半實物仿真技術發(fā)展綜述概要

半實物仿真技術發(fā)展綜述1、半實物仿真技術1.1半實物仿真系統(tǒng)定義半實物仿真，又稱為硬件在回路中的仿真(HardwareintheLoopSimulation)，是指在仿真實驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實物的實時仿真。實時性是進行半實物仿真的必要前提。半實物仿真同其它類型的仿真方法相比具有經濟地實現更高真實度的可能性。從系統(tǒng)的觀點來看，半實物仿真允許在系統(tǒng)中接入部分實物，意味著可以把部分實物放在系統(tǒng)中進行考察，從而使部件能在滿足系統(tǒng)整體性能指標的環(huán)境中得到檢驗，因此半實物仿真是提高系統(tǒng)設計的可靠性和研制質量的必要手段。1.2半實物仿真的先進性及其特點半實物仿真技術自20世紀60年代問世直到目前美國研制航天飛機，始終盛行不衰。美國大多數國防項目承包商都有一個或多個半實物仿真實驗室，這些實驗室代表了當前世界先進水平。其先進性體現在：(1)有高速高精度的仿真機；(2)有先進完備的環(huán)境模擬設備。國內半實物仿真技術在導彈制導、火箭控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等應用研究方面也達到了較高水平。半實物仿真的特點是：(3)在回路中接入實物，必須實時運行，即仿真模型的時間標尺和自然時間標尺相同。(4)需要解決控制器與仿真計算機之間的接口問題。(5)半實物仿真的實驗結果比數學仿真更接近實際1.3半實物仿真系統(tǒng)的基本組成與原理半實物仿真系統(tǒng)屬于實時仿真系統(tǒng)。它是一種硬件在環(huán)實時技術，把實物利用計算機接口嵌入到軟件環(huán)境中去，并要求系統(tǒng)的軟件和硬件都要實時運行，從而模擬整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如圖2所示。實時系統(tǒng)由以下幾部分組成。(1)仿真計算機仿真計算機是實時仿真系統(tǒng)的核心部分，它運行實體對象和仿真環(huán)境的數學模型和程序。一般來說，采用層次化、模塊化的建模法，將模塊化程序劃分為不同的速率塊，在仿真計算機中按速率塊實時調度運行。對于復雜的大型仿真系統(tǒng)，可用多臺計算機聯(lián)網實時運行。(2)物理效應設備物理效應設備的作用是模擬復現真實世界的物理環(huán)境，形成仿真環(huán)境或稱為虛擬環(huán)境。物理效應設備實現的技術途徑多種多樣，方案之一是采用伺服控制回路，通過伺服控制回路控制形成相應的物理量，方案之二是在已儲存好的數據庫中搜索相應的數據，轉化為相應的物理量。(3)接口設備仿真計算機輸出的驅動信號經接口變換后驅動相應的物理效應設備。接口設備同時將操作人員或實物系統(tǒng)的控制輸入信號饋入仿真計算機。半實物仿真系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。在仿真計算機中通過對動力學系統(tǒng)和環(huán)境的數學模型解算，獲得系統(tǒng)和環(huán)境的各種參數。對半實物仿真系統(tǒng)，這些參數通過物理效應設備生成傳感器所需要的測量環(huán)境，從而構成完整的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。物理效應設備是實現仿真系統(tǒng)所需要的中間環(huán)節(jié)，它的動態(tài)特性、靜態(tài)特性和時間延遲都將對仿真系統(tǒng)的置信度和精度產生影響，應該有嚴格的相應技術指標要求。圖1半實物仿真系統(tǒng)原理框圖半實物仿真系統(tǒng)是虛、實結合的系統(tǒng)，它具有以下特點：(1)建立仿真模型。任何仿真模型的實現，都必須建立被仿真對象實體的數學模型。除建立被仿真實體的數學模型，還應建立環(huán)境模型，例如飛行仿真系統(tǒng)中大氣環(huán)境（氣壓、氣溫、陣風、擾動氣流等）模型、地理環(huán)境（地形、地貌）模型等。(2)實物的接入與仿真環(huán)境的生成。實時仿真系統(tǒng)一般都接入實物系統(tǒng)，例如將發(fā)動機仿真系統(tǒng)進行含實物仿真試驗。各種物理效應設備將模擬生成實物系統(tǒng)所需要的物理環(huán)境，通過物理效應設備和接口使仿真計算機和接入的實物系統(tǒng)構成一個完整的含實物仿真系統(tǒng)。(3)系統(tǒng)仿真試驗。系統(tǒng)仿真試驗具有良好的可控性、無破壞性，可多次重復，經濟、安全、不受氣象條件和場地環(huán)境的限制。(4)系統(tǒng)仿真的應用。系統(tǒng)仿真技術可廣泛應用于國防、能源、水利、工業(yè)等工程領域和非工程領域，也可廣泛應用于產品研制的方案論證、設計分析、生產制造、試驗評估、人員訓練的全過程。(5)系統(tǒng)仿真的實時性。仿真計算機從“并行”計算的模擬計算機發(fā)展到“串行”計算的數字計算機，其中突出的技術關鍵是如何保證仿真系統(tǒng)的運行實時性。實時性體現在循環(huán)迭代計算的幀周期上，應根據仿真系統(tǒng)內的信息變化速率快慢選定幀周期。