MATLAB/Simulink下實現(xiàn)實時一些方法總結(jié)

徐劍琴,李克訥,梁奇峰（. 廣西科技大學工程訓練中心; . 廣西科技大學電氣與信息工程學院,廣西 柳州 545006）

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MATLAB/Simulink下實現(xiàn)實時一些方法總結(jié)

徐劍琴1,李克訥2,梁奇峰1
（1. 廣西科技大學工程訓練中心; 2. 廣西科技大學電氣與信息工程學院,廣西 柳州 545006）

摘 要：總結(jié)了使用MATLAB/Simulink進行實時仿真時實現(xiàn)實時的幾種方法，包括使用Real-time Workshop和編寫S函數(shù)的方法，同時通過實驗檢驗了C語言S函數(shù)實時模塊的功能。經(jīng)仿真測試表明，在對時間精度要求不是很高的過程進行實時仿真和分析時，可以得到較好的效果。

關鍵詞：實時；MATLAB/Simulink；Real-time Workshop；S函數(shù)

1 概述

仿真技術由于能省去了實物系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的繁瑣步驟，對問題的解決有著良好的針對性，因此給科研和試驗提供了很大的便利[1-3]。但另一方面，仿真由于對模型的依賴性，其結(jié)果并很難完全反映實際情況。因此，為了得到更接近實際情況的結(jié)果，可采用將數(shù)學模型與物理模型或?qū)嵨锵嘟Y(jié)合半實物仿真[1,2]。半實物仿真系統(tǒng)既包含虛擬對象，又包含實物對象，因此更真實地反映實際系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性和非線性因素。由于有實物的接入，半實物仿真對實時性有著較高的要求。

Matlab/Smulink在控制理論研究中是一個很優(yōu)秀的仿真軟件，可方便地對控制算法或控制對象進行建模和仿真實驗[2-8]。在仿真情況下，仿真運行的時間取決于仿真機的運行速度和模型的復雜程度等因素，因此Matlab/Smulink模型運行的時間可能遠小于實際過程的運行時間。但在半實物仿真中，實物對象的實際執(zhí)行時間與模型仿真時間可能不一致，因此有必要使Simulink虛擬模型與外部連接的硬件運行同步，實現(xiàn)實時仿真，以獲得接近實際情況的實驗結(jié)果。要用Matlab/Smulink進行實時仿真，可以利用自帶的Real-Time Workshop和Real-Time Windows Target、xPC Target等工具，也可編寫能進行實時仿真的應用程序，靈活地實現(xiàn)實時[4-9]。本文將針對在Matlab/Smulink環(huán)境下的實時仿真、控制，探討和總結(jié)一些實現(xiàn)實時的方法。

2 實現(xiàn)實時的方法

如前所述，用Matlab/Smulink進行實時仿真的方法主要有利用Matlab/Smulink自帶的實時工具和自編實時程序兩類。本文分別以Real-Time Workshop工具和自編S函數(shù)為例進行探討。

2.1 用Real-Time Workshop實現(xiàn)實時

Real-Time Workshop（RTW）是一個和Simulink配套使用的工具[4,5]。RTW可以由Simulink框圖生成優(yōu)化的語言代碼，再由生成的代碼建立半實物仿真并產(chǎn)生實時控制與快速原型設計所需的應用程序，得到的應用程序可獨立于MATLAB環(huán)境，因此能實現(xiàn)實時同步并可應用于實時的工業(yè)過程中。利用RTW進行實時仿真的步驟大致如下：

首先，建立Simulink仿真模型；然后配置相關RTW參數(shù)，一般設置為定步長Fixed_Step，單任務single tasking，external模式；接著點擊build按鈕對目標進行編譯，自動生成C代碼文件，生成的C代碼可用C或者C++編譯器作適當修改，并編譯連接。最后，點擊connect按鈕，與目標進行連接（connect to target），運行仿真模型，對系統(tǒng)過程進行分析。

