基于RTW的PID算法及半实物仿真研究

摘 要：本文基于MATLAB/RTW的功能研究，设计了一种半实物仿真系统，系统采用的方法是快速原型设计实现技术，这种技术集软件开发、硬件开发和算法设计与实现这三个阶段于一体，提供了一个快速开发的方法，利用这种方法可开发和研究工程实践中的产品（如PID控制器）。具体方法是利用Matlab/Simulink/RTW提供的实时的开发环境，使用RTW进行实时仿真和目标代码生成功能，用户可以缩短产品开发周期，降低成本。RTW可以支持基于模型的实时控制及调试，适用于加速仿真过程和快速原型化，为控制系统开发提供了一种快速开发的实用方法。

关键词：MATLAB/SIMULINK/RTW PID控制 半实物仿真 实时控制

引言

现代市场对产品的需求呈现多样性和快速性的趋势，对控制系统安全性和可靠性的要求也与日俱增，为了在激烈的市场竞争中取胜，必须不断地缩短新产品开发与投入市场的周期，这就出现了企业新产品面临着多样性的需求和快速开发之间的矛盾。为了设计可靠的控制系统，满足用户的多样化需求，缩短项目开发周期，降低产品开发费用，需要采用先进的开发工具来加速设计流程。使用快速原型设计技术来进行控制系统开发的目的就是为了缩短开发周期，在行业竞争中能够快速开发新产品，从而获得最大的经济效益和市场益。

在本文介绍的基于RTW的半实物仿真系统中，RTW是MATLAB图形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块，它能直接从Simulink的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据目标配制自动生成多种环境下的程序。利用它可加速仿真过程，或生成可在不同的快速原型化实时环境下的程序。通过使用RTW，我们可以将主要精力集中在系统设计上，从而缩短了为控制器开发研发周期，提高了工作效率。基于RTW的半实物仿真如图1所示。

采用Matlab提供的工具箱建立PID控制模型，当模型实验完成后，通过RTW直接生成代码，通过整合、交叉编译、下载到目标机，宿主机监控目标机，按实际要求实时修改参数，开发出符合实际要求的控制器。

1 系统组成及原理

1.1 硬件组成

计算机是半实物仿真系统的核心，负责各种参数的实时采集和数据处理，并根据数据处理结果进行决策，产生控制信息，从而控制被控对象的运行状态。为了提高系统实时仿真的能力，本研究采用主、目标机结构，如图2所示。

宿主机：是带有以太网卡和通讯端口的台式计算机，其上安装Windows操作系统，并安装MATLAB、Simulink、RTW(Real TimeWorkshop)、xPCTarget以及相应的C语言编译器等软件。主要用于实现仿真前期准备和仿真过程中的实时交互任务，具体担负着编译仿真源程序、启动仿真运行、在运行过程中提供交互控制等任务。

目标机：当控制系统比较复杂时常采用带ISA插槽和以太网卡的工控机；当控制系统控制对象单一、简单且要求不高，为了节约成本采用单片机；它用于实时运行仿真程序，具体负责执行仿真目标程序、通过I/O通道与外部实物进行数据交换、实现半实物实时仿真。

主机和目标机通过RS232或TCP/IP协议进行通信。

设备：是实际的工业被控对象，在仿真过程中，先在主计算机上用Simulink建立仿真模型，通过RTW的编译变为可执行代码，然后通过连接好的网络下载到目标机上运行。目标机可以通过各种I/O板接入被控对象进行半实物仿真。

1.2 软件环境

操作系统为Windows，所用的程序为MATLAB7.0/Real-time Workshop/Real-time Windows Target、相应的C语言编译器。

1.3 系统原理

基于RTW的半实物仿真的过程如图3所示：

首先，用Simulink建立模型，然后利用RTW分析模型，并将其转化为C语言对应的代码；

然后，由相应的C语言编译器生成代码之后，再转换为xPC Target平台下的可执行代码；

最后，生成的可执行程序通过网络传送到目标机上，主机发出指令即可运行程序，副计算机同时将仿真过程中的信号传回到主机。

在实际的工业控制器开发中，用Simulink和xPC Target对工业被控系统进行半实物仿真时，既要通过数据采集卡D/A接口将仿真工控机的计算结果送往被控系统，还要通过数据采集卡采集信号送到仿真工控机。xPC Target提供了将这些I/O接口接入计算机的各种驱动程序。避免直接用RTW进行半实物仿真方案时，需用C语言编写接口程序等工作，简化半实物仿真的工作量。在建立Simulink仿真模型时，直接将所用到的板卡功能对应的模块拖入Simulink仿真模型中，并在实际仿真工控机中插入相应板卡，然后编译模型文件，模型文件中的板卡信息被编译为可执行代码，下载到目标机并执行和I/O板建立了联系，将实际的板卡连到仿真回路中，在仿真过程中可从数据采集卡输入输出数据，进行半实物仿真。