聯(lián)網仿真的網絡延遲和物理效應設備的時間延遲都將影響仿真系統(tǒng)的實時性。1.4半實物仿真工作流程用戶在進行半實物仿真時，一般要經歷以下“瀑布式”流程，如圖2所示，對實際系統(tǒng)建模，進行純數學仿真（即數學仿真模型），對模型進行修改，設計定型，將模型中部分數學化的模型用實物代替作實物實時仿真，再修改模型進行仿真，最后確定模型。完成了數學模型的建立和仿真驗證后，用戶可以建立半實物實時仿真系統(tǒng)。在Matlab/Simulink系統(tǒng)平臺上建立半實物實時仿真系統(tǒng)十分簡便，即將原來的用數學方法表達的輸入、輸出信號模型用實際的I/O板替換，然后對硬件目標進行描述，生成實時代碼，將實時代碼下載到本地仿真平臺上，最后運行模型、進行仿真數據監(jiān)視并可以在線修改仿真模型的數學部分。圖2半實物仿真流程2、主要半實物仿真系統(tǒng)2.1dSPACE半實物仿真平臺在半實物仿真系統(tǒng)中，由于實物的引入，需要模擬這些部件的真實工作環(huán)境和激勵信號，還需要以一些專用的物理仿真模型加以實現。半實物仿真作為替代真實環(huán)境或設備的一種典型方法,既提高了仿真的逼真性，又解決了以前存在于系統(tǒng)中的許多復雜建模難題，因此半實物仿真成了主要的發(fā)展方向。另外，在開發(fā)的初期階段，需要快速地建立控制對象原型及控制器模型，并對整個控制系統(tǒng)進行多次離線的及在線的試驗來驗證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個過程稱之為快速控制（RCP）。dSPACE實時仿真系統(tǒng)為半實物仿真和RCP的應用提供了一個協(xié)調統(tǒng)一的一體化解決途徑。dSPACE是基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink的無縫連接。dSPACE實時系統(tǒng)擁有高速計算能力的硬件系統(tǒng)，還擁有方便易用的實現代碼生成/下載和試驗/調試的軟件環(huán)境。2.1.1dSPACE簡介dSPACE實時仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)在實時環(huán)境下的開發(fā)及測試工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink的無縫連接。dSPACE實時系統(tǒng)由兩大部分組成，一是硬件系統(tǒng)，二是軟件環(huán)境。其中硬件系統(tǒng)的主要特點是具有高速計算能力，包括處理器和I/O接口等；軟件環(huán)境可以方便地實現代碼生成/下載和試驗調試等工作。dSPACE具有強大的功能，可以很好地完成控制算法的設計、測試和實現，并為這一套并行工程提供了一個良好的環(huán)境。dSPACE的開發(fā)思路是將系統(tǒng)或產品開發(fā)諸功能與過程的集成和一體化，即從一個產品的概念設計到數學分析和仿真，從實時仿真實驗到實驗結果的監(jiān)控和調節(jié)都可以集成到一套平臺中來完成。dSPACE的軟件環(huán)境主要由兩大部分組成，一部分是實時代碼的生成和下載軟件RTI（Real-TimeInterface），它是連接dSPACE實時系統(tǒng)與MATLAB/Simulink紐帶，通過對RTW（Real-TimeWorkshop）進行擴展，可以實現從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼的自動下載。另一部分為測試軟件，其中包含了綜合實驗與測試環(huán)境（軟件）ControlDesk、自動試驗及參數調整軟件MLIB/MTRACE、PC與實時處理器通信軟件CLIB以及實時動畫軟件RealMotion等。dSPACE實時仿真系統(tǒng)的結構如圖3所示。圖3dSPACE半實物仿真系統(tǒng)框圖dSPACE實時仿真系統(tǒng)具有許多其它仿真系統(tǒng)具有的無法比擬的優(yōu)點：組合性強。使用標準組件系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)進行多種組合。過渡性好，易于掌握使用。與MATLAB/Simulink無縫連接，方便地從非實時分析設計過渡到實時分析設計。快速性好。用戶可以在幾分鐘內完成模型/參數的修改、代碼的生成及下載等工作，大大節(jié)省了時間和費用。實時性好。一旦代碼下載到實時系統(tǒng)，將獨立運行，不會產生對試驗過程的中斷?？煽啃愿?。dSPACE系統(tǒng)軟硬件均為精心設計、制造和調試的，無兼容性問題，可以信賴。靈活性強。允許用戶在單板/多板系統(tǒng)、單處理器/多處理器系統(tǒng)、自動生成代碼/手工編制代碼進行選擇，適應各方面的應用需求?；赑C機、WINDOWS操作系統(tǒng)，其代碼生成及下載軟件、試驗工具軟件都基于WINDOWS操作系統(tǒng)，硬件接口采用標準總線，方便掌握使用。2.1.2dSPACE軟件環(huán)境介紹2.1.2.1代碼的生成及下載軟件描述控制系統(tǒng)的C代碼可以由Simulink方框圖自動生成并下載到實時系統(tǒng)硬件中，這項工作主要由MATLAB/RTW與dSPACE系統(tǒng)中的RTI來完成。