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基於simulink-realtime的數控係統仿真與實驗（yàn）平台研究

2018-3-29 來（lái）源（yuán）：上海交通大學作者：蔡一天，奚學程，趙萬（wàn）生

摘要:提出一種（zhǒng）采（cǎi）用simulink-realtime構建數控係統仿真實驗平台（tái）的方法。首先，介紹（shào）了simulink一realtime的硬（yìng）件部分結構及其軟件部分原理與設置（zhì）。然後，詳述了基於simulink一realtime應用（yòng）程序的開發流程（chéng），並以一個單軸PID控製器（qì）的程序（xù）開發為例。最後，以對輪（lún）廓誤差控製（zhì）中典型的交叉禍合控製（zhì）器研究證明了所搭建的（de）仿真實驗平台對於研究（jiū）數控（kòng）技術（shù）的實用性。

關鍵詞:simulink-realtime;數控係統;實驗平台

數控係統（tǒng）作為（wéi）數控機床（chuáng）的（de）核心部分，其性能對於機床的加工精度和效率有著至關重要的影響。因此，研究先進的數控技術對於打破國外壟斷、提高（gāo）裝（zhuāng）備製造業水平有著重要意義。

但是，一般的商用數控係統往往是封閉的，這也意味著用戶無法知道其具體（tǐ）原理（lǐ），也不能對其進行修改。因此，部分學者采用由PMAC運動控製卡來實現底層運動控製、而（ér）自己（jǐ）開發上層軟件的方法，這雖然部分地解決了數控係統（tǒng）開放性不足的問題，但當需要研究底層（céng）運（yùn）動控製功能時，采用運動控製卡的方法仍使研究受到局限。此外，部分研究人員采用（yòng）自己開（kāi）發數控係統的方法，但耗（hào）時較長，且需把過多精（jīng）力投入（rù）到非核心技術的開發上}z-o。也有其他（tā）學者（zhě）采用開源數控係統(如LinuxCNC )，在此基礎上進行（háng）修改以符合自身要求[f410但這種方法需（xū）先對開源數控係統有一個較好的了解，前期耗費時（shí）間（jiān）長，且所有算法功（gōng）能都用C++語言（yán）實現，在算法（fǎ）實（shí）現上也需花費很（hěn）多精力。

本（běn）文利用M at1ab軟件中的simulink-realtime實現從模型設計仿真到算法實現的無縫對接。利（lì）用simulink-realtime由仿真模（mó）型自（zì）動生成C語言代碼的功能，使原來最費（fèi）時（shí）的算法實現階段（duàn）時間幾乎縮短為0。並以此為基（jī）礎，集成數控係統中常用的功能模塊，搭建一個開放的（de）數控技術仿真實驗平台。

1. Simulink-realtime簡（jiǎn）介

從核心功能上講，simulink一realtime是一（yī）組Mat1al)提供的幫助用戶從simulink模型快速創建實時程序（xù），並自動卜載到目（mù）標控製機的工具（jù）集。同時，它也包括了眾多的I/0硬件馭動，比如:模擬信號（hào）I/0、數字信號（hào）I/0、脈（mò）衝產生與接收、CAN總線、網絡通信等。

1.1 硬件係統結（jié）構

Simulink-realtime具體實現（xiàn）時的硬件體係結（jié）構見圖1。開發機(development computer)負責Matlab程序、simulink仿真模型的搭建，通過simulink-real-time提供的編譯器編譯後卜載到目標機中運行，之（zhī）後（hòu）開發（fā）機可實時調整（zhěng）程序中的參數，並監測和記錄程（chéng）序運行（háng）的信號。開發機一般為裝有Windows係統（tǒng）並有Matlab程序的 PC機。目標機往往（wǎng）也是PC機，當然也可以是如PC/104 , CompactPCI形式的工控機。而I/0硬件（jiàn）通常指通過PCI擴（kuò）展（zhǎn）槽連接（jiē）到目標機上（shàng）的各種I/0板卡，最（zuì）後通過這些I/0板卡控製真實的（de）物理部件。

圖1 simulink-realtime係統架（jià）構圖（tú）

在開發機和目標（biāo）機之間（jiān）可采用2種通信方式:RS-232和ethernet } RS-232方式隻（zhī）能以一台開發機對應一台目標機，但Ethernet方（fāng）式可支持一台開發機（jī）對應多台目標機。

這（zhè）是因為此時目標機和開發機之間是通過TCP/IP協議通信，兩者之間不（bú）是必須通過網線直接連接，完全可通過（guò）路由（yóu）器接通。因此（cǐ），ethernet的連接方式提供了更好（hǎo）的擴展性，且ether-net相對於RS-232通（tōng）信更加不易（yì）受幹擾，可（kě）支持長距離傳輸，數據傳輸速率快。因此，木文選用ether-net連接方（fāng）式。

此處的硬件I/0板卡需為Matlab公司支持的型號，因為隻有這（zhè）部分板卡（kǎ）Matlab裏的I/0 31}動庫才提供simulink block形式的（de）馭動。否則，需要用戶自己編（biān）寫硬件馭動，這會（huì）相當繁瑣。

