xPC技术的半实物仿真平台人机界面构建
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ISSN 1002-4956 CN11-2034/T实验技术与管理Experimental Technology and M a n a g e m e n t第38卷第3期202丨年3月Vol.38 N o.3Mar. 2021D O I:10.16791/j.c n k i.s j g.2021.03.031无人机飞行控制半实物仿真系统设计与实现吕永玺,屈晓波,史静平(西北工业大学自动化学院,陕西省飞行控制与仿真技术重点实验室,陕西西安710072 )摘要:为保证无人机飞行试验的安全性,提升无人机飞控系统设计的可靠性,自主研发了无人机飞行控制半实物仿真系统。
结合准确的无人机6自由度非线性数学模型和x P C实时系统模块模拟生成无人机飞行状态信息,根据地面站控制指令、传感器故障模注人指令解算获得不同飞行模式和飞行状态下的舵面偏转量,实现了实时系统闭环反馈控制,并驱动舵面偏转检验控制系统的响应速度。
该系统不仅能验证飞控系统的逻辑性和实时性,而且借助虚拟现实技术和航迹地图显示,具备在线整定控制律参数的功能。
该系统模块化程度高,相关硬件和软件对无人机平台和飞控计算机通用性广,依据多平台实验和多架次试飞的实验流程实用性强,为无人机飞控系统开发提供了切实可行、高效可靠的途径。
关键词:飞行控制;实时系统;虚拟现实;在线调参;故障注人中图分类号:V249文献标识码:A文章编号:1002-4956(2021)03-0153-05Design and realization of hardware-in-the-loop simulationsystem for UAV flight controlLYU Yongxi,〇U Xiaobo,SHI Jingping(S h a a n x i P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f Flight Control a n d S i m u lation T e c h n o l o g y, S c h o o l o f A u t o m a t i o n,N o r t h w e s t e r n Polytechnical University, X i'a n 710072, C h i n a)Abstract: T o e n s u r e the safety o f U A V flight test a n d i m p r o v e the reliability o f U A V flight control s y s t e m design,the U A V flight control h a r d w a r e-i n-t h e-l o o p s i m u l a t i o n s y s t e m is i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d.T h e flight statei n f o r m a t i o n o f U A V is g e n e r a t e d b y c o m b i n i n g the a c c u r a t e 6-D O F n o n l i n e a r m a t h e m a t i c a l m o d e l o f U A V a n dx P C real-time s y s t e m m o d u l e. A c c o r d i n g to the g r o u n d station control c o m m a n d a n d s e n s o r fault m o d e injectionc o m m a n d, the deflection o f the control surfaces u nde r different flight m o d e s a n d flight states c a n b e obtained. T h ec l o s e d-l o o p f e ed b a c k control o f the real-time s y s t e m is realized, a n d the control surfaces are d r i v e n to test ther e s p o n s e s p e e d o f the control s y s t e m. T h e s y s t e m c a n not o n l y verify the logic a n d real-time p e r f o r m a n c e o f theflight control s y s t e m,b u t also h a s the function o f onli n e t u n i n g control l a w p a r a m e t e r s w i t h the h e l p o f virtualreality t e c h n o l o g y a n d track m a p display. T h e s y s t e m h a s a h i g h d e g r e e o f m o d u l a r i z a t i o n, a n d the related h a r d w a r ea n d s o f t w a r e