1、9 MATALAB 混合仿真平台控制算法的概述 MATALB 混合仿真平台，即为将硬件引入到仿真回路里的半实物仿真系统，可用于过程控制器的开发与测试。平台提供了三种控制器的嵌入方法，尤其能用 Matlab 语言编写，大大提高了平台的灵活性。为了建立过程控制混合仿真试验系统，必须解决 PC 机作为虚拟控制器设计环境的实现和在Windows 操作系统中实时控制的实现这两个问题。我们先详细阐述过程控制混合仿真试验系统的实现原理；最后介绍平台控制算法的嵌入方法，并通过实验仿真验证平台的有效性。 过程控制混合仿真平台实现原 理 ： (1)数值计算， MATLAB 提供了大约 600 多个数学和工程上常用
2、的函数。这些函数的数值运算是针对矩阵操作优化过的，可以使用它来代替底层编程语言。在保持同样性能的情况下，编程工作量非常小，数值计算采用了 LAPACK， BLAS， FFTW 等优秀数学函数库，使得计算效率得到进一步的提升。 MATLAB 包含的主要数学函数有线性代数和矩阵运算、傅立叶变换和统计分析、微分方程求解、稀疏矩阵运算以及三角和其他初等数学运算等；除此之外，随着 Matlab 的应用领域不断的扩大，补充了用于许多特定领域的函数。 (2）算法 开发，强大的计算能力，方便易用的编程语言和丰富的数学函数使 MATLAB 最适于用于算法开发工作。典型的应用包括：数据分析，信号处理，图像处理，系
3、统建模和高级算法研究等。不管用户是使用已有的算法，还是自行开发， MATLAB 提供了一个通用的平台。使用MATLAB 进行算法开发就像平时书写数学表达式一样。将用户在 MATLAB 中开发的算法结合到外部运行的系统中。一旦用户的算法和仿真经过了编写和调试， MATLAB Compiler 和 C/C+ Math Library 会将 MATLAB 应用自动转换成可移植 C 和 C+代码的工具。对于信号处理，控制系统设计和其他一些应用， MATLAB 工具箱提供了一系列先进的技术。工具箱远远超出了提供一些基本算法的范畴：他们提供了一个学习，研究，创新前沿理论和技术的舞台。提供的算法工具箱有 N
4、eural Network Toolbox、 Optimization Toolbox、System Identification Toolbox、 Robust Control Toolbox、 Model Predictive Control Toolbox、 Control System Toolbox， Fuzzy logic Toolbox 等。 (3）数据分析与可视化，通过 MATLAB，用户可以分析所有类别的数据包括信号，图像，多项式，时间历程，多变量数据和线性系统等。从分析中总结出来的结10 果可以作为将来进一步的算法和模型开发的基础。此外，用户可以快速地将代码片段和知识转换成
5、可以重复使用的自动分析例程，不需要变量声明和维数定义，可很快编写出程序。 MATLAB 提供了方便的数据访问工具。例如， Data Acquisition Toolbox 允许用户将实时的测量数据直接传送到 MATLAB 进行分析 ， Database Toolbox 允许用户访问符合 ODBC 和 JDBC 的数据库，而M 文件 ， C 和 Fortran 程序中的处理文本和二进制文件的 I/O 函数，则允许用户处理任何格式的数据。 MATLAB 和相关的工具箱包含了科学计算中需要的专业图形功能。从 2-D 原始数据的曲线图到带标记的等值线图和交互式的 GUI，这些工具提供了模型可视化的能力
6、，帮助用户理解复杂的系统。特别是 MATLAB 提供了对 3-D 标量和矢量可视化的能力，包括显示等值面和流图。这个能力使科学家和工程师们能够对大量、复杂和多维的数据进行 可视化。 Matlab 实时仿真环境， RTW 是 MATLAB 提供的一个实时开发环境，是 MathWork 系列软件的重要组成部分。 RTW 与 MATLAB 其他组成软件的无缝连接，既满足了设计者在系统概念与方案设计等方面的需求，也为系统的技术实现或完成不同功能的系统实时操作实验提供了方便，并且为并行工程的实现创造了一个良好的环境。它能直接从 Simulink 的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据目标配置
