半物理仿真系統(tǒng)及模型的試驗(yàn)分析

趙立華，李 博，丁彥杰，步 石，陳國興

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

1 仿真設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

1.1 仿真設(shè)備的現(xiàn)狀

隨著大型設(shè)備的開發(fā)難度越來越大，周期越來越長(zhǎng)，投產(chǎn)前為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性、準(zhǔn)確性和可靠性，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真，包括快速原型開發(fā)設(shè)計(jì)和硬件在環(huán)仿真，既提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，又可對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。半物理仿真目標(biāo)機(jī)，歐洲品牌居多，在交通設(shè)備或工具行業(yè)應(yīng)用較多，如：汽車產(chǎn)業(yè)、航天和軌道交通領(lǐng)域，其產(chǎn)品都是基于Matlab-simulinkRT，包括目標(biāo)機(jī)CPU、I/O板卡以及驅(qū)動(dòng)軟件包等。有的品牌硬件配置好，驅(qū)動(dòng)接口多，模塊性較好，而有的品牌軟件功能實(shí)力強(qiáng)，產(chǎn)品模塊性較差。國內(nèi)也有定制化開發(fā)的模塊在得到更多的應(yīng)用。

1.2 仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用

仿真目標(biāo)機(jī)既可以作為快速控制原型開發(fā)，也可以作為硬件在環(huán)仿真分析，如圖1、圖2所示，可以快速地在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證控制方案設(shè)計(jì)，結(jié)果獲取迅速，迭代時(shí)間短。

圖1 快速控制原型

圖2 硬件在環(huán)仿真

工程上從需求的提出到系統(tǒng)集成的全部過程中，可以看到不同階段中仿真機(jī)的具體應(yīng)用，V型開發(fā)流程如圖3所示，包括系統(tǒng)需求（仿真）、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（RCP快速控制原型）、軟件設(shè)計(jì)（目標(biāo)機(jī)的快速原型）軟以及件編碼（產(chǎn)品代碼生成）等步驟。其中RCP屬于目標(biāo)機(jī)參與的快速控制原型；然后再從編碼（軟件在環(huán)）、軟件集成（處理器在環(huán)）、硬件/軟件集成、硬件在環(huán)測(cè)試HIL，一直到系統(tǒng)集成完畢。

圖3 V型開發(fā)流程

本文主要介紹硬件在環(huán)測(cè)試。采用專用控制器，內(nèi)部需要包括驅(qū)動(dòng)軟件和相應(yīng)的固件，目標(biāo)機(jī)模擬被控對(duì)象Plant、Simulink Real-Time和實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)協(xié)同工作，可以快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。

2 仿真模型設(shè)計(jì)

2.1 Matlab插件和仿真驅(qū)動(dòng)模塊

該模型設(shè)計(jì)是基于新型半物理仿真目標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)的，該目標(biāo)機(jī)具有較高的配置，采用多核高速CPU；并支持FPGA的實(shí)時(shí)運(yùn)行。另外通用的Matlab編譯環(huán)境，便于文件生成和下載到目標(biāo)機(jī)；對(duì)應(yīng)插件、Simulink Real-time與該目標(biāo)機(jī)相關(guān)；I/O實(shí)時(shí)模塊，驅(qū)動(dòng)和支撐的硬件板卡，便于模型訪問其對(duì)應(yīng)的硬件通道；I/O電氣線纜和對(duì)應(yīng)端子，便于連接物理實(shí)物；具有軟件升級(jí)功能，與Matlab的較新版本緊密配合。

2.2 Simulink模型的模塊設(shè)計(jì)

首先為系統(tǒng)所需的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了伺服算法，也稱為固件。該固件模型粗略分為兩層，包括框架模塊、功能模塊和硬件層模塊。運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)劃分為框架模塊與功能模塊，功能模塊間不能直接傳遞數(shù)據(jù)，而是通過框架模塊傳遞，框架層負(fù)責(zé)功能模塊的調(diào)度并管理數(shù)據(jù)。該固件模型的功能如圖4所示。

