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半物理仿真实验系统的开发

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(毕业论文46页21212字+图+程序)摘要:本文主要利用MATLAB的xPC实时开发环境Simulink/RTW理论体系和技术框架,采用宿主机与目标机的双机模式,开发出一套脱离MATLAB平台而运行与目标机上的实时控制系统。本课题主要做了以下相关设计:利用RS232实现宿主机与目标机之间通信连接及对PC机串口的检测、制作目标机启动盘、设计目标机界面及在xPC技术框架下针对远端数据采集与控制系统ADAM5000开发了设备驱动程序模块,并以一个实际水箱液位为背景,在已有的PID液位过程控制系统算法框图中应用该设备驱动程序模块实现对现场设备的数据采集和控制,所生成的实时控制程序在现场调试中获得了预期的控制效果。因此我们的设计一方面验证了xPC技术应用于实时控制的可行性,同时也验证了该技术在硬件设备支持上的可扩展性。
 
关键词:xPC技术;实时控制;设备驱动程序模块;ADAM

 


 
The development of experiment system within half-physical-simulation
Abstract: According to xPC real-time development environment Simulink / RTW, a real-time control system which divorced from MATLAB platforms and operated on the host computer has been developed in this paper. The system works on the mode of host computer and target-machine. The main related design are on the following: Using RS232 to realize the target of communication links between host computer and target machines, and to test the PC serial; to make target machine startup disk; to design the Interface of target Machine ; to develop a device driver program module against remote data acquisition and control system ADAM5000 using the technical framework of xPC; and to realize Data Acquisition and controlling according to using ADAM5000 device driver program module against an actual water level in the block diagram of PID processing control system, the generation of real-time control procedures at the scene Debugging was expected to controlling effect. Therefore, the design Certificate that the xPC technology is OK for real-time controlling and the technology is support of the extension of hardware.

Key words:  xPC technology,  Real-time control,  Device driver module, ADAM

 


 
目   录
第1章  绪论 1
1.1  本课题研究目的及意义 1
1.2  本课题研究范围 1
1.3  国内外发展现状 2
1.4  设计思想 2
1.5  课题研究的主要内容 3
第2章  系统总体方案设计 4
2.1  总体方案设计框图 4
2.1.1  接口设备的选择 6
2.1.2  双机通信连接的选择 6
2.2  XPC目标环境介绍 7
2.3  RTW环境介绍 8
第3章  串口通信的实现 9
3.1  串口通信设计 9
3.2  对PC机串口的测试 10
3.3  双机串口通信的调试 11
第4章  亚当模块驱动程序开发 12
4.1  亚当模块简介 12
4.2  ADAM5000与PC机通信技术分析 13
4.3  ADAM设备驱动程序实现 14
第5章  XPC目标机环境开发 17
5.1   XPC目标的实时内核 17
5.2  目标启动盘的制作 17
5.3  目标机界面设计 19
第6章  XPC技术实现水位控制系统 21
6.1  实时控制系统 21
6.1.1  工程单位的换算 22
6.1.2  控制算法的设计 23
6.2  可执行程序下载调试 23
6.3  目标应用程序的执行调试 25
6.4  系统算法框图 26
6.5  系统联机调试过程 26
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录1  RS232_XPCIMPORT.H的内容 33
附录2  亚当模块ADAM5017模拟数据输出驱动程序 34
附录3  亚当模块ADAM5024模拟数据输出驱动程序 38

 

