量提供 输入输出,然后运行xPCB标应用程序.2信号跟踪(1)使用Xpcscope进行信号品M踪.当xPC目标应用程序下载到目标机后,在 Matlab命令 行输入Xpcscope,在宿主机上出现治理器窗口(Manager),根据需要可决定示波器的个数和 选择要跟踪的信号,这样就可进行多示波器窗口和多信号的跟踪显示.(2)使用Xpctgscope进行信号跟踪.在MATLAB令行输入Xpctgscope,在目标机的监视 器上出现示波器窗口同样可进行多示波器窗口和多信号的跟踪.(3)使用MATLAB令进行信号跟踪.使用xPCB标提供的函数生成目标sc叩e对象,对信 号进行选择和观察.2.3.5 x

43、PC目标应用程序的参数调整(1)使用MATLAB令进行参数调节.可使用MATLAB数来改变模块的参数,不需重新创 建模型的目标应用程序,就可改变程序的参数.(2)使用Simulink外部模式在线调节参数.使用Simulink外部模式下,在Simulink外部 模块图的任何位置改变参数,Simulink都将改变后的参数自动下载到正在运行的目标应用 程序中.根据信号跟踪波形可随意改变模型参数检验励磁限制器的调节效果,也可实时地 测试限制器的限制算法,参数设计,直至得到满意效果.4数据存储在环境下,进行信号跟踪的同时也可对所跟踪信号实现数据存储,供以后分析处理. 在Xpcscope中选择要跟踪的信号

44、,然后单击Export选项,这时在MATLABWORKSPAC就会 自动生成MA质件.这里可记录任意时间段的任意个(如500)信号数据,这样就可很方便地 对测试结果进行分析、处理5数据分析在测试中所采集的实时数据是分析的依据,利用MATLA提供的图形编辑模块GUI,根据测试要求很容易编写友好的用户界面,并根据 MA数据文件绘制试验曲线、打印报表等,进 行数据分析.试验测得的数据可以通过各个试验模块进行分析处理.2.4 NI半实物仿真平台NI半实物仿真平台系统构架主要包括cRIC实时限制器内置嵌入式处理器、可重配置FPGA及模块化I/O构成.CompactRIORIO FPGA核心内置数据传输机

45、制,负责把数 据传到嵌入式处理器以进行实时分析,数据处理,数据记录或与联网主机通信.利用LabVIEW FPGA1本的I/O功能,用户可以直接访问CompactRI硼件的每个I/O模块的输入输出电路.所有I/O模块都包含内置的接口,信号调理,转换电路如 ADCSDAC ,以及可选配的隔离 屏蔽.这种设计使得低本钱的构架具有开放性,用户可以访问到底层的硬件资源.下面以柴油机电控系统ECU的开发和测试为例简要介绍NI半实物仿真系统的开发流 程.2.4.1 ECU半实物仿真系统总体结构EC/实物仿真系统由目标ECU实体执行机构和仿真限制与监测模块三局部构成,总 体结构见图10.图10 ECU实物仿真

46、系统结构图硬件在环仿真系统无柴油机燃烧过程,用伺服电机模拟不同工况的柴油机运转,为ECU和仿真系统提供转速信号；电机带动绝对式角度传感器提供曲柄转角信号；变频电机驱动 高压燃油泵和伺服油泵组成供油模块；燃油喷射模块和排气阀驱动模块是实体执行机构,根据ECU勺电信号限制伺服油驱动燃油喷射阀与排气阀启闭.仿真限制与监测模块由配置了FPG密片的cRIC限制器、PXI主机和工控机IPC组成,与目标ECU&建CAN络进行数据通讯； 报警模块通过串口RS232接收PXI主机发出的某参数越限报警信号,限制继电器发出声光 报警.2.4.2 ECU半实物仿真平台硬件组成1仿真限制与监测模块仿真限制与监测

47、模块硬件采用NI公司cRIC采用可重新配置I/C及FPG技术实现超高性 能和可自定义功能、PXI主机以及可热插拔工业cRIC I/O模块.cRIC空制器为200 MHN1奔腾实时处理器,安装VxWork散时操作系统,能可靠执行 LabVIEW Real-Time应用程序,实现实时限制、数据分析、记录和通信等功能；PXI主机选用810故时处理器,配置可带4个源列扩展机箱支持cRIO I/O模块的PXI 7813R FPGA5 卡.cRIO限制器和PXI主机都可借助LabVIEWFPG的根本I/O功能,将硬件与每个I/O电路直 接连接：使用嵌入式RIO FPGA1件,能实现40MHz25ns并周期