軌跡模塊用來產(chǎn)生軸所要運(yùn)動(dòng)的軌跡。它在起始點(diǎn)與終點(diǎn)之間計(jì)算出了一系列不同的設(shè)置點(diǎn)(位置、速度和加速度)，這些設(shè)置點(diǎn)按照每個(gè)采樣周期進(jìn)行分配，并送給控制器。單個(gè)設(shè)置點(diǎn)按照每個(gè)采樣周期等距設(shè)置位置差，然后在指定的采樣周期計(jì)算范圍內(nèi)到達(dá)給定位置；伺服控制器接收來自設(shè)置點(diǎn)生成器的設(shè)置點(diǎn)信息和測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際位置信息，并計(jì)算得到兩者的位置差。該位置差作為伺服控制算法的輸入，并計(jì)算得到執(zhí)行器系統(tǒng)的力/速度設(shè)定值。

執(zhí)行器系統(tǒng)的主要任務(wù)是解耦和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。軸之間的交叉耦合在這部分進(jìn)行解耦，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換則是將邏輯坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為物理坐標(biāo)值時(shí)引起的力/速度的重 新分配；測(cè)量控制主要包括傳感器接口，即將傳感器原始測(cè)量值(bit)，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的位置信息；測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)傳感器測(cè)量的實(shí)際位置值，計(jì)算當(dāng)前的邏輯坐標(biāo)值。硬件模塊中的時(shí)序控制是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，讓軟件、硬件模塊運(yùn)行在一定的中斷周期上，并和對(duì)應(yīng)的狀態(tài)/控制寄存器密切相關(guān)。

在信號(hào)處理器DSP和可編程邏輯器件的組合電路板MCB中下載相應(yīng)的固件，并由可編程邏輯器件按照一定的時(shí)序進(jìn)行邏輯處理和物理通信。

2.3 虛擬Plant設(shè)計(jì)

以平行的雙電機(jī)控制的運(yùn)動(dòng)軸為例，進(jìn)行被控對(duì)象Plant的動(dòng)力學(xué)建模。首先確定虛擬運(yùn)動(dòng)臺(tái)Plant的在整體控制中的位置和作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)性能要求進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，搭建simulink的控制分析模型，結(jié)合傳統(tǒng)的PID+前饋+反饋的控制方法，對(duì)多自由度的運(yùn)動(dòng)臺(tái)進(jìn)行仿真建模，從而初步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性和性能的初步仿真分析。然后需要借助以上分析進(jìn)行嵌入式平臺(tái)的固件移植和虛擬Plant的代碼移植，固件中主要包括了軌跡生成、控制算法、執(zhí)行器輸出和測(cè)量反饋等主要功能模塊，固件輸出的物理軸的出力作為Plant的輸入，經(jīng)過動(dòng)力學(xué)分析轉(zhuǎn)換成位移和加速度等數(shù)據(jù)輸出，如圖5（a）所示。模擬Plant和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)密切配合，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，逐步達(dá)到機(jī)電聯(lián)合仿真的效果。

其次，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)框圖設(shè)計(jì)，兩個(gè)X向電機(jī)對(duì)稱分布，結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)指標(biāo)完全一樣，電機(jī)動(dòng)子定子假設(shè)成一個(gè)剛體，底面、上表面和側(cè)面是由一定氣模間隙的氣浮來支撐，假設(shè)成對(duì)稱的彈簧阻尼系統(tǒng)，在邏輯軸X、Rz方向有電氣限位、機(jī)械限位，同時(shí)兩個(gè)對(duì)稱分布的光柵尺進(jìn)行高精密測(cè)量，經(jīng)過測(cè)量轉(zhuǎn)換成邏輯軸X、Rz的測(cè)量反饋，從而為動(dòng)力學(xué)建模建立了初步框架，如圖5（b）所示。

最后是模型的搭建和c代碼的具體實(shí)現(xiàn)。物理軸有X1，X2兩個(gè)電機(jī)軸，共有X、Rz兩個(gè)邏輯自由度。根據(jù)上述廣義坐標(biāo)定義，構(gòu)建其運(yùn)動(dòng)微分方程：

其中P表示某一坐標(biāo)系下的姿態(tài)變量，Q=(X，Rz)，其中X，Rz為兩個(gè)自由度的位移和姿態(tài)。其中M，C，K分別表示質(zhì)量，阻尼和剛度系數(shù)矩陣，當(dāng)然還需要對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)增加科里奧利力補(bǔ)償。其中有些參數(shù)是根據(jù)設(shè)計(jì)模型計(jì)算得到的，有些是根據(jù)手冊(cè)查表得到的經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際測(cè)試時(shí)還需要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行修正。對(duì)應(yīng)的Simulink整體模型如圖5（c）所示，模型輸入為固件的輸出電流值等，輸出為運(yùn)動(dòng)位移、加速度等需要關(guān)注的變量。內(nèi)部動(dòng)力學(xué)模型為圖5（d）所示，該P(yáng)lant屬于MIMO多輸入多輸出系統(tǒng)，有相應(yīng)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣的計(jì)算，左側(cè)為力輸入，右側(cè)為位移輸出。