1.2 軟件設置

從圖（tú）1可看出，如果要在目標機運行實時程序，需（xū）在目標機（jī）有一個實時操作係統。但這個實操作（zuò）係（xì）統並不是平時常見的如VxWorks,uc-os等，它是一（yī）個M atlal)公司（sī）提（tí）供的名為“simulink real-time kernel”的微型實時內核。因此，在目標機中不需由用戶預（yù）裝Windows或（huò）Linux等任何其他係統。要在目標機啟（qǐ）動simulink real-time kernel，有以卜4種方法:

(I) 從光盤設備啟動。從CD/DVD啟動，需用戶自己刻（kè）錄光盤，成木較高且不方便。

(2) 從移動盤啟（qǐ）動。從移動U盤或移動硬盤啟動，這時隻需通過Matlab提供的工（gōng）具製作啟動盤，然後（hòu）通過USB接入目標機即可。

(3) DOS loader啟動。這要求目標機（jī）有DOS啟動係統，且有其（qí）他諸多限製。

(4) 網絡啟動。把實（shí）時操作係統放在一（yī）個開發機上，當開發機檢測到目標機啟動時，通過網絡把操作係統相關數（shù）據（jù）傳輸到目標機，然後啟動（dòng）係統。該方法要求目標機的（de）Bioses支（zhī）持從網絡啟動。

上述方（fāng）法中，從移動盤啟動係統最為方便快捷且限製較小。因此，木文選取這種方法。

製作裝（zhuāng）有simulink real-time kernel微型實時內核的U盤（pán）可通過Matlal)提供的“simulink real-time explorer”工具實現。隻需在Matlab命令行中（zhōng）輸入"slrtexplr";在Target而板中設置如卜3個方而的屬性:

(1) 開發機到目標機的連接屬性(Host-to-Tar-get communication)。木文采用開發機目標機用（yòng）網線直接相連的方式，故（gù）連接方式選擇“TCP/IP"。目標機的相關網絡設置必須保證和開發機在同一個局域網中，即目標機的IP地址和開發機前3段必須相同（tóng），僅最後一段不同。且需注意開發（fā）機設（shè）為固定IP。

(2) 目標機屬性(Target settings )。主要是設置目標（biāo）機（jī）相關的屬性，如目標（biāo）機是否為（wéi）多核、是否為386/486體係架構等（děng）。

(3) 啟動配置(Boot configuration )。由於木文選用從U盤啟動（dòng）係統（tǒng），所以boot mode可（kě）選擇Remov-able Disk，然後就能創建啟動（dòng）盤。同時需特別注意設置目標（biāo）機的Bioses為優先從U盤啟動（dòng）係統，否則一般都默認從硬盤啟動係統。

1.3 應用程序開發（fā）

基於simulink一（yī）realtime開發實時應用程序都是采用“基於模（mó）型的設計”思想，即一（yī）以（yǐ）係統（tǒng）模型為基（jī）礎，用戶隻需建立相應的算法模型，而不需關（guān）心具體的算法轉化為實時（shí）程序的細節。其開發過程見圖2。

圖二 simulink-realtime 應用程序開（kāi）發（fā）流程

如（rú）本文的運動控製係統，需對（duì）這個軸設計PID控（kòng）製器以改善各軸的跟蹤性能。若交流伺服電機（jī）簡化為二階（jiē）模型，則（zé）帶PID控製器的係（xì）統模型（xíng）見圖3。

圖三單軸PID控製器模型

現在要設計PID控製器，並在目標機中實現，因此需對上（shàng）述模型進行實時化。首先，實時程序並不支持一般（bān）的（de）Scope模（mó）塊，必須用simulink一realtime庫中專用的Scope。它支持實時數據顯示，或記錄數據到文件;另一方而，此時的傳遞函（hán）數1/(sz+3s+2)已用真實的物理係統代替，即交流伺服電機，所以傳遞函數（shù）模塊（kuài）可刪去。控製係統信號量和反（fǎn）饋信號需通過I/0板卡采集，因（yīn）此還需添加相應的硬件馭動（dòng）模塊（kuài）。同（tóng）時，由於采集到的反饋信（xìn）號為脈衝信號，需經過單位（wèi）轉換才能接入閉環，故在反饋處還需加入（rù）一個增益（yì）環節。假設此處采用的（de）I/0板卡為NI公司（sī）的PCI-6221，則（zé）係統模型經實時化（huà）改造後變為如圖4所（suǒ）示。

圖4 實時化改造後的單軸PID控製器模型

接下來，隻要接通開發機和目標機，編譯經（jīng）過（guò）實時化（huà）改造的模型（xíng），卜載到目標機（jī）就能在（zài）目標機運（yùn）行個PID控製器。這個編譯、下載、運行的過程隻（zhī）需簡單調用M atlal提供的命令或直接在GUI中操作即可。

最後，如需讀取記錄的數據，可調用相應命令把記錄（lù）的數據文件（jiàn）從目標機複製到開發機，然（rán）後讀取到相應變量中。比如卜列函數就可完成這個（gè）任務，其中（zhōng）t為包含目標機的（de）對（duì）象（xiàng），filename為需要複製（zhì）到開發機的數據記（jì）錄文件:

function scope_ core data=get target_ scope data(tg, filename)

