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1、第1 页5 软件设计控制仿真新华书店的MATLAB书籍系统实时仿真开发环境与应用（46元）杨涤，李立涛（清华大学出版社）从MATLAB/SIMULINK模型与代码实现陈永泰（清华大学出版社）MATLAB应用程序接口用户指南刘志俭（科学出版社）第2 页5 软件设计控制仿真5.2 软件设计中的控制算法本节要求：（1）掌握PID调节的基本步骤；（2）学习发动机的基本特性；（3）进一步熟悉SIMULINK工具；（4）明确离线仿真的意义；第3 页5 软件设计控制仿真5.2 软件设计中的控制算法后面的内容：5.3 xPC硬件在环仿真技术；5.4 Real Time Windows Target 硬件在环仿
2、真技术；离线仿真技术和后面两节和dSPACE的基础！第4 页5 软件设计控制仿真5.2.1 MATLAB下人机交互的工具 DIALS和GAUGE；MASK；在MATLAB中如何使用这些工具？第5 页5 软件设计控制仿真5.2.2 PI控制算法的理论公式P I 控制器发动机转速传感器司机命令反馈信号n给n实际n第6 页5 软件设计控制仿真5.2.2 PI控制算法的理论公式=nnn给实际+PIKnKnKP和KI有明确的物理含义，即对应发动机转速每（转/分）的偏差需要多少度（）节气门位置。其单位就是（/转/分)。P I 控制器发动机转速传感器司机命令反馈信号n给n实际n第7 页5 软件设计控制仿真5
3、.2.3 PI参数的调节方法（一）让KI为零；找到可以让系统输出稳定的KP的范围；（二）固定KP不动，逐步加大KI值，消除系统的静差；找到保证过渡过程的时间比较短和超调量也比较小的KI的范围；（三）微调两者，让系统的性能最佳；（四）如果系统非线性，可采用分段整定PI参数的方法；第8 页5 软件设计控制仿真5.2.4 举例SIMULINK环境下的Enginewc例子：点击进入：运行MATLAB；在COMMAND WINDOW下运行enginewc；第9 页5 软件设计控制仿真离线仿真举例（一）第1 0 页5 软件设计控制仿真离线仿真举例（二）能量管理模块驱动管理模块电机转速功率限制电机需求功率计
4、算能量分配算法恒压控制算法离线分配控制算法在线分配控制算法功率状态计算燃料电池发动机控制器蓄电池控制器主D C/D C 控制信号计算主D C/D C 控制器燃料电池功率需求燃料电池状态蓄电池状态判断钥匙位置判断减速箱位置计算加速转矩计算减速转矩钥匙位置信号档位信号加速踏板位置信号制动踏板位置信号司机需求转矩计算控制进程判断电机需求转矩修正电机控制器电机转矩需求转矩给定第1 1 页5 软件设计控制仿真5.2.5 结论（1）SIMULINK对于认识被控对象、调整控制器的结构、匹配控制器的算法等都是非常有用的，汽车电子控制系统的ECU的底层程序的开发效率比较低，可以充分发挥SIMULINK图形化编程
5、的能力，在前期的算法调整、对象仿真等多个阶段完全可以在SIMULINK上完成。等到整个方案都确定了，再转换为单片机底层的语言，整个开发的效率可以大大提高！第1 2 页5 软件设计控制仿真5.2.5 结论SIMULINK这种离线仿真的形式，需要有一个虚拟的被控对象的模型。该模型一般通过大量的实验来获得，需要有很多积累和专门的人员来建模。而且不论如何模型和实际对象总有差别。因此离线仿真得到的算法只是初步的，离实际的对象有明显的差别。最终系统的精细匹配和性能优化，只有实际的被控系统联结在一起，才能完成。第1 3 页5 软件设计控制仿真5.2.5 结论如果在SIMULINK环境下，被控对象是一个真正的
6、实物，即真正的硬件也在整个控制环路当中，那么就可以避免离线仿真的缺点。于是控制器和底层的对象联结成一个系统，利用和离线仿真同样调试的工具和基本步骤，就能够在线调整和匹配控制系统的参数。这就是硬件在环仿真系统。更进一步，我们希望汽车机电系统的开发过程就是从离线慢慢转移到在线的过程，从基本框架，慢慢细化控制算法的确定参数的过程。第1 4 页5 软件设计控制仿真5.3.1 离线到在环离线建模半实物仿真硬件在环理解模型检验模型参数匹配第1 5 页5 软件设计控制仿真5.3 xPC硬件在环仿真技术本节的基本要求：?了解xPC的基本框架和结构；?学习实时和非实时仿真的差别；?通过实验，认识硬件在环的明确概
7、念和价值；?和下一节的RTW仿真方法进行对比；?进一步熟悉MATLAB/SIMULINK仿真环境；第1 6 页5 软件设计控制仿真5.3.1 预备知识?学习资料参考资料：Matlab平台中的下述Help文档：Real Time Workshop；Real Time Workshop Embedded Code；xPC；Real Time Windows Target；Target Language Compiler（TLC）；自己学习更多的文档 第1 7 页5 软件设计控制仿真5.3.1 预备知识?学习资料第1 8 页5 软件设计控制仿真5.3.1预备知识Key Words?实时仿真（real
8、 time system）?非实时仿真（nonreal-time system）?主机（Host）?目标系统（Target）（看个例子吧）?快速原型（Rapid Prototyping）?传统方法（Traditional Method）第1 9 页5 软件设计控制仿真5.3.2 xPC仿真系统的组成RS232TCP/IPiMac主机目标机?主机：运行MATLAB；?目标机：控制硬件和对象；?软盘：在主机上生成，用来启动从机；?通讯线：两者的信息交互第2 0 页5 软件设计控制仿真5.3.3 xPC环境的设置步骤实时仿真系统的环境设置非常关键，因为要实现实时的功能，因此计算机本身的硬件条件和软件