are w i d e l y u s e d for the U A V p l a t f o r m a n d flight control c o m p u t e r.A c c o r d i n g to the e x p e r i m e n t a lp r o c e s s o f m a n y p l a t f o r m e x p e r i m e n t s a n d flight tests, the s y s t e m is practical, efficient a n d reliable for thed e v e l o p m e n t o f U A V flight control s y s t e m.Key words: flight control; real t i m e s y s t e m; virtual reality; o n line p a r a m e t e r a d j u s t m e n t; fault injection随着信息技术的发展和社会需求的增长,无人机 目标侦查与打击[4_5]等领域。
采用xPC Target技术的半实物仿真系统的设计引言由于压电陶瓷执行器(Piezoelectric Actuator,PZT)具有定位精度高、带宽大、响应时间快等优点,所以被广泛地应用于如超精密加工、半导体光刻等领域的精密定位系统中。
但是随着工业化生产对产率要求的不断提高,在满足定位精度要求的同时,对定位速度提出了越来越严格的要求。
如何实现快速而精确的定位控制,如何准确评价控制算法的性能显得尤为重要。
对于PZT定位精度控制的研究主要集中于逆模型的建立,无论是基于现象的Preisach模型,还是具有明确函数表达式的Duhem模型,都可以有效补偿迟滞与蠕变效应带来影响,获得高精度的定位控制。
对于定位速度控制的研究,无论是动态性能更好的压电器件的使用,还是点到点运动控制算法的优化与应用,都取得了高速度的定位控制。
基于现有的PZT,三阶轨迹规划方法可以获得高精度、高速度的控制效果。
由于三阶轨迹规划算法离散化迭代计算的时间因子为控制系统的单位伺服周期,而以往的非实时计算平台,无法提供分辨率足够小的伺服周期,也就无法保证在算法开发验证阶段对其性能进行评价的准确性。
xPC Target采用主机与目标机结合的方式,目标机运行的实时内核可以在足够短的时间内计算控制算法的仿真模型,为三阶轨迹规划算法的实时执行及性能评价提供了有效的途径。
本文建立基于xPC Target 的PZT微动控制半实物仿真平台,对PZT的微动控制算法进行研究与验证,以获得高精度、高速度的PZT微动控制。
1 系统硬件设计PZT 微动控制半实物仿真系统硬件结构如图1 所示,整个系统硬件结构由以下几个部分组成:处于用户层的宿主机、处于中间层的xPC Target目标机和处于执行器层的PZT 驱动/控制系统。
其中,宿主机采用PC机,运行Matlab/Simulink/RTW 环境,控制算法的Simu-link模型在此环境上开发设计、编译及下载到目标机中执行;仿真过程中由目标机运行xPC Target实时内核以及控制算法,目标机采用ADV ANTECH 公司的PWS-1409TP便。
基于xPC的光电平台系统半实物实时仿真黄显林;鲍文亮;卢鸿谦;李明明【摘要】为了便捷高效地设计和调试光电平台系统的稳定、跟踪控制算法,基于Matlab的xPC Target环境设计开发了半实物实时仿真系统.阐述了系统的总体设计方案,给出了系统软、硬件实现方法.通过半实物仿真,完成了平台的模型结构参数辨识,设计并测试了比例积分控制器、校正控制器和μ综合控制器.对半实物仿真系统进行摇摆实验以评估所设计的控制系统的视轴稳定精度.实验结果显示,校正控制器因其在低频段具有更高的增益从而使系统获得了最高的稳定精度,通过实验结果可有效地选择出扰动抑制特性最优的控制器设计.%In order to design and debug the stabilizing and tracking control arithmetic of an electro-optical platform system conveniently and efficiently, a hardware-in-the-loop simulation system was designed and implemented based on Matlab xPC target environment. The overall design of the system was presented, and the implementation of software and hardware was described. Through hardware-in-the-loop simulation, the model structure and parameter of the plant were identified, furthermore, proportional integral controller, correction controller, and μ synthesis controll er were designed and tested. Vibration experiments were carried out for every control system designed to evaluate the line-of-sight stabilization accuracy. Experimental results show that the correction controller, which has the maxium gain value in the low frequency band, makes the system achieve the highest stabilization accuracy. According to experimental results, the controller which has optimal disturbance attenuation is selected.