（机械工程专业论文）运动控制半实物仿真技术研究.pdf

国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 摘要 基于w i n d o w s 平台的运动控制系统由于具有开放性好，编程开发容易的特点， 在机电设备控制中得到了广泛的应用。但w i n d o w s 操作系统的实时性不高，无法 满足机电设备高速运动控制的实时性要求，限制了其应用范围。为满足机电设备 运动控制系统研发的需求，需要研发一种低成本的用于运动控制快速开发的半实 物仿真系统，以提高对运动控制系统测试与控制方法的开发水平，本文就是围绕 这个问题展开的。 论文主要的研究工作包括以下几个方面： 1 、研究确定了实时仿真系统的总体方案，并深入研究了影响系统实时性关键 因素，分析了该实时性要求下仿真系统的具体应用范围： 2 、针对实时仿真系统研究的关键问题，深入研究了基于r t w 的半实物仿真 系统的具体实现的过程、步骤及程序编制方法； 3 、实现了基于运动控制器的半实物实时仿真，检验了论文研究方法的实时性 和有效性； 4 、以超精密快刀伺服系统为研究对象，用快速设计方法完整地研究了伺服系 统的控制实时性问题，达到了预期目标，表明了基于半实物仿真的控制器快速设 计方法相比传统的控制器设计方法的优势。 论文研究了基于r t w 的半实物仿真系统，主要是系统地解决了在w i n d o w s 下对外部硬件的操作问题以及控制实时性分析等问题，实现了控制器快速设计， 说明了半实物实时仿真技术在高校实验室可持续建设中具有重要的作用，为今后 开展运动控制系统的研究与开发提供了有效的实现方法。 主题词：运动控制半实物仿真r 1 、vt l c 文件实时视窗目标快速设计 第i 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw i n d o w sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n tc o n t r o l l i n gf o ri t sg o o do p e n i n ga n ds i m p l ep r o g r a m m i n g h o w e r v e r ，t h ed i s a d v a n t a g eo fw i n d o w sp o o rr e a l t i m ep r o p e r t i t i e sc a n n o ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t sh i 曲一s p e e dc o n t r o l ，a n dg r e a t l yl i m i t si t s a p p l i c a t i o n t om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h s p e e dc o n t r o ls y s t e m ，i tn e e d st or e s e a r c h o nal o w - c o s ts e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，a n di m p r o v em o t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m t e s ta n dc o n t r o l l i n gm e t h o d t h ep a p e ri st of o c u so nt h i sb a s e m e n t t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eg e n e r a ls c h e m eo fs e m i p h y s i c a ls y s t e mi sb a s e do nd e e pa n a l y s i so ft h e k e yf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h es y s t e m sr e a l t i m ep r o p e r t y t h ep a p e ra n a l y z e st h e a p p l i c a t i o ns c o p eo f t h es y s t e mu n d e rt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t ； 2 a c c o r d i n gt ot h ek e yp r o b l e m so ft h es y s t e m ，t h ep a p e rg o e sd e