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1、 thProceedings of the 25 Chinese Control Conference 7-11 August, 2006, Harbin, Heilongjiang 基于Matlab的模糊控制系统实时混合仿真平台 杨鹏，李永富，张燕，李松 河北工业大学电气与自动化学院, 天津市 300130 E-mail: 摘 要: 介绍了利用MATLAB的实时工具箱RTW和RTWT，建立模糊控制实时混合仿真平台的方法。该平台分 为上下两层，上层为计算机，应用Matlab完成模糊控制算法的计算，下层为一块I/O卡，实现现场数据的采集和 控制量的输出， 将实际系统引入到了仿真回路里。 平台应
2、用Matlab模糊逻辑工具箱或S函数完成模糊控制算法的 设计。系统仿真结果表明基于MATLAB的混合仿真系统具有很高的仿真精度，并能真实反映实际工业过程控制 中的各种扰动和噪声的影响，为从事模糊控制的研究人员提供了一种快捷、方便、经济的控制系统分析与设计 工具。 关键词: MATLAB, 模糊控制, 混合仿真, RTW Real-Time Mixed Simulation Platform For Fuzzy Control Systerm Based On Matlab First A. Peng Yang, Second B. Yongfu Li, Third C. Yan Zhang ,
3、Forth D.Song Li Department of Automation, Hebei University of Technology, Tianjin 300130 E-mail: Abstract: This paper introduces a method of building a real-time mixed simulation platform for fuzzy control system based on MATLAB.The platform is composed of two layers.The upper layer is computer for
4、 the realization of fuzzy control algorithm with MATLAB. The lower one is a I/O card which is used for acquiring data and outputing the control value，and then puts the real system into the simulate loop.The design of fuzzy control algorithm is completed by the use of fuzzy logic box or S function pr
5、ovided by MATLAB. Simulation results show that the mixed simulation platform can simulate processes with high precision, and it will reflect the effect of disturbances and noise in practical industrial processes. Key Words: MATLAB，fuzzy control，mixed simulation，RTWT 个问题，本论文提出了一种将硬件系统引入到仿真 回路里的混合仿真平台
6、。 平台以Simulink作为仿真环 境，以Simulink 模型作为连接物理目标的接口，应 用模糊逻辑工具箱或s函数完成模糊控制器的设 计，有助于实现模糊控制器的快速原型设计。 1 引言(Introduction) 在过去的30年里，模糊控制已经为将人的控制 经验及推理过程引入自动控制策略提供了一条简洁 的途径。目前人们开始重视经典模糊控制系统稳态 性能的改善、模糊自适应控制与专家模糊控制理论 与设计方法的研究。模糊控制已成为最近几十年在 控制领域发展最为迅猛的一个研究方向1。 2 Matlab 实 时 仿 真 环 境 (The Matlab Real-Time Simulation) RT
7、W(Real-Time Workshop)是MATLAB 提供的 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。 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，并根据目标配置自 动生成多种环境下的程序，在硬件上运行动态系统 模型，同时还支持基于模型的调试。使用RTW 进行 实时硬件的设计测试，用户可以缩短开发周期，降 低成本。当用户在Simulink环境下建模，并得到较满 意的仿真结果后，就可将RTW 与一个快速原型化目 标（例如RTWT 目标）联合使用。该快速原型化目MATLAB作为一种面向科学与工程计算的高级 语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神
8、经 网络和图像处理功能于一体，具有极高的编程效 率。在模糊控制的设计和研究中工程设计人员通常 是应用MATLAB进行仿真研究，在仿真过程中选取 理想的数学模型为控制对象，忽略了许多现场中的 参数，使控制过程变得相对比较简单。为了解决这IEEE Catalog Number: 06EX1310 此项工作得到河北省教育厅基金资助, 项目批准号:2004413. 1247标与用户的物理系统连接在一起。用户可使用 Simulink 模型作为连接物理目标的接口，完成对系 统的测试2,3。 RTWT(Real-time Windows Target)是MATLAB 提供和发行的一个基于RTW体系框架的附加