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】7页(P19-25)【关键词】光电平台;惯性稳定;xPC目标;半实物仿真;μ综合【作者】黄显林;鲍文亮;卢鸿谦;李明明【作者单位】哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心,哈尔滨黑龙江150001;哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心,哈尔滨黑龙江150001;哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心,哈尔滨黑龙江150001;哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心,哈尔滨黑龙江150001【正文语种】中文【中图分类】TN209;TP275引言光电稳定跟踪平台是近年来发展迅速的一种新型实时图像侦察设备,其主要功能是隔离载体的运动使平台承载的光学传感器能够获得目标或目标区域稳定清晰的图像[1-2]。
xPC实时半物理仿真平台中并行执行模型的设计张云山【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)018【摘要】As the development of the information technology, single-core processor's operation speed and performance hardly satisfy experiment demands in xPC real time semi-physical simulation. In single-core processor target computer, the model based on serial execution method gradually appears bottleneck, the more complex model, the larger computational complexity. Apparently, single-core processor cannot fulfill needs. This paper gives a parallel execution model based on multi-core target machine, and the analysis of distribution of multi-core processor by profiling tool The contrast experiment in which the task did not allocated and the task has allocated verified establish concurrent execution model of necessity. Parallel execution model has been successfully adopted in the hardware-in-the-loop(HIL) simulation for certain Unmanned Aerial Vehicles (UAV).%随着信息技术的不断发展,在xPC实时半物理仿真平台中单核处理器的运算速度与性能已经不能满足实验需求。
基于xPC的飞行控制系统半实物仿真设计王晓东;董新民;姚崇【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2011(030)002【摘要】利用Matlab的xPC目标工具在仿真回路中引入飞控计算机、传感器等实物部件,设计了某型飞机飞行控制系统的半实物仿真系统.根据飞行控制系统的原理特点设计了数据采集卡与信号转换处理电路,并在VC 6.0环境下对系统软件进行了编制.仿真结果表明:该半实物仿真系统具有较高的仿真置信度和可靠度.%With the introduction of flight control computers, sensors and other physical components to the simulation loop, semi-physical simulation system of an type of aircraft is designed by xPC target tool of Matlab.Data acquisition card and signal transition and processing circuit are designed according to the principles and characteristics of flight control system. System software is programmed under VC 6.0. Simulation result shows that the semi-physical simulation system has high confidence level.