9、条件都需要配置才行。从组成看，硬件需要两台PC。软件的设置要更加复杂一些。（1）在Host上，设置Host和Target通讯的方式和Target PC的启动软盘；xpcsetup；利用做好的启动盘，引导目标机启动复位后进入和主机通讯的等待状态；目标机上的WINDOWS不再运行。第2 1 页5 软件设计控制仿真5.3.3 xPC环境的设置步骤（2）在Host上，设置MATLAB的TLC与VC+的交叉编辑环境。运行：mex-setup；（3）打开SIMULINK，把仿真模型从离线的非实时方式（Normal）设置到在线实时的方式（External）；（4）Build仿真的模型，利用MATLAB重新编
10、辑并下载目标代码；（5）仿真并调试xPC系统。第2 2 页5 软件设计控制仿真5.3.4 xPC的基本使用学习资料：请自学这些内容第2 3 页5 软件设计控制仿真TargetA target is an environment-hardware or operating system-on which your generated code will run.The process of specifying this environment is called targeting.目标系统指由硬件或操作系统构成的一个环境，可 在其中运行所生成的代码；确定该环境的过程就叫目标ing.（BBS语
11、）R点击这里看看图第2 4 页5 软件设计控制仿真HostThe host is the system you use to run MATLAB,Simulink,and the Real-Time Workshop.Using the build tools on the host,you create code and an executable that runs on your target system.主机就是指M/S和RTW平台。利用主机可以生成代码和可以在目标系统上运行的可执行文件。R第2 5 页5 软件设计控制仿真xPC的系统框图举例R第2 6 页5 软件设计控制仿真Rap
12、id Prototyping?Conceptualize solutions graphically in a block diagram modeling environment.?在模块化图形编程的环境下逐步清晰解决方案；?Evaluate system performance early on-before laying out hardware,coding production software,or committing to a fixed design.?在进行详细的硬件设计、软件编程和最终设计前先进行系统的性能评估；（少走弯路的意思啦！）第2 7 页5 软件设计控制仿真Rap
13、id Prototyping?Refine your design by rapid iteration between algorithm design and Prototyping.?可在算法设计和原型结构间能够迅速反复调整以便优化整体设计；?Tune parameters while your real-time model runs,using Simulink in external mode as a graphical front-end.?利用S外部模式的图形化调试界面在线调整控制参数第2 8 页5 软件设计控制仿真快速原型开发：V 型模式快速原型开发和传统开发模式的比较快速
14、迭代算法开发和原型设计产品实现人工迭代算法开发硬件和软件设计产品实现系统分析快速原型开发硬件开发软件开发测试和检验原型开发阶段产品实现阶段传统开发方法快速原型开发方法通用硬件平台代码自动生成R第2 9 页5 软件设计控制仿真快速原型开发：V 型模式通用的实时仿真软硬件平台代码生成并下载至目标硬件硬件在环仿真和结果分析系统分析和目标确定在Simulink中构建/修改模型离线仿真和结果分析结果正确？结果正确？产品实现算法开发和原型设计是否是否dSPACE 平台xPC 平台RealTime Windows Target 平台自己开发的PowerPC平台R第3 0 页5 软件设计控制仿真总结：V型开发
15、模式功能定制功能定制dSPACE RCP原型设计原型设计TargetLink/Hiware/RTOS/Protel技术实现技术实现系统校验系统校验dSPACE HIL系统集成标定系统集成标定第3 1 页5 软件设计控制仿真整个仿真的过程R第3 2 页5 软件设计控制仿真整个仿真的过程R第3 3 页5 软件设计控制仿真自动的创建过程R第3 4 页5 软件设计控制仿真快速开发的过程R第3 5 页5 软件设计控制仿真普通的仿真过程?xPC的例子R第3 6 页5 软件设计控制仿真xPC在863项目中的应用R宿主机1(Host PC1)(Matlab/Simulink)(Real-Time Worksh
16、op)宿主机2(HOST PC2)(Matlab/Simulink/RTW)(ControlDesk)目标机(Target PC)(xPC Real-Time Kernel)PCL-818LPCL-727RS232 串口线ADAM-3937PCLD-8115dSpaceCAN_HCAN_LCAN总线接头直流稳压电源12V电压dSpace通讯线37针数据线37针数据线加速踏板及传感器第3 7 页5 软件设计控制仿真编辑器通讯方式格式化启动盘xpcsetup的配置R第3 8 页5 软件设计控制仿真MEX setup的配置R告诉MATLAB VC+的编辑器在什么位置；第3 9 页5 软件设计控制仿真Simulation的配置R如果选择Normal则离线非实时，如果选择External，则是硬件在环的实时仿真（需要TLC重新编辑）第4 0 页5 软件设计控制仿真Simulation的配置RReal Time Workshop 中的Target的类型设置为xPC Target，然后点击Build；第4 1 页5 软件设计控制仿真Simulation的配置R