9、产品， 它可将PC机转变为一个实时系统，其目的是引入一 种快速原型设计的方法，用于控制器的实时测试和 开发。在这个环境里，一台PC机既作为宿主机，又 作为目标机存在。 首先在安装了matlab,simulink的PC 上，用Simulink模块来建立模型。模型建立后，再利 用Real-Time Workshop和一个C-Complier生成可以 在Simulink的外部模式下运行的可执行代码， 然后再 在Simulink的外部模式下实时运行可执行代码。 Simulink的外部模式与RTWT的结合提供了一个图 形用户接口。它的主要功能有: 1)信号可视化:利用Simulink Scope blo
10、cks可以可 视化实时或者非实时信号，并能将这些数据存储到 Matlab的工作空间内。 2)参数调节:利用Block Parameter dialog boxes可 以在实时程序运行的情况下，改变程序的参数。 RTWT应用一个实时内核来保证应用程序的实 时运行。实时内核运行在CPU的最高优先级，利用 PC的内部时钟作为自己的时间信号源。由于目标应 用程序被编译为具有平面存储模式（flat memory model）WindowsNT应用程序，提供了完全的32位功 能，无须在16位内存段与DOS扩展器间进行切换， 因而执行效率高，具有相当快的运算速度，这样就 可以在较短的时间内计算仿真模型，从而
11、可以满足 实时系统对时间的要求。对于较小的Simulink模型， 其采样频率可以达到10KHz4。 通过I/O卡将PC机与外部硬件设备相连， 就可以 方便的搭建一个实时混合仿真系统。这种系统的仿 真条件与实际情况更为接近，更加有利于对控制系 统的研究，也能缩短从仿真实验到实用环节的研发 周期。 3 实 时 混 合 仿 真 平 台 (The Platform Of Real-Time Mixed Simulation) 3.13.1 平台的实现(The Realized Of The Platform) 实时仿真系统采用了MathWorks公司提供的 MATLAB/RTWT，系统分为虚拟控制器与
12、现场系统 两部分，两者之间通过I/O卡相连。为了完成不同模 糊控制器的快速原型化设计，可将不同的硬件系统 引入到仿真回路里，在此以浙江天煌科技实业有限 公司的THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置为 硬件系统，该实验装置由控制对象和控制实验平台 两部分组成。对象配有水槽、锅炉、三相磁力泵等 各种模拟工业现场的装置，并安装了各类监测变送 装置和执行机构，控制台与控制对象的分开设计，使其更加接近工业现场，可以看成是微缩了的常用 过程装置。该装置有多个手动阀门，通过手动阀门 组的切换可将整套对象分解组合成多种控制系统。 实验平台提供了工业控制中标准的4-20mA和1-5V 信号接口，可以方便的将信
13、号接到数据采集卡的端 子板上。 RTWT提供了80多种I/O卡的驱动，对于RTWT 不支持的板卡可以应用Simulink提供的S函数模块自 行开发板卡的驱动模块。在此选用的是NI公司的 PCI-6024E，由Matlab驱动模块驱动其A/D与D/A功 能，实现现场信号的反馈以及控制信号的输出，从 而将虚拟控制器与实际现场环境联系起来，实现了 实物在回路中的混合仿真。 平台的系统结构图如图1 所示。 PCI-6024E 虚拟控制器环境实际现场环境 模拟信号 数字信号 THJ-3型高级过程控制试验 装置 PC机 图1 半物理仿真系统 系统中虚拟控制器由Matlab结合Simulink工具 箱实现，
14、以Simulink 模型作为连接物理目标的接 口。在Simulink提供的图形用户界面上，只要进行简 单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以 方块图形式呈现，且采用分层结构。从分析角度讲， 这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动 态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系 统、各系统间的信息交换，掌握各部分间的交互影 响。 应用Simulink里的示波器模块或者其他显示模块 可以在线观察方框图中各个点的实时数据，并能将 其存储到MATLAB工作空间内。因此该仿真平台对 于控制算法的开发与测试非常的方便有效。 3.2 3.2 模糊控制器的实现(Fuzzy Controlle
15、r) 模糊控制器的实现有两种方法： 1) 应用Matlab提供的模糊逻辑工具箱 Matlab的模糊逻辑工具箱提供了模糊逻辑控制 器(FLC),及系统设计的各种途径。 利用它的图形用户 界面(GUI)编辑隶属度函数，可方便地设计模糊控制1248的直观图式系统。同时它还提供了生成和编辑模糊 推理系统(FIS)常用的工具函数(如newfis, addvar, addmf等)，用户也可以通过命令行的方式(调用函数 方式)建立和编辑模糊推理系统。 其中Fuzzy为调用基 本FIS图形编辑器的函数，在命令行下写入fuzzy，屏 幕上会出现带有输人、输出、模糊规则的模块系统 图。在此基础上用户可建立基于Ma
16、mdani或T-S模糊 模型的模糊推理系统，并在规则编辑器中对所求出 的控制规则进行编辑。 2) 编写C语言的S函数实现模糊控制器 应用模糊逻辑工具箱虽比较直观，但仿真速度 比较缓慢，对于采样频率要求较高的系统不能达到 实时控制的要求。对于这种情况可利用Simulink和 C/C+混合编程技术建立的模糊控制仿真系统， 应用 C语言的S-Function可大大提高系统的仿真效率。 图2给出了在Simulink中离散系统仿真的一般原 理图。S-Function的工作原理和Simulink的仿真原理 基本类似，在S-Function中提供了与Simulink 仿真不 同阶段相对应的回调函数。初始化阶段包括 mdlInitializeSizes，mdlInitializeSampleTimes和 mdlInitializeConditions模块。 它们分别起初始化系统 初始化仿真模型 计算当前系统输出 更新当前系统状态 仿真循环 图2