【总页数】3页(P122-124)【作者】王晓东;董新民;姚崇【作者单位】空军工程大学,工程学院,陕西,西安,710038;空军工程大学,工程学院,陕西,西安,710038;空军第三飞行学院,辽宁,锦州,121000【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.基于xPC的视觉制导半实物仿真快速开发方法 [J], 王安;黄哲志;曾庆华2.基于LabWindows和xPC的半实物仿真平台人机界面构建 [J], 郭美军;华宇;高媛媛;3.基于LabWindows/CVI的xPC技术半实物仿真平台实时控制软件 [J], 郭美军;许龙霞;高媛媛;陈金凤4.基于LabWindows/CVI的xPC技术半实物仿真平台实时控制软件 [J], 郭美军;许龙霞;高媛媛;陈金凤;5.基于xPC的光电平台系统半实物实时仿真 [J], 黄显林;鲍文亮;卢鸿谦;李明明因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
构建基于XPC 目标的实时仿真测试系统张江滨,姚 辉,杨晓萍(西安理工大学水利水电学院,陕西西安 710048)摘 要 利用MATLAB 提供的Simulink 、RT W(Real Time Workshop)、XPC Target 等工具箱及I/O 硬件,可以很容易实现数学模型的建立、可执行程序的生成、宿主机!目标机的通信连接以及与外部实物的数据交换,构成基于双机模式的实时仿真测试系统,进行半实物仿真,来实现控制系统的快速原型化、硬件在回路中的测试、控制器的算法选择和参数优化、信号波形的跟踪显示等功能.文中详细介绍了如何基于XPC Target 环境构建实时仿真测试系统.关键词 实时仿真;半实物仿真;XPC 目标;测试系统中图分类号:T P39 文献标识码:B 文章编号:1000 0860(2005)01 0070 04A real time simulation testing system based on XPC TargetZHANG Jiang bin,YAO H ui,YANG Xiao ping(I nstitute o f W ater R esources and Hydr oelectric Power,Xi an U niversity of T echnolo gy,Xi an 710048,Shaanx i,China)Abstract:T he development of mathematics model,the generation of executive program,the communication betw een host PC and targ et PC and the data exchange w ith outer matters ar e easy to be realized w ith the toolbox es o f simulink,RT W(Real T ime Workshop)and X PC T arg et in M AT L AB and I /O hardware,w ith w hich the real time simulation testing system based on double PC model can be established to prov ide the functions such as r apid prototyping o f a control system,the hardware testing in the circuit,the selection of algorithm and the parameter o ptimizat ion of controller and the track and display of signal w aves t hrough hardw are in the loop simulation concerned.How a real time simulation testing system is established based on XPC T ar get is g iv en in details hereinafter.Key words:real time simulation;har dware in the loop simulat ion;XP C T arget;testing system收稿日期:2004 09 10作者简介:张江滨(1962!),男,陕西泾阳人,教授1 引 言MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言,它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体,具有极高的编程效率.特别是利用Simulink 工具箱中丰富的函数库可以很方便地构建数学模型,并进行非实时的仿真.而XPC 目标是Math Works 提供一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC 机解决途径.为了提高系统实时仿真的能力,XPC 目标采用了宿主机!目标机的技术途径,两机通过网卡连接,以TCP/IP 协议进行通信.宿主机用Simulink 建立模型,进行仿真前的参数配置,然后用RTW 和一个VC 编译器将模型编译为一个可执行文件下载到目标机.目标机通过软盘启动XPC Target 实时内核,运行从宿主机下载的RTW 生成的目标应用程序,通过I/O 通道与外部实物进行数据交换,最终实现半实物的实时仿真测试.在XPC 目标环境下,可以从M ATLAB 中使用命令行或XPC Target 的图形交互界面对程序的执行进行控制.在程序执行期间,可以交互地在线调整模型参数,信号绘图功能可以使人动态地观察信号波形,实现数据可视化和信号跟踪.如果目标机有监视器,则可以使用XPC 目标的目标管理器功能在目标机上直接观察信号和目标机的各种状态信息.2 基于XPC 目标的宿主机!目标机模式XPC 目标工作模式如图1所示.其具有如下特水利水电技术 第36卷 2005年第1期点:(1)两机可通过RS 232或TCP/IP 协议进行通信,也可通过局域网、Internet 进行连接;(2)支持任何台式PC 机、PC/104、CompactPCI 、工业PC 或SBC(单板机)作为实时目标系统;(3)依靠处理器的高性能水平,采样率可达到100kH z;(4)扩展了I/O 驱动设备库,现已支持超过150种标准I/O 板;(5)可以得到来自主机或目标机的信号,也可以动态调整参数;(6)在宿主机和目标机上都可进行交互式的数据可视化和信号跟踪;(7)使用XPC Target Embedded Option 能针对独立操作进行系统配置.图1 XPC 目标双机模式3 系统的硬件连接在XPC 目标的半实物仿真中,主要通过数据采集卡来实现计算机和外部设备的连接,既需要通过数据采集卡的A/D 接口从外部模拟设备采集数据送到目标机,也需要通过D/A 接口将目标机的计算结果送往外部模拟设备.3 1 采用XPC 目标提供的I/O 设备XPC 目标提供了支持超过150种标准I/O 板的I/O 驱动设备库.XPC 目标所提供的D/A 、A/D 、DI 、DO 等模板,它实际上是为不同的板卡提供不同的驱动程序.在应用中,将所用到的I/O 设备对应的模板拖入模型中,进行采集卡的参数设置(如通道数、电压范围、采样时间、基地址等),并在实际仿真测试系统中接入相应板卡.在编译模型文件时,其中的板卡的信息就会被编译为可执行代码,下载到目标机上后,目标就通过数据采集卡和外部设备建立了联系,构成实时仿真测试回路.在仿真过程中可以从这些板上输入输出数据,以进行半实物仿真.本文目标机安装的是研华公司(Advantech)的PCL 711B 和PCL 728数据采集卡.3 2 采用其他I/O 设备如果没有采用XPC 目标提供的I/O 设备,则需自己编写设备驱动程序,这时可参考x pcblocks 文件夹下的各种设备驱动程序模块的源代码来编写程序,并存为filename.c,然后在MATLAB 命令窗口输入命令:mex filename.c,MAT LAB 自动调用编译器生成mex 动态连接库文件filename.dll,并将其设置到M AT LAB 的搜索路径中,最后将文件封装成一个s function 模块,进行参数设置即可.4 目标启动盘的制作目标机必须通过特制的软盘启动才能调用和运行XPC 目标的实时内核.在安装了XPC 目标软件和网络通信硬件后,就可以设置宿主机和目标机的环境属性,进行目标启动盘的制作.本文的宿主机和目标机都安装了网卡,中间通过Hub 连接.将软盘插入宿主机的软驱,在MATLAB 命令行输入x pcsetup,出现XPC T arget Setup 对话框,就可以进行宿主机和目标机环境属性设置.最后单击BootDisk 按钮,就可完成目标启动盘的制作.5 仿真模型的构建根据实际测试要求可在Simulink 环境中方便地构建模型.本文以发电机励磁测试系统为例,用Simulink 提供的发电机和负荷模型代替现实中复杂的电力系统,忽略调速器,以一常数代替.在XPC Tar get/Block Library 的A/D 库中拖动研华公司(Advan tech)的PCL 711B(在目标机上已经安装了PCL 711B 数据采集卡)作为励磁电压的数字输入通道,采用PCL 728作为发电机A 相电压的模拟输出通道.这样通过数据采集卡就可以很方便地与实际的励磁控制器结合起来,进行控制器的闭环实时仿真测试.因为PCL 728的D/A 输出范围为-5~+5V,为了使A 相电压在这一范围完整地输出,可在电压测量元件输出端口加适当的比例环节.同时,如果要测量其他参数,可在发电机m_pu 端口加入测量模块Measurem ent De mux,可对发电机的三相电流、角速度、输出功率等参数进行观察.Simulink 模型如图2所示.6 XPC 目标应用程序的创建和下载6 1 仿真参数的设置在Simulink 模型中,仿真和实时运行参数都可在Simulation Parameters 对话框中设置,主要包括Solver 、Workspace I/O 、Diagnostics 、Real Time Work张江滨,等∀构建基于XPC 目标的实时仿真测试系统图2 Simulink 模型sho p 等4个下拉菜单的参数设置 6 2 创建和下载XPC 目标应用程序仿真参数设置完毕后,同时通过启动盘启动目标机的实时内核,在Simulink 窗口中选择Tools \RealT im e Workshop \Build Model 命令,就可对Simulink 模型进行编译、链接生成可执行的目标应用程序,并将其下载到目标机.7 在实时仿真测试系统中运行XPC 目标应用程序7 1 信号输入、输出信号的输入、输出通过采集卡的I/O 通道实现 在PCL 711B 数据采集卡的A/D 通道接入励磁电压作为输入信号,PCL 728的D/A 通道输出发电机A 相电压 数据采集卡的D/I 、D/O 可为数字量提供输入输出,然后运行XPC 目标应用程序.7 2 信号跟踪(1)使用Xpcscope 进行信号跟踪.