2 半实物仿真实验

2.1 首先实现PC对PC的实时代码生成

通过实现PC对PC的实时代码生成，验证用RTW进行半实物仿真是可行、可靠、便捷的。

实验硬件组成：

宿主机是运行Matlab、Simulink和Real-Timeworkshop的计算机，实时可执行代码的生成以及实时控制参数调整就是在宿主机上完成的；

目标机是运用Real-Time Workshop生成的代码的PC机；

主、目标机是网络通信。

实现PC对PC实时监控的具体步骤：

（1） 建立正弦发生器Simulink仿真模型：

（2）生成目标代码：

系统模型通过软件仿真得到了预期正弦波，接下来就是将模型生成C代码，便于移植到目标机上运行。

目标代码生成的过程：

1）打开Simulink设置页configuration Parameters

2）设置求解器步长为固定步长

3）设置工作方式为外模式

4）点击Build生成代码

（3）设置目标PC的IP地址，把宿主机已生成的代码通过网络传到目标PC。

（4）启动目标PC运行生成代码，宿主机通过Scope监控目标PC。

2.2 宿主机生成代码在单片机上实现

该实验目标机为MCS-51（ADUC812）单片机，通过RS232串口线通信。

宿主机生成代码在单片机上实现的步骤：

（1）将宿主机生成代码下载到目标及系统；

（2）配置端口驱动：

Simulink的端口驱动是通过S函数来实现的。S函数使用一种特殊的调用规则来实现用户与Simulink的内部解法器进行交互。

（3）实时仿真：

目标机接电源，主机通过Scope显示正弦波，此时主机对目标机实时监控。

纯软件仿真图与目标机的仿真图：

通过对主机上纯软件仿真图与目标机的仿真图比较表明：

（1）主机完成了对目标机代码的生成，并能够对其进行实时监控、参数调整（通过调整纯比例控制Kp实现)，目标机能够实时运行RTW代码。

（2）用RTW进行半实物仿真是可行、可靠、便捷的。

以上试验仅是把控制算法（纯比例Kp控制）及系统模型转化成C代码下载到目标机上运行，还没有连接被控对象。

下面对PID闭环控制系统进行半实物仿真平台搭建，把PID控制器与被控对象连接，来深入研究半实物仿真平台搭建，为实现复杂的工业PID控制系统开发提供方法。

2.3 PID闭环控制系统半实物仿真平台搭建

该半实物仿真平台控制器用实物，而受控对象使用计算机建立的数学模型。

图7为一实际的PID控制半实物仿真框图：

此框图将控制器通过研华PCL-1710A卡和工控机模拟的被控对象连接起来，宿主机通过RS232串口线和控制器连接起来，这让输出的信号反馈回宿主机，这形成PID闭环半实物仿真平台。

该闭环系统半实物仿真的方法及步骤是：首先要对系统建立较为精确的数学模型，依此作为被控对象，和实际的控制电路板组成半实物仿真模型，系统采集的信号通过PCL-1710A的A/D口送入工控机，控制信号由D/A口输出。在SIMULINK仿真环境下，利用RTW的实时视窗目标（Real-Time Windows Target），在实验条件下，较为精确的实时的再现系统的运行结果，通过对故障和正常等各种情况的比较，对控制参数实时调整，最终得到满意的控制器。

鉴于该系统仿真具体实现与所做的实验方法一致，本论文就不论述。

结论

基于RTW的PID算法及半实物仿真研究，整个过程得出以下结论：

① 实际实验表明：采用RTW仿真的结果和实际实时控制实验结果基本吻合，这证明RTW仿真模型和控制算法实现是可靠的。

② 相对于VC++等编程语言或组态软件开发整套控制系统的传统开发方式而言，基于RTW的快速一体化解决方法，可使系统设计人员把主要精力放在系统设计、模型搭建上，大大节省了开发时间，使开发效率大大提高。

③ 本课题的研究为基于RTW开发复杂过程控制系统、实时控制过程中测控仪器的开发提供了参考，具有实际的指导意义。

参考文献：

［1］王伟，张晶涛，柴天佑.PID参数先进整定方法综述.自动化学报，2000.26，(3)：347-355.

［2］浙江大学化工自动化教研组.调节器的工程整定和校验.北京：石油化学工业出版社，1976.

［3］陶永华.新型PID控制及其应用.北京：机械工业出版社，2002：233-235.

［4］金鑫，谭文，李志军等.典型工业过程鲁棒PID控制器的整定.(控制理论与应用待刊出).

［5］Astrom K J，Hangglund T，HangCete Automatic tuning and adaptation for PID controllers A survey.Control Engineer―ing Practice，1993，(1)：699-714.