RTI的使用方法就是用圖形方式從dSPACE的RTI庫中選定相應的I/O模型，將其拖放到用Simulink搭建的系統(tǒng)模型方框圖中，并指定I/O參數以完成對它的選定，選定后，只要用鼠標點擊一下對話框中的Build命令，RTI就會自動編譯、下載并啟動實時模型。另外，RTI還根據信號和參數產生一個變量文件，可以用dSPACE的試驗工具軟件如ControlDesk來進行變量的訪問。當仿真系統(tǒng)比較復雜時，就需要RTI-MP的幫助以完成多處理器系統(tǒng)的設計并建立多處理器網絡結構。2.1.2.2測試軟件dSPACE提供的測試軟件主要有：ControlDesk綜合實驗環(huán)境、MLIB/MTRACE實現自動試驗及參數調整軟件。（1）ControlDeskControlDesk是dSPACE公司開發(fā)的新一代綜合試驗和測試軟件工具，提供對試驗過程的綜合管理，它可實現的功能包括：對實時硬件的可視化管理用戶虛擬儀表的建立變量的可視化管理參數的可視化管理試驗過程的自動化（2）MLIB/MTRACE利用MLIB和MTRACE，可以大大增強dSPACE實時系統(tǒng)的自動試驗能力。使用這兩個庫可以在不中斷試驗的情況下從MATLAB直接訪問dSPACE板上運行的應用程序中的變量。甚至無需知道變量的地址，有變量名就足夠了。這樣就可以利用MATLAB的數字計算及圖形能力進行順序自動測試、數據記錄和控制參數的優(yōu)化。MLIB和MTRACE聯(lián)合使用可組成一個完美的整體。有MATLAB強大的計算能力做支持，可以自動執(zhí)行所能想到的任何試驗。比如控制器的優(yōu)化：用MTRACE記錄數據，然后將數據傳送給MATLAB，MATLAB自動計算出新的控制器參數，并通過MLIB送回處理器板或控制板。總之，dSPACE是進行基于Simulink模型半實物仿真和實時控制的首選工具，利用以上軟件工具可以完成從系統(tǒng)建模、分析、離線仿真到實時仿真的全過程如圖4所示。圖4利用dSPACE實時仿真過程2.1.3利用dSPACE進行控制系統(tǒng)的開發(fā)在進行控制系統(tǒng)的開發(fā)時，常常需要面臨許多難以解決的問題，而開發(fā)的時間卻要求愈來愈緊迫。由于制造過程中存在誤差、老化及元器件裝配等問題，對控制系統(tǒng)提出了相當高的可靠性要求；對控制性能越來越高的要求使控制算法也越來越復雜；并行工程要求設計、實現、測試及生產準備同時進行；有時控制對象在開發(fā)過程中也在不斷發(fā)生變化。由上述過程可以看出，傳統(tǒng)的開發(fā)方法至少存在三個較大的問題：1、在對控制規(guī)律的控制特性或控制效果還沒有一點把握的情況下，硬件電路已經制造了，這時還不知道設計方案能在多大程度上滿足要求，或者根本不能滿足要求。2、由于采用手工編程，會產生代碼不可靠的問題，這樣在測試過程中對出現的問題，很難確定是控制方案不理想還是軟件代碼有錯誤。更重要的是手工編程將會占用大量的時間，導致雖然有了控制方案，卻要等待很長的時間才能對其進行驗證和測試，從而在不知道方案是否可行的情況下就浪費了大量的時間、人力和物力，給開發(fā)帶來了不必要的開支和經濟損失。3、即使軟件不存在問題，如果在測試過程中發(fā)現控制方案不理想，需要進行修改，則新的一輪工作又將開始。大量的時間又將耗費在軟件的修改和調試上。另外，由于涉及的部門和人員過多，再加上管理不善造成的種種不協(xié)調，導致開發(fā)周期長而又長。而用dSPACE提倡的基于模型面向應用的現代化開發(fā)方法則要有效的多?，F代開發(fā)方法的最重要的特征就是計算機輔助控制系統(tǒng)設計（CACSD：Computer-AidedControlSystemDesign）。將計算機支持工具貫穿于控制系統(tǒng)開發(fā)測試的全過程。CACSD不僅僅是進行控制方案的設計和離線仿真，還包括實時RCP、產品代碼的生成和硬件在回路測試，這是一個完整的流線型控制系統(tǒng)開發(fā)步驟。dSPACE為流線型控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了一套CACSD的工具包CDP（ControlDevelopmentPackage）。CDP主要基于下列工具：MATLAB：用于進行模型的分析、設計、優(yōu)化和數據的離線處理Simulink：用來進行基于方框圖的控制系統(tǒng)離線仿真Real-Time-Workshop：用來從方框圖模型直接生成C代碼。dSPACE公司的RTI：用來使代碼可以在單處理器目標系統(tǒng)中運行。dSPACE系列軟件工具：用來對閉環(huán)試驗進行交互操作。總之，利用CDP可以完成從系統(tǒng)建模、分析、離線仿真到實時仿真的全過程。對大多數用戶而言，一般有以下幾個步驟：步驟1：用線性或非線性方程建立控制對象的理論模型。該方程能用MATLAB的m-file格式或Simulink方框圖方式表示，以便于用MATLAB/Simulink進行動態(tài)分析。步驟2：用MATLAB工具箱設計原始控制方案。步驟3：用Simulink對控制方案進行離線仿真。