当XPC 目标应用程序下载到目标机后,在Matlab 命令行输入Xpc scope,在宿主机上出现管理器窗口(Manager),根据需要可决定示波器的个数和选择要跟踪的信号,这样就可进行多示波器窗口和多信号的跟踪显示.如图3所示为某一仿真时间段信号跟踪波形,图3中水平线为PCL 711B 数据采集卡励磁电压输入信号,曲线为PCL 728数据采集卡输出发电机A 相电压信号.图中横坐标为仿真时间t ,纵坐标为电压U.图3 不同励磁电压下发电机A 相电压跟踪波形(2)使用Xpctgscope 进行信号跟踪.在M ATLAB 命令行输入Xpctg scope,在目标机的监视器上出现示波器窗口同样可进行多示波器窗口和多信号的跟踪.(3)使用MAT LAB 命令进行信号跟踪.使用XPC 目标提供的函数生成目标Scope 对象,对信号进行选择和观察.7 3 XPC 目标应用程序的参数调整(1)使用MATLAB 命令进行参数调节.可使用M ATLAB 函数来改变模块的参数,不需重新创建模型的目标应用程序,就可改变程序的参数.(2)使用Simulink 外部模式在线调节参数.使用Simulink 外部模式下,在Simulink 外部模块图的任何位置改变参数,Simulink 都将改变后的参数自动下载到正在运行的目标应用程序中.根据信号跟踪波形可随意改变模型参数检验励磁控制器的调节效果,也可实时地测试控制器的控制算法,参数设计,直至得到满意效果.如图3为不同励磁电压的信号跟踪波形图.7 4 数据存储在环境下,进行信号跟踪的同时也可对所跟踪信号实现数据存储,供以后分析处理.在Xpcscope 中选择要跟踪的信号,然后单击Ex port 选项,这时在M ATLAB 的WORKSPACE 中就会自动生成MAT 文件.这里可记录任意时间段的任意个(如500)信号数据,这样就可很方便地对测试结果进行分析、处理.7 5 数据分析在测试中所采集的实时数据是分析的依据,利用M ATLAB 提供的图形编辑模块GU I,按照测试要求很容易编写友好的用户界面,并根据MAT 数据文件绘制试验曲线、打印报表等,进行数据分析.试验测得的数据可以通过各个试验模块进行分析处理.8 结 语本文详细介绍了基于XPC 目标构建实时仿真测试系统的方法.利用XPC 目标提供的I/O 驱动设备库,很容易与硬件结合起来,使用标准的PC 硬件和现成的I/O 接口板,XPC 目标提供了一个构建理想的低价高效的半实物仿真测试系统的途径.这种设计方法使得系统设计者充分利用了Simulink 提供的工具箱和函数库,进行数学建模,然后通过RTW 将Simulink 模块图自动转换为对应的C 代码,并下载到目标机.这样,用户在设计阶段可以在硬件布置、编写产品控制软(下转第76页)张江滨,等∀构建基于XPC 目标的实时仿真测试系统经过艰苦的谈判,最后以#搁置争议,实施赶工∃的共识为前提采取赶工措施,保证截流目标的实现.虽然采取赶工措施需要付出一定的代价,但是按期截流从而保证按期发电所产生的社会效益、发电效益都是不可估量的,而且在建设资金到位的情况下,缩短工期,建设期贷款利息也会相应减少,工程总造价也就降低了.2 6 加强概算执行管理检查对照合同与概算执行情况,就是将合同的微观管理与概算的宏观控制相结合并统一起来.小浪底的概算很复杂,国家计委审批的概算项目划分都是按水利部水利工程概算编制办法的规定进行的,而实际施工时合同项目不可能完全与概算相对应.那么,要做好概算执行情况检查就应将审批的概算进行调整,这个调整是在项目总投资不变的情况下对概算项目根据实际标段划分情况进行调整,比如将概算中按总投资比例计算的临时设施费分摊到各单项工程中等.概算执行情况检查不能等到工程快完工时才开始,而是从工程一开工就要做,并且贯穿工程建设的全过程,这样能及时地发现问题并尽早解决.因为根据国家规定,在概算范围内,单项工程项目之间投资可以互相调剂.这样,通过合同与概算的随时对比,当发现某一项工程确实因地质条件变化等因素投资超出该项概算投资时,就应马上对其他项目进行检查,看其他项目是否有节余可以弥补超出的投资,如不能弥补,就要考虑动用预备费或其他办法.只有这样才能保证总投资不突破.小浪底在这方面做了大量工作,不仅是简单的对比,还进行了大量的分析工作,对超投资和节省投资的项目都进行原因分析,及时提出处理办法.2 7 用好用活政策,最大限度发挥投资效益建设项目投资控制的一个重要指标就是概算,而概算文件是一个政策性很强的文件,建设单位在执行期间既要严格执行又要充分发挥主动性,节约资金,发挥资金的最大效益.比如小浪底在特殊技术装备费、施工用房临时设施费等费用上就是在政策许可的范围内,采用了特殊的方法.特殊技术装备费,按过去的常规做法是建设单位按工程投资的规定比例拨付给施工企业,由施工企业自行配备特殊机械设备.但目前由于水电施工企业都比较困难,这部分费用很难保证专款专用,再加上随着合同项目分开后,这项费用分散给不同的承包商,承包商得到的专项费用就不算多了,没有能力购买大型的特殊设备.小浪底建管局于是将该项费用集中掌管,购买了许多大型设备,如大型吊车、平地机、重吨位的自卸汽车等.建设单位然后将这些设备租用给需要的承包商,租金用于设备的保养、修理或冲减工程投资等.这样既保证了工程建设需要,有节省了投资.(责任编辑 欧阳越)(上接第72页)件、模型的选择,控制算法或交付固定设计方案之前,进行半实物仿真测试,了解系统整体性能,优化系统参数,在设计的早期纠正设计缺陷.此方法特别适合模拟复杂现场实际情况进行动态仿真测试.根据所采集的实时数据,很容易进行数据分析,得出试验结果.与传统设计方法相比,具有开发周期短、费用低、效率高等特点.宿主机!目标机的双机连接方式可以通过多种方法实现,其具有较高的灵活性.