e pi n t or e s e a r c h o fi t sr e a l i z a t i o np r o c e d u r e sa n dp r o g r a m m i n gm e t h o d sb a s e d o nr t w ； 3 t h ep a p e rv e r i f i e st h er e s e a r c hp r o p e r t yo fr e a l - t i m ea n dv a l i d i t yb yr e a l i z i n g s e m i - p l a y s i c a ls i m u l a t i o no fm o t i o nc o n t r o l l e r s ； 4 t h ep a p e ru s e su l t r a - p r e c i s i o nf a s tt o o ls e r v os y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t ， s t u d i e so ni t sr e a l t i m ec o n t r o lu t i l i z i n gt h er a p i dd e s i g nm e t h o d ，a n dr e a c h e st h e a n t i c i p a t e ds y s t e mc o n t r o lg o a l t h i si n s t a n c ei n d i c a t e st h es u p e r i o r i t yo ft h ef a s td e s i g n m e t h o dc o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o d ； b yr e s e a r c ho ft h es e m i - p h y s i c a ls y s t e mb a s e d o ni 汀w t h ep a p e rm a i n l yr e s o l v e s t h eo p e r a t i n gt e c h n i q u eo fe x t e r n a lh a r d w a r ea n ds y s t e mr e a l t i m ep r o p e r t ya n a l y s i s t h er a p i dd e s i g nm e t h o ds h o w st h a ts e m i p h y s i c a lt e c h o n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fu n i v e r s i t yl a b s t h er e s e a r c hp r o v i d e sa na v a i l a b l e m e t h o df o rf u t u r er e s e a c ha n dd e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：m o t i o n c o n t r o l ， w o r k s h o p ，t a r g e tl a n g u a g ec o m p i l e r d e s i g n s e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，r e a l t i m e f i l e s ，r e a l t i m ew i n d o w st a r g e t ，r a p i d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1 串口寄存器地址( 8 2 5 0 ) 4 1 表4 2 不同通讯波特率下系统的实时性4 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1机电控制系统的传统设计过程l 图1 2 机电控制系统的快速设计过程1 图1 3d s p a c e 的应用领域3 图1 4i d s “狂风”战斗机4 图1 5r t x 架构5 图1 6 固高科技s i m u l i n k 软件实验平台6 图1 7 课题研究思路8 图2 1机电控制的计算机控制系统原理框图9 图2 2 系统内部与外部接口。1 0 图2 3 半实物实时仿真的方式。