步驟4：在Simulink框圖中，從RTI庫用拖放指令指定實時測試所需的I/O、A/D、D/A，并對其參數進行設置。步驟5：選擇RTWBuild，自動完成目標DSP系統(tǒng)的實時C代碼的生成、編譯、連接和下載。即使是復雜的大型控制系統(tǒng)，該過程也只需幾分鐘左右。步驟6：用ControlDesk試驗工具軟件包與實時控制器進行交互操作，如調整控制參數，顯示控制系統(tǒng)的狀態(tài)、跟蹤進程響應曲線等。步驟7：返回步驟1?？傊?，利用dSPACE，可以把精力全神貫注于控制方案的構思，可以大大縮短開發(fā)周期。2.2RT-LAB半實物仿真平臺RT-LAB實時仿真器是加拿大Opal-RTTechnologies公司推出的基于模型的工程設計與測試應用平臺。應用此仿真器，工程師可以在一個平臺上實現工程項目的設計、實時仿真、快速原型與硬件在回路測試的全套解決方案。RT-LAB的應用，為基于模型的設計帶來了不同的方法。由于其開放性，RT-LAB可以靈活的應用于動力學系統(tǒng)仿真與控制場合；其優(yōu)秀的可擴展性能為所有的應用提供了一個低風險的起點，使得用戶可以根據項目的需要隨時隨地對系統(tǒng)運算能力進行驗證及擴展——不論是為了加快仿真速度或者是為滿足應用的實時硬件在回路測試的需要。2.2.1RT-LAB特性RT-LAB的主要特性是分布式運算。將復雜的模型分布到若干處理器上并行運算是RT-LAB的獨創(chuàng)，通?？梢杂闷胀ǖ腃OTS硬件作為模型運行的載體目標機，這樣做除了擴展運算能力外，還意味著用戶可以在較短的時間內靈活的組建符合自己需要的實時仿真平臺，并能結合項目的需要擴展。RT-LAB的分布式特點表現為兩個方面：分布式的目標機(最多可達63個)和分布式的主機平臺。分布式的目標機運行一運算負荷的分配RT-LAB提供的工具可以方便的將系統(tǒng)模型分割為若干個子系統(tǒng)模型，并分配到若干個目標機上并行運算。通過這種方式，當用戶的模型在單個目標機上不能實時運行時，RT-LAB可以將運算負荷分配到多個目標機上，這樣就有足夠的運算能力滿足實時性要求。在模型運行時，RT-LAB支持多個目標機之間的數據通訊。可以用TCP／IP、IEEE-1394、共享內存，或者將這些技術結合起來實現目標機間的實時數據通訊，用戶也可以在主機平臺上與目標機上的仿真模型通過TCP/IP或者IEEEl394進行實時在線交互。分布式的主機平臺——從子系統(tǒng)設計到完整系統(tǒng)仿真的虛擬集成由于將仿真模型分布到目標機上并行運算，因此，RT-LAB也是大型仿真項目的團隊開發(fā)平臺，每個開發(fā)小組專注于自己的子系統(tǒng)模型的設計，并在自己的仿真目標機進行實時測試，然后，各個小組的模型可以組合成完整系統(tǒng)的模型。每個子系統(tǒng)之間的數據交換可以通過目標機之間的實時通訊網絡進行。連接性RT-LAB的應用程序接口(API)功能全面，并有詳細說明文檔。對于熟練的編程人員，它還允許開發(fā)者在編寫系統(tǒng)級仿真管理軟件的時候能夠迅速的將自己的應用程序與實時仿真系統(tǒng)整合。同時，RT-LAB也提供了相應的工具來簡化實時仿真系統(tǒng)與運行在主機上的面向非編程人員的應用程序的連接。如：RT-LAB的LabVIEWAPI工具能建立實時模型和LabVIEW的直接聯(lián)系，不需要編寫任何代碼；允許用戶使用Python(RT-LAB自帶插件)語言來配置模型以及自動化運行測試步驟。同時，模型可以運行在不同的RT-LAB目標機處理器上，且不需要重新設置或編譯模型；可以使用TestStand的測試自動化；從Simulink程序框圖中調用Python的腳本函數；在主機和目標機之間的自動文件傳輸。2.2.2Internet上的遠程操作由于RT-LAB的主機與目標機系統(tǒng)之間是通過DUP/IP協(xié)議來進行通訊，可以通過Internet來與仿真目標機進行通訊，這使得RT-LAB仿真實驗室可以與外界共享資源協(xié)同開發(fā)。此外，還允許實時系統(tǒng)的遠程操作，如在對一個遠程對象上的控制器仿真，控制工程師可以在辦公室內修改數個遠程目標工作站的控制參數，甚至完全改變控制策略。RT-LAB環(huán)境中的軟件包DINAMO可以進行航空工程設計，利用DINAMO的可適用于靜態(tài)配平和動態(tài)的操縱飛行的自動批量參數估計，可以進行動力學分析；選用RT-3D的組件，如MATLAB的Virtualreality工具箱，WorldUp，Altia等，用戶可以讀取仿真數據并實時的在3D虛擬現實環(huán)境中顯示出來，而且可以為仿真模型創(chuàng)立3D顯示效果，實時的觀察模型的動作并與其交互。2.2.3I/O數據與記錄性RT-LAB的數據I/O和記錄特性包括模型仿真的采集與記錄，數字信號的采集和產生，以及目標機平臺實時操作系統(tǒng)QNX下的硬件驅動。主要包括如下內容：實時數據顯示和記錄—用戶可實時讀取實時信號或將其記錄為文件；豐富的伙I/O硬件支持—用戶可選擇第三方提供的ISA/PCI接口的硬件板卡；支持由opal．RT自行研制的I/O板卡；觸發(fā)子系統(tǒng)—用戶可自行設置任務在觸發(fā)時刻開始執(zhí)行；硬件同步—可選用NI6602與Opal-RTOP5100系列卡上的時鐘作為仿真同步源，以彌補軟件時鐘精度的不足；數據采集—支持ADC數據采集卡，用戶可自主設置連續(xù)或特定周期的高速數據采集，且數據采集過程不占用系統(tǒng)仿真時間：波形發(fā)生功能—RT-LAB模塊集提供各種信號產生功能以及各種任意時刻的開關量階躍信號；數字波形捕捉的高級特性—檢測在計算機步長間隔內產生的外部事件，并且補償由于事件的影響滯后而導致的計算誤差；通用的共享內存卡驅動—支持共享內存方式的目標機之間的高速數據通訊，允許設備間的數據讀寫。2.2.4RT-LAB的優(yōu)點RT-LAB廣泛應用于航空、航天、工業(yè)和軍事武器系統(tǒng)仿真，其基本的優(yōu)點如下：(1)基于PC技術：高性價比，運算速度快。在仿真模型各個子系統(tǒng)之間可以獲得實時通信和同步控制，高速實時連接，因此仿真是高性能的并行計算。這些子系統(tǒng)可以任意放在若干個節(jié)點上，它們之間采用火線(IEEE-1394)連接。(2)支持半實物(硬件在回路)仿真。在Target節(jié)點上既可以插入模擬I/O卡也可以插入數字I/O卡。因此仿真系統(tǒng)可以與外部設備進行通信，如HIL、Target和I/O卡之間由RT-LAB仿真平臺進行同步管理。(3)支持與其它非實時仿真平臺的協(xié)同仿真。為了提高仿真模型的實時性，系統(tǒng)的非實時部分獨立運行在RT-LAB平臺之外的其它平臺上，這些非實時平臺上的程序通過RT-LAB仿真界面接口程序與仿真模型系統(tǒng)之間交互非實時數據。(4)能自動劃分模型并產生分布式仿真代碼。RT-LAB利用自身的Simulink圖標解釋Simulink模型，劃分各個子系統(tǒng)，生成源代碼，編成可執(zhí)行程序，下載到Target節(jié)點上，這一切過程都是RT-LAB自動完成。因此，RT-LAB工具自動照顧編碼細節(jié)的優(yōu)點不但可以加速開發(fā)過程，而且使得仿真模型具有靈活的伸縮能力。(5)支持MATLAB/STATEFLOW。STATEFLOW是MATLAB軟件專門用于復雜邏輯系統(tǒng)建模的狀態(tài)機工具包，支持MATLAB/STATEFLOW就意味著提供了對復雜過程系統(tǒng)和離散事件的建模工具。(6)系統(tǒng)結構隨著項目的展開可以向上擴展；當運算量增大，增加/升級運算節(jié)點的效費比高；使用商業(yè)RTOS(實時操作系統(tǒng))，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性與實時性能。(7)開放系統(tǒng)：可以與其它軟件接口，獨立于硬件平臺，可以滿足用戶的定制要求。2.2.5RT-LAB開發(fā)流程RT-LAB的操作主要有十個步驟，下面就以RT-LAB自帶的模型rtdemo2．mdl為例來對RT-LAB的操作流程進行詳解：(1)OpenModel打開模型雙擊RT-LABMainControl圖標啟動RT-LAB程序，如圖1點擊OpenModel按鈕，彈出一個文件選擇框，選擇<RT-LAB>\simulink\models\rtdemo2\rtdemo2.mdl，這個模型是安裝完RT-LAB之后自帶的演示模型，它已經編輯好了，不用再經過編輯就可以用了。(2)Edit編輯模型接上步點擊Edit，RT-LAB自動調用MATLAB打開模型(如果打不開的話先用MATIAB直接打開模型一遍，然后再用Edit打開)。打開模型后可以看到rtdemo2.mdl模型的是由三個子模型組成，分別是sm-controller，ss-plant和sc_user_interface。此模型已經根據RT-LAB的規(guī)則修改完成。RT-LAB規(guī)定所有的收集和顯示數據的模塊(如示波器，手動開關等)必須放在一個子系統(tǒng)圖中，系統(tǒng)命名以sc_打頭，而且每個模型只能有一個sc_子系統(tǒng)：規(guī)定sm_子系統(tǒng)只能有一個，它是整個模型計算過程中的主導模塊；ss_在整個計算過程中是從屬地位，在RT-LAB中可以有多個。所以，在RT-LAB的模型中所有的子系統(tǒng)只能以sm_，sc_，ss三種命名方式出現，而且在子系統(tǒng)中有信號輸入的地方要插入一個RT-LAB的信號同步模塊OpComm通訊塊。圖5RT-LAB主控(3)Configuration配置修改完成了模型修改之后就要做一些編譯前的配置修改工作。確認在MainControll面板的Target選項下面是不是選擇了正確的目標平臺，它有三個選項QNX，WNT，Neutrino。Neutrino是指QNX6.0以后的版本。點擊Configuration進入修改配置。圖6Configuration界面圖(4)Compile編譯過程編譯過程出現問題時可以通過編譯窗口來檢查。整個編譯過程先是分割模型，有多少個子模塊就分割成多少塊，這也是RT-LAB分布式計算的核心思想，然后利用MATLAB的RTW的qnxnto_r13.tlc模塊生成C文件，生成QNX底下的可執(zhí)行文件，完成編譯過程。(5)AssignNodes分配節(jié)點點擊AssignNodes進入節(jié)點分配控制界面。在Subsystems一項下面有sm_controller和ss_p1ant兩個子系統(tǒng)。