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1、西南科技大学毕业设计（论文）开题报告学 院信息工程学院专业班级自动化 0704 姓 名周超学号20075087 题 目基于 xPC 的实时控制平台开发题目类型应用研究一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）1.1 选题背景及依据：当今自动控制领域中，控制系统仿真已是研究控制系统必不可少的手段，是建立在控制系统模型基础上的过程实验。传统的系统仿真模型中的硬件环节由数学模型所代替，设计者通过仿真找到对于模型是最佳的控制方案，但该方案应用于实际系统，效果却不一定好，需要反复修改甚至重新设计。这样就会导致设计周期太长，费用高等缺点。能否使仿真和测试实
2、际应用效果这两者统一于一个平台中，便成为缩短控制系统设计周期,降低成本,提高效率的关键。在 MathWorks公司的不断扩充和更新下，MATLAB 已成为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。其在Simulink用户下提供了一个强大的实时仿真工具Real-Time Workshop(实时代码生成工具箱,RTW)，它具有将硬件直接接入测试回路的功能，可以使整个开发过程从本质上更接近于并行过程，大大缩短了开发周期，具有较高的经济价值。RTW 在 Math works 提供的系统设计工具集中起到了关键性的纽带作用。在产品开
3、发过程中首先利用 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
4、物的实时仿真测试。在xPC目标环境下，可以从 MATLAB 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。相对于传统的倾向于劳动密集型的开发过程，它采用低劣的工具经常导致缺乏重用性的软件项目的泛滥。使用Math works 工具集(包括 RTW)，用户可以将精力集中在设计上，使用更少的人力在更短的时间内产生更好的效果。1.2 选题目的、意义：MATLAB 不但有强大的计算能力，同时它的其他功能也在不断扩展。在自动控制领域，MATLAB已开始向生产过程的实时控制
5、方向发展。xPC 是 MATLAB软件中基于RTW名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -（Real-Time Workshop）体系的实时应用技术，它能将在Simulink 中搭建的仿真算法框图转换实时应用程序并在一个稳定可靠的平台下运行。建立较完善的半物理仿真实验系统，使控制算法能快速在被控对象上进行验证。并应用xPC技术实现一个完整的计算机控制系统。这个毕业设计在于验证xPC技术应用于实时控制的可行性以及该技术在硬件设备支持上的可扩展性。通过本课题的研究和设计,使我更加熟悉 MATLAB 相关知识，能够在做一些与实际相关的事的同时来提高我综合应用所学知识的
6、能力、动手能力、分析与解决实际问题的能力和软件开发的能力等，为今后在社会中的发展奠定良好的基础。1.3 主要参考文献：1 杨涤，李立涛，杨旭，朱承元.系统实时仿真开发与应用M.北京.清化大学出版社,2002.10.2 殷承良，张勇，张建武.基于 MATLAB/xPCTarget、Virtual Reality工具箱的汽车动力学实时仿真研究A.系统仿真学报，2005.3 侯文瑾，张旭.基于 MATL.AB/xPCTarget硬件平台的智能结构振动主动控制实验研究J.工业控制计算机，2005.4 刘思久等.基于 MATLAB/RTW的控制系统一体化设计方法J.哈尔滨理工大学学报,2004-10.5
7、 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真 M.西安.西安电子科技大学出版社，2002.8.6 王正林,王胜开,陈国顺.MATLAB/SIMULINK 与控制系统仿真 M.北京：电子工业出版社,2005.7 徐国政，陈勇.基于 Matlab/xPCTarget 的数据采集系统 J.微计算机信息，2005.1.8 杨旭，李立涛，王炳全.基于 MATLAB/RTW的半实物仿真技术在PC机上的实现及应用J.世界仪表与自动化，2002.7.二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程2.1 研究（设计）内容:利用 MATLAB 的 xPC实时开发环境 Simulink/RTW 理论体
8、系和技术框架，为控制理论算法的研究提供一个实时的设计、仿真和开发与调试平台。1.以一个实际水箱液位控制系统为背景，采用现有的远端数据采集与控制模块ADAM5000 作为接口设备，实现A/D、D/A转换，构成半物理仿真实验系统。2.通过以太网卡建立宿主机与目标机之间的通信连接。目标机与ADAM5000 模块通过RS232串口实现连接通信。3.制作基于优盘的目标机启动盘。4.在 RTW/xPC 技术框架下为 ADAM5000 编写设备驱动程序，实现信号采集与控制信号的输出。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -5.用已有算法框图生成的实时控制程序进行现场调试，以验