1 0 图2 4 实时视窗目标环境1 1 图2 5x p ct a r g e t 环境1 2 图2 6 实时仿真系统方案的总体结构图1 3 图2 7w i n d o w s 与r t w 层次结构图1 5 图2 8t l c 与r t w 的结构关系1 7 图2 9 机电伺服系统组成1 8 图3 1内嵌s 函数结构图2 3 图3 2内嵌s 函数代码生成过程2 5 图3 3m a s ke d i t o r x 寸话框( 一) 2 6 图3 4 m a s ke d i t o r 对话框( 二) 2 7 图3 5a d 模块封装后参数界面2 7 图3 6c t r ll i b 用户库2 8 图3 7 封装模块在s i m u l i n k 库浏览器的显示2 8 图3 8 指定外部接1 3m e x 文件2 9 图3 9 外部接口实现的结构。2 9 图3 10s i m u l a t i o np a r a m e t e r s 对话框3 0 图3 1 lr t w 按钮3 0 图3 1 2s i g n a l & t r i g g e r i n g 界面3 1 图4 1开放式运动控制器实物图。3 3 图4 2 开放式运动控制器的总体结构框图3 4 图4 3 上、下位机系统结构图3 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 4设备驱动s 函数程序结构3 6 图4 5 设备驱动t l c 程序结构3 6 图4 6实现i s a 接口的s i m u l i n k 模型框图3 9 图4 7 在不同频率信号输入下的频谱分析4 0 图4 8实现r s 2 3 2 串口通信的s i m u l i n k 模型框图4 2 图4 9r s 2 3 2 的设备驱动t l c 程序结构4 2 图4 1 0r s 2 3 2 串口实时仿真结果一4 3 图5 1传统控制设计过程4 5 图5 2 快速设计过程4 6 图5 - 3扫频数据采集原理j 4 6 图5 4 半实物实时仿真系统原理4 7 图5 5 非圆车削系统示意图4 7 图5 6 快刀伺服系统控制原理图4 8 图5 7 实验用控制平台4 9 图5 8 扫频试验硬件结构原理框图4 9 图5 9 实时仿真开环控制的s i m u l i n k 模型图4 9 图5 1 0 扫频数据时域图一5 0 图5 1 1 扫频数据转换流程图一5 0 图5 1 2 扫频数据的频域特性分析图一5 1 图5 1 3 系统辨识工具箱界面5 1 图5 1 4 系统辨识效果图一5 2 图5 15 开环阶跃响应图5 2 图5 1 6 系统开环波特图5 2 图5 1 7 系统未校正的闭环离线仿真s i m u l i n k 框图5 3 图5 1 8 未校正系统闭环的阶跃响应图一5 3 图5 1 9 未校正系统闭环波特图。5 3 图5 2 0 串联校正的基本结构框图5 3 图5 2 1s i s ot o o l s 工具箱界面5 4 图5 2 2 校正系统闭环的阶跃响应图。5 4 图5 2 3 校正系统开环波特图5 4 图5 2 4 控制器s i m u l i n k 离线仿真模型图5 5 图5 2 5 控制器离线控制效果5 5 图5 2 6 控制器的实时仿真框图5 5 图5 2 7 串联控制器闭环实验结果5 6 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 2 8 串联控制器离散化模型5 6 图5 2 9 控制器离散化的控制效果。5 6 第v i i 页 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我本人在导梦币指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书丙使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目 学位论文作者 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并囱国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阋和借阕；可l ；( 将学位论文的全都或部分内容编入有关数据 库避行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 选题背景及意义 本课题的名称是运动控制半实物仿真技术研究，来源于“装甲装备预研项目 蕊平台技术研究。 在现代机电控制领域，系统开发的实时性和快速性是一个相当重要的内容， 尤其是在航空航天、机器人控制、光电跟踪平台等系统中，如果不能很好地满足 系统的实时性要求，就失去了研究的基础和意义。 传统的机电控制系统开发过程( 如图1 1 ) 需涉及到算法设计、软件开发、硬件 实现和测试等不同的工作，不能进行跨越阶段的重复设计，发现问题的时间越晚 则需付出越多的代价，这样就不能满足市场对机电控制系统的快速性设计要求。 图1 1 机电控制系统的传统设计过程 当前专用的实时操作系统很多，但存在应用面窄、价格高昂等缺点，增加了 开发难度和成本。论文的目标是针对机电控制系统传统开发的局限性和专用实时 软件的缺点，研究一种面向机电控制系统的快速开发方法( 如图1 2 ) ，为运动控制 的实现提供一个一体化的快速解决途径。 制 出 完成 设i , t 饺验和测试 图1 2 机电控制系统的快速设计过程 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 机电控制系统的快速设计过程是螺旋式的，设计思想贯穿了整个设计过程， 减少了设计过程返回上一阶段的可能性，即使是需要返回上一阶段，由于整个设 计过程使用相同的模型和工具，可以很容易地返回上一阶段甚至是上几个阶段。 快速设计方法便于系统调试和性能测试，减少重复性劳动，缩短开发周期并节省 人力和时间。因此研究运动控制半实物仿真技术对机电控制系统的实时性和快速 性应用具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 半实物实时仿真作为仿真中置信度最高的仿真方法，是指在实验系统的仿真 回路中接入部分实物的实时仿真，这意味着可以把部分实物放在系统中进行考察， 使仿真条件更接近实际情况，在实验室中即可对控制系统性能进行检验，缩短从 仿真试验到实际运用的研发周期，降低开发费用1 1 。通常这类仿真系统都建立在专 业的实时操作系统上并有专门的软硬件相匹配，仿真精度高、实时性好，但价格 昂贵。 1 2 1 国外研究现状 半实物仿真技术是在第二次世界大战以后，伴随着自动化武器系统的研制与 计算机技术的发展而迅速发展起来的。特别是由于导弹武器系统的实物试验代价 昂贵，而半实物仿真技术能为导弹武器的研制试验提供最优的手段，实现在不做 任何实物飞行的条件下对导弹全系统进行综合测试【lj 。美国、西欧、日本和苏联等 主要武器生产国非常重视该技术的研究和应用，早在2 0 世纪4 0 年代就开始了控 制系统的半实物仿真技术研究，在6 0 - - - 7 0 年代不惜重金建立起一大批半实物仿真 实验室，到目前美国研制航天飞机，始终盛行不衰。美国人非常重视这方面的研 究和应用，把模拟和仿真技术看作是降低导弹防御和战术导弹武器系统生命周期 费用的切实可行的手段，并且在制导武器系统的开发方面应用模拟和仿真技术已 经有很长的历史。将m a t l a b 、s i m u l i n k 与r t w 紧密结合的方法，如波音公司 开发的无人驾驶飞船x 4 0 a 是9 0 可重用的实验太空运载工具，其设计的关键是 定向、导航和控制系统的设计。美国军队的u h 6 0 黑鹰直升机采用了x 4 0 a 系统 并在海拔9 0 0 0 英尺对该系统进行了测试。测试中该系统控制飞机完成了精确、完 美的登陆【2 】。在美国，不仅导弹武器系统的承制公司如波音公司、雷锡恩公司、得 州仪器公司、洛克希德公司等建设并发展了自己完整、复杂和先进的半实物仿真 系统，而且各军兵种也都投入了大量奖金来建设导弹系统的仿真实验室，如著名 的美国陆军导弹司令部在红石基地的高级仿真实验室。根据美国对“爱国者”、 “罗兰特”、“针刺”三种型号导弹的统计，采用仿真技术后，实验周期可缩短 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3 0 4 0 ，节约实弹数4 36 。 半实物实时仿真技术广泛应用于大型高精度、高稳定度的控制系统，如机器 人行走过程中的控制、光电陀螺目标跟踪系统、火箭发射中的方向控制和卫星飞 行中的姿态控制等。它们包含很多的子系统，其设计开发过程相当复杂，若分为 多个阶段，则各个项目组之间缺乏统一的了解，容易出现衔接问题，所以开发集 建模、仿真一体化的平台可以减少开发的周期和成本。 当今市场出现了很多优秀的实时仿真系统产品。它们具有实时性支持好、可 靠性高、开发方便等特点。使用这些实时仿真系统产品，可以方便地进行实时仿 真设计和实验。但是针对具体的问题又受到不同方面的限制。 在国外主要的半实物实时仿真平台有以下几种： 1 、d s p a c e 实时仿真系统 德国在半实物仿真技术的研究上有较高的发展和血用水平，d s p a c e 实时仿真 系统是由d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b s i m l i r i l ( 的控制系统在实时环境 f 开发及测试的工作平台，实现了和m a t l a b s i m u l i n k ，r t w 的完全无缝连接。 d s p a c e 实时仿真系统实时性强，可靠性高，具有高速计算能力的硬件系统和方便 易用的实时代码自动生成下载和试验调试的整套工具，已经成为进行快速控制原 型实验验证和半实物仿真的酋选实时平台p 】。日前，己广泛用于航空航天、机器人 等研究领域( 图13 ) 。 - 。丐 目i3d s p a c e 的应用领域 d s p a c e 系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真还包括实时快速 控制原型、已验证的设计向产品型控制器的转换和硬件在同路测试。