[發明專利]一種半實物實時仿真系統及實現快速原型控制的方法

無效

• 申請號: 201010180517.5
• 申請日: 2010-05-24
• 公開（公告）號: CN102262393A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 趙奇;邢珅;趙維凡;邢琳
• 申請（專利權）人: 趙奇;邢珅
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及數據仿真技術領域，特別涉及一種應用于機器人控制系統的快速原型控制的半實物實時仿真系統。?

背景技術

硬件在回路仿真(HILS，Hardware-in-Loop?Simulation)又稱為半實物仿真，它是將實際系統的一部分用數學模型加以描述，并變換為仿真模型在計算機上運行，將系統的另一部分以實物或物理模型引入仿真回路。通常，由于真實系統的某些部分很難或根本無法建立準確的數學模型，再加上各種難以實現的非線性因素和隨機因素的影響，使得進行純數學仿真十分困難。面對這種情況，只有采用硬件在回路仿真，將不易建模的部分用實物代替。由于在回路中有實物硬件加入，硬件在回路仿真必須是實時運行的。利用硬件在回路仿真，可以檢驗真實系統的某些實物部件乃至整個系統的性能指標和可靠性，有助于準確調整系統參數和控制規律。而且它還可以用來檢驗數學模型的正確性和仿真結果的準確性。?

在開發的初期階段，快速地建立控制對象及控制器模型，并對整個控制系統進行多次離線的及在線的測試來驗證控制系統軟、硬件方案的可行性。這個過程我們稱之為快速控制原型(RCP，Rapid?ControlPrototyping)。?

工程師在進行控制系統開發時，常常需要同時面臨許多難以解決的問題，而開發的時間卻要求愈來愈短。按照過去的開發方法，一般包括下列的典型步驟：?

1)根據調查情況用文字說明的方式定義需求和設計目標；?

2)根據過去的經驗提出系統的結構；?

3)由硬件人員設計并制造硬件電路；?

4)由控制工程師設計控制方案，并將控制規律用方程的形式描述出來；?

5)由軟件人員采用手工編程的方式實現控制規律；?

6)由系統工程師或電子專家將代碼集成于硬件電路中；?

7)用真實控制對象或測試臺對系統進行測試；?

由上述過程可以看出，傳統的開發方法存在三個較大的問題：?

1.硬件投入成本較大?

在對控制規律的控制特性或控制效果還沒有一點把握的情況下，硬件電路已經制造了，這時，不知道所設計的方案在多大程度上滿足要求，抑或根本不能滿足要求，但已經產生了較大的硬件投入成本。?

2.手工編寫代碼不可靠?

由于采用手工編程，所以會產生代碼不可靠的問題，這樣，在測試過程中如果出現問題(大多數情況下這是必然的)，就很難確定是控制方案不理想還是軟件代碼有錯誤。更重要的是手工編程將會占用大量的時間，導致雖然有了控制方案，卻要等待很長時間才能對其進行驗證和測試，從而在不知道方案是否可行的情況下就浪費了大量的時間、人力和物力，給開發帶來不必要的開支和經濟損失。?

3.修改控制方案費時費力?

即使軟件編程不存在問題，如果在測試過程中發現控制方案不理想，需要進行修改，則新的一輪工作又將開始。大量的時間又將耗費在軟件的修改和調試上。另外，由于涉及的部門太多，再加上管理不善所引入的種種不協調，導致開發周期延長，最終導致產品雖然研制成功了，但初始需求已經發生了變化，市場機會已經錯過，產品已沒有了銷路，從而使整個開發失敗。?

快速控制原型方法可使嵌入式系統的設計工作得以快速實現，而無須進行繁瑣的手工編寫代碼和調試過程。其典型的快速原型化可用于設計周期中的軟、硬件集成和測試階段，功能包括：在模塊圖建模環境下，以圖形化的方式對算法進行概念化；在配置硬件、生成產品軟件或設計定型前，對系統的性能進行估價；通過算法設計和原型化之間的快速重復，對設計進行完善。?

控制系統的快速原型設計分為四個階段：研究階段、設計階段、執行階段和應用階段。在研究階段，主要進行算法研究、數據分析和系統建模工作；在設計階段，一般需要選用如Matlab/Simulink的仿真軟件并根據上一階段建立的物理模型進行仿真；執行階段的主要工作是，將設計階段仿真成功的算法自動生成?嵌入式C語言或者VHDL語言后，導入到嵌入式硬件中。應用階段的主要任務是，將嵌入式控制單元與功率驅動單元、執行機構、傳感與檢測單元整合后對系統進行試驗。?