48、定时循环.PXI主机配置了 PXI 8464cA审,与cRIO系统9853cA朦块和应用模块构成CAN络.cRIO I/O模块具有内置式信 号调理功能,可直接与传感器和鼓励器相连.硬件配置能满足硬件在环仿真系统信号同步 采集、快速计算与输出及系统实时监测等功能.2信号I/U转换及滤波考虑现场环境干扰,传感器输出信号选用电流信号,但为保证采集信号的同步,选用 的NI-9215 I/O模块为电压采集模块,因此需将信号在采集前端进行电流/电压线性转换.设计中采用RURR-BROWNI/U变送器RCV42笛片,其转换精度为0.1 %,共模抑制比CMB 达86dB,共模输入范围达± 40 V,

49、保证了 4mA-20 mAfe流与05 V电压的线性对应,在软件上,利用NI LabVIEW数字滤波器设计工具包(Digital Filter Design Toolkit)种类采用不同算法设计数字滤波器,将滤波器VI编译后自动生成的FPGAi码部署到RIOFPGAS件中.2.4.3 仿真限制与监测模块软件设计柴油机仿真限制和监测模块软件以 NI LabVIEWB.5为开发环境,利用Real-Time > FPGA Toolkit完成对板卡和模块可重配置FPG程序的开发,再通过LabVIE摘译效劳器对LabVIEW 代码进行编译得到Bit File并部署到硬件设备；实现LabVIEW(W

50、indows和LabVIEM时应用 程序的集成.1仿真限制模块对ECI#数标定、性能试验及限制策略研究,要关注的是ECU1柴油机外部性能参数问关系,可不考虑柴油机内部热力过程,只要柴油机仿真模型能较真实地模拟柴油机的负载 特性,具测试结果就能反映EC国际配机性能.柴油机仿真限制模块通过I/O硬件实时采集 喷油量、排气阀升程信号等,经仿真模型计算,向 ECU：送限制信号,同时驱动曲轴电机提 供相位信号,结构见图11.图11仿真限制模块结构图仿真限制程序在cRIO限制器上运行,信号同步采集、滤波处理、逻辑运算和输出刷新 均在FPGA:完成.实时限制器中主要完成整型到浮点工程单位转换的数据换算,实时

51、 FIFO 数据缓存、CAN!讯和FPG程序间数据传输.为保证大量数据传送实时、同步和完整,程序 采用了 DMA：IRQK据通讯方式.(1)燃油喷射限制仿真为了测试不同负荷下ECU 寸燃油喷射的限制,燃油喷射限制仿真模块由位移传感器测量 燃油活塞位移(油量彳S号),绝对式角度编码器测量曲柄转角,旋钮电位器模拟柴油机负荷, 输入cRlO空制器FGPA I/O模块,经FPGA V与cRlO空制器Real-Trine VI数据交换,单位换 算和燃油喷射模型计算得出当前柴油机转速,由D/A输出以调节曲轴电机转速.进气压力影响喷油正时,为使仿真模型更为精确,查表得到仿真归纳的模拟进气压力,修正曲轴电机

52、转速,使之与柴油机实际值更接近.(2)排气阀限制仿真排气阀限制仿真程序分为FPGA V和Real-T'ime VI两局部.FPGA V品成各缸排气阀开 启、关闭信号、排气阀升程信号采集、IRQ中断、DM电置、与Real Tim或接、数据交换及 逻辑判断；Real-Time系统VI是整个仿真模型程序：逻辑判断、内存分配、数据转换和保存、 DMA!道竞争裁决等.当系统运行时,FGPA V判断首次接收的排气阀开启信号是否为实体 排气阀装置所发出,假设是其它模拟气缸发出,那么调用存储在cRIO限制器内经仿真计算的排气阀升程信号,通过模拟量输出模块提供应 ECU假设是实体排气阀装置所发出,那么F

53、PGA VI 采集此冲程实体排气阀装置的升程信号,并记录当前曲柄转角,同时开启DMA!道,将采集到的信号传送到cRIO限制器内存中.当检测到排气阀装置关闭信号时,停止升程信号采集. 该冲程其它模拟气缸升程信号,以内存中实体排气阀装置升程信号为“缸平移递推基准； 一旦有虚拟气缸排气阀开启,那么将保存的升程信号由另一 DMA!道彳回FPGA VI,通过电流 模块输出给ECU2监测模块测试研究ECU6制策略,需采集记录ECU目关输入输出信号,系统设有专门监测模块对 信号进行同步采集、分析、显示和存储,并对参数越限进行逻辑比较,通过用口输出至报 警模块,驱动声光报警.系统根据LabVIE减持子VI调用模式,采用模块化设计方法,可简化程序,提升程序执 行率.为保证数据采集同步,PXI实时操作系统每采集一角标信号同时记录当前时钟,并把 该时钟下所有同步信号如曲轴转速、燃油活塞位移、针阀升程、排气阀升程等信号打包, 生成以角标根底的数据包, 通过DM做输方式送至R惊统内FIFO中,冉将数据包通过TCP/IP 网络上传至工控机,进行数据转换、分析、显示、保存和回放.基于LabVIEW cRIO限制器的高压共轨柴油EC映件在环仿真系统,在LabVIEWP境可调 用Lab