半物理仿真系統及模型的試驗分析

趙立華，李 博，丁彥杰，步 石，陳國興

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

1 仿真設計的現狀

1.1 仿真設備的現狀

隨著大型設備的開發難度越來越大，周期越來越長，投產前為了驗證系統設計的可行性、準確性和可靠性，需要進行實時系統仿真，包括快速原型開發設計和硬件在環仿真，既提高了設計效率和準確性，又可對設備性能進行測試和評估。半物理仿真目標機，歐洲品牌居多，在交通設備或工具行業應用較多，如：汽車產業、航天和軌道交通領域，其產品都是基于Matlab-simulinkRT，包括目標機CPU、I/O板卡以及驅動軟件包等。有的品牌硬件配置好，驅動接口多，模塊性較好，而有的品牌軟件功能實力強，產品模塊性較差。國內也有定制化開發的模塊在得到更多的應用。

1.2 仿真設計應用

仿真目標機既可以作為快速控制原型開發，也可以作為硬件在環仿真分析，如圖1、圖2所示，可以快速地在現實環境中驗證控制方案設計，結果獲取迅速，迭代時間短。

圖1 快速控制原型

圖2 硬件在環仿真

工程上從需求的提出到系統集成的全部過程中，可以看到不同階段中仿真機的具體應用，V型開發流程如圖3所示，包括系統需求（仿真）、系統設計（RCP快速控制原型）、軟件設計（目標機的快速原型）軟以及件編碼（產品代碼生成）等步驟。其中RCP屬于目標機參與的快速控制原型；然后再從編碼（軟件在環）、軟件集成（處理器在環）、硬件/軟件集成、硬件在環測試HIL，一直到系統集成完畢。

圖3 V型開發流程

本文主要介紹硬件在環測試。采用專用控制器，內部需要包括驅動軟件和相應的固件，目標機模擬被控對象Plant、Simulink Real-Time和實時目標機協同工作，可以快速實現系統開發。

2 仿真模型設計

2.1 Matlab插件和仿真驅動模塊

該模型設計是基于新型半物理仿真目標機設計的，該目標機具有較高的配置，采用多核高速CPU；并支持FPGA的實時運行。另外通用的Matlab編譯環境，便于文件生成和下載到目標機；對應插件、Simulink Real-time與該目標機相關；I/O實時模塊，驅動和支撐的硬件板卡，便于模型訪問其對應的硬件通道；I/O電氣線纜和對應端子，便于連接物理實物；具有軟件升級功能，與Matlab的較新版本緊密配合。

2.2 Simulink模型的模塊設計

首先為系統所需的運動設計了伺服算法，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。運動伺服系統的每個環節劃分為框架模塊與功能模塊，功能模塊間不能直接傳遞數據，而是通過框架模塊傳遞，框架層負責功能模塊的調度并管理數據。該固件模型的功能如圖4所示。

軌跡模塊用來產生軸所要運動的軌跡。它在起始點與終點之間計算出了一系列不同的設置點(位置、速度和加速度)，這些設置點按照每個采樣周期進行分配，并送給控制器。單個設置點按照每個采樣周期等距設置位置差，然后在指定的采樣周期計算范圍內到達給定位置；伺服控制器接收來自設置點生成器的設置點信息和測量系統的實際位置信息，并計算得到兩者的位置差。該位置差作為伺服控制算法的輸入，并計算得到執行器系統的力/速度設定值。

執行器系統的主要任務是解耦和坐標轉換。軸之間的交叉耦合在這部分進行解耦，坐標轉換則是將邏輯坐標值轉換為物理坐標值時引起的力/速度的重 新分配；測量控制主要包括傳感器接口，即將傳感器原始測量值(bit)，轉換為實際的位置信息；測量系統根據傳感器測量的實際位置值，計算當前的邏輯坐標值。硬件模塊中的時序控制是根據系統設計的需要，讓軟件、硬件模塊運行在一定的中斷周期上，并和對應的狀態/控制寄存器密切相關。

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

2.3 虛擬Plant設計

以平行的雙電機控制的運動軸為例，進行被控對象Plant的動力學建模。首先確定虛擬運動臺Plant的在整體控制中的位置和作用，對于結構組成和系統性能要求進行簡要分析，搭建simulink的控制分析模型，結合傳統的PID+前饋+反饋的控制方法，對多自由度的運動臺進行仿真建模，從而初步驗證了結構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行嵌入式平臺的固件移植和虛擬Plant的代碼移植，固件中主要包括了軌跡生成、控制算法、執行器輸出和測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，經過動力學分析轉換成位移和加速度等數據輸出，如圖5（a）所示。模擬Plant和機構設計密切配合，不斷優化設計，逐步達到機電聯合仿真的效果。