参考文献:[1] 杨 涤,杨 旭,李立涛,等 系统实时仿真开发环境与应用 [M] 北京:清华大学出版社,2002[2] 李兴玮,叶 磊 基于M ATLAB/XPC Target构建实时仿真系统[J] 计算机仿真,2003,(8):113 114[3] 樊晓丹,孙应飞,李衍达 一种基于RTW的实时控制系统快速开发方法[J] 清华大学学报(自然科学版),2003,(7):895 898 [4] 吴天明,谢小竹,彭 彬 M AT LAB电力系统设计与分析[M] 北京:国防工业出版社,2004[5] 吴 剑,孙秀霞 采用M ATLAB中的XPC Target对硬件进行操作[J] 现代电子技术,2002,(4):59 60[6] 杨冠城 电力系统自动装置原理[M] 北京:中国电力出版社,1995(责任编辑 林雁庆)依法治水 加强水资源统一管理黄维华,等∀小浪底水利枢纽工程投资实践。
xPC技术的半实物仿真平台人机界面构建张建忠;刘永生;程明【摘要】用Matlab中的xPC技术作为硬件在回路测试工具,可以构建出廉价的半实物仿真平台.利用VisualC++中的基本类库MFC构建的对话框界面来调用xPC 中的API函数,开发出实时控制窗口,同时利用xPC技术和虚拟现实技术的结合,构建出能动态显示模型所代表对象的实时图形窗口.所构建的人机界面不仅增加了操作的方便性和可移植性,而且使得测试平台显得更加真实直观.通过基于xPC技术的风力发电半实物仿真平台人机界面的开发有效验证了上述方法.%An inexpensive hardware-in-the-loop test platform for wind power generation may be built based on Mat-lab xPC technology. This paper develops real-time control window by using Visual C++ MFC frameworks to call the API functions of the xPC. The real-time graphic window is constructed at the same time where the dynamic status of the objects represented by the model is displayed, by using the combination of the xPC and the virtual reality technology. The constructed human machine interface not only improves the convenience in operation and easy to transplant, but also makes the test platform more realistic and visual. A test platform for wind-power generation equipment with friend interface is established, and the described method is confirmed by the experimental results.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2012(048)025【总页数】5页(P67-71)【关键词】测试平台;半实物仿真;xPC技术;虚拟现实【作者】张建忠;刘永生;程明【作者单位】东南大学电气工程学院,南京210096;南瑞继保电气有限公司,南京211102;东南大学电气工程学院,南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM614ZHANG Jianzhong,LIU Yongsheng,CHENG Ming.Construction of human machine interface for xPC hardware-in-the-loop test puter Engineering andApplications,2012,48(25):67-71.发展可再生能源尤其是风能的利用,可以有效减少引起地球环境恶化的污染物排放,尤其是对于像中国、印度等尚处于工业化过程中的大国而言,利用清洁的、分布广泛的风能来获取能源,不仅能够满足城市和乡村持续发展所需要的能源保障,而且可促进相关产业和经济的发展。
近年来,随着风电机组的装机容量快速增长,世界各国加大了对风力发电技术的研究投入,以应对风力发电发展的最新趋势[1-2]。
风力发电装备的研究开发离不开实验室仿真测试平台技术的支持,Matlab软件是目前应用最为广泛的数学建模和仿真工具,为了能够克服纯粹的仿真模型带来的误差,提出了一种基于xPC技术的风力发电半实物仿真测试平台[3]。
Matlab提供的xPC是理想廉价的硬件在回路测试工具,它将Matlab/Simulink中的模型,通过RTW产生代码,下载到另一个PC机(即xPC目标机)上运行,把一台标准的PC机变成运行实时模型的快速原型目标机[4]。
但是,xPC的运行控制通常是在Matlab环境中输入指令语句实现,这样使得xPC不仅操作过程复杂,而且可移植性较差。
xPC目标API函数库提供的接口方式,可使用户通过调用API函数对目标机进行控制,观察信号和调整参数,利用高级编程语言调用相应的API函数创建控制窗口,可以脱离Matlab软件平台方便地实现对xPC目标机的相应操作。
人机界面的图形窗口可以采用虚拟现实技术,通过虚拟现实技术将真实世界的数据,通过软、硬件把它转化为计算机图形或者其他形式输出[5-6]。
