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基于MATLAB/Simulink模型的复杂测控系统设计方法


□ 万加富 李 迪

  摘要:提出一种基于MATLAB/Simulink模型、面向硬实时操作系统RTAI-Linux的主从模式测控设计方法。在主机上设计针对RTAI-Linux的目标语言编译器文件和模板联编文件,用C MEX S函数实现从机的数据采集卡驱动函数调用;在从机上配置图形显示工具包及数据采集卡底层驱动,建立基于模型的测控系统设计平台。最后分析了测控系统中关键任务的性能保证措施,并通过步进电机控制实例验证了该方法的有效性。
  关键词:MATLAB/Simulink; 模型; 测控系统; RTAI-Linux; PCI-6014
  中图分类号:TP273.5文献标志码:A
  文章编号:1001-3695(2008)04-1016-04
  
  0引言
  
  传统的测控系统开发过程是顺序的,这种开发过程不能进行跨阶段的重复设计;当检测到错误或测试结果不满足设计要求时,必须重新开始设计和实现。因此,传统的测控系统设计方法至少存在以下几方面问题:首先,在对控制效果还没有把握的情况下,硬件电路已经设计并加工了,这时还不知道所设计的方案能在多大程度上满足要求,或者根本就不能满足要求,但已经产生了较大的硬件投入资本;其次,由于采用手工编程会产生代码不可靠的问题,这样在测试过程中如果出现问题,就很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误,并且手工编程将会耗费大量的时间;最后,即使软件编程不存在问题,如果在测试过程中发现控制方案不理想,需要进行修改,则新一轮工作又将开始,大量的时间又将耗费在软件的修改和调试上。
  由此可见,在测控系统开发的初期,快速地建立控制对象及控制器模型,并对整个测控系统进行多次离线及在线的实验来验证控制系统软硬件方案的可行性,为系统开发方案提供可靠的理论依据,将大大提高系统开发的效率和可靠性。目前,MATLAB/Simulink结合real-time workshop(RTW)、Stateflow、real time Windows target(RTWT)等工具箱,能方便地进行建模与代码的自动生成,为寻求新的测控系统设计方法提供条件[1]。近些年,一些与MathWorks公司建立合作伙伴关系的公司推出了有代表性的快速复杂测控系统设计工具,如德国的dSPACE公司开发dSPACE实时仿真系统、加拿大Opal-RT Technologies公司推出的RT-LAB、Quanser公司开发的QStudioRP等。这些工具在航空航天、汽车、机器人、工业控制等领域应用都非常广泛[2]。
  本文以MATLAB/Simulnik/RTW等工具箱为基础,结合开源的硬实时操作系统RTAI-Linux[3],采用通用的数据采集卡(如NI的数据采集卡)提出了一种新的复杂测控系统设计方法。该方法采用主从机模式。在主机上进行建模和对控制效果的检测;由从机控制被控对象,通过编写相应编译器文件自动生成面向RTAI-Linux的源代码,在从机上编译程序代码生成可执行程序,直接控制被控对象。主机通过RTWT工具箱能实时检测控制效果。整个系统从建模到控制效果反馈到主机形成一个回路,通过修改模型及算法,能很快找到最优测控方案及控制策略,以减少甚至避免传统测控系统设计方法的不足。 ......
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