在RemainingPhysicalNodes一項下面有NTO1和NTO2兩個節(jié)點，添加節(jié)點的方法在前面的Configuration說明中有提到。（6）建立模型可以將使用MATLAB/Simulink開發(fā)的模型結構Load到RT-LAB中，完成方針前的準備工作。(7)Execute執(zhí)行程序完成上述步驟之后就可以執(zhí)行程序了，點擊Execute就可以通過示波器看到程序執(zhí)行的結果，通過調節(jié)滑塊可看到波形的變化。（8）Pause暫停執(zhí)行Pause按鈕是一個暫停鍵，起暫停的作用。（9）Reset結束程序要想真正地結束程序必須通過Reset按鈕。如果想再執(zhí)行一遍程序就再Load一次，然后Execute（如果模型沒有修改的話，不用執(zhí)行Compile，直接可以LOAD）。(10)Disconnect斷開模型連接最后一步就是一定要斷開模型。點擊Disconnect模型就斷開連接了。以上是以rtdemo2.mdl為例作的一個RT-LAB的使用說明。其中提到的目標機，節(jié)點，下位機其實指的是同一個對象。只要按照以上所講的十個步驟一步步執(zhí)行，就完全可以把RT-LAB使用起來。2.3xPC半實物仿真平臺MATLAB是一種面向科學與工程計算的高級語言，它集科學計算、自動控制、信號處理、神經網絡、圖像處理等于一體，具有極高的編程效率。特別是利用Simulink工具箱中豐富的函數庫可以很方便地構建數學模型，并進行非實時的仿真。而xPC目標是Mathworks提供一種用于產品原型開發(fā)、測試和配置實時系統(tǒng)的PC機解決途徑。為了提高系統(tǒng)實時仿真的能力，xPC目標采用了宿主機一目標機的技術途徑，兩機通過網卡連接，以TCP/IP協(xié)議進行通信。宿主機用Simulink建立模型，進行仿真前的參數配置，然后用RTW和一個VC編譯器將模型編譯為一個可執(zhí)行文件下載到目標機。目標機通過軟盤啟動xPCTarget實時內核，運行從宿主機下載的RTW生成的目標應用程序，通過I/0通道與外部實物進行數據交換，最終實現半實物的實時仿真測試。在xPC目標環(huán)境下，可以從MATLAB中使用命令行或xPCTarget的圖形交互界面對程序的執(zhí)行進行控制。在程序執(zhí)行期間，可以交互地在線調整模型參數，信號繪圖功能可以使人動態(tài)地觀察信號波形，實現數據可視化和信號跟蹤。如果目標機有監(jiān)視器，則可以使用xPC目標的目標管理器功能在目標機上直接觀察信號和目標機的各種狀態(tài)信息。2.3.1xPC仿真平臺特性xPC目標采用宿主機—目標機的技術途徑，其中宿主機擁有運行MATLAB/Simulink，用Simulink模塊圖來創(chuàng)建模型，進行非實時仿真，用RTW代碼生成器和C編譯器來生成可執(zhí)行代碼；目標機執(zhí)行所生成的代碼，通過以太網或串口連接實現宿主機和目標機之間的通信。xPC目標工作模式如圖1所示，其具有如下特點：兩機可通過RS-232或TCP/IP協(xié)議進行通信，也可通過局域網、Internet進行連接；支持任何臺式PC機、PC/104、CompactPCI、工業(yè)PC或SBC(單板機)作為實時目標系統(tǒng)；依靠處理器的高性能水平，采樣率可達到100kHz；擴展了I/O驅動設備庫，現已支持超過150種標準I/O板；可以得到來自主機或目標機的信號，也可以動態(tài)調整參數；在宿主機和目標機上都可進行交互式的數據可視化和信號跟蹤；使用xPCTargetEmbeddedOption能針對獨立操作進行系統(tǒng)配置。圖7基于Matlab/Simulink環(huán)境的仿真系統(tǒng)原理圖圖8基于xPC的半實物仿真系統(tǒng)原理圖圖9半實物仿真過程圖2.3.2系統(tǒng)的硬件連接在xPC目標的半實物仿真中，主要通過數據采集卡來實現計算機和外部設備的連接，既需要通過數據采集卡的A/D接口從外部模擬設備采集數據送到目標機，也需要通過D/A接口將目標機的計算結果送往外部模擬設備。1采用xPC目標提供的I/O設備xPC目標提供了支持超過150種標準I/O板的I/O驅動設備庫。xPC目標所提供的D/A、A/D、DI、DO等模板，它實際上是為不同的板卡提供不同的驅動程序。在應用中，將所用到的I/O設備對應的模板拖人模型中，進行采集卡的參數設置(如通道數、電壓范圍、采樣時間、基地址等)，并在實際仿真測試系統(tǒng)中接入相應板卡。在編譯模型文件時，其中的板卡的信息就會被編譯為可執(zhí)行代碼，下載到目標機上后，目標就通過數據采集卡和外部設備建立了聯(lián)系，構成實時仿真測試回路。在仿真過程中可以從這些板上輸入輸出數據，以進行半實物仿真。2采用其他I/O設備如果沒有采用xPC目標提供的I/O設備，則需自己編寫設備驅動程序，這時可參考xpcblocks文件夾下的各種設備驅動程序模塊的源代碼來編寫程序，并存為filename.c，然后在MATLAB命令窗口輸入命令：mexfilename.c，MATLAB自動調用編譯器生成mex動態(tài)連接庫文件filename.dll，并將其設置到MATLAB的搜索路徑中，最后將文件封裝成一個S-function模塊，進行參數設置即可。