d s p a c e 为实 现实时仿真提供了一个软件组合平台。用户w 通过r t i 或r t i m p 完成实时系统 模型的建立及实时代码的生成。r t i 用实时内核来管理任务、处理中断以及有效安 排一个应用程序任务的进程，实时内核提供了基于优先级的预先清空的进程安排 程序，支持单速率规划( r a t e m o n o t o n i cs c h e d u l i n g ，r m s ) 策略。任务是否抢占内存 取决于任务的优先级，低优先级的任务会被高优先级的任务抢占；中断处理及进 程安排会导致一个较少的额外开销时间。d s p a c e 系统也是通过r t w 完成模型的 第3 碰 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 实时代码生成和下载，只是它提供了功能更强大和完善的数据采集及在线调参软 件平台c o n t r o l d e s k 和与m a t l a b 之问进行实时数据交换的软件组件 m l i b m t r a c e 。 主要缺点是价格昂贵，一般应用的研发项目负担如此昂贵的设备有点困难 而且d s p a c e 也是依赖于m a t l a b 运行的。 2 、t 0 1 3 1 a d o 平台 t o r n a d o 是美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司( w r s 公司) 推出的一套实时操作系统 开发环境，类似m i c r o s o f t v i s u a l c ，但是提供了更丰富的调试、仿真环境和_ r = 具， 它代表了嵌入式实时应用中最新一代的开发和执行珂境。 t o r n a d o 的独特之处在于所有开发工具能够使用在应用开发的任意阶段以及 任何档次的硬件资源上，而且，完整的t o r n a d o 工具可以使开发人员完全不用考虑 与目标连接的策略或目标存储区大小。 t o r n a d o 必须具体_ j 个完整部分：t o r n a d o 系列工具，一套位于主机或目标机 上强大的交互式开发工具和使用程序；v x w o r k s 系统，目标板上高性能可打展的 实时操作系统：可选用的连接主机和目标机的通讯软件包。其实时性由v x w o r k s 来保证，v x w o r k s 具备一个高效的微内核，微内核支持实时系统的多任务、中断， 任务抢占式调用和循环调度等特征；微内核的设计使v x w o r k s 绵减了系统开销并 加速了对外部事件的反应，内核的运行非常快速和确定，例立u ，在6 8 k 处理器上 上下文切换仅需要3 8 微秒，t 1 1 断等持时间少于3 微秒nv x w o r k s 的可伸缩件使 开发人员按照应用需求分目e 所需的资源，而不是为操作系统分配资源。这些都足 保证实时性必须具备的。 t o r n a d o 平台最大的研究成果是用于i d s “狂风”战斗机f 如图l4 所示瑚操作 平台是在1 9 6 9 年3 月由英国、德国和意大利三国联合成立的帕那维亚飞机公司 设计井开始研制的。 礴骤孵孵翻f 8 鬻释孵讳”m 、 爹髫 圈l4i d s “狂风”战斗机 “狂风”战斗机是为适应北约组织对付突发事件的“灵活反应”战略思想而 研制的，主要防空型( a d v ) 、对地攻击型( i d s ) 、电子侦察型( e c r ) 二种型号。“狂 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 风”战斗机为串列双座，两侧“狂风”机翼为可变后掠悬臂式上单翼，机上有先 进的地形自动跟踪系统，可保证飞机在低空以跨音速突防。 主要缺点是必须依赖于v x w o r k s 系统，该系统的目标代理遵循w b d ( w i n d d e b u g ) 协议才能允许目标机与主机上的t o r n a d o 开发工具相连，与其它系统的通 用性很差。 3 、r t x 产品 r t x 产品是美国a r d e n c e 公司在w i n d o w s 平台上提供的一个实时子系统。r t x 实现了确定性的实时线程调度、实时环境和与原始w i n d o w s 环境之间的进程间通 讯机制以及其它只在特定的实时操作系统中才有的对w i n d o w s 系统的扩展特性。 r t x 被实现为一套库的集合( 动态库与静态库) ，r t s s ( r e a l t i m es u b s y s t e m ) 作为w i n d o w s 的内核设备驱动与h a l 扩展，是w i n d o w s 操作系统内核体系的延 拓，修改并扩展了整个硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) ，实现独立的 内核驱动模式，形成与w i n d o w s 操作系统并列的实时子系统，如图1 5 所示【5 】。 