基于MATLAB-RTW的实时控制系统开发.doc

基于MATLAB/ RTW的实时控制系统开发 2004430 14：33：38来源：点击次数:4次 新疆大学电气工程学院 张宏立摘要:本文简要介绍了MATLAB的RTW工具箱的功能和作用，并用一实例着重介绍了使用RTW中XPC开发实时控制系统的方法和步骤，为快速,高效开发实时控制系统提供有效手段。关键词:MATLABRTWXPC实时控制一引言MATLAB是Mathworks 公司80年代推出的优秀科学计算和系统仿真软件,它以丰富的函数、强大的工具箱和简便的编程环境而深受广大用户欢迎，尤其是它的Simulink工具箱更是为系统仿真和建模提供强有力的支持。但是说到MATLAB在实时控制方面的应用，就很少有人了解，关于这方面的资料也很少。而RTW（Real Time Workshop)正是Mathworks 公司为MATLAB在实时控制应用方面开发的专门工具箱1。二RTW功能介绍RTW是对MATLAB和Simulink功能的一个重要补充，以往我们在设计控制系统中，先在Simulink中建模和仿真，直至仿真结果满意为止。但是真正要开发实际控制器时，我们需要重新使用C或者其它语言重新编程，而当设计好的控制器与实际被控系统相联后,可能控制效果就不如仿真效果那么理想了,因为在仿真时我们可能对模型作了一些假设和近似或忽略了实际系统可能受到的扰动和噪声,这样造成仿真与实际应用相脱节.RTW的产生解决了这个问题，RTW支两种类型的实时目标设计2：一种是快速原型化目标设计，另一种是嵌入式目标设计.所谓快速原型化目标设计又叫半实物仿真，就是指可以用Simulink设计出来的控制器直接去控制实际的被控对象,通过半实物仿真过程来观察控制效果，如果控制效果不理想，则可以直接在Simulink上调整控制器的结构或参数,直至获得满意控制结果 .这样调试好的控制器可以认为是实际控制器的原型（Prototype) ，显然此时的控制器显然要好于纯数字仿真下的控制器.嵌入式目标设计就是将Simulink下调试好的控制器直接生成C语言程序,并经过编译、 连接生成可执行的应用程序，下装并嵌入到控制用计算机上,使控制计算机可以脱离MATLAB/Simulink环境直接用于实时控制 .RTW工具箱提供了多个目标环境设置，例如有通用实时目标（GRT）、通用实时Malloc目标、Tornado目标、DOS目标等捆绑目标和实时视窗目标（RTWT)、XPC等独立目标。利用这些目标，用户能快速，高质量的完成系统原型化设计和实时系统构建。在众多的目标环境中，XPC又以其完善的解决方案成为Mathworks公司的推荐使用目标 。三XPC应用及实例XPC是RTW体系中的一个附加产品，它提供了一种用于系统原型设计，测试和生成嵌入式实时系统的解决途径3。它采用主机-目标机的“双机模式 ，主机用于运行MATLAB和Simulink,而目标机则用于执行RTW和C编译器生成的可执行代码,目标机可以是任何286/386/486/Pentium、AMD K5/K6 的PC机和各种工控机.主机和目标机通过串口(RS232）或以太网（TCP/IP)连接.XPC包括两个部分,一个是XPC Target，主要用于快速原型化设计（半实物仿真),另一个是XPC Target Embeded Option 主要用于可将目标机构建成嵌入式实时系统 。有了XPC的支持我们在开发实时控制系统，就有了强有力的支持，下面就一实例说明在RTW/XPC下开发实时控制系统的方法和步骤：1Simulink环境下建模仿真我们要开发一个水箱水位的控制系统，首先在Simulink中我们建立水箱的数学模型,控制器采用模糊控制器,搭建好仿真模型,保存模型文件名为zhl.mdl，调整隶属度和推理规则，然后进行仿真，为了观察控制效果,仿真模型的给定我们使用了方波,其仿真模型如图2所示，水位跟踪输入的仿真结果如图3所示。 2 原型化设计（半实物仿真）先在目标机上安装A/D和D/A转换卡，本实例目标机使用研华610工控机，D/A 、A/D采用PCL818L（16路A/D、1路D/A、ISA接口），板卡与水箱系统连接。