2.3.3xPC目標應用程序的創(chuàng)建和下載1仿真參數的設置在Simulink中創(chuàng)建需要進行仿真的模型，仿真和實時運行參數都可在SimulationPammeters對話框中設置，主要包括So1ver、workspaceI/O、Diagnostics、Real-Timeworkshop等4個下拉菜單的參數設置。2創(chuàng)建和下載XPC目標應用程序仿真參數設置完畢后，同時通過啟動盤啟動目標機的實時內核，在Simulink窗口中選擇Tools\Real-Timeworkshop\BuildModel命令，就可對Simulink模型進行編譯、鏈接生成可執(zhí)行的目標應用程序，并將其下載到目標機。2.3.4在實時仿真測試系統(tǒng)中運行xPC目標應用程序1信號輸入、輸出信號的輸入、輸出通過采集卡的I/O通道實現。數據采集卡的D/I、D/O可為數字量提供輸入輸出，然后運行xPC目標應用程序。2信號跟蹤(1)使用Xpcscope進行信號跟蹤．當xPC目標應用程序下載到目標機后，在Matlab命令行輸入Xpcscope，在宿主機上出現管理器窗口(Manager)，根據需要可決定示波器的個數和選擇要跟蹤的信號，這樣就可進行多示波器窗口和多信號的跟蹤顯示。(2)使用Xpctgscope進行信號跟蹤。在MATLAB命令行輸入Xpctgscope，在目標機的監(jiān)視器上出現示波器窗口同樣可進行多示波器窗口和多信號的跟蹤。(3)使用MATLAB命令進行信號跟蹤。使用xPC目標提供的函數生成目標sc叩e對象，對信號進行選擇和觀察。3xPC目標應用程序的參數調整(1)使用MATLAB命令進行參數調節(jié)?？墒褂肕ATLAB函數來改變模塊的參數，不需重新創(chuàng)建模型的目標應用程序，就可改變程序的參數。(2)使用Simulink外部模式在線調節(jié)參數。使用Simulink外部模式下，在Simulink外部模塊圖的任何位置改變參數，Simulink都將改變后的參數自動下載到正在運行的目標應用程序中．根據信號跟蹤波形可隨意改變模型參數檢驗勵磁控制器的調節(jié)效果，也可實時地測試控制器的控制算法，參數設計，直至得到滿意效果。4數據存儲在環(huán)境下，進行信號跟蹤的同時也可對所跟蹤信號實現數據存儲，供以后分析處理。在Xpcscope中選擇要跟蹤的信號，然后單擊Export選項，這時在MATLAB的WORKSPACE中就會自動生成MAT文件。這里可記錄任意時間段的任意個(如500)信號數據，這樣就可很方便地對測試結果進行分析、處理。5數據分析在測試中所采集的實時數據是分析的依據，利用MATLAB提供的圖形編輯模塊GUI，按照測試要求很容易編寫友好的用戶界面，并根據MAT數據文件繪制試驗曲線、打印報表等，進行數據分析．試驗測得的數據可以通過各個試驗模塊進行分析處理。2.4NI半實物仿真平臺NI半實物仿真平臺系統(tǒng)構架主要包括cRIO實時控制器（內置嵌入式處理器）、可重配置FPGA、及模塊化I/O構成。CompactRIO的RIO（FPGA)核心內置數據傳輸機制，負責把數據傳到嵌入式處理器以進行實時分析，數據處理，數據記錄或與聯(lián)網主機通信。利用LabVIEWFPGA基本的I/O功能，用戶可以直接訪問CompactRIO硬件的每個I/O模塊的輸入輸出電路。所有I/O模塊都包含內置的接口，信號調理，轉換電路（如ADC或DAC），以及可選配的隔離屏蔽。這種設計使得低成本的構架具有開放性，用戶可以訪問到底層的硬件資源。下面以柴油機電控系統(tǒng)（ECU）的開發(fā)和測試為例簡要介紹NI半實物仿真系統(tǒng)的開發(fā)流程。2.4.1ECU半實物仿真系統(tǒng)總體結構ECU半實物仿真系統(tǒng)由目標ECU、實體執(zhí)行機構和仿真控制與監(jiān)測模塊三部分構成，總體結構見圖10。圖10ECU半實物仿真系統(tǒng)結構圖硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)無柴油機燃燒過程，用伺服電機模擬不同工況的柴油機運轉，為ECU和仿真系統(tǒng)提供轉速信號；電機帶動絕對式角度傳感器提供曲柄轉角信號；變頻電機驅動高壓燃油泵和伺服油泵組成供油模塊；燃油噴射模塊和排氣閥驅動模塊是實體執(zhí)行機構，根據ECU的電信號控制伺服油驅動燃油噴射閥與排氣閥啟閉。仿真控制與監(jiān)測模塊由配置了FPGA芯片的cRIO控制器、PXI主機和工控機IPC)組成，與目標ECU組建CAN網絡進行數據通訊；報警模塊通過串口(RS232)接收PXI主機發(fā)出的某參數越限報警信號，控制繼電器發(fā)出聲光報警。2.4.2ECU半實物仿真平臺硬件組成1仿真控制與監(jiān)測模塊仿真控制與監(jiān)測模塊硬件采用NI公司cRIO(采用可重新配置I/O及FPGA技術實現超高性能和可自定義功能)、PXI主機以及可熱插拔工業(yè)cRIOI/O模塊。cRIO控制器為200MHz類奔騰實時處理器，安裝VxWorks實時操作系統(tǒng)，能可靠執(zhí)行LabVIEWReal-Time應用程序，實現實時控制、數據分析、記錄和通信等功能；PXI主機選用8106實時處理器，配置可帶4個R系列擴展機箱(支持cRIOI/O模塊)的PXI7813RFPGA板卡。