其次，進行動力學框圖設計，兩個X向電機對稱分布，結構和驅動指標完全一樣，電機動子定子假設成一個剛體，底面、上表面和側面是由一定氣模間隙的氣浮來支撐，假設成對稱的彈簧阻尼系統，在邏輯軸X、Rz方向有電氣限位、機械限位，同時兩個對稱分布的光柵尺進行高精密測量，經過測量轉換成邏輯軸X、Rz的測量反饋，從而為動力學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代碼的具體實現。物理軸有X1，X2兩個電機軸，共有X、Rz兩個邏輯自由度。根據上述廣義坐標定義，構建其運動微分方程：

其中P表示某一坐標系下的姿態變量，Q=(X，Rz)，其中X，Rz為兩個自由度的位移和姿態。其中M，C，K分別表示質量，阻尼和剛度系數矩陣，當然還需要對旋轉運動增加科里奧利力補償。其中有些參數是根據設計模型計算得到的，有些是根據手冊查表得到的經驗值，實際測試時還需要適當的進行修正。對應的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，輸出為運動位移、加速度等需要關注的變量。內部動力學模型為圖5（d）所示，該Plant屬于MIMO多輸入多輸出系統，有相應的質量、剛度和阻尼矩陣的計算，左側為力輸入，右側為位移輸出。

圖5 Plant總體設計圖

2.4 INI模塊設計

由于采用TCP/IP等常規通信協議，則通信速率較低，從而影響伺服周期為200μs的實時性，所以設計采用專用高速協議。該協議數據帶寬可達2G Bytes/s，協議開銷小，適合小包傳輸、實時性強的嵌入式系統。

利用目標機的對應模塊和另外一端的可編程模塊進行實時通信，確定傳輸的數據格式，并進行實際測試。如圖6所示，上面模塊為INI設置，下面模塊為INI服務程序，最右側為數據監控。

圖6 INI控制通信

3 仿真實驗分析

3.1 試驗設計

以雙電機驅動的運動平臺為例，MCB中的嵌入式軟件已經具備的情況下，上位機驅動層發送運動指令，然后數據通過專用協議傳輸給目標機；目標機和上位計算機進行TCP/IP通信，實時在界面監控，并可以外掛顯示器來實時顯示當前目標機的狀態。

首先目標機內的動力學模型進行運動仿真，產生一定的位移，在MCB中的控制器中可以觀察誤差曲線以及輸出力的大小。然后根據目標機內的.out文件、數據監控存儲文件等，采用專用數據監控插件“數據檢查器”可以實時監控所需要的數據。

最后根據監控德數據和波形，比較Matlab的仿真模型，在線優化PID被控對象Plant的質量、阻尼以及剛度參數等。

3.2 試驗分析

該系統覆蓋了多種硬件、軟件。經過試用，該系統能夠實現專門的運動軌跡，利用Matlab將該系統的控制對象模型在S目標機中模擬。但是，該系統功能還需要進一步擴展。該目標機目前只能運行虛擬運動臺，控制實際的測試臺還要配置專門的驅動機箱。運動控制板卡接收到測試軟件下發的參數后，虛擬運動臺在S目標機運行正常，數據傳輸正常。

如圖7所示，左側為S目標機環境下正弦波的輸入力/電流和位移姿態數據，右側部分為嵌入式軟件變量和寄存器的數據。優化調整輸入參數以及被控對象Plant的內部參數，可以進行硬件在環測試，判斷運動伺服是否穩定以及穩定的快速性等特征，進而用于驗證建模的準確性、控制輸入的合理性等。

4 結束語

目標機在快速控制原型開發和HIL硬件在環測試中，可以快速在現實環境中驗證各種控制算法，具有開發周期短、迭代時間短、快速獲取結果等優勢；同時基于Simulink模型設計，編譯簡便。在雙電機控制的兩自由度運動平臺中可以較好地說明類似特點，但實際工況要復雜得多，建模的準確性有待提高，如：參數的準確性、不同自由度之間的串擾、電機磁槽力、系統阻尼以及外界引入的噪聲等，還需要在實際場景中優化調試。

圖7 數據監控