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基于RTW及xPC的实时控制系统设计

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基于RTW及xPC的实时控制系统设计 (毕业设计50页 20468字)
摘要:本文介绍了基于RTW及xPC实时控制系统的设计。设计采用MATLAB工具箱中的RTW和xPC目标。RTW提供实时开发环境;xPC目标采用宿主机--目标机的技术途径,进行产品原型开发、测试和配置实时系统。数学模型的建立以实际水箱液位控制系统为背景。该模型通过选择合适的调节规律,进行算法仿真,得出调节参数。在宿主机上运行MATLAB/Simulink,搭建控制系统的算法框图。系统通过串口RS232建立宿主机、目标机和现场设备之间的联系,将目标应用程序下载到目标机,再通过宿主机设置参数来实现对水箱液位的实时控制。

关键词:xPC技术;实时控制;RTW

 


 
System Design of Real-time Control Based On RTW/xPC
Abstract: The paper introduced the design of real-time control system based on RTW and xPC. The design used RTW and xPC target in the Toolbox of MATLAB. RTW provided real-time developing environment. xPC target used technology way of host machine- target machine to develop the prototype, test and configure the real-time system. Mathematical model was set up on the foundation of control system of the fluid level of the water tank. The model was used to simulate the algorithm with  suitable adjusting rule, and educed adjusting parameter. MATLAB/Simulink was run on the host machine to build the algorithmic block diagram of the control system. The system set up the relation among host machine, target machine and field equipment through RS232. Target application program was downloaded to the target machine, and then the real-time control of the fluid level of the water tank was realized by setting parameters on host machine.

Key words: xPC technology, Real-time application, RTW

 

 

 
目  录
第1章  绪论 1
1.1  国内外研究现状 1
1.2  选题的意义 1
1.3  课题研究的主要内容 2
第2章  方案设计及建模 3
2.1  系统设计要求 3
2.2  被控对象的数学建模 4
2.3  控制方案的选取 5
2.3.1  确定控制目标 5
2.3.2  控制方法 6
2.3.3  控制算法 6
2.3.4  算法仿真 7
第3章  系统框图的搭建 10
3.1  在SIMULINK 中搭建系统算法框图 10
3.1.1  控制模型建立 10
3.1.2  离散的PID控制算法框图 11
3.1.3  工程单位的换算 12
3.1.4  子模块的封装 15
3.2  xPC专用示波器的应用 18
3.2.1  xPC Target主要特性 19
3.2.2  xPC Target scope模块 19
第4章  目标程序的下载 22
4.1  RTW简介 22
4.1.1  RTW程序的创建 23
4.2.2  模型的执行 23
4.2  xPC简介 26
4.2.1  硬件环境 26
4.2.2  软件环境 27
4.2.3  目标启动盘 27
4.2.4  实时内核 28
4.3  目标程序的下载 28
4.4  参数调节功能 29
第5章  调试 30
5.1  单机串口的检测 30
5.2  双机联调 31
结论 38
致谢 39
参考文献 40
附录1  RTW术语表 41
附录2  XPC目标环境 43
 
第1章  绪  论
1.1  国内外研究现状
在科学技术飞速发展的今天,自动控制所起的作用越来越重要,无论是在宇宙飞船、导弹制导的尖端技术领域中,还是在机器制造业及工业过程控制中,它所取得的成就都是惊人的。自动控制理论与实践的不断发展,为人们提供了设计最佳系统的方法,大大提高了生产率,同时促进了技术的进步。计算机控制系统是自动控制理论、自动化技术与计算机技术紧密结合的产物。控制理论的发展,尤其是现代控制理论的发展,与计算机技术息息相关。利用计算机快速强大的数值计算,逻辑判断等信息加工能力,计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论提供了有力的工具。计算机的广泛应用,使人们有了先进的计算工具,但又不得不与计算机程序打交道,而要很轻松的学会一个功能很强的高级语言,这并不是一件很容易的事。
随着MATLAB的出现,它的工具箱与Simulink仿真工具为控制系统的设计与仿真提供了一个强有力的工具,使得控制系统设计与仿真的传统方法有了很大的改进。MATLAB作为一种功能强大的数学计算软件,具有数值计算、数据可视化功能和易于使用的编程环境.目前,MATLAB已成为国际、国内控制领域内最流行的设计仿真软件。在控制工程领域内几乎所有的控制器,在设计和研发的过程中都需要在不同的阶段进行仿真加以验证,以观察与某些部件相连时的控制算法的性能。计算机仿真目前已成为解决工程问题的重要手段,MATLAB/Simulink软件已成为其中功能最强大的仿真软件之一。而仿真领域的重点是建立模型,即在模型建立以后再设计合理的算法对模型进行计算。Simulink是一个针对动力学系统建摸、仿真和分析的软件包。
1.2  选题的意义
控制理论的发展已经从简单的调节原理发展到控制工程论、生物控制论、经济控制论、社会控制论等现代控制理论。目前正在向着智能控制理论的方向发展。自动控制的控制领域在不断的扩大,从工业控制已进入到生物控制、医学、环境控制、社会经济、人口控制等各个领域。自动控制所设计到的学科包括:物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息论、生命科学以及社会科学。在具体的应用过程中,针对各种具体的控制系统进行设计、加工、软件编制、调试、测试等,最终实现控制目标以及运行过程中的维护、维修。自动控制之所以能在生产实际、科学研究和国防建设中起作用,需要以上个各部分有机的、统一的工作。各部分的发展有相互推进的作用,从自动控制发展的历史中可以看出,应用推动技术,技术推动理论,理论又反过来促进技术的发展和指导实际应用。
学以致用是每个学生得心声。在即将毕业之际,做一些与实际相关的事来提高自己多方面的能力,是我们的目标。毕业设计为我们提供了平台。通过对本课题的研究和设计,我综合应用以前所学的知识的能力、动手能力、分析与解决实际问题的能力和软件开发的能力得到很好的训练和提高。
1.3  课题研究的主要内容
与另一设计者分工合作,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的解决方案。
1. 本次设计以一个实际水箱液位控制系统为背景,在Simulink中搭建实现该控制过程的算法框图,对Simulink下搭建的系统框图生成实时控制程序的源代码。
2. 设计离散的PID算法、反馈控制算法;在Simulink模型中实现信号的采集与输出;进行计算量与显示量之间的标度变换处理等。
3. 实现将设备驱动模块和xPC目标的专用示波器模块加入到模型中,或创建满足嵌入式要求的单机模式目标应用程序。

 

 
第2章  方案设计及建模
2.1  系统设计要求
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。
(2) 建立水箱液位控制系统的数学模型,并进行控制规律的选择。
(3) 运用MATLAB来建立系统的算法框图。
(4) 在宿主机建立好模型后,实现与目标机之间的程序下载。
(5) 现场调试,并加以完善。
由于毕业设计时间的限制,所以在设计的过程中,这个课题是由两名同学来完成的,其中宿主机运行MATLAB/Simulink建立模型的工作由我来完成,在模型中涉及到的亚当模块的驱动程序的编写及目标机的部分,就由我们班的邓境熙同学来完成。调试的部分是由我们共同完成的。在设计中,以实际水箱为控制对象来建模。并使用现有的监测与控制设备ADAM5000和同学编写的设备驱动程序完成信号的采集与控制,根据实验室提供的实验设备,选择了液位控制作为实现的对象。该实验的简化图如图2-1所示。

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