cRIO控制器和PXI主機都可借助LabVIEWFPGA的基本I/O功能，將硬件與每個I/O電路直接連接：使用嵌入式RIOFPGA硬件，能實現40MHz(25ns)單周期定時循環(huán).PXI主機配置了PXI8464CAN卡，與cRIO系統(tǒng)9853CAN模塊和應用模塊構成CAN網絡。cRIOI/O模塊具有內置式信號調理功能，可直接與傳感器和激勵器相連。硬件配置能滿足硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)信號同步采集、快速計算與輸出及系統(tǒng)實時監(jiān)測等功能。2信號I/U轉換及濾波考慮現場環(huán)境干擾，傳感器輸出信號選用電流信號，但為保證采集信號的同步，選用的NI-9215I/O模塊為電壓采集模塊，因此需將信號在采集前端進行電流/電壓線性轉換。設計中采用RURR-BROWN精密I/U變送器RCV420芯片，其轉換精度為0.1％，共模抑制比CMB達86dB，共模輸入范圍達±40V，保證了4mA～20mA電流與0~5V電壓的線性對應，在軟件上，利用NILabVIEW數字濾波器設計工具包(DigitalFilterDesignToolkit)，根據信號種類采用不同算法設計數字濾波器，將濾波器Ⅵ編譯后自動生成的FPGA代碼部署到RIOFPGA硬件中。2.4.3仿真控制與監(jiān)測模塊軟件設計柴油機仿真控制和監(jiān)測模塊軟件以NILabVIEW8.5為開發(fā)環(huán)境，利用Real-Time、FPGAToolkit完成對板卡和模塊可重配置FPGA程序的開發(fā)，再通過LabVIEW編譯服務器對LabVIEW代碼進行編譯得到BitFile并部署到硬件設備；實現LabVIEW(Windows)和LabVIEW實時應用程序的集成。1仿真控制模塊對ECU參數標定、性能試驗及控制策略研究，要關注的是ECU與柴油機外部性能參數間關系，可不考慮柴油機內部熱力過程，只要柴油機仿真模型能較真實地模擬柴油機的負載特性，其測試結果就能反映ECU實際配機性能。柴油機仿真控制模塊通過I/O硬件實時采集噴油量、排氣閥升程信號等，經仿真模型計算，向ECU發(fā)送控制信號，同時驅動曲軸電機提供相位信號，結構見圖11。圖11仿真控制模塊結構圖仿真控制程序在cRIO控制器上運行，信號同步采集、濾波處理、邏輯運算和輸出刷新均在FPGA上完成。實時控制器中主要完成整型到浮點工程單位轉換的數據換算，實時FIFO數據緩存、CAN通訊和FPGA程序間數據傳輸。為保證大量數據傳送實時、同步和完整，程序采用了DMA和IRQ數據通訊方式。（1）燃油噴射控制仿真為了測試不同負荷下ECU對燃油噴射的控制，燃油噴射控制仿真模塊由位移傳感器測量燃油活塞位移(油量信號)，絕對式角度編碼器測量曲柄轉角，旋鈕電位器模擬柴油機負荷，輸入cRIO控制器FGPAI/O模塊，經FPGAVI與cRIO控制器Real-TrineVI數據交換，單位換算和燃油噴射模型計算得出當前柴油機轉速，由D/A輸出以調節(jié)曲軸電機轉速。進氣壓力影響噴油正時，為使仿真模型更為精確，查表得到仿真歸納的模擬進氣壓力，修正曲軸電機轉速，使之與柴油機實際值更接近。（2）排氣閥控制仿真排氣閥控制仿真程序分為FPGAVI和Real-T'imeVI兩部分。FPGAVI完成各缸排氣閥開啟、關閉信號、排氣閥升程信號采集、IRQ中斷、DMA配置、與RealTime連接、數據交換及邏輯判斷；Real-Time系統(tǒng)VI是整個仿真模型程序：邏輯判斷、內存分配、數據轉換和保存、DMA通道競爭裁決等。當系統(tǒng)運行時，FGPAVI判斷首次接收的排氣閥開啟信號是否為實體排氣閥裝置所發(fā)出，若是其它模擬氣缸發(fā)出，則調用存儲在cRIO控制器內經仿真計算的排氣閥升程信號，通過模擬量輸出模塊提供給ECU。若是實體排氣閥裝置所發(fā)出，則FPGAVI采集此沖程實體排氣閥裝置的升程信號，并記錄當前曲柄轉角，同時開啟DMA通道，將采集到的信號傳送到cRIO控制器內存中。當檢測到排氣閥裝置關閉信號時，停止升程信號采集。該沖程其它模擬氣缸升程信號，以內存中實體排氣閥裝置升程信號為“缸平移”遞推基準；一旦有虛擬氣缸排氣閥開啟，則將保存的升程信號由另一DMA通道傳回FPGAVI，通過電流模塊輸出給ECU。2監(jiān)測模塊測試研究ECU控制策略，需采集記錄ECU相關輸入輸出信號，系統(tǒng)設有專門監(jiān)測模塊對信號進行同步采集、分析、顯示和存儲，并對參數越限進行邏輯比較，通過串口輸出至報警模塊，驅動聲光報警。系統(tǒng)根據LabVIEW支持子VI調用模式，采用模塊化設計方法，可簡化程序，提高程序執(zhí)行率。為保證數據采集同步，PXI實時操作系統(tǒng)每采集一角標信號同時記錄當前時鐘，并把該時鐘下所有同步信號如曲軸轉速、燃油活塞位移、針閥升程、排氣閥升程等信號打包，生成以角標基礎的數據包，通過DMA傳輸方式送至RT系統(tǒng)內FIFO中，再將數據包通過TCP/IP網絡上傳至工控機，進行數據轉換、分析、顯示、保存和回放?；贚abVIEW、cRIO控制器的高壓共軌柴油ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，在LabVIEW環(huán)境可調用La