基于xPC-target的快速控制原型技术快速控制原型技术

團l-l V型ECU开发淹稈閨 该模式由五个阶段组成，每个阶段的作用如下 ： (1) 功能设计：根据汽车发动机的原理和实际驾驶要求，设计发动机 ECU的控制系统， 制定规范。这个阶段需要经验的积累和试验数据等作为参考。 (2) 快速控制原型：根据功能设计环节制定的发动机控制系统， 用软件设计控制系统模 型，实现控制系统的控制算法、 控制逻辑，经过模型仿真后， 对控制系统的指标和误差进行 评估。 (3) 目标代码生成：将快速控制原型设计好的控制系统模型生成 C语言或者其他语言 的代码，下载到实时计算系统以供进行实时仿真。 (4) 硬件在环仿真：硬件在环(Hardware in theL 。叩)环节是把己经烧录有模型代码的 ECU和实际的传感器、执行器等通过 F0接口连接，测试该 ECU在各种工况下的功能性和稳 定性。 (5) 标定、测试:通过硬件在环仿真环节修正的发动机控制器连接到真正的发动机台架 上的传感器、执行器以及生产完成汽车的发动机上， 进行台架试验和道路试验，对数据进行 标定，最后完成 ECU的设计开发。

第一种：自主研发。工程师根据自身的需求， 在软硬件方面自行设计：软件方面运用常见 的软件开发工具进行设计；硬件方面一般自行购买己经商品化的处理器和接口模块，比如美 国Nl公司的CRI09004嵌入式实时控制器和 cRIO FO接口板卡，组装构建自己所需的硬件在 环测试系统。清华大学设计了一套多处理器的硬件在环仿真系统，各个处理器共享存储器。 采用PC机作为宿主计算机为硬件在环仿真提供了方便易用的开发平台 ；该系统采用一个 32 位的浮点DSP处理器来计算发动机动态模型， 具有较快的计算速度；用80C552做芯片，设计 信号智能接口板，提高了系统的实时性能。 各处理器之间采用双口 RAM进行高速大数据量的 数据交换，实现了真正的并行处理。采用 VisualC++编程软件设计开发监控界面。

– 研究新的控制理论和方法
QStudioRP的功能和组成
• 功能
– 快速控制原型 – 半实物仿真 – 原理样机实物仿真
• 组成
– 高性能的PC – Quanser的Q8/Q4 HIL控制板卡 – Quanser的WinCon实时控制软件 – MATLAB/Simulink/RTW – Windows 2k/XP和VC＋＋ – Ardence RTX实时操作系统 – 原理样机实物(5DOF机器人、5DOF触觉并联机构、3DOF直
升飞机、2D地震台、2D陀螺稳定系统、激光束稳定性系统等 等)
QStudioRP的工作原理
快速控制原型/半实物仿真 原理样机实物仿真
实际控制器
RTX
实时控制软件WinCon
• 与Matlab/Simulink兼容 • 在Windows操作系统中实现硬实时特性 • 通过一台PC或多台PC联网方式进行实时控制 • 在MATLAB/Simulink中进行实时在线的参数调
• 直流马达的框架可以 沿着垂直轴随意旋转
• 控制器测量陀螺的偏 转角并以框架为基准 保持陀螺框架的视线 独立于未知的旋转
原理样机：平衡立方体
• 平衡立方体可以 在没有直接角度 测量的条件以立 方体任一条边保 持平衡
• 在立方体内部一 个被驱动的钟摆 用于对立方体施 加一个转矩
• 一个压电陀螺用 于检测立方体的 旋转速率
• 优点
– 大大缩短开发周期 – 在开发早期减少/消除可能的错误及缺陷，从而达到
节省开支，降低物耗的目的 – 提高新品对需求的适应性
半实物仿真(HIL)
• 定义
– 半实物仿真也称硬件在回路(HIL)的仿真，是指有实 物设备接入系统回路的仿真
• 特性

MATLAB／Simulink下实现实时一些方法总结总结了使用MATLAB/Simulink进行实时仿真时实现实时的几种方法，包括使用Real-time Workshop和编写S函数的方法，同时通过实验检验了C语言S 函数实时模块的功能。

经仿真测试表明，在对时间精度要求不是很高的过程进行实时仿真和分析时，可以得到较好的效果。

标签：实时；MATLAB/Simulink；Real-time Workshop；S函数1 概述仿真技术由于能省去了实物系统实现过程中的繁琐步骤，对问题的解决有着良好的针对性，因此给科研和试验提供了很大的便利[1-3]。

但另一方面，仿真由于对模型的依赖性，其结果并很难完全反映实际情况。

因此，为了得到更接近实际情况的结果，可采用将数学模型与物理模型或实物相结合半实物仿真[1，2]。

半实物仿真系统既包含虚拟对象，又包含实物对象，因此更真实地反映实际系统的动、静态特性和非线性因素。

由于有实物的接入，半实物仿真对实时性有着较高的要求。

Matlab/Smulink在控制理论研究中是一个很优秀的仿真软件，可方便地对控制算法或控制对象进行建模和仿真实验[2-8]。

在仿真情况下，仿真运行的时间取决于仿真机的运行速度和模型的复杂程度等因素，因此Matlab/Smulink模型运行的时间可能远小于实际过程的运行时间。

但在半实物仿真中，实物对象的实际执行时间与模型仿真时间可能不一致，因此有必要使Simulink虚拟模型与外部连接的硬件运行同步，实现实时仿真，以获得接近实际情况的实验结果。

要用Matlab/Smulink进行实时仿真，可以利用自带的Real-Time Workshop和Real-Time Windows Target、xPC Target等工具，也可编写能进行实时仿真的应用程序，灵活地实现实时[4-9]。

本文将针对在Matlab/Smulink环境下的实时仿真、控制，探讨和总结一些实现实时的方法。

于所有 Windows 线程，提供了对 IRQ、I / O、内存的精确直接控 制，以确保实时任务的 100% 可靠性［5］。通过高速的 IPC 通信 和同 步 机 制，RTX 方 便 地 实 现 与 Windows 之 间 的 数 据 交 换。 RTX 的定时器时钟分辨率为 100 纳秒，最低定时器周期为 100 微 秒。 RTX 支 持 标 准 的 Windows 编 程 开 发 环 境： Visual C + + 6． 0和 Visual C + + ． net 2002、2003、2005，使其开发和维护 都相当方便，所以采用 RTX 作为本系统的开发平台。
（ College of Computer Science，Northwestern Ploytechnical University，Xi’an 710129，Shaanxi，China）
Abstract This paper introduces a hardware-in-the-loop simulation system for flight control system’s fast control prototype of a certain model of missile． The system can synchronise the design of flight control system’s software and hardware． Firstly，the theory of flight control system's fast control prototype is introduced，and based on that the hardware components and fundamental principle of the hardware-in-theloop simulation system is described in detail． The simulation system uses Windows real-time extending subsystem RTX to design the software in order to meet its extreme real-time requirement． In this paper the design of real-time simulation software using RTX is expounded as well． The simulation system is proved through practical operation test to be stable in running and meets the extreme real-time requirement of flight fast control prototype simulation．