基于MATLAB的控制系統(tǒng)實時仿真平臺設計

　　DSP控制程序的構(gòu)建

　　利用上文封裝的D/A模塊和MATLAB提供的DSP板A/D驅(qū)動模塊，再加上針對不同對象設計并完成全數(shù)字仿真驗證的控制算法模塊，可進行DSP控制程序模塊的構(gòu)建。

　　其中DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊包括軟件啟動方式、EVAEVB以及外部引腳方式等多種啟動方式，而利用事件管理器(EV)中的通用定時器GP啟動ADC無疑是最直接的，借助通用定時器，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(shù)轉(zhuǎn)換之后，會將結(jié)果存放于DSP處理器的結(jié)果寄存器中^[6]。這就需要由CPU定時讀取結(jié)果寄存器，此間隔時間可在如圖5所示的ADC模塊參數(shù)設置的Sample time一項中予以指定。

　　工控機的自動代碼生成實現(xiàn)

　　xPC目標

　　xPC Target是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于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(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，該目標系統(tǒng)與MATLAB/Simulnk無縫集成，支持大多數(shù)Simulink模塊的實時代碼生成，同樣提供了包括研華在內(nèi)的眾多I/O板卡的驅(qū)動模塊，在該目標環(huán)境下可對目標機運行程序進行在線調(diào)參，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示和記錄，是用于產(chǎn)品原型開發(fā)、測試和配置實時系統(tǒng)的PC機解決途徑^[7]。

　　針對xPC目標的工控機代碼生成

　　本系統(tǒng)中的被控對象仿真機使用研華工控機，并通過ISA總線的、包含有16路A/D通道和2路D/A通道的研華PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡與DSP控制器的A/D和D/A連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　(1)要實現(xiàn)工控機的自動代碼生成，首先應在工控機中啟動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盤的BootfloppyDosloader方式、CDBoot方式和通過網(wǎng)絡連接啟動的NetworkBoot方式等在內(nèi)的多種啟動方式。本系統(tǒng)以U盤為載體、采用Dosloader方式啟動目標環(huán)境，這就要先利用USBoot軟件將U盤制作為DOS啟動盤，再借助xPC目標瀏覽器(xPC Target Explorer)配置目標機相關(guān)參數(shù)(啟動方式、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啟動盤上從而完成xPC Target目標啟動盤的制作。

　　(2)工控機應用程序開發(fā)

　　MATLAB為xPC目標系統(tǒng)提供了包括本系統(tǒng)所使用的研華PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡在內(nèi)的A/D、D/A、D/I、D/O、RS-232、ARINC429等模塊的Simulink驅(qū)動程序模塊。利用提供的A/D與D/A驅(qū)動模塊，結(jié)合被控對象模型即可構(gòu)建如圖6的被控對象仿真機應用程序模塊并進行代碼的生成和下載。同時，還可以通過xPC目標瀏覽器與目標機進行連接，對仿真時的數(shù)據(jù)進行記錄和導出。

　　實驗驗證

　　為了對所構(gòu)建的硬件在回路仿真系統(tǒng)性能進行驗證，本文以直流電機為對象，在利用系統(tǒng)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(zhuǎn)速所對應的實測電壓為輸出)的基礎上，確定其離散PID控制器參數(shù)kp/ki/kd分別為0.5/4/0.01，并在PC機下進行了以幅值為2的階躍信號為輸入的MATLAB全數(shù)字仿真。從如圖7所示的仿真結(jié)果可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間大約為1秒，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，而且當系統(tǒng)在第3秒加入一個幅值為0.1的干擾時，系統(tǒng)在控制器的作用下能夠在0.5秒內(nèi)克服干擾的影響，證實了該控制算法的性能。
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　　為了進一步驗證控制系統(tǒng)性能，將構(gòu)建的對象仿真機和控制器的應用程序借助RTW實現(xiàn)自動代碼生成和下載，并進行期望值為2V時的硬件在回路仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。顯然，與全數(shù)字仿真結(jié)果相比，硬件在回路仿真的輸出仍能較好的跟蹤輸入信號，上升過程較平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時間1.5秒，比全數(shù)字仿真略長，穩(wěn)態(tài)值存在最大幅值2%的輕微波動。總體看來，控制效果較全數(shù)字仿真略有下降，而起因是由于硬件在回路仿真系統(tǒng)中，信號在DSP和工控機之間進行A/D和D/A轉(zhuǎn)換過程的精度和能量損失。

　　結(jié)論

　　本文在解決了S函數(shù)封裝、應用程序模塊構(gòu)建等問題的基礎上，以DSP與工控機為核心、構(gòu)建了能實現(xiàn)任何復雜對象控制器仿真驗證的、基于MATLAB/RTW和自動代碼生成技術(shù)的硬件在回路仿真系統(tǒng)。針對電機對象模型和控制算法的硬件在回路仿真結(jié)果證實了由于A/D、D/A轉(zhuǎn)換的精度損失，相比于全數(shù)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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