張洪昌等

摘要： 針對(duì)半物理仿真（HardwareinLoop Simulation，HILS）中Modelica模型無法直接控制硬件設(shè)備的問題，基于Modelica研究硬件板卡接口控制模塊與多領(lǐng)域仿真模型的統(tǒng)一表達(dá)技術(shù).分析可視化模型方程表達(dá)機(jī)理，建立硬件板卡的接口模型庫(kù)，從而在同一建模環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域物理模型與硬件設(shè)備的關(guān)聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)Modelica離線數(shù)字仿真模型至HILS模型的直接轉(zhuǎn)換，為基于Modelica的HILS應(yīng)用提供技術(shù)支持.電機(jī)轉(zhuǎn)速控制HILS結(jié)果表明該方法可行.

關(guān)鍵詞：

半物理仿真； 多領(lǐng)域建模； 硬件接口； 可視化； Modelica

中圖分類號(hào)： TB391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

半物理仿真（HardwareinLoop Simulation，HILS）在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中的作用越來越顯著，也是當(dāng)前機(jī)電控制系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn).當(dāng)前的HILS主要基于MATLAB/SIMULINK模型實(shí)現(xiàn).近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和嵌入式控制的廣泛應(yīng)用，機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜化程度不斷增加，成為集機(jī)、電、液、控等不同領(lǐng)域子系統(tǒng)為一體的綜合體系.采用傳統(tǒng)的SIMULINK和AMESim等單一領(lǐng)域建模仿真方法和工具軟件對(duì)此類系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)與分析時(shí)，不同領(lǐng)域的子系統(tǒng)之間形成相互作用、互相耦合的復(fù)雜關(guān)系，導(dǎo)致建模過程十分繁瑣和復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的仿真分析應(yīng)用.基于Modelica的多領(lǐng)域建模和仿真方法能很好地解決系統(tǒng)建模仿真過程中的耦合問題，使得其開始被越來越廣泛地關(guān)注和應(yīng)用.

隨著工程中越來越普遍地使用Modelica多物理系統(tǒng)建模仿真方法，當(dāng)前的HILS方法和技術(shù)很難與其結(jié)合應(yīng)用.在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要分別建立系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型和HILS模型.這就使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析工作前后無法銜接，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、工作量大、研發(fā)周期長(zhǎng).因此，有必要研究支持Modleica多領(lǐng)域數(shù)字模型的HILS技術(shù)，從而解決當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中因模型不統(tǒng)一而存在的問題.其中，用于關(guān)聯(lián)數(shù)字仿真模型與HILS硬件接口的控制模塊是首先需要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)之一.

1硬件接口控制模塊作用和原理

硬件接口控制模塊是HILS目標(biāo)機(jī)中板卡信號(hào)接口與數(shù)字仿真模型之間的連接紐帶，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真模型與目標(biāo)機(jī)板卡接口之間的數(shù)據(jù)和信號(hào)傳遞，以及在建模環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)機(jī)板卡的通道選擇、精度轉(zhuǎn)換等硬件參數(shù)設(shè)置，也是人機(jī)和模型設(shè)備間的交互接口.建模環(huán)境中的硬件接口控制模塊稱為硬件接口模型，多個(gè)硬件接口模型組成硬件接口模型庫(kù).在建模環(huán)境中，硬件接口模型與普通模型的使用方法相同，并且可以通過GUI界面設(shè)置其參數(shù).

在MATLAB/SIMULINK中，硬件接口模型的作用見圖1.硬件接口模型實(shí)際為相應(yīng)目標(biāo)機(jī)板卡接口的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)集，其運(yùn)行于MATLAB，SIMULINK，StateFlow和RTW等與RTSoftware和RTHardware之間，在各個(gè)分布軟件之間起信息傳遞和資源共享等作用.在建模環(huán)境中，對(duì)硬件接口模型進(jìn)行操作，實(shí)際就是對(duì)其相應(yīng)的目標(biāo)機(jī)板卡接口進(jìn)行操作；對(duì)硬件接口模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)際就是通過板卡接口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)板卡接口的硬件參數(shù)設(shè)置.硬件接口模型必須滿足2點(diǎn)技術(shù)要求：1）符合數(shù)字仿真模型的建模規(guī)范，能夠在同一建模環(huán)境中實(shí)現(xiàn)兩者的統(tǒng)一建模；2）自身可以生成目標(biāo)機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，能夠在目標(biāo)機(jī)中實(shí)現(xiàn)與數(shù)字仿真模型生成的實(shí)時(shí)代碼一起運(yùn)行.

硬件接口模型在當(dāng)前HILS系統(tǒng)中的具體作用體現(xiàn)為：1）標(biāo)準(zhǔn)I/O功能；2）指定部分模型為定時(shí)執(zhí)行；3）指定部分模型為軟件中斷；4）指定部分模型為硬件中斷；5）指定中斷和定時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；6）支持單采樣頻率和多采樣頻率；7）支持單任務(wù)模式和多任務(wù)模式；8）支持連續(xù)、離散、混合系統(tǒng).

在當(dāng)前以MATLAB/SIMULINK為建模環(huán)境的HILS應(yīng)用中，硬件接口模型存在的不足與面臨的問題有：1）數(shù)字仿真模型無法添加硬件接口模型時(shí)，必須對(duì)數(shù)字仿真模型進(jìn)行分解處理，該過程只能通過手工分解方式實(shí)現(xiàn)，增加開發(fā)工作量，降低開發(fā)效率；2）當(dāng)前用于控制系統(tǒng)的HILS應(yīng)用的硬件接口模型均基于MATLAB/SIMULINK實(shí)現(xiàn)，對(duì)于Modelica多領(lǐng)域物理模型等在其他建模環(huán)境中所建立的模型必須通過相應(yīng)技術(shù)轉(zhuǎn)換為SIMULINK模型，且必須滿足SIMULINK模型的仿真原理和求解計(jì)算要求，這使得建模過程復(fù)雜，并且相關(guān)軟件必須支持模型轉(zhuǎn)換和聯(lián)合仿真.

導(dǎo)致MATLAB/SIMULINK建模仿真軟件中的硬件接口模型出現(xiàn)上述不足的原因，一是數(shù)字仿真模型與HILS模型之間無法逆向轉(zhuǎn)換，數(shù)字仿真模型中添加硬件接口模型后，模型之間的信號(hào)傳遞中斷，模型的完整性被破壞，轉(zhuǎn)換后的HILS模型無法進(jìn)行離線仿真，必須分別建立數(shù)字仿真模型和HILS模型；二是受限于MATLAB/SIMULINK建模機(jī)理，其主要用于控制系統(tǒng)建模，對(duì)控制器進(jìn)行HILS驗(yàn)證時(shí)，SIMULINK很難建立機(jī)、電、液等統(tǒng)一模型.

2基于Modelica的硬件接口模型原理分析

Modelica是一種開放的、面向?qū)ο蟮摹⒁苑匠虨榛A(chǔ)的多領(lǐng)域建模語言，可以跨越不同領(lǐng)域，建立包括機(jī)械、電子、電力、液壓、熱和控制等的復(fù)雜系統(tǒng)模型.基于Modelica規(guī)范的建模機(jī)理，可以很好地解決MATLAB/SIMULINK無法建立多領(lǐng)域模型這一難題.

通過分析MATLAB/SIMULINK建模仿真軟件中的硬件接口模型工作原理可知，在Modelica中實(shí)現(xiàn)硬件接口模型，也用以關(guān)聯(lián)Modelica數(shù)字仿真模型的輸入/輸出信號(hào)與HILS目標(biāo)機(jī)板卡接口，因此硬件接口模型必須滿足Modelica建模規(guī)范要求，并且能夠與Modelica數(shù)字仿真模型一并生成目標(biāo)機(jī)可運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼.同時(shí)，Modelica數(shù)字仿真模型中添加硬件接口模型后，還必須保持模型的完整性，使得Modelica的HILS模型依然可以進(jìn)行離線仿真，實(shí)現(xiàn)Modleica數(shù)字仿真模型與HILS模型的逆向轉(zhuǎn)換.

硬件接口模型破壞數(shù)字仿真模型完整性的關(guān)鍵原因是硬件接口模型將原數(shù)字仿真模型分解為多個(gè)子模型（即任務(wù)或子任務(wù)）.根據(jù)模型編譯原理，對(duì)于無信息關(guān)聯(lián)的模型，編譯過程中將分別進(jìn)行獨(dú)立處理.添加硬件接口模型后，由于失去了模型之間的關(guān)聯(lián)信息，使得分解后的模型在編譯過程中無法對(duì)各個(gè)子模型之間的信息進(jìn)行傳遞.

基于Modelica規(guī)范的模型編譯原理主要是對(duì)模型的映射關(guān)系和模型方程的平坦化進(jìn)行處理.在模型編譯過程中，編譯器需要對(duì)模型進(jìn)行平坦化和實(shí)例化處理，陳述式的、面向?qū)ο蟮?、具有層次結(jié)構(gòu)的Modelica文本模型，被映射為平坦化的微分方程、代數(shù)方程和離散方程集合.因此，在Modelica建模環(huán)境中，欲實(shí)現(xiàn)硬件接口模型不破壞Modelica數(shù)字仿真模型完整性，必須針對(duì)模型編譯過程中的模型映射關(guān)系和平坦化原理及處理技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研究.

以圖2中數(shù)學(xué)方程及其對(duì)應(yīng)的Modelica數(shù)字仿真模型為例，Modelica模型映射及平坦化后的方程見圖3.

根據(jù)Modelica模型映射規(guī)則，若在圖2模型中虛線上圓圈標(biāo)記位置加入硬件接口模型，則可以將硬件接口模型映射為一個(gè)輸入與輸出相等的方程，即“HI.inPort1= HI.outPort”.按照?qǐng)D中虛線將模型分解為2部分子模型后，兩者的映射方程見圖4.