通过xPC技术与Matlab的虚拟现实技术结合的接口,可以将仿真测试中的数据反馈的虚拟世界,来控制虚拟世界中事物的变化,以实现图形界面的开发。
本文主要研究基于xPC技术的风力发电半实物测试平台的人机界面的构建技术。
在Visual C++中生成基于MFC的对话框,通过其调用xPC目标的API函数库的相应函数实现相应的功能[7-8],从而构建出风力发电测试平台控制窗口。
利用虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,VRML)强大的三维建模功能在虚拟世界中构建出一个风力机模型,采用xPC技术使得控制模型在目标机上运行,并将控制信号反馈到宿主机的虚拟世界中的风机模型,从而可以在图形窗口中动态观测虚拟世界中风力机的变化情况。
对xPC目标机而言,通常只通过Target Scope功能观测信号;而对于一套完善的仿真实验平台来说,则需要一个友好的人机界面。
Matlab的虚拟现实工具箱提供了完整的工作环境,通过虚拟现实工具箱将Simulink模型随时间的变化以视景和图形化方式进行交互,以图形化的方式反映模型中对象之间的复杂作用,可以构建出人机友好的图形窗口[9]。
Matlab提供的VRML构造器—V-Realm Builder 2.0是一个综合的集成开发环境,它既提供了强大的三维物体的编辑功能,同时又简化了三维物体的创作过程。
V-Realm Builder 2.0的出现使得用户在建立复杂的三维模型时,可以摒弃大量的VRML代码的编写,使得虚拟世界三维模型的建立变得简单易行,大大提高了工作效率[10]。
利用VRML构造器提供的VRML语言接口,首先创建一个新的虚拟世界,再利用VRML构造器中的工具箱,通过缩放、旋转、移动模块搭建出一个虚拟风力机模型。
需要指出的是,在Simulink中驱动虚拟风力机的关键之一是设置虚拟世界交互的节点。
因此,在所建立的虚拟风力机中,可以通过vrnode对象获取和改变虚拟风力机的节点值[11-13]。
图1即为所搭建的虚拟风力机模型。
虚拟风力机的控制系统,主要包括对风力机叶片控制和风力机轮毂控制。
根据运动学可知,风力机叶片的旋转可以被认为是叶片的自转和位移的同时进行,即叶片不仅绕着中心(0,0,-1)轴自转,而且在自转的同时还发生叶片的位移。
叶片自身的旋转即位置角的不断改变,可以通过对叶片角速度的积分,得出不同时刻叶片的位置角θ。
对于叶片的位移,可以理解为叶片的质点位置不断的发生变化。
不同时刻质点的坐标为(r sinθ,rcosθ,0 ),其中 r表示叶片的质点离中心轴的距离,并且由于风力机的三个叶片是对称,故三个叶片的初始角应相差120°。
图2即叶片旋转的动力学原理。
轮毂的旋转可以认为只包含自转,可以通过对角速度的积分,得出不同时刻轮毂的位置角。
图3所示为叶片和轮毂的控制系统模型。
虚拟现实工具箱是Matlab/Simulink中Simulink模型和虚拟世界的连接的接口,而Simulink中的To xPC Target模块和From xPC Target模块则可以实现目标机和宿主机之间的数据交互。
这样,用户既可以通过参数下载来改变目标机的运行参数,也可以通过上传可视化数据到宿主机来实现目标应用程序系统的可视化模拟。
因此,利用From xPC Target模块上传可视化数据到宿主机,可以使虚拟现实技术与xPC技术相结合。
对于基于xPC技术的风力发电半实物仿真平台,应用虚拟现实技术构建出的用户图形窗口的方法是:首先将所需的控制信号标记为xPCTag()=控制信号名,再通过命令xpcsliface(“model_name”)生成所需From xPC Target模块。
From xPC Target模块作为宿主机与目标机的通信接口,可以将目标机中运行得到的数据反馈到宿主机中,从而驱动虚拟风力机运行。
图4所示为结合xPC控制虚拟风力机原理图。
在VRML构造器中创建一个独立的模型,将所需的From xPC Target模块添加到新的模型中,然后将虚拟风力机添加到VR Sink并选中所需的vrnode。
在目标机上运行控制模型,并将计算出的风叶与轮毂的实时位置通过From xPC Target模块传递给虚拟风力机,则可对虚拟风力机进行实时控制。
图5为结合xPC Target 模块的虚拟风力机控制模型图。
基于xPC技术的半实物仿真平台采用“双机”模式,如图6所示。
其中,宿主机用于风力发电系统模型的搭建,以及用于生成目标机使用的实时内核代码,通过以太网将宿主机与目标机连接起来,目标机则用于运行与风力发电系统模型相对应的实时内核应用程序。
宿主机和目标机的通信首先需要配置两者之间的通信环境,考虑到现在PC机已经很少配置软盘驱动器,为此目标机是通过虚拟软驱读取宿主机上配置的目标机启动代码,目标机启动后即在目标机与宿主机之间建立通信接口。
将叶片和轮毂的控制系统模型通过VC生成所需的dlm应用文件。
在宿主机中打开利用MFC编译得到的控制窗口软件,分别键入网络端口号、目标机IP地址、应用文件名称、采样时间、停止时间,在窗口中的操作区通过点击“链接”按钮,建立宿主机与目标机之间的联系,点击“下载”按钮将应用文件下载到目标机中,点击“运行”按钮即可控制仿真的运行。
从控制窗口中的信号显示对话框可以观测到风速以及风力机转速的变化情况,在图形窗口中可以观察到虚拟风力机模型随着风速的变化情况。
图7为风力发电半实物仿真平台运行时的控制窗口;图8为在目标机上实时显示的风叶和轮毂的位置图。
宿主机中的虚拟风力发电机模型运行后,可以依据目标机上传到宿主机中的风力机运行数据来实时控制虚拟风力机的运行,如图9所示。
为了能显示风力机的动态运行状态,将其中的一个叶片标记为红色,从图9可以观察到风力机的连续运行状况。