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1、 1 引言(Introduction) 对于控制系统来说，从时间是否连续的角度可 分为连续系统和离散系统，而计算机控制系统一般 表现为混杂系统，即其中即有连续状态，又存在离 散状态，由此产生各种不同的设计方法。通过使用 Matlab和Simulink， 可以方便的对这几种动态系统进 行仿真和分析，给科研工作提供了很多帮助。 另外，对于一个完整的计算机控制系统来说， 除了数学计算外，还存在很多控制逻辑判断，如状 态切换和条件控制语句等。虽然这些功能也可以通 过Matlab和Simulink中的函数实现，但是稍显繁琐， 不易使用。因此出现了Stateflow，它可以进行控制 逻辑的设计与分析，对于
2、控制逻辑和复杂反应系统 的建模是一个有效的工具。 而且，除了进行模型的仿真，为了便于进行算 法 的 开 发 和 验 证 ， 出 现 了 RTW （ Real-Time IEEE Catalog Number: 06EX1310 此项工作得到国家自然科学基金资助, 项目批准号: 60528002. Workshop）和Stateflow Coder，它们分别把Simulink 模型和Stateflow框图直接转换为可执行代码，这样 可以加快系统的开发速度，提高工作效率。 thProceedings of the 25 Chinese Control Conference 7-11 August,
3、 2006, Harbin, Heilongjiang 基于Stateflow与以太网的电机控制系统设计及实现 李坤杰，刘国平 中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室, 中国科学院研究生院, 北京 100080 E-mail: 摘 要: 介绍无刷直流电机转速控制系统的建模和实现. 首先使用Stateflow框图建立控制逻辑模型, 实现自动/手动 无扰切换功能, 然后把框图集成到Simulink中得到完整的控制器模型, 最后完成了基于以太网（因特网）通讯的 工程实现. 通过使用NetCon系统, 可以快速完成从系统设计到实现的完整流程, 方便构建出控制系统的应用实例. 电机控制系统实例
4、表明设计的方便性和实现的有效性, 可以应用于其他的类似控制系统中. 关键词: Stateflow, 以太网, 转速控制, 无扰切换 Design and Realization of Motor Control System Based on Stateflow and Ethernet Li Kunjie, Guoping Liu Lab of Complex Systems and Intelligence Science, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080 E-mail: Abstract
5、: This paper describes modeling and realization of brushless DC motor speed control system. Firstly a control logic model is built using Stateflow chart, which provides auto/manual bumpless switch function. Then the chart is integrated into Simulink to attain complete controller model. Finally the p
6、ractical engineering realization of control system is presented based on Ethernet(Internet) communication. Using NetCon system, the complete process from system design to realization can be finished quickly and engineering applications can be built easily. The motor control example illustrates the f
7、easibility of design and the efficiency of implementation and it can be applied to other similar control systems. Key Words: Stateflow, Ethernet, speed control, bumpless switch Matlab、Simulink、RTW、Stateflow、和Stateflow Coder集成在一起，已经可以完成从控制系统的设计 到实现的完整流程，但在应用于实际工程实现时还 存在一定的限制，如对网络的支持稍弱、监控功能 不足等。因此，中国科
8、学院自动化研究所开发出 NetCon系统1，增强了原有功能，把所有通信都建 立在以太网（因特网）的基础上，并且提供了完善 的监控画面。 本文使用NetCon系统， 实现了无刷直流电机转速 控制系统的具体实例，主要使用Stateflow框图实现 自动/手动无扰切换的控制逻辑，然后通过以太网进 行全部的数据通信工作，如下载和监控数据等，全 部实现过程对其他控制系统也有一定的借鉴意义。 5252 系统结构(System Architecture) 2.1 RTW简介 (Introduction of RTW) 在Matlab编程环境中，以矩阵为最小计算单 元，提供了高效的数值计算功能，同时集成了大量