图1 5r t x 架构 r 1 x 实现实时性支持的主要策略有：高精度的时钟和计时，时钟分辨率在 r t s s 环境下可以无偏差地精确到0 0 0 1 n s ；提供了2 5 6 个线程优先级：利用一个 高信息吞吐量和同步的i p c 机制；提供了r t t c p f l p 栈及相应r t a p i ，是实时通 信的重要支持；r t s s 与w i n d o w s 是完全隔离的实时环境，r t s s 环境下运行实时 进程时r t s s 使用自己的中断管理模式，独立的r t s s 线程优先于所有的 w i n d o w s 中断、d p c 以及线程的调度，可以随时抢占w i n d o w s 并优先占用 c p u ( w i n d o w s 内核中断处理时除外) 【5 j 。实时进程运行时，屏蔽一切w i n d o w s 中 断和错误报告。r t x 用较少的代价实现了较好的实时性。 最大的缺点是没有管理员级特权的运算不能运行实时程序，如果强制运行的 话，就会报错：“服务控制管理器访问失败”。这个缺点限制了r t x 在工业领域 第5 页 国防科学技术人学研究f 院硕士学位论文 122 国内研究现状 与美国、西欧、日本相比，我国在航空航天领域的半实物仿真技术的研究和 应用方面起步较晚，不过从1 9 5 8 年第一台三轴转台问世至今，也有4 0 多年的历 史了，在长期的实践中也积累了丰富的经验。 2 0 世纪8 0 年代我国建设了一批高水平、大规模的半实物仿真系统，如射频制 导导弹仿真系统、红外制导导弹仿真系统、歼击机工程飞行模拟器、歼击机仿真 系统、驱逐舰半仿真系统等，这些半实物仿真系统在我国的飞机、导弹、运载火 箭、舰船及武器型号研制中发挥了重大作用。9 0 年代，我国开始对分布式交互仿 真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大复杂系统仿真，由 单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真可以预期 半实物仿真技术在我国将获得更大发展，为武器系统研制提供更先进、更完善的 技术基础。 目前国内对m a t l a b 用于实现半实物仿真、系统半实物性能测试等方面的研 究及利用组件或者编程来实现对实时仿真的支持的技术研究也取得了很大的成 果：形成产品商业化的主耍有固高s i m u l i n k 通用软件实验平台。 | |一 一二蔓二2 j r - 一 ：剖到 l 一一。一i = - - - - - _ - _ - _ - _ 一ul ：= i l ，d j 二 j 1 ；一 图16 固高科技s i m u l i n k 软件实验甲台 1 9 9 9 年固高科技( 深j t l ) 有限公司在深圳成立，是国内第一家专业开发、生产开 放式运动控制器产品的公司，固高s i m u l i n k 通用软件实验平台采用了 m a t l a b s i m u l i n k 的实时工具箱r t w ( r e a l - t i m ew o r k s h o p ) 实现控制任务，专用 的实时内核代替w i n d o w s 操作系统接管了实时控制任务，内核任务执行的虽小周 期是l m s ，大大地提高了系统的实时性，可以满足l m s 以上实时控制的要求。软 件平台主要特点是： 系统建模、仿真、实时控制一体化界面： 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 具有良好的s i m u l i n k 控制界面，积木式搭建控制算法： 专用的r t w 实时内核解决了w i n d o w s 下控制程序的高实时性要求； 可以实时地在线修改或者调整参数，参数修改的效果立即可视：使用示被 器模块可以方便地对模型中各路信号在线进行观察和记录吼 该软件平台是面对控制教学实验和先进算法研究的，主要缺点是任务执行的 最小周期是l m s ，无法满足实时性高于此要求的控制系统的应用需求，且对于一般 的机电控制系统的研究则需要购买软件而增加了成本。 重庆大学的半实物实时仿真技术研究在国内处于领先，文献【8 提到该大学的 电工电子实验教学中心利用r t w 的x p ct a r g e t 方式在w i n d o w s 下构建倒立摆的 实时仿真系统来提高实时性，且己取得很好的效果，文献 9 提出材料学院使用 r e a l t i m ew i n d o wt a r g e t 实现蠕变试验系统的实时仿真：国防科技大学黄柯棣、 粱加红、姚新字呻”j 20 1 有基于m a t l a b r t w 的实时仿真的研究，参考文献【2 ，1 4 和 1 5 】中提到的王奇霞、乔海泉的主要研究成果是基于r t l i n u x 实时系统的，通过 编写cm e xs - 函数来实现实时仿真和利用编辑s 一函数以添加实时代码增加对实时 仿真的支持，参考文献1 1 1 中吴冰研究了基于实时视窗目标的实时仿真系统设计 文献f 5 1 是通过r t x 的实时仿真予系统实现实时仿真，大人提高实时系统的性能和 丁作效率。