值得指出的是RTW支持多種常用的I/O設備，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）計數(shù)器（counter）等[6]。在Simulink模塊庫下雙擊xPC Target模塊組圖標可相應顯示出I/O設備的型號等。這樣就可以將虛擬的Smulink模型與實際的受控對象或?qū)嶋H的控制器通過I/O設備和計算機連接起來，構成半實物仿真系統(tǒng)，進行仿真分析、過程控制等。

2.2 編寫S函數(shù)實現(xiàn)實時

由于RTW只支持部分型號I/O設備的驅(qū)動，而且也不能直接和一些常用的控制軟件進行實時通信，這給使用RTW進行實時仿真帶來了一定的局限性。此時用戶可根據(jù)需要，編寫能實現(xiàn)特定功能的S函數(shù)（S-Function）。S函數(shù)可使用Matlab或者C語言編寫。S函數(shù)編寫靈活，只要在函數(shù)程序模板適當?shù)奈恢眉尤胱约旱拇a，然后編譯，就生成實現(xiàn)相應功能的Simulink模塊，并可以隨時調(diào)用。而且，Matlab還給用戶提供了開放性接口，可對系統(tǒng)的時鐘和端口進行操作。這為用其他方法靈活實現(xiàn)實時仿真提供了可能。

根據(jù)S函數(shù)程序的執(zhí)行流程，可以在計算離散狀態(tài)更新值時設置一個空循環(huán)等待，原理如圖1示，只有當模型實際運行時間current-start（即系統(tǒng)時間）達到設置的仿真時間t，仿真才結(jié)束，這樣就可以使Simulink仿真時間與實際時間同步[6-9]。要注意的是，如果是C文件的S函數(shù)，還要用MATLAB的mex工具對其進行編譯，生成.dll文件。在使用時，只要將生成的S函數(shù)模塊添加到Simulink模型中，便可使系統(tǒng)模型運行于實時時間。

為了驗證這一實現(xiàn)實時的方法，根據(jù)圖1所示的實現(xiàn)同步的原理，可把系統(tǒng)時間、仿真時間以及它們的時間差值作為系統(tǒng)的輸出向量，編寫名為“sfuntmpl_basic.c”的C文件，對其編譯后生成sfuntmpl_basic.dll文件。然后建立控制過程半實物仿真平臺[2]，用上位機的控制軟件對Matlab/Smulink虛擬對象進行實時控制。其中，adsoft S-函數(shù)模塊是訪問PCI-1710A/D的接口模塊，把上位機的控制變量傳遞給虛擬對象；Dasoft S-函數(shù)模塊實現(xiàn)虛擬對象與PCI-1710 D/A的對接，把被控變量輸出給上位機；sfuntmpl_basic模塊用于支持Simulink模型進行實時運行。設置好仿真參數(shù)、仿真時間后，即可開始運行仿真。通過示波器Scope可觀察到的sfuntmpl_ basic實時功能模塊輸出響應曲線，從輸出的結(jié)果分析中可知，仿真時間與系統(tǒng)時間基本重合，兩者的時間差值也很微小[2]。另外，從控制軟件實時監(jiān)控界面可觀測到控制效果，仿真過程也表明，控制軟件能對Smulink虛擬對象進行實時控制[2]。并且，從仿真結(jié)果分析可知，利用這一方法對時間精度要求不是很高的過程仿真實現(xiàn)實時是可行的。

3 結(jié)論

本文探討和總結(jié)了MATLAB/Simulink下能實現(xiàn)實現(xiàn)實時仿真的一些方法，即可用Real-Time Workshop實現(xiàn)實時，也可通過編寫S函數(shù)實現(xiàn)實時。經(jīng)仿真測試表明，在對時間精度要求不是很高的過程進行實時仿真和分析時，可以得到令人滿意的效果。

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作者簡介:徐劍琴（1979-），女，廣西北海人，碩士研究生，講師，研究方向：智能控制。

基金項目:廣西高等學?？蒲许椖抠Y助(2013YB175)、廣西科技大學博士啟動基金（院科博12Z05）。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.246