9、 的常用函数。关于Matlab的使用，此处不再赘述。 但在Matlab命令窗口中，只能使用.m语言进行编 程，因此又增加了Simulink系统，它构建在Matlab 的基础上，采用搭建方框图的形式，可以进行连续、 离散、混杂等动态系统的建模、仿真和分析。它提 供了直观友好的用户界面，这样使系统的描述易于 理解，形象生动。 另外，为了便于算法的实现和验证，又出现了 RTW（Real-Time Workshop），它可以方便的把 Simulink模型直接转换成可执行程序代码。这样可 以首先建立模型，然后把模型转换为可执行程序， 最后运行程序进行验证，由于省去了具体编程所花 费的时间，可以加快开发速
10、度，提高工作效率。 2.2 Stateflow简介(Introduction of Stateflow) Stateflow构建在Simulink的上一层，表现为 Simulink模块库中的一个模块， 但具有独立的设计和 开发界面2。它建立在有限状态机理论基础上，使 用有限状态机、信号流图和状态传递框图等，可以 提供简洁明确的系统行为描述。 它同Simulink协同使 用，可用于建模和仿真复杂反应系统，设计和开发 控制逻辑、监视控制等。因此，Stateflow与Matlab 和Simulink集成在一起，可以建模、仿真和分析一个 完整的控制系统。 Stateflow的基本元素是：状态（Stat
11、e）、转换 （Transition）、事件（Event）和行为（Action）。 系统本身具有多个状态，然后响应不同的事件，转 换到不同的状态，执行相应的行为。另外，通过使 用Stateflow Coder，可以把Stateflow框图直接转换成 浮点或定点代码，然后编译成可执行程序。它可以 生成三种类型目标环境下的代码：仿真目标 （ Simulation Target ） 、 RTW 目 标 （ Real-Time Workshop Target）和定制目标（Custom Target）。 2.3 NetCon系统概述(Summary of Netcon System) 虽然Matlab、S
12、imulink、RTW、Stateflow和 Stateflow Coder集成在一起，已经为从系统的设计 到实现提供了一条直接快速的途径， 但是由于RTW本 身的一些限制，如使用的硬件不适合于工程应用、 网络的支持不够全面、监控功能相对较弱等，因此 直接使用RTW， 对于控制系统的具体工程应用会比较 吃力。为了解决这些问题，中国科学院自动化所开 发出Netcon系统，在上述的基础上，应用新型嵌入 式硬件平台，并且增强了对网络和监控等方面功能 的支持，这样可以适用于实际控制系统中。另外，由于Netcon系统全部建立在以太网（因特网）的基 础上，它还特别适用于网络化控制研究，并取得了 一定的成果
13、。 系统简化结构如图1所示。它主要分成三部分： 网络化控制器、控制组态软件和监控软件。网络化 控制器属于硬件平台，作为模型的执行单元，它本 身带有各种外部接口，如模拟量输入输出通道等， 在图1中通过模拟量接口与直流电机连接； 控制组态 软件作为控制算法设计的平台，与Simulink、 Stateflow透明无缝结合，可以与通常一样在 Simulink和Stateflow中建模、仿真，然后选择 NetCon系统模板文件，自动完成模型的编译、链接 和通过网络的下载工作；监控软件用于通过网络监 控模型的运行状态，它可以把控制器的运行效果通 过各种显示控件表现出来，如数字显示框，曲线趋 势图等，并且根
14、据实际情况，通过以太网（因特网） 在线修改模型参数，然后马上看到效果，直接观察 新的运行状态。 NetCon系统控制组态软件构建在Matlab、 Simulink和Stateflow的基础上， 它们之间的相互关 系如图2所示。从图2中可看出，系统分成三层结构： 最底层是Matlab命令窗口，它是一切执行命令的基 础；中间层是Simulink和RTW；最上层是Stateflow 和Stateflow Coder。当模型进行建模和仿真时， Matlab、Simulink和Stateflow相互作用，当模型进 行工程实现时，Simulink调用RTW，Stateflow调用 Stateflow Co
15、der，然后它们都与NetCon系统模板文 件进行交互，完成模型的翻译工作。 图1 Netcon系统整体结构 图2 NetCon系统控制组态平台 5263 设计和建模(Design and Modeling) 在计算机控制系统中，电机转速控制是一类常 见的系统，得到了广泛的研究3。为了表明一般 性，在本文中使用无刷直流电机建立电机转速控制 系统。电机的转速使用模拟电压进行控制，0-10V电 压对应0-3000rpm的转速， 并且可得到与转速成正比 的脉冲信号，用于测量实际转速。电机控制系统的 总体框图见图3。 在图3中，r(t)是电机转速基准输入值，y(t)是 转速实际反馈值。当处于自动控制状
16、态时，r(t)减 去y(t)，得到偏差e(t)，送入控制器中计算。m(t) 为电机转速手动输入值。当处于手动控制状态时， 为开环控制，此时直接输出手动值。m(t)和控制器 自动计算值共同送入自动手动控制逻辑单元，根据 当前运行状态判断最终输出值，最后得到实际输出 量u(t），送给直流电机。 另外，为了更加符合工程实现，本文中使用常 见的增量式PID控制器，公式如下所示： ( )( ( )(1)( )( ( )2 (1)(2)pidu kKe ke kK e kKe ke ke k=+?( )(1)( )u ku ku k=+? 根据图3框图所示， 在Simulink中建立控制器模 型，如图4所示。在图4中，Reference模块为基准输 入模块，用于输入自动状态下的电机期望转速； Feedback模块是转速反馈子系统，根据接收到的脉 冲数计算出电机实际转速值；基准转速减去实际反 馈转速后，得到偏差error，送到PID模块中