7、自动生成多种环境下的程序，在硬件上运行动态系统模型，同时还支持基于模型的调试。 使用 RTW 进行 实时硬件的设计测试，用户可以缩短开发周期，降低成本。当用户在 Simulink 环境下建模，并得到较满意的仿真结果后，就可将 RTW 与一个快速原型化目标（例如 RTWT 目标）联合使用。该快速原型化目标与用户的物理系统连接在一起。用户可使用 Simulink 模型作为连接物理目标的接口，完成对系统的测试。 RTW 的实现机制是一个复杂的过程，这里仅从 RTW 自动构建应用程序的过程这一方面进行分析。 RTW 生成应用程序的过程图 ( modle 为建立的simulink 模型的名称 )。 RT
8、W 构造应用程序的过程由一个 M-file 的命令来控制，对于大多数目标，缺省命令是 make.rtw。 其过程如下： 1.模型分析，首先分析 Simulink 模型，分析的过程包括以下一些主要任务 （ 1）数值化仿真参数和模框参数； （ 2）传递信号宽度和采样时间； 11 （ 3）确定模块中框图的执行次序； （ 4）计算工作向量的大小 (主要是针对 S-Functions 模框 )。 在这个过程中， RTW 读取模型文件 modle.mdl，然后把它编译为模型的内部描述。这个描述存储是与语言无关的 ASCII 文件，名称为 model.rtw。我们可以把这个文件看作是下 个过程的输入，它将会
9、在代码生成后被自动删除。 2.调用 TLC 程序来生成 C 代码，在这个阶段， TLC 把存储在 modle.rtw 中的内部模型描述转换为特定的目标代码。 TLC 是一种解释性的程序语言，设计这个程序语言的唯一的目的就是把模型描述转变成代码。在编译过程中TLC 执行包含多个目标文件 (TLC 脚本文件 )和 TLC 函数库的程序。目标文件分为两种：一种是系统目标文件，一种是模块目标文件。这些目标文件指定如何把 modle.rtw 用作输入，从 modle 中生成代码。 Real-Time Workshop 绑定了用于各种目标环境下的系统目标文件，图3.5 给出了所有可用的系统目标文件。在本系
10、统中，我们的目标环境是windows，选定的快速原型化目标为 RTWT，那么在构建程序前，指定 rtwin.tlc 作为我们在编译过程用到的 TLC 脚本文件。 3.生成定制 Makefile， 在这一步中，将产生定制的模板文件 (makefile )，文件名称是 model.mk.。生成的 makefi1e 用来指导 make utility 编译和链接模型，从而生成源代码。 RTW 是从一个系统生成模板 (system template makefile)中生成 modle.mk 的，这个模板文件名称是 system.tmf (syetem 是指被选择目标名称 )，例如在上一步中，我们选择
11、了 rtwin.tlc 作为我们的系统目标文件，那么同时也选定了一个叫做 rtwin.tmf 作为了我们的系统模板文件。模板文件 (makefile )允许用户定制编译器、编译器的选项和程序建立期间其他的信息，如果所用的编译器不同，那么 makefile 文件也将不同，例如当目标为 Windows 时，系统目标文件是 rtwin.tlc，但是如果用 visual CC+的 编译器时，系统模板文件就是 win_vc.tmf，而选用 watcom 时，系统的模板文件就是 win_watc.tmf。 molde.mk 只是 system.tmf 的一个拷贝，可以修改此文件来定制构建程序的过程。 RTWT(Real-Time Windows Target)是 MATLAB 提供和发行的一个基于 RTW 体系框架的附加产品，它可将 PC 机转变为一个实时系统，其目的是引入一种快速原型设计的方法，用于控制器的实时测试和开发。在这个环境里，一台 PC 机既作为宿主机，又作为目标机存在。对于 RTWT， Simulink 和所