SimulinkRealTime,copyFilcToHost (tg, file-name;

scopes data =SimulinkRealTime. utils. get-FilcScopeData(filename);

scopes c<)二一Iata=scope data. data(:,1);

end

由此可看出（chū），所有工作都是圍（wéi）繞係統模（mó）型展開，且用戶隻需集中精力（lì）於算法開發就好。

2、數控係統實驗平台設計

本文基於simulink-realtime搭建的數控係統實驗平台的硬件係統見圖5

圖5 實驗平台（tái）硬件係統示意圖（tú）

其電控部分就是基於圖1所述的結構，I/0板卡選用（yòng）NI公司的PCI6221，它包含兩路模擬輸出可控製電機，還（hái）自帶犯位計數器可作為電機編碼器的反饋。機械部分為（wéi）一個由滾珠絲杠傳（chuán）動的兩軸X-Y交流伺服平台（tái）。由於該平台把一個軸置於另個軸之上（shàng），這樣兩軸3動的質量不（bú）同，從而（ér）保證兩軸的動態特性（xìng）不匹配較明顯，更好地（dì）模擬了真實機床的情況。

在軟件方而，可劃分為如圖6所示的幾個模塊，各部（bù）分的功能如下:

(1)參數曲線生成（chéng）模塊。目前高級的數控係（xì）統多（duō）用NURBS曲（qǔ）線來表示參數曲線，此模塊完成NURBS曲線相關的操作。

(2)插補算法模塊。從參數曲線生成一係列的插補點，可根據需要采用不同的插補（bǔ）算法。

(3)速度規劃模（mó）塊。合理規劃運動速度（dù），可采用S型加減速等方法。

(4)模型（xíng）辨識模塊。這主要是（shì）為了（le）仿真（zhēn）方便，如上所述，simulink一realtime是以模型為核心的。若能辨識出係統模型，就能（néng）很方便地仿真（zhēn）相應的算法。

(5)基於繼（jì）電反饋的PID自整定模塊。單軸的PID控製器是最（zuì）基木的控製器，而繼電反饋法又是整定PID參（cān）數（shù）的優秀方法。

(6)輪廓誤差離線精確計算腳本（běn）。這（zhè）主要是為了研究輪廓誤差控（kòng）製等時驗證算法的效果。

(7)數據提取與存儲模塊。存儲數據，方便以後進一步處理。

圖6 實驗平台軟件部（bù）分模塊規劃

至此，數控係統實驗平（píng）台完成，可用該平台方（fāng）便地進行數控技術各方麵的研究。

3、輪廓控製仿真與實驗

木文以研究數控技術（shù）中的輪廓誤差控製技術為例，選用其中最經典的交叉禍合控製器來證明所搭建實驗平台（tái）的實用性。交叉禍合控（kòng）製的思想是把輪廓（kuò）誤差看作一個整體來控製，即意味著每個軸不但受（shòu）本軸的影響，也接收其他軸的誤差信息。這（zhè）樣，多軸之間能（néng）更好地協同，共同達（dá）到減小輪廓誤差的（de）目的。

根據算法思想（xiǎng）建立對於（yú）一個圓形軌跡的控製器模型(圖（tú）7)。

圖7 一個圓形（xíng）輪廓的交叉耦合控製器模（mó）型

其中，curve data是用參數曲線生成、插（chā）補、速度規劃（huá）模塊（kuài）一步步生成的參考指令點，兩（liǎng）個（gè）軸的係統模型可用係統辨識模（mó）塊獲（huò）得，單（dān）軸PID參數可通過繼電反饋法整定，而中間的PID控製器參數可通過建立如圖7所（suǒ）示模（mó）型後，用Mat1al)提供的PID參數整定工具自動整定，最後可用輪廓誤差離線精確計算腳木來估計控製器的效果。在確定算法後，將上述模型進行實時化改造(圖8)，再調用係統相關工（gōng）具編譯下（xià）載到目標機即可運行。

圖8 實時化後交叉偶合控製器模（mó）型

在本實驗中，圓的半徑為40 mm，線速度為20mm/s，有和沒有交叉禍合控製器時的輪廓誤差見圖9。

圖9 是否加入交叉耦合控製器的誤差對比

可（kě）見，交叉禍合控製器顯著減小了輪廓誤差，同時也（yě）證明本文搭建的實驗（yàn）平台能很好地滿足數控技術中（zhōng）的輪廓誤差控製技術研究的需要。

4、結束語

本文（wén）設計了基於simulink-realtime的數控（kòng）係統仿真與實驗係統。相對於傳（chuán）統的實驗平台，它提供了極大的（de）便利性，可（kě）大大減少（shǎo）通常算法實現時花費的大量時間。同時，該平台以模型為核心的特點，很好地整合了從算法仿真到實（shí）現的過程。本文搭建的實驗平（píng）台集成了數控技術中常用的各種模塊（kuài），具有很好的開放性，適於研究數控技術的各個方麵。

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