基于MATLAB的控制系統實(shí)時(shí)仿真平臺設計

　　DSP控制程序的構建

　　利用上文封裝的D/A模塊和MATLAB提供的DSP板A/D驅動(dòng)模塊，再加上針對不同對象設計并完成全數字仿真驗證的控制算法模塊，可進(jìn)行DSP控制程序模塊的構建。

　　其中DSP的AD轉換模塊包括軟件啟動(dòng)方式、EVAEVB以及外部引腳方式等多種啟動(dòng)方式，而利用事件管理器(EV)中的通用定時(shí)器GP啟動(dòng)ADC無(wú)疑是最直接的，借助通用定時(shí)器，利用其下溢、周期匹配和比較匹配等多種模式可產(chǎn)生觸發(fā)ADC信號，只需在MATLAB提供的C281x PWM模塊的ADC Start Event和Waveform period中做出相應設置即可，如圖4所示。需要注意的是，DSP的AD模塊完成輸入信號的模數轉換之后，會(huì )將結果存放于DSP處理器的結果寄存器中^[6]。這就需要由CPU定時(shí)讀取結果寄存器，此間隔時(shí)間可在如圖5所示的ADC模塊參數設置的Sample time一項中予以指定。

　　工控機的自動(dòng)代碼生成實(shí)現

　　xPC目標

　　xPC Target是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個(gè)基于RTW體系框架的附加產(chǎn)品，可將Intel 80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統，該目標系統與MATLAB/Simulnk無(wú)縫集成，支持大多數Simulink模塊的實(shí)時(shí)代碼生成，同樣提供了包括研華在內的眾多I/O板卡的驅動(dòng)模塊，在該目標環(huán)境下可對目標機運行程序進(jìn)行在線(xiàn)調參，實(shí)現數據實(shí)時(shí)顯示和記錄，是用于產(chǎn)品原型開(kāi)發(fā)、測試和配置實(shí)時(shí)系統的PC機解決途徑^[7]。

　　針對xPC目標的工控機代碼生成

　　本系統中的被控對象仿真機使用研華工控機，并通過(guò)ISA總線(xiàn)的、包含有16路A/D通道和2路D/A通道的研華PCL-812PG數據采集卡與DSP控制器的A/D和D/A連接實(shí)現數據傳輸。

　　(1)要實(shí)現工控機的自動(dòng)代碼生成，首先應在工控機中啟動(dòng)xPC Target目標環(huán)境：MALTAB軟件為xPC目標環(huán)境提供了包括需要外加啟動(dòng)盤(pán)的BootfloppyDosloader方式、CDBoot方式和通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接啟動(dòng)的NetworkBoot方式等在內的多種啟動(dòng)方式。本系統以U盤(pán)為載體、采用Dosloader方式啟動(dòng)目標環(huán)境，這就要先利用USBoot軟件將U盤(pán)制作為DOS啟動(dòng)盤(pán)，再借助xPC目標瀏覽器(xPC Target Explorer)配置目標機相關(guān)參數(啟動(dòng)方式、通信模式等)并將目標環(huán)境設置的相關(guān)文件拷貝到做好的DOS啟動(dòng)盤(pán)上從而完成xPC Target目標啟動(dòng)盤(pán)的制作。

　　(2)工控機應用程序開(kāi)發(fā)

　　MATLAB為xPC目標系統提供了包括本系統所使用的研華PCL-812PG數據采集卡在內的A/D、D/A、D/I、D/O、RS-232、ARINC429等模塊的Simulink驅動(dòng)程序模塊。利用提供的A/D與D/A驅動(dòng)模塊，結合被控對象模型即可構建如圖6的被控對象仿真機應用程序模塊并進(jìn)行代碼的生成和下載。同時(shí)，還可以通過(guò)xPC目標瀏覽器與目標機進(jìn)行連接，對仿真時(shí)的數據進(jìn)行記錄和導出。

　　實(shí)驗驗證

　　為了對所構建的硬件在回路仿真系統性能進(jìn)行驗證，本文以直流電機為對象，在利用系統辨識方法建立如式1的速度離散化模型(以電壓為輸入、以測速發(fā)電機轉速所對應的實(shí)測電壓為輸出)的基礎上，確定其離散PID控制器參數kp/ki/kd分別為0.5/4/0.01，并在PC機下進(jìn)行了以幅值為2的階躍信號為輸入的MATLAB全數字仿真。從如圖7所示的仿真結果可以看出，閉環(huán)系統調節時(shí)間大約為1秒，沒(méi)有穩態(tài)誤差，而且當系統在第3秒加入一個(gè)幅值為0.1的干擾時(shí)，系統在控制器的作用下能夠在0.5秒內克服干擾的影響，證實(shí)了該控制算法的性能。
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　　為了進(jìn)一步驗證控制系統性能，將構建的對象仿真機和控制器的應用程序借助RTW實(shí)現自動(dòng)代碼生成和下載，并進(jìn)行期望值為2V時(shí)的硬件在回路仿真，仿真結果如圖8所示。顯然，與全數字仿真結果相比，硬件在回路仿真的輸出仍能較好的跟蹤輸入信號，上升過(guò)程較平穩，調節時(shí)間1.5秒，比全數字仿真略長(cháng)，穩態(tài)值存在最大幅值2%的輕微波動(dòng)?？傮w看來(lái)，控制效果較全數字仿真略有下降，而起因是由于硬件在回路仿真系統中，信號在DSP和工控機之間進(jìn)行A/D和D/A轉換過(guò)程的精度和能量損失。

　　結論

　　本文在解決了S函數封裝、應用程序模塊構建等問(wèn)題的基礎上，以DSP與工控機為核心、構建了能實(shí)現任何復雜對象控制器仿真驗證的、基于MATLAB/RTW和自動(dòng)代碼生成技術(shù)的硬件在回路仿真系統。針對電機對象模型和控制算法的硬件在回路仿真結果證實(shí)了由于A(yíng)/D、D/A轉換的精度損失，相比于全數字仿真該平臺性能有輕微下降，但硬件平臺的性能仍然是可靠有效的。

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