总之国内对这方面的技术研究还是多种多样的，且大部分都已应用于 实际控制领域。 以上对半实物实时仿真技术的现状和实时仿真软件发展的研究，体现了现代 控制领域里运动控制技术的重要性，因此，我们有必要对运动控制的半实物实时 仿真进行研究。 1 3 论文主要内容及章节安排 论文的基本研究思路及方法如图17 所示。 罔i7 课题研究思路 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 论文的研究是利用现有的p c 机资源和w i n d o w s 操作系统，将运动控制的各 个工作过程集成和一体化，即从半实物仿真系统的概念设计到数学分析和仿真， 从实时仿真实验的实现到实验结果的监控和调节都集成到一套平台中来完成， 论文研究的是在w i n d o w s 平台上建立运动控制的半实物实时仿真系统，提出 解决机电控制系统快速设计的方法，并努力提高仿真的实时性和通用性。主要研 究问题包括： 1 、设计满足控制实时性要求的半实物仿真系统总体方案； 2 、编写设备驱动程序实现实时仿真的快速原型化代码，生成并下载实时应用 程序到运动控制器，实现半实物仿真，验证研究方法的实时性； 3 、提出面向机电控制系统的半实物仿真的快速设计方法，通过具体的实例说 明快速设计方法的实时性和优越性。 这三个问题分别是论文研究的总体设计、具体实现和方法验证，主要是为工 程实现提供具体的快速解决方法，根据对主要研究问题的深入阐述，论文章节安 排和重点内容如下： 第二章是系统方案设计和实时性分析。为满足和提高机电系统控制的实时性， 提出半实物仿真平台的总体设计方案，研究影响系统实时性的关键因素，确定满 足要求的机电系统的具体应用范围： 第三章是机电控制系统半实物仿真的具体实现方法。主要研究半实物仿真的 快速原型代码，编写用户自己的硬件设备驱动程序，实现硬件的操作和实时通信； 第四章是实现基于运动控制器的半实物实时仿真。主要研究开放式i s a 运动 控制器和r s 一2 3 2 串口通信的半实物实时仿真，为第二章的方案实时性分析和第三 章的半实物仿真实现方法提供有力的支持； 第五章是讲述机电控制系统快速开发方法的实时性和优越性。以超精密快刀 伺服系统为控制对象，运用快速设计方法达到系统预期目标，证明基于半实物仿 真的控制器快速设计方法相比传统设计方法的优势。 第六章是全文的总结与展望。总结了全文的工作，提出了有待更深入研究的 问题以及本文研究工作的发展前景。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章半实物仿真系统方案设计与分析 总体方案使设计者从全局把握问题，从较为抽象的层次上分析对比系统的多 种实现方案及结构，本章主要对论文所要研究的问题进行总体的方案设计，为满 足运动控制所需的实时性要求，本章将研究影响半实物仿真系统实时性的三个主 要因素：系统平台、软件接口和优化代码。 2 1 半实物仿真系统实现原理 半实物仿真是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真，实 时性是进行半实物仿真的必要前提【l6 1 。根据实时性需求不同，实时系统可分为硬 实时和软实时系统。硬实时是指系统的实时性要求如果不能满足，则会引起严重 后果。软实时系统意味着如果系统不能满足实时要求，只会降低系统性能，增大 代价，而不会引发严重后梨1 7 j 。 计算机控制系统( 如图2 1 ) 是在机电系统中引入计算机，运用计算机强大的计 算、逻辑判断、记忆编程等功能，设计出符合各种具体控制规律的程序模型，实 现机电控制系统的半实物仿真【l 引。 1 r ( k )a - - a p ( 砬 “( 七)- lu h ( 9 c i ，rvy 数字运算器 d ，a 。 机电被控对象 i ji 一 计算机 l i i i a d l 一 测量元件 _ 一 i 运动控制器 图2 1机电控制的计算机控制系统原理框图 在一般的机电控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路产生的，改变控制 规律就要改变硬件电路，而在计算机控制系统中，改变控制规律则只要改变程序 就可以了，尤其是在引入m a t l a b 强大的运算、仿真等能力后，通过改变m a t l a b 的s i m u l i n k 控制模型就可以改变控制规律了，将控制规律简单化了。 机电控制系统的接口是保证系统各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量 和信息的传递与交换必备的联系条件。