基于MATLAB的机械硬件半实物仿真装置控制系统设计分析

李 龙

(西安航空职业技术学院 招生就业处，陕西 西安 710089)

控制系统工厂模拟器采用半实物仿真技术，取代物理工厂的部分研究对象，通过连接到一个已实现的控制器，并能够像真实工厂运行。该方式消除了测试实际设备的费用或危险，同时充分执行所实现的控制器。对特定情况、产品或市场进行了半实物测试模拟，控制系统模拟器提供了一个通用的框架，在此框架下，不同性质的对象可以通过提供相关模型来进行模拟。控制系统工厂模拟器是可扩展的，因其用户界面、工厂描述和物理界面可以轻松地更新或定制。半实物仿真是一种用于复杂嵌入式系统开发和测试的技术，在HIL(Hardware-in-the-Loop)仿真中，系统由仿真部分和实体部分组成，即“半实物+实物”。大多数半实物仿真器都需要专门的设备或测试板才能运行[1-3]。

控制系统工厂模拟器是在考虑到学术环境的情况下设计的。对于学生来说，将他们的设计作为物理控制器来实现是非常重要的，但是要测试这些控制器在物理目标上的花费是非常昂贵的。控制系统模拟装置(Control System Plant Simulator，简称CSPS)可代替该设备，并为学生提供执行结果，以监测和确定其控制器设计的成功与否。由于低成本的目标，系统中的原型控制器由每个用户(学生)单独开发。这使学生能够在不经常使用有限或不可用的实验室设备的情况下操作控制器，并且达到对目标模型的纠正。CSPS用来模拟许多不同种类的装置，需要有一个较为灵活可变的前端，即图形用户界面。该界面可以被终端用户和研发者按需求更换(通过标准的接口进行变更)。

本文所研究的工作提供了一个低成本的柔性装置模拟器，可用于开发数字控制器。此外，该模拟装置在学术教学和科研环境中具有一定的应用价值。数字控制器是一种控制系统，使用数字计算机来控制被称为“工厂”的主题系统。图1所示为步进电机控制系统，步进电机在软盘驱动器中定位读写磁头。所有的换向都必须由电机控制器在外部进行处理，通常，电机和控制器的设计使电机可以保持在任何固定的位置，也可以以某种方式旋转[4-8]。

图1 步进电机控制系统框图

1 HIL的设计周期

传统的测试，称为静态测试，是通过提供已知的输入和测量输出来测试特定组件的功能。而为了让产品更快地进入市场，缩短设计周期，从而提出了动态测试，即在使用整个系统时，不定期地对组件进行测试，无论是真实的还是模拟的。出于成本和安全方面的考虑，采用实时硬件模拟系统的其余部分更倾向于在实际的系统中测试单个组件。与静态测试相比，动态测试还包含更大范围的测试条件，采用这种动态测试策略被称为半实物仿真(HIL)。HIL是设计周期的集成部分，如图2所示为汽车、航空和国防工业常见的嵌入式控制应用程序的设计周期。

图2 控制设计周期

控制设计周期由几个不同的设计和测试阶段组成。系统定义步骤记录系统的需求；快速原型步骤包括开发原型控制器，以测试实际系统中的基本思想和概念。实际系统可以用软件或软硬件的组合来模拟，HIL测试的概念与快速原型相似，这部分系统在与真实系统的其他部分连接时进行模拟。经过设计原型和验证后，程序必须部署在目标阶段的最终生产控制器上；在目标阶段开发控制器之后，需要将其作为实际系统的一部分进行测试。通常实际的系统是非常昂贵的，然后就必须在实际系统的模拟中测试控制器，以上描述的阶段称为HIL模拟。一旦控制器在HIL仿真阶段表现良好，就具备了在实际系统上进行测试的条件。

2 HIL仿真系统的构建

这种HIL系统需要使用硬件来生成和接收真实的信号，并使用软件来模拟系统的动态。必须为应用程序和集成到完整的HIL系统中选择适当的组件，使用传感器和执行机构接收和产生信号。使用一个处理单元来执行模拟的计算；使用人机界面和开发机器进行模拟；通常这台机器用于两个任务，图3为一个典型的HIL系统的架构。

图3 HIL系统的典型架构

根据HIL系统的功能需求，设置的MATLAB控制流程图如图4所示，首先选择串口并初始化串口设置，然后MATLAB根据用户输入情况将控制码传输到串口，如果用户关闭MATLAB GUI，则MATLAB禁用串口。

图4 HIL仿真过程中MATLAB的控制流程图

HIL模拟器由软件控制器、传递信息的硬件部分和软件工厂组成。在闭环硬件仿真中，MATLAB实时控制电机和驱动电子器件，电机控制器参数可在运行时进行修改，结果立即在MATLAB命令窗口中可视化。HILS是模拟(控制模型)和实验(电机)部分的组合。图5所示为步进电机控制器总控界面，包含向上、向下、向前、向后、向后倾斜以及向前倾斜等功能。

图5 步进电机控制器总控界面

以向后倾斜为例，在MATLAB中执行相关的算法，执行界面如图6所示。

图6 向后倾斜控制执行界面

3 结 论

本文的目标是提供一个框架，在此框架下，已知的模型可以作为半实物模型系统的一部分进行模拟，以帮助控制开发中的实验工作。通过让用户开发与真实系统相连的物理控制器来监控设计是否合理。由于这样的物理系统可能是昂贵的，也可能是危险的，为此控制系统装置模拟(CSPS)提供了一套应用程序，模拟装置的物理输出，精确到用户可以设计和开发控制器。该框架提供了许多简化的封装，最终用户可以在这些封装上附加自己的接口和数据获取系统。总之，该研究成功实现了目标，建立了一个可扩展的装置模拟框架。