 
第1章  绪   论
产品的开发一般都需要经过系统建模、设计、分析、系统或部件性能测试、原理样机实验和系统半物理或全物理仿真等一体化的开发环境(设计平台)支持下完成的。因此,半物理仿真实验系统的开发平台在工业控制技术实验等的研究中具有深刻的意义。
1.1  本课题研究目的及意义
随着MATLAB其强大的计算能力和与各专业领域能密切结合的特点而风靡全世界的同时,它的功能也不断在扩展并向纵深发展。在自动控制领域,MATLAB已开始向生产过程的实时控制方向发展,与现场设备的通讯能力、与其他高级语言的信息交换能力不断在提高。可开发出完全脱离MATLAB平台而运行的实时控制系统的完整应用程序,使得其SIMULINK等简单易操作的特点得到了极大的发挥。由于MATLAB软件的不断升级以及TOOLBOX功能的不断增强,使控制系统的计算与仿真较传统方法发生革命性的变化,MATLAB正成为国内外控制领域内最流行的计算与仿真软件。
因此,作为未来自动控制领域的工程技术人员,及时掌握这些新的知识及其用法是非常有必要的。同时,本课题的研究和设计过程中都将在不同程度上加深我们对所学专业知识的理解和认识,并进一步提高对MATLAB软件的使用和深入的学习。我相信通过本课题的研究和设计,将使我们的科研能力、综合应用所学知识的能力、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得到很好的训练和提高,为今后步入社会奠定良好的基础。
1.2  本课题研究范围
本设计主要根据MATLAB提供的应用工具箱RTW和实时开发环境来实现实时控制系统算法的设计,以及和我们编写的设备驱动程序进行连接和编译,最后实现实时控制系统的设计。根据我们的设计工作以及实验的成果来验证xPC技术应用于实时控制的可行性和在硬件设备上的可扩展性。因此,我们需了解xPC的运行机制和原理,包括编写设备驱动程序模块所涉及到的一系列技术规范,都要以深入理解Simulink/RTW的技术框架为前提。
通过利用MATLAB软件中的Simulink和xPC技术来实现实时控制系统的设计,以及现有的实验室条件和利用xPC技术在硬件设备支持上的可扩展性,选用了ADAM5000系列中的ADAM5017(模拟输入)和ADAM5024(模拟输出)模块作为信号的采集和控制模块。为此需要编写驱动程序来实现实时控制系统的设计,实现对水箱液位高度的调节控制。
1.3  国内外发展现状
以MATLAB/xPC系列产品为代表的控制系统CAD与实时仿真一体化技术,反映了当今世界控制系统CAD技术发展的先进水平。国内外许多控制体系的研究及设计都是基于MATLAB/xPC理论体系和技术框架下进行的,如影像追踪方法应用在监控系统的研制、战斗机紧急逃生模拟系统的研制、卫星姿态控制系统的研究等等。
西南科技大学的《过程控制系统快速原型化实时开发平台的建立》被四川省教育厅列为重点科研项目,其主要也是利用MATLAB的xPC实时开发环境为重点实验室的控制理论与仿真、工业控制技术实验等的研究提供一个实时的设计、仿真和开发与调试平台。
1.4  设计思想
MATLAB软件通过特殊的应用工具箱—Real-Time-Workshop(意思是“实时工作间”,缩写RTW)提供了一个实时开发环境,可用于实时系统仿真和产品的快速原型化,提高设计效率。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,是一个基于Simulink的代码自动生成环境。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,并可以根据目标配置自动生成多种环境下的程序,或是生成可在不同的快速原型化实时环境或目标下的程序,并将程序下载到目标机上运行和进行控制和监测。
xPC目标是MathWorks公司提供和发行的一个基于RTW体系框架的附加产品,可将Intel 80×86/Pentium计算机或PC兼容机转变为一个实时系统,而且支持许多类型的I/O设备板。使用xPC目标我们只需安装相关的软件、一个编译器和I/O设备板,就可将一个PC兼容机作为实时系统,来实现控制系统或DSP快速原型化、硬件在回路中的测试和配备实时系统的功能[11]。
MATLAB下的实时控制技术实际上都是来源于Simulink/RTW技术,其中Simulink、RTW、xPC三者之间的关系可以表述为:Simulink在不与RTW发生联系时只是一个纯粹的数字仿真环境,而在加上RTW的功能后,Simulink就变成了一个完整的实时仿真和系统开发环境,xPC则是这个开发环境所提供的一种技术实现方法,按照RTW的术语叫做它的一个目标。本课题的研究就是基于MATLAB的xPC实时开发环境Simulink/RTW理论体系和技术框架,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。
1.5  课题研究的主要内容
利用MATLAB的xPC实时开发环境Simulink/RTW理论体系和技术框架,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,为计算机控制系统的设计和实现提出一套新的快速原型化解决方案。
(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RS-232实现宿主机与目标机之间的通信。
(3) 制作目标机启动盘,设计目标机的界面。
(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。
(5) 用已有算法框图生成的实时控制程序进行现场调试,以验证这种技术的可靠性以及设备驱动程序的稳定性。

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