基于xPC-target的快速控制原型技术快速控制原型技术.ppt

第四章 快速控制原型技术,快速控制原型技术xPC-target简介xPC-target的安装和配置xPC-target的基本使用方法xPC-target的应用实例,4.1 快速控制原型技术,计算机控制系统的特点：,实时性（实时控制系统、实时信号处理、实时事件响应）分布式、多级控制（系统互联）测控系统的软件与硬件的相互依赖性对计算机资源的要求苛刻PC-based Control and DSP-Based Control控制算法越来越复杂，要求越来越高在测控系统软件开发过程中，软件工程的方法和工具软件的使用 系统的可靠性和可维护性要求系统功能越来越复杂，而要求开发周期越来越短（Time to Market）,4.1 快速控制原型技术,控制系统开发是一个复杂的过程。需要兼顾系统硬件以及软件两个方面。为了处理控制系统开发过程的复杂性，开发者们总结了一些主要的开发准则。控制系统开发可以借鉴软件工程中使用的生命周期模型方法。生命周期模型定义了系统开发所遵循的步骤。从初始的分析阶段到系统的设计、调试、维护、升级，这些阶段构成了系统的开发周期。,瀑布式开发过程,螺旋式开发过程,控制系统的开发：,4.1 快速控制原型技术,传统控制系统设计方法：,项目整体构思,项目整体构思,分析控制对象,数学模型,控制逻辑,运动学动力学,仿真,选择软件开发工具,熟悉软件开发环境,控制软件的构思,编程,调试,分析控制对象,在线测试,设计硬件,硬件测试,生成控制单元,4.1 快速控制原型技术,开发人员的组成复杂（软件开发小组、控制系统设计小组、硬件设计组、系统集成组、系统测试组）小组之间的沟通存在着困难需要编制大量的软件开发与维护的文档，以方便沟通开发过程中的重复和反复是必要的和不可避免的，但代价高，开发周期长控制思想的实现、实施困难软件的质量难以保证：测试、维护、升级的费用高等等,传统控制系统设计方法：,4.1 快速控制原型技术,控制理论与控制工程控制理论与控制工程之间存在着鸿沟解决的方法：技术措施（方法和工具）、组织管理措施CACSD(Computer Aided Control System Design),传统控制系统设计方法：,4.1 快速控制原型技术,基于MATLAB的快速控制原型系统开发构架,4.1 快速控制原型技术,在MATLAB产品族中，自动化的代码生成工具主要有Real-Time Workshop(RTW)和Stateflow Coder，这两种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效、优化的程序代码。利用RTW生成的代码简洁、可靠、易读。目前RTW支持生成标准的C语言代码，并且具备了生成其他语言代码的能力。整个代码的生成、编译以及相应的目标下载过程都是自动完成的。Mathworks公司针对不同的实时或非实时操作系统平台开发了相应的目标选项，以配合不同的软、硬件系统完成快速控制原型(Rapid Control Prototype)开发、硬件在回路的实时仿真(Hardware-in-Loop)、产品代码生成等工作。,MATLAB自动化代码生成工具,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术开发,参数整定与数据的可视化,自动代码生成,I/O接口库,实时测试,自动测试,分析设计,建模与仿真,自动文档生成,基于MATLAB的快速控制原型系统开发流程,4.1 快速控制原型技术,RP快速原型技术（软件工程）RCP（Rapid Control Prototyping）的概念,快速控制原型技术就是指快速开发控制系统的过程。这种原型系统包括快速控制原型软件和快速控制原型硬件。其自动代码生成功能，使控制工程师不再需要程序员就能把以自己熟悉的方块图表示的控制策略建立成可以执行的代码，参数的调整以及信号的采集和分析都非常方便。其基于商用现货(Commercial Off-The-Shelf)思想而采用现有成熟的通讯和物理设备接口模块，使得控制工程师可以更灵活更快速构造控制系统的硬件方案。,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的软件支撑环境：,美国The Mathworks公司的Matlab/Simulink/RTW（包括RTW Windows Target 和xPC Target等等）美国National Instruments公司的Labview RT/SIT和MatrixX德国dSPACE公司的 ControlDesk加拿大OPAL-RT公司RT-LABBoeing公司的Easy 5Visual Solution公司的VisSim/Real-TimePRO.,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的软件支撑环境：,Real-Time Workshop的体系结构,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的硬件支撑环境:,RT-Lab Windows/Matlab Windows Windows NT/QNX x86,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,快速控制原型技术的软硬件支撑环境可以用于：数字信号处理（Real Time DSP）半物理仿真（Hardware