圖5 Plant總體設(shè)計(jì)圖

2.4 INI模塊設(shè)計(jì)

由于采用TCP/IP等常規(guī)通信協(xié)議，則通信速率較低，從而影響伺服周期為200μs的實(shí)時(shí)性，所以設(shè)計(jì)采用專用高速協(xié)議。該協(xié)議數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)2G Bytes/s，協(xié)議開銷小，適合小包傳輸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)。

利用目標(biāo)機(jī)的對(duì)應(yīng)模塊和另外一端的可編程模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。如圖6所示，上面模塊為INI設(shè)置，下面模塊為INI服務(wù)程序，最右側(cè)為數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖6 INI控制通信

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為例，MCB中的嵌入式軟件已經(jīng)具備的情況下，上位機(jī)驅(qū)動(dòng)層發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，然后數(shù)據(jù)通過專用協(xié)議傳輸給目標(biāo)機(jī)；目標(biāo)機(jī)和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行TCP/IP通信，實(shí)時(shí)在界面監(jiān)控，并可以外掛顯示器來實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前目標(biāo)機(jī)的狀態(tài)。

首先目標(biāo)機(jī)內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，產(chǎn)生一定的位移，在MCB中的控制器中可以觀察誤差曲線以及輸出力的大小。然后根據(jù)目標(biāo)機(jī)內(nèi)的.out文件、數(shù)據(jù)監(jiān)控存儲(chǔ)文件等，采用專用數(shù)據(jù)監(jiān)控插件“數(shù)據(jù)檢查器”可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所需要的數(shù)據(jù)。

最后根據(jù)監(jiān)控德數(shù)據(jù)和波形，比較Matlab的仿真模型，在線優(yōu)化PID被控對(duì)象Plant的質(zhì)量、阻尼以及剛度參數(shù)等。

3.2 試驗(yàn)分析

該系統(tǒng)覆蓋了多種硬件、軟件。經(jīng)過試用，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)專門的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用Matlab將該系統(tǒng)的控制對(duì)象模型在S目標(biāo)機(jī)中模擬。但是，該系統(tǒng)功能還需要進(jìn)一步擴(kuò)展。該目標(biāo)機(jī)目前只能運(yùn)行虛擬運(yùn)動(dòng)臺(tái)，控制實(shí)際的測(cè)試臺(tái)還要配置專門的驅(qū)動(dòng)機(jī)箱。運(yùn)動(dòng)控制板卡接收到測(cè)試軟件下發(fā)的參數(shù)后，虛擬運(yùn)動(dòng)臺(tái)在S目標(biāo)機(jī)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。

如圖7所示，左側(cè)為S目標(biāo)機(jī)環(huán)境下正弦波的輸入力/電流和位移姿態(tài)數(shù)據(jù)，右側(cè)部分為嵌入式軟件變量和寄存器的數(shù)據(jù)。優(yōu)化調(diào)整輸入?yún)?shù)以及被控對(duì)象Plant的內(nèi)部參數(shù)，可以進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試，判斷運(yùn)動(dòng)伺服是否穩(wěn)定以及穩(wěn)定的快速性等特征，進(jìn)而用于驗(yàn)證建模的準(zhǔn)確性、控制輸入的合理性等。

4 結(jié)束語

目標(biāo)機(jī)在快速控制原型開發(fā)和HIL硬件在環(huán)測(cè)試中，可以快速在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證各種控制算法，具有開發(fā)周期短、迭代時(shí)間短、快速獲取結(jié)果等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)基于Simulink模型設(shè)計(jì)，編譯簡(jiǎn)便。在雙電機(jī)控制的兩自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中可以較好地說明類似特點(diǎn)，但實(shí)際工況要復(fù)雜得多，建模的準(zhǔn)確性有待提高，如：參數(shù)的準(zhǔn)確性、不同自由度之間的串?dāng)_、電機(jī)磁槽力、系統(tǒng)阻尼以及外界引入的噪聲等，還需要在實(shí)際場(chǎng)景中優(yōu)化調(diào)試。

圖7 數(shù)據(jù)監(jiān)控