XPC的I/O模块库中提供了许多公司A/D、 D/A软模块,将仿真模型中的水箱模型用D/A软模块代替，其反馈信号和给定信号分别接A/D软模块不同通道，选用型号要与目标机上硬件板卡型号一致,模型如图4所示。3 生成目标应用程序首先要制作目标机的启动盘,将一软盘插入主机软驱，在MATLAB命令窗口运行xpcsetup命令,在打开的对话框中单击【BootDisk】按钮即可制作目标机的启动盘，此启动盘含有高度优化的XPC实时内核。目标机通过网卡与主机相连，配置好TCP/IP协议.用启动盘启动目标机，此时目标机上不 需要安装任何操作系统，在主机上将图3所示的仿真模型在RTW环境下用XPC提供的程序（xpctarget.tlc 、xpc_default。tmf和make.rtw命令）创建生成C代码,并对其编译,连接（主机上必须要有VC5.0或BorlandC5.3以上版本编译器）生成可执行的目标应用程序，目标机中运行的XPC实时内核自动将其下载到目标机上。这些过程完成后，在MATLAB命令窗口输入start（tg),目标应用程序即开始在目标机上运行，tg为目标应用程序对象名，这时开始半实物状态下的仿真，我们可以通过这一过程观察、测试实际被控对象的受控效果，如果认为控制效果不理想，可以对目标应用程序中对控制器的参数进行在线实时调整，一种比较方便且直观的方法是将Simulink的仿真模式设为外部模式，这样Simulink仿真模型就与目标机中的目标应用程序建立通讯联系，Simulink模块中任何参数改变，Simulink都会将其下载到目标机中的目标应用程序中，而不必重新编译Simulink模型和创建新目标应用程序。另外，在这一过程中用户还可以对目标应用程序实时运行过程中获取的信号进行跟踪、记录和显示，Simulink就好象是目标机的一个前台控制器，又是一个虚拟的数字示波器。4生成嵌入式目标应用程序要生成嵌入式的、可单机运行的目标应用程序，需要XPC Target Embeded Option模块支持。具体做法是：先制作一张DOS启动盘，将这张盘插入主机，在MATLAB命令窗口运行xpcsetup命令,打开XPC Target Setup对话框，将XPC Target Embeded Option的Targetboot属性设为Standalone，再单击【BootDisk】按钮重新生成目标启动盘。这时的目标启动盘同时也是一张DOS启动盘，然后重复第3步的操作，重新将Simulink模型生成可执行目标应用程序，由于Targetboot属性设置为Standalone，这时目标应用程序不会自动下载到目标机中,而是被放置在Matlab当前工作目录下zhl_xpc_emb文件夹中，该文件夹中包含如下文件：zhl。rtb、autoexec。bat和xpcboot。com文件，zhl。rtb正是由zhl.mdl文件被RTW/XPC生成的且含有XPC内核的目标应用程序，autoexec。bat文件作用是DOS操作系统根据它里面的内容来启动zhl。rtb，xpcboot。com文件包含了XPC Target Embeded Option的信息.将这三个文件复制到制作好的目标启动盘中，用该盘启动目标机后，目标机不用再和主机之间通信，完全成为一个独立实时控制器来控制水箱水位，控制效果和半实物仿真效果完全一致 。也可将目标启动盘的有关内容复制到安装有DOS操作系统PC机的硬盘，在BIOS中设置启动顺序为先从硬盘启动,那么这台PC机就可成为一台独立的嵌入式控制器.四结论有了MATLAB/RTW的支持，为我们开发实时控制系统提供了新的强有力的工具，可以大大提高开发效率,大大缩短开发周期，它的应用有着巨大的前景 。参考文献： 1 MATLAB帮助 2 陈永春从MATLAB/Simulink 模型到代码实现清华大学出版社，2002.10 3 薛定宇基于MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用清华大学出版社，2001作者简介张宏立 1972。7，男,汉族，湖南宁乡人 工学硕士，讲师，主要方向：计算机仿真、智能控制