In the Loop）实时仿真（Real Time Simulation）实时控制系统开发,4.1 快速控制原型技术,面向产品的全生命周期：设计制造测试控制维护,快速控制原型技术的应用,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,汽车整车传动系统测试试验台,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,Virtual components,Real components,Road,Axle,Trans-mission,Engine,ECU,“Driver”gas/brake/gears,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,Virtual components,Real components,Road,Axle,Trans-mission,Engine,ECU,“Driver”gas/brake/gears,Transmission,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,Virtual components,Real components,Road,Axle,Trans-mission,Engine,ECU,“Driver”gas/brake/gears,Transmission,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,Virtual components,Real components,Road,Axle,Trans-mission,Engine,ECU,“Driver”gas/brake/gears,ECU,Axle,Transmission,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,Virtual components,Real components,Road,Axle,Trans-mission,Engine,ECU,“Driver”gas/brake/gears,Transmission,ECU,Axle,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,Host PC Create/Test Model Code Generation System analysis in non-real-time,Target PC Run simulation in Real-Time Add processors for more power Visualize system behavior Connect Hardware in the Loop,TCP/IP,虚拟场景显示 Visualization and Interaction,Hardware-in-the-loop system,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,4.1 快速控制原型技术,系统,翻页,急 停,报警灯,蜂鸣器,运动系统,油源,上,下,上,下,电源状态显示,-12V,+12V,+24V,-5V,-24V,上,液压缸位置测试,运动系统测试,启动,停止,4#泵,统,系,单,态,姿,测试方式,上,下,启动,停止,2#泵,停止,启动,1#泵,停止,启动,3#泵,上,下,上,下,下,自动,测试,手动,自动,通道控制,停止,启动,控制,故障,液压系统,控制柜及系统显示状态,试灯,复位,开,主控面板,运动系统,电源,总线及,故障,机组通道,解除,报警,关,故障,周期故障,计算机,控制柜,六自由度运动模拟器,压力传感器信号,驱动力信号,缸位移信号,数字信号,数字输出,阀驱动,数字输入,ISA-BUS,ISA-BUS,高速以太网,控制柜,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型技术的应用,快速控制原型系统的Simulink控制模型,4.1 快速控制原型技术,快速控制原型系统的人机交互界面,4.1 快速控制原型技术,实时控制系统模型Simulink,RTW,StateFlow,xPC Target,DSP ToolBox,Virtual Reality ToolBox(Matlab)Visual C，或者Watcom C+11.0（模型编译）xPC API（用户界面与实时控制模型的接口）LabVIEW(用户界面、参数调节，数据显示、控制逻辑、日志文件的生成),控制系统软件组成,4.2 xPC-target,xPC Target是MathWorks公司开发的一个基于RTW体系框架的实时系统产品，可将标准的PC兼容机转变为一个实时系统，来实现控制系统或DSP系统的快速原型化、硬件在回路中的测试和系统半实物仿真等功能。随着目前PC兼容机的普遍使用，从而xPC Target提供了一种造价低廉的、性能较高的并且便捷的实时应用系统。xPC Target采用了宿主机-目标机的技术实现途径，即“双机”模式，宿主机和目标机可以是不同类型的计算机，两者之间通过以太网或串口实现通讯。,xPC Target简介,4.2 xPC-target,在xPC Target环境下，用户可将安装了MATLAB、Simulink软件的PC机作为宿主机，用Simulink建模工具来建立用户所需的模型并进行非实时的仿真。然后用RTW代码生成器和C编译器来生产可执行代码，在第二个PC兼容机上进行实时的运行。xPC Target提供了一个运行在目标PC机上的高度裁剪的实时操作内核，具有较高的执行效率。On-time公司的 RT-TARGET32,xPC Target简介,4.2 xPC-target,xPC-target半实物仿真目标机是个基于RTW的低端实时仿真和开发平台,可将Intel80 x86/Pentium计算机转变为一个实时系统。不需第三方操作系统的支持，在计算机上配置输入输出设备就能和外部交换信息，进行硬件在环仿真和测控系统开发。,xPC-target实时系统包括1台主机和1台目标机。主机上用Matlab,Simulink完成建模，生成模型文件，然后调用Real-Time Workshop工具箱，生成包含设备驱动程序的xPC目标，通过通信电缆下载到目标机上；目标机启动时装载xPC工具箱提供的实时内核，该内核保证目标的实时高速运行，目标机上配有输入输出设备和外部交换信息。,xPC-target目标工具箱自带的驱动程序有如下局限性：(1)只支持一些知名厂商的部分设备，基本不支持国产设备；(2)对于支持的某些设备，不支持其某些功能，或支持的功能无法满足要求，这时须自行开发驱动程序。,xPC Target简介,4.2 xPC-target,xPC Target控制系统结构示意图,xPC Target简介,4.2 xPC-target,实时内核xPC Target提供的实时内核使得用户无需在目标机上安装任何操作系统，只需用包含了该实时内核的启动盘启动目标机即可。BIOS是实时内核所需的唯一软件。工作过程：载入BIOS，BIOS自动搜索目标启动盘中的启动映像文件。启动映像文件首先将CPU从实模式状态切换到保护模式下，然后设置目标PC机并启动实时内核。启动实时内核后，将激活应用程序载入程序，并等待从宿主机上下载目标应用程序。将目标应用程序复制到指定内存区域后设置目标程序处于准备执行状态。通过函数或其他应用程序与目标程序进行通讯。,xPC Target简介,4.2 xPC-target,实时应用程序xPC Target实时应用程序是RTW代码生成器从Simulink模型生成的可执行目标程序，可实时地运行在无任何操作系统的标准PC机上，其特点是：采用32位的内存管理模式（无需切换）具有较快的任务执行时间（取决于模型及硬件）,xPC Target简介,4.2 xPC-target,xPC Target简介,信号采集和分析功能xPC Target的信号采集过程是通过实时内核来完成的，实时内核将目标应用程序的信号数据存储在目标机的RAM中。支持的信号采集方式有：信号监视模式信号记录模式信号跟踪模式,4.2 xPC-target,参数调整功能在目标应用程序运行前或运行中，用户可以对模型中的一些参数进行调整。可用方法有：交互方式脚本和批处理过程,xPC Target简介,一、系统要求1、宿主机软件要求：windows操作系统、MATLAB、Simulink、RTW、C语言编译器（VC）、xPC Target硬件要求：一个串口或一个以太网卡、RAM（128M以上）、USB接口或软驱或光驱2、目标机软件要求：无需操作系统、BIOS需要PC兼容硬件要求：芯片组、串口或网卡、CPU（386以上）、鼠键、监视器、U盘或软驱、RAM（8M以上）、I/O设备板注意：PC目标机可用PC ISA、PCI、PC/104和PC/104+、CompactPCI、PXI,4.3 xPC-Target的安装和配置,二、软件安装1、安装MATLAB及其工具箱；2、安装C语言编译器（最好为VC）；3、设置MATLAB编译器为C编译器（使用mex-setup）；4、注意工作路径。,4.3 xPC-Target的安装和配置,三、设置通讯连接串口通讯连接所需硬件：无调制解调器的串口传输线、I/O设备板设置串口通讯的环境属性：1）在matlab窗口下键入 xpcexplr出现如图2对话框,图2 xPC Target Explorer对话框,4.3 xPC-Target的安装和配置,三、设置通讯连接串口通讯连接设置串口通讯的环境属性：2）从Select C compiler下拉列表中选择VisualC或Watcom3）在Compiler Path文本框设置编译环境的根目录4）单击“Apply”5）从Host Target communication中选择RS232选项6）在Host port中选择COM1或COM2，设置Baud rate（默认即可）7）单击“Apply”注意：网口通讯连接与此类似！,4.3 xPC-Target的安装和配置,四、制作目标机启动盘目标机启动盘的作用是调用和运行xPC Target的实时内核。用户每次更改xPC Target的环境属性后都要重新生成或更新目标启动盘。传统的方法是采用软盘来制作目标机启动盘。但由于目前软盘具有淘汰的趋势，我们建议使用xPC Target的嵌入式选项来制作目标启动盘。嵌入式选项允许用户通过其他驱动器来启动xPC Target的实时内核。用户还可以设置目标机使得每次系统启动后自动运行目标应用程序。这里推荐使用U盘创建目标启动盘。这里的U盘指SD卡、CF卡等目标机支持的移动存储器。,4.3 xPC-Target的安装和配置,四、制作目标机启动盘步骤：在U盘上制作DOS启动盘：可采用专门的U盘DOS启动盘制作软件，如USBoot和FlashBoot。启动盘有FDD、HDD和ZIP三种模式，在制作的过程中注意选择目标机支持的模式。制作好启动盘以后可以在目标机上试运行，能正常启动到DOS界面说明DOS启动盘制作成功。,4.3 xPC-Target的安装和配置,四、制作目标启动盘步骤：生成DOSLoader的目标启动盘：将做好的DOS启动盘连接到PC机。启动MATLAB，并执行如下命令函数：xpcexplr，打开xPC目标环境设置对话框（图3）。设置好参数后点击右下方的“Apply”确认。再单击Configuration，选择DOSLoader，插入U盘，单击“Create DOSLoader”。可将目标启动程序写入U盘。这样一个目标启动盘就做好了。U盘中生成的程序有四个，分别是chenksum.dat、autoexec.bat、和*.rtb(*的内容与选择的连接方式和xPC Target的环境有关)。,图3 基于xPC Target的应用系统,4.3 xPC-Target的安装和配置,四、制作目标机启动盘步骤：xPC Target的测试：使用制作好的目标机启动盘将目标机启动，进入类似于图4的截面即为启动正常。然后在MATLAB命令窗口中键入：xpctest。将运行测试脚本文件。并显示测试成功或失败的信息。如果其中任意一个测试过程失败，用户需要查找对应的部分，参照帮助文档进行修改,图4 目标机在实时内核启动后的显示,4.3 xPC-Target的安装和配置,一、建立Simulink模型1、建立Simulink模型；,4.4 xPC-Target的基本使用方法,一、建立Simulink模型2、添加xPC Target Scope模块：该模块用于实现数据的可视化，类似于Simulink Scope.打开Simulink Library Browser对话框，定位到xPC Target Misc；为模型添加Scope(xPC)模块。设置Scope(xPC)模块的参数。,4.4 xPC-Target的基本使用方法,一、建立Simulink模型3、添加I/O设备驱动模块,4.4 xPC-Target的基本使用方法,一、建立Simulink模型3、添加I/O设备驱动模块根据自己选择的I/O设备的生产厂家和型号选择驱动模块。设置驱动模块参数,4.4 xPC-Target的基本使用方法,一、建立Simulink模型4、设置仿真参数选择Fix-step，根据实际情况选择步长。,4.4 xPC-Target的基本使用方法,二、创建xPC Target应用程序1、启动目标机：将目标机启动到DOSLoader模式下。2、设置RTW参数：打开RTW选项卡，在System target file中选择xpctarget.tlc。设置xpc Target options选择中的内容（一般默认即可）。,4.4 xPC-Target的基本使用方法,二、创建xPC Target应用程序3、创建和下载目标应用程序在Simulink窗口下的Tools菜单下单击Real-Time Workshop菜单项，单击Build Model命令。此时执行程序创建过程。在MATLAB命令窗口中键入：tg(目标对象名称)，查看目标对象的属性。注意：如果编译未通过，查看通讯连接是否正常或xPC Target环境属性设置是否正确。,4.4 xPC-Target的基本使用方法,三、运行xPC Target目标程序在xPC Target应用程序创建过程和下载过程完成后，就会生成一个xPC Target对象，该对象代表了目标计算机和目标应用程序，xPC Target对象由一组属性和相关方法定义，用户可通过对象目标方法改变对象目标属性，以此对目标应用程序的运行和目标机进行控制。用户可通过如下四种方法对目标程序进行控制：xPC Target ExplorerMATLAB命令行Simulink外部模式(可方便的进行参数调整)Web浏览器,4.4 xPC-Target的基本使用方法,三、运行xPC Target目标程序在MATLAB命令行中键入：tg.start即可启动目标程序。键入tr.stop可停止目标程序。在xPC Target Explorer中直接控制和修改参数。在Simulink中通过外部模式控制。,4.4 xPC-Target的基本使用方法,四、生成独立运行的目标应用程序当模型调试好后，可以通过StandAlone模式来生成独立运行的目标应用程序，这样目标应用程序就可以做到脱离宿主机而独立运行，真正做到实物仿真。方法是：将xPC Target环境属性TargetBoot设置为StandAlone，然后Build Model。这时会在当前目录下生成一个子目录，其中包含model.rtb、autoexec.bat和等文件。将这些文件拷贝到DOS启动盘上，将启动盘放入目标机，启动目标机即可运行目标应用程序。,4.4 xPC-Target的基本使用方法,系统建模（信号发生器、控制器、被控对象、示波器）手工调整或用NCD工具来优化PID控制器的参数连接并设置硬件（Host-Target 通讯，I/O卡）分离控制器，加入A/D,D/A模块和其他I/O模块建立实时应用实时运行并测试在线调整参数、显示与存储数据数据处理与分析,4.4 xPC-Target的基本使用方法,基于xPC-target的实时测控系统开发步骤,4.5 xPC-target应用实例,LabVIEW人机交互界面,被控对象/控制器模型开发,发动机控制器,发动机动力学模型,PXI 总线&I/O,信号调理部分,Target PC,Host PC,