如图2 2 【l9 】所示，机电控制系统通过输入 输出接口与外界相连，通过内部接口将系统构成要素联系为一体。因此，系统的 性能很大程度上取决于接口的性能。从某种意义上说，机电控制系统设计归根结 底就是“接口设计，1 2 0 。接口与输a 输出通道是机电控制的计算机实时仿真与被 控对象进行信息交换的桥梁。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 自然 人 系统 机电系统 输 一 输出 入 接 接口 口 自然 人 系统 图2 2 系统内部与外部接口 在机电一体化的计算机控制系统中，数字与模拟信号的各种转换由运动控制 器来实现，如a d 、d a 、计数器、d d 输入、d d 输出等功能。 从本质上说，计算机控制系统的实时仿真控制过程可归结为三个步骤： 1 、实时数据采集对被控参数的瞬时值进行检测，并输入； 2 、实时决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控 制规律决策进一步的控制过程； 3 、实时控制根据决策，实时地控制发出的控制信号【2 0 2 1 l 。 以上过程不断重复使整个系统按照一定的动态品质指标工作，且对被控参数 和设备出现的异常状态及时监督并迅速做出处理。对计算机来说，实时仿真控制 过程的三个步骤实际上就是执行算术、逻辑操作和输入输出的操作【2 1 1 。 2 2 系统总体方案设计 系统进行方案设计首先要确定系统的实时仿真方式，具体方案的设计都是在 此基础上展开的，以下主要针对仿真方式和具体方案进行研究。 2 2 1 实时仿真方式的比较分析 实现运动控制的半实物实时仿真有两种方式( 如图2 3 所示) 。 w i n d o w s 操作系统外 部 动态链接文件 硬 件 基于w i n d o w s 的设备 设 驱动程序 备 w i n d o w s 操作系统 m a t l a b r t w 内核 基于m a t l a b r t w 实 时内核的设备驱动程序 外 部 硬 件 设 备 w i n d o w s 方式m a t l a b 实时内核方式 图2 3 半实物实时仿真的方式 w i n d o w s 方式是在w i n d o w s 环境中调用硬件系统关于接口的动态链接文件， 使硬件设备能够和w i n d o w s 操作系统进行数据交换；m a t l a b 实时内核方式是利 用m a t l a b 的实时工具箱r t w 进行半实物仿真，通过目标链接的方式和s i m u l i n k 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 联系在一起，用单独的实时内核方式驱动外部硬件设备【22 1 ，完成系统实时控制。 2 2 1 1w i n d o w s 仿真方式分析 w i n d o w s 方式下外部设备调用的是制造商提供的基于w i n d o w s 的驱动程序， 由于w i n d o w 的系统定时精度不好，执行频率不够高，它既不能保证实时程序的 进程在必要的时候比其他程序抢先【8 】，也不能保证实时程序在实时情况下运行，即 其表现的实时性要求是非常低的，一般情况下只能保证1 0 m s 及以上伺服周期的实 时请求，在这样的平台上研究，当实验效果不理想时，难以说明具体原因到底是 由于算法结构不当，参数不合理或者系统实时性低。 2 2 1 2m a t l a b 仿真方式分析 m a t l a b 方式通过r t w 内核添加了“硬”实时到w i n d o w s 操作系统，专用 的实时内核代替w i n d o w s 接管了实时控制任务。该方式分为单机型的r e a l t i m e w i n d o w st a r g e t 和双机型的x p ct a r g e t ，通过创建一个可执行程序与s i m u l i n k 实 现数据交互。 1 、r e a l - t i m ew i n d o w st a r g e t 方式 r e a l t i m ew i n d o w st a r g e t ( 实时视窗目标) 是基于r t w 体系框架的附加产品， 是一种用于产品的快速原型开发、半实物仿真以及信号处理算法研究的p c 机解决 方案【2 3 1 ，允许在p c 系统上实时运行s i m u l i n k 以及s t a t e f l o w 模型。其主要特点有： 可以用于2 5 0 多种实时数据i o 板，包括i s a 、p c i 和p c m c i a 卡，可在 台式机或笔记本上实时运行模型； 采样频率高达1 0 k 至1 0 0 k ； 提供高速的小延迟点对点数据处理，符合控制系统设计要求1 2 引。 图2 4 实时视窗目标环境 实时视窗目标是用微内核而不是用d o s 或w i n d o w s 启动，而是w i n d o w s 下 高度优化的