9、证这种技术的可靠性以及设备驱动程序的稳定性。2.2 研究（设计）思想：xPC目标是 MathWorks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，宿主机就是运行 MATLAB 实时开发环境的计算机，目标机则是运行实时操作系统内核和应用程序的计算机。两机通过RS232串口连接，以 TCP/IP协议进行通信，宿主机用Simulink建立模型，然后在非实时开发环境运行仿真程序，进行仿真前的参数配置，查看系统性能。接下来应用宿主机中MATLAB 的 Real-Time Workshop生成标准的 C代码，并调用第三
10、方 C/C+编译器创建可执行文件下载到目标机，目标机通过 U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 MATLAB 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，可以交互地观察信号波形，实现数据可视化和信号跟踪。为了成功地设计一个控制系统，需要准确地建立被控对象的数学模型。控制系统的设计任务就是依据被控对象的数学模型，按照控制要求来设计控制器。一个控制系统设计得是否成功与被控对象数学模型建立的准确与否有很大的
11、关系。以水箱液位为控制对象，控制系统设计的具体步骤为：(1)确定系统总体设计方案，画出系统构成框图并建立水箱水位对象的数学模型。(2)实现双机之间的串口通信，包括串口通信程序的设计、对 PC机串口的测试、双机串口通信的调试；(3)开发 xPC目标机环境，包括对 xPC目标的实时内核的熟悉、目标启动盘的制作、目标机界面设计；(4)开发亚当模块驱动程序，包括对亚当模块 ADAM5000 详细数据的了解、ADAM5000与 PC 机通信技术分析、ADAM5000 设备驱动程序实现；(5)使用 xPC技术实现水位控制系统，在宿主机上用Simulink 建立系统的仿真结构图及调整参数达到最佳效果（其中包
12、括重要的控制器的算法设计）、可执行程序下载调试、目标应用程序的执行调试、完成系统联机调试过程（其中包括信号跟踪和参数调整和对数据进行分析处理）。2.3 工作流程及其框图2.3.1 系统总体方案设计包括接口设备的选择、双机通信连接的选择、xPC目标环境和 RTW 环境的开发等；为了验证 xPC 技术在工程实践中的可行性，我们必须应用它来实现一个完整的计算机实时控制系统，并使用我们现有的检测与控制设备ADAM5000和我们为之编写的设备驱动程序完成信号的采集与控制，根据已有的实验条件，我们选择了液位控制作为实现的对象。并绘制其总体方案设计框图如下图1 所示：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心
13、整理-第 3 页，共 6 页 -图 1 总体方案设计框图2.3.2 建立水箱水位对象的数学模型在建立水箱液位模型时水箱为实验室的FESTO过程控制装置，在系统中，不断有水流入水箱内，同时也有水不断从水箱中流出。进水流量Q 1 由调节阀开度 u 加以控制，流出量 Q2 则由用户根据需要通过手动阀门来改变。被调量为水位 h，它反映水的流入与流出之间的平衡关系。在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态Q 1=Q2，给定一个水箱初始水位 h，手动阀门输入扰动信号，水位上升或下降时出现偏差，由液位变送器检测并传递给控制器，通过控制调节阀开度u 来实现水箱水位控制。图 2 系统原理方框图2.3.3 控制方法
14、的选取众所周知，最常用的控制结构有两种：反馈控制和前馈控制。反馈控制：用被控变量的直接测量值调节控制变量，使被控变量保持在预期的值。这类系统的特点是结构简单，具有广泛的适应性，被控对象一般可以得到较好的控制。前馈控制：用扰动量的直接测量值，调节控制变量，使控制变量保持在预期值，与反馈控制不同，前馈控制本质上是在系统存在较明显、出现频繁扰动时对系统干扰的一种补偿控制，以有效抑制扰动对被控量的影响。在对液位进行控制时，运用被控对象的直接测量值调节控制变量，即选择反馈控制。在以液位为控制对象时，系统的扰动来自进水量的大小，无法判断它是否频繁、比较明显的影响被控变量，所以无法断定利用前馈控制时，它是否
15、有较好的作用。因此在此系统中选用反馈控制方法。控制器调节阀水箱液位变送器液位扰动+给定目标机I/O 模块ADAM 5000 水 箱 液位 控制实时内核宿主机Matlab simulink xPC 目标反 馈 控制名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -三、毕业设计（论文）工作进度安排1.2月 6日2月 25日，查找相关资料，了解 MATLAB 的xPC实时开发环境 Simulink/RTW理论体系和技术框架。确定设计方案，完成开题报告；2.2 月 27 日3 月 25 日，掌握 MATLAB/xPC 的应用，熟悉 ADAM5000 详细数据、RS232串口通信等
16、相关知识；3.3 月 25 日4 月 15 日，完成硬件及电路设计，制作目标启动盘；4.4 月 15 日5 月 5 日，完成通信及设备驱动程序的软件设计；5.5 月 5 日5 月 25 日，软硬件调试。以实际水箱为控制对象，进行现场调试，以验证这种技术的可靠性以及设备驱动程序的稳定性；6.5 月 25 日6 月初检查整理整个设计结果，进一步完善改进。完成毕业论文的书写，准备答辩；指 导教 师意 见指导教师签字 _ 年月日院 系难 度综合训练程度是否隶属科研项目名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -毕 业设 计领 导小 组审 核意 见教学院长（公章）_ 年月日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -