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RTW在某型直升机飞控系统半物理仿真中的应用.pdf

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上传者: 瓦哲 2012-10-17 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《RTW在某型直升机飞控系统半物理仿真中的应用pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含Vo..NO.Dec.火力FireControI与指挥控制CommandControl第卷第期年月文章编号:()RTW在某型直升机飞控系统半物理仿真符等。

Vo..NO.Dec.火力FireControI与指挥控制CommandControl第卷第期年月文章编号:()RTW在某型直升机飞控系统半物理仿真中的应用郭朕凯卢京潮(西北工业大学自动化学院陕西西安)摘要:开发高性能可靠的飞控计算机是直升机研制的重要一步。在试飞之前.需要对飞控系统进行全面的仿真测试。基于Sireulink的RTw工具箱和嵌入式VxWorks操作系统提出一种进行飞控系统半物理仿真的方案。详细说明了仿真平台的组成、RTw的配置方法和生成实时仿真代码的过程。仿真时应用了RTw的外部模式说明了其原理和具体配置方法。深入分析了RTw生成的目标文件中直升机模型信号量和参数的存取方式并提出了一种可行的办法。最后给出仿真结果并验证了该方案的可行性此方案已经应用于进一步的试飞工作中。关键词:实时工作间半物理仿真嵌入式系统.外部模式中图分类号:TP.文献标识码:AApplicationofRTWinaHelicopterFlightControlSystemHardwareintheloopSimulationGU()ZhenkaiLUJingchao(CollegeofAutomationNf)rlh~eMetnPolytechnicalUnivepsitxlnnChilia)Abstract:Developingthehighpoweredflightcontrolcomputerisoneimportantstepofhelicopterdevelopment.Beforeflighttestitisnecessarytomakethecomprehensivesimulationtestforflightcontrolsystem.AprojectofHardwai。eintheloopsimulationforflightcontrolsystemisbroughtforwardwhichisbasedonMatlabRTWtoolboxandembeddedVxWorksoperationsystem.ThemakeuPofsimulationDlatfornconfigurationofRTWandthesimulationrealtimecodegenerationaredelailedexplicated.RTWexternmodeisusedinsimulation.Thetheorydetailedconfigurationofexternmodearedetaildilluminated.TheapproachofaccessdatafromthehelicoptermodelsignalsandparametersinRTWgeneratedtargetfilesisfurtheranalysed.Oneofthefeasiblewaysandmeansisputforward.Attheendactualsimulationresultsaregivenwhichvalidatesthefeasibilityoftheproject.Thisprojecthasbeenappliedinfurtherflighttest.Keywords:realtimeworkshophardwareintheloopsimulationembeddedsystemexternmode士丘飞控系统半物理仿真对实时性要求很高。从软件角度看能否满足实时性要求取决于两个因素:一是仿真代码的编写质量二是操作系统的实时性能。RealTimeWorkshop(RTW)是Matlab图形收稿日期:作者简介:郭朕凯(一向:计算机控制修回日期:).山东青岛人.硕士研究方、网络化系统控制建模仿真环境Simulink的一个重要模块。用途是由Simulink模型直接生成独立可执行的、能直接在实时操作系统中运行的C代码并根据目标机配置自动生成适合该目标机软硬件环境的可执行程序。可支持的硬件包括:PowerPC、PC计算机(x架构)、DSP等也支持DOS、VxWorks等操作系统。使用RTw工具进行半物理仿真可以减少开发周期节省人力物力。VxWorks是专门为实时嵌入式系统设计开发的位操作系统于年由WindRiver公司推出。拥有高性能内核:windkernel。这是对外设不做弓郭朕凯.等:RTw在某型直升机飞控系统半物理仿真中的应用(总第)假设、不依赖于BS的内核其优点是系统只与CPU密切相关在系统响应、任务切换等时间消耗上的效率非常高提供基于优先级的抢占式任务调度、高效的任务同步、通信和数据互斥保护机制。半物理仿真平台总体设计本次仿真中飞机特性模拟的硬件环境采用装有嵌入式实时操作系统Vxworks的PC计算机。基于Intelx处理器的嵌人式PC系统价格较低功能模块丰富在可靠性、抗干扰性、响应速度和数据处理、存储方式等方面满足本项目的要求结合VxWorks的可靠性、实时性和多任务调度方式可以满足实时半物理仿真环境的要求。仿真平台结构如图所示。主:控P(村.图仿真平台组成在主控PC机上使用RTW工具将Simulink中的飞机模型(包括舵机模型)编译成可在VxWorks操作系统中运行的实时目标代码(mode.o)通过操作系统的集成开发环境Tornado将代码下载至目标PC计算机中运行。运行时采用了RTw的外部模式仿真结束后可以将结果保存并通过以太网上传至主控机显示。操纵台通过串口发送控制信息至PC计算机底层接口程序对指令进行解码并做相应的处理之后执行控制律软件中相应模块的功能。模型解算出的信息如姿态角、角速度、高度、速度等通过串口发送回主控PC机在综合显示系统下在线显示。利用RTW生成实时代码进入半物理仿真前需要解决如何将已经建立的计算机仿真模型和控制律算法转换成可执行、实时代码加载到嵌入式PC计算机中。手工编写模型代码不仅时间周期长而且不容易保证代码的正确性和实时性这时配合使用RTw、Matlab和Simulink可以大大简化这一过程。.代码生成过程概述RTW根据不同的目标环境的配置生成相应的代码并且使用make工具来控制生成代码的编译和链接进而生成可执行文件生成过程如图所示。具体步骤如下。图自动生成代码过程RTw对Simulink模型进行分析生成mode.rtw文件该文件包含模型中每一个模块的记录和描述。并用TIC关键字:“Block”分隔目标语言编译器TIC(TargetLanguageCompiler)对上述文件进行分析并结合系统目标文件(本项目为Tornado.tlc)将其转化为C语言代码TIC根据摸板联编文件*.tmf(本项目采用Tornado.tmf)构建一个makefile文件:mode.mk。指定的make工具程序依照上述文件去编译C代码文件、链接生成的对象文件和库文件最终生成可执行的模块文件该文件形式依目标不同而有所不同对于VxWrks该文件以mode.o的形式命名。在编译前需要特别注意:RTW.目前对MatlabFunction模块与Matlab语言编写的S函数模块还不支持因此S函数模块其对应代码必须以CMEX形式编写。.配置模板联编文件打开tornado.tmf文件进行修改主要改动以下参数:Vxworks配置:包括VXTARGETTYPE和CPUTYPE项。对于Tornado.VXTARGETTYPE为因为该版本使用可执行文件cc.exc为编译器若是使用.版本则值为PENTUM。CPUTYPE统一使用Pentium。为确定程序创建过程中所用的Tornado工(总第)火力与指挥控制年第l期具的位置必须在环境变量中或模块联编文件中定义如下宏以描述用户的配置:WINDBASE=d:/TornadoWINDREGlSTRY=rtwWIND~HOSTTYPE=x一win为在程序创建过程中能够执行自动下载功能必须指定Tornado目标服务器工作所需要的目录名和宿主机名。TARGETtower'TGTSVRHOST=rtwVXCOREI.OC一$(WINDBASE)/target/config/pcPentium/vxWorks.外部模式RTw的外部模式(ExternalMode)在Simulink环境和目标系统上运行的代码间建立了通信链接。这是一种基于服务器/客户端的通信架构而运行Simulink的主机在其中担任客户端的角色。利用外部模式不须重新编译用户也可以随时调整正在运行的模型、控制律参数。还可用Simulink提供的多种方式来显示和记录信号的数据输出。使用外部模式需要在Sinmlink的参数设置菜单中的RTW代码产生控制中使能Externalmodel选项设定好正确的目标系统网络的网络名或其IP地址以及所使用的TCP/IP端口号(详见extcomm.e文件)。这样就可以在Simulink环境中通过“ConnecttoTarget”按钮发起向目标系统的链接当链接建立后可以启动仿真。选择MATfilelogging选项将仿真结果(带有ToWorkspace或Scope的信号)保存成.mat文件格式并在仿真结束后通过以太网上传至客户端主机在Matlab中离线分析。图具体表示了Matlab.中外部模式配置的方法。.模型加载与执行图外部模式的配置RTW生成可加载的模型文件后就可以在Tornado中的命令行界面windShell中使用“d”命令将其加载到PC计算机运行。实时程序的主函数rtmain()由RTW生成由其启动模型任务在外部模式下完成与客户端通信等任务。有关函数中需要输入的参数详见extconln.e文件。以本方案为例在windShell中输入sp(rtmainmodel”一tf一w”*”Ol)该命令完成下述功能执行mode.Io模型使用外部模式仿真终止时间为S通过StethoScope提供了对模型中所有信号进行访问的功能。访问时只使用各模块各自的名称对tBaseRate任务使用了默认的优先级O使用默认的TCP端口号。可执行目标文件与外部程序间数据访问直升机半物理仿真中要求RTW的生成的可执行目标文件nmde.o能够完全脱离MATIAB和Simulink环境并按照用户的方式对输入输出参数、信号进行修改、监控。从而进行数据在线显示、离线分析等操作。这样势必需要分析RTw对模块数据或信号变量的存储方式。.RTW对模块参数和信号变量的储存RTw将Simulink的模块参数存放在一个称为rtP的全局数据结构中。也可以认为模型参数被声明为全局rtP结构中的一个成员或是一个独立的全局变量。这样便可以使得参数变量为用户外部程序所访问。对于信号变量默认情况下RTW产生的代码会通过将信号变量义为局部变量和使用共享内存手段来优化存储空间的使用。但是RTW也可以将信号变量存储在一个基于模型的、被称作rtB的全局数据结构中。存储类型被定义成种:SimulinkGlobal(Auto)默认项RTw把参数存储为rtP的一个成员rtP的所有成员值在代码产生阶段被初始化。ExportedGlbal该改类型的变量在代码产生阶被初始化并且被声明为与rtP结构相独立的全局变量以供外部程序访问。ImportedExtern变量被声明为由外部用户程序定义的变量外部用户程序必须为此变量提供正确的定义和初始化。ImportedExternPointer变量被声明为指向ImportedExtern类变量的指针。.使用ExportedCltIbaI存储类型实现和用户外编写程序的数据交互从应用的规模和代码实现的便利上考虑在项目中选择了使用ExportedGlobal存储类型来达到数据交互的目的。(下转第页)王迪.等模糊控制在AUV舵机控制系统中的应用(总第)量化因子=.K=.比例因子K:.。图模糊PID控制仿真图分别应用常规PID、模糊PID以及变论域模糊PID控制对舵机系统进行仿真仿真时间为S当输入电压U一.v时得到的输出响应曲线如图所示.三种控制方式的阶跃特性对比见表所示。从表中可以看出与常规PID控制相比模糊PID的稳态精度略有不足但是调节时间要比前者短且没有超调因此控制效果要好于前者在基于变论域思想改进后进一步缩短了调节时间并且提高了稳态精度。表常规PID、模糊PID、变论域模糊PID的阶跃特性l婚O}【:I.=穑聊。。控制lll攥糍Dj空箭jlI.Z.ts图仿真响应曲线结束语本文采用基于模糊控制理论设计了一种模糊PID舵机控制器并采用变论域思想对此控制器进行了改进仿真结果表明改进后的系统稳定可靠动、静态特性都得到了提高。参考文献:李震陈以.韩元杰.可变论域FuzzyPID控制器的设计与仿真J.自动化技术与应用.():.李洪兴.Fuzzy控制的本质和一类高精度Fuzzy控制器的设计J.控制理论与应用..():.李震.陈以韩元杰.FuzzyPID控制器的分析与改进J.计算机与现代化。.():.田勇沈祖诒.刘保国.变论域模糊控制器及其应用研究iJ.现代制造与工程():.(上接第页)首先在Simulink环境中用SignalProperties菜单将选定的信号定义一个名称并确定对其使用ExportedGlobal存储类型。然后在项目共用的头文件中声明这些变量。这样在完全脱离MATLAB和Simulink环境后在VxWorks环境下运行RTw生成的目标文件(mode.o)的同时就可以利用VxWorks的多任务体系来对选定的信号和模型参数进行方便的监控、显示和修改了。仿真结果及结论采用飞行速度km/h、质量t、飞行高度m、正常重心下的气动导数对俯仰、倾斜和航向通道分别设置。、。、。初始角度仿真得到系统相应的动态响应曲线分别如图中(a)~(c)中实线所示。对比全数字仿真的三种姿态角曲线由图可以看出在相同激励(俯仰角。、倾斜角O。、航向角。)作用下两条曲线几乎完全重合。由此说明本文采用的仿真方案是合理的可以推广应用到更广泛的系统研发过程的半物理仿真研究之中。l{O(a)俯仰角自由响应过程lO(b)倾斜角自由响应过程lSO(c)航向角自由响应过程图半物理仿真与计算机仿真曲线对比(实线为半物理仿真结果虚线为全数字仿真结果)参考文献:陈智育温彦军陈琪.VxWorks程序开发实践M.北京:人民邮电出版社.程敬原.VxWorks软件开发项目实例完全解析rM.北京:中国电力出版社o',.JeriRH.工程专业C程序设计IM.北京:科学出版社。.李方敏.VxWorks高级程序设计M.北京:清华大学出版社.王世香.精通MATLAB接口与编程M.北京:电子工业出版社.DeloresM.Etter工程问题C语言求解M.j京:清华大学出版社.

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