完整的Modelica模型被映射為2個(gè)方程塊后，兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系依然為“HI.inPort1= HI.outPort”，并且分解后的模型和平坦化方程依然滿足Modelica規(guī)范中“變量數(shù)等于方程數(shù)”的基本規(guī)則.

從上述分析可以看出，在硬件接口模型映射過程中，只要保持其關(guān)聯(lián)關(guān)系信息，就可以保持原數(shù)字仿真模型的完整性，因此，在硬件接口模型實(shí)現(xiàn)過程中，必須采取相應(yīng)的措施和方法，使得模型編譯過程能夠識(shí)別該信息.此外，從模型平坦化方程中也可以看出，硬件接口僅適用于分解模型中無耦合關(guān)系的2個(gè)子模型，這與系統(tǒng)HILS應(yīng)用過程中硬件接口模型的應(yīng)用工況完全符合.

3基于Modelica規(guī)范的硬件接口模型實(shí)現(xiàn)

由于當(dāng)前Modelica規(guī)范不完全具備建立硬件接口模型的功能，因此必須基于Modelica規(guī)范采用擴(kuò)展Modelica語法方式建立HILS目標(biāo)機(jī)板卡的硬件接口模型庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)在Modelica建模環(huán)境中以硬件接口模型方式表達(dá)目標(biāo)機(jī)板卡的相關(guān)信息.[56]對(duì)于Modelica模型編譯器及其用于HILS目標(biāo)機(jī)的代碼生成器，應(yīng)采用增加目標(biāo)機(jī)硬件系統(tǒng)的分層次處理方法，由單元至整體、由組件至系統(tǒng)分別建立子任務(wù)、任務(wù)、內(nèi)核或處理器、目標(biāo)機(jī).根據(jù)目標(biāo)機(jī)硬件系統(tǒng)層次劃分，對(duì)HILS模型依次進(jìn)行定義和設(shè)置，以確定數(shù)字仿真模型分解出的各個(gè)子任務(wù)和任務(wù)最終運(yùn)行的目標(biāo)機(jī)，或者用于確定其運(yùn)行于目標(biāo)機(jī)處理器的具體內(nèi)核.

在HILS目標(biāo)機(jī)板卡接口模型庫(kù)中，需要建立以下幾個(gè)主要子模型庫(kù)[9]：

1）接口子模型庫(kù)，是目標(biāo)機(jī)板卡接口模型庫(kù)的基本部件庫(kù)，用以定義板卡及板卡的通信接口，即確定目標(biāo)機(jī)板卡的使用邊界，選擇目標(biāo)機(jī)的板卡等實(shí)際硬件，并實(shí)現(xiàn)HILS模型與目標(biāo)機(jī)板卡管理.板卡接口可以是同一個(gè)目標(biāo)機(jī)中的板卡外部I/O，網(wǎng)絡(luò)通訊接口或者目標(biāo)機(jī)內(nèi)部的任務(wù)通信接口.

2）通訊子模型庫(kù)，是HILS目標(biāo)機(jī)板卡接口模型庫(kù)的中心部分，也是系統(tǒng)數(shù)字仿真模型轉(zhuǎn)換為HILS模型時(shí)必需使用的子模型庫(kù).用于協(xié)助開發(fā)目標(biāo)機(jī)中各個(gè)板卡接口的開源驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)也是板卡接口驅(qū)動(dòng)程序的框架定義，能夠通過圖形化界面實(shí)現(xiàn)用戶與板卡接口之間的信息交互.

3）配置子模型庫(kù)，用以設(shè)置HILS目標(biāo)機(jī)處理器和各個(gè)板卡的任務(wù)、子任務(wù)、信號(hào)采樣和輸出保持等參數(shù)，并將其定義為通用模板，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展.

以電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制為例，基于Modelica規(guī)范的硬件接口控制技術(shù)，開發(fā)硬件接口模型庫(kù)，采用Modelica標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)中的信號(hào)源、計(jì)算、PID控制、電機(jī)和負(fù)載等基礎(chǔ)模型組件，通過可視化的拖放式建模操作方法，建立電機(jī)轉(zhuǎn)速控制多領(lǐng)域HILS模型，見圖5.

示例模型主要由3部分構(gòu)成：轉(zhuǎn)速控制器子模型controller.ref，速度反饋控制器子模型controller.feedback和電機(jī)設(shè)備子模型plant.在HILS過程中，3個(gè)子模型均以獨(dú)立任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行.其中，轉(zhuǎn)速控制子模型映射任務(wù)和速度反饋控制器子模型映射任務(wù)運(yùn)行于同一目標(biāo)機(jī)中，兩者之間通過目標(biāo)機(jī)內(nèi)部的任務(wù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；電機(jī)設(shè)備子模型映射任務(wù)運(yùn)行于另一目標(biāo)機(jī)中.

3個(gè)子模型之間的硬件接口模型使用通信子模型，其將模型分解為3個(gè)不同部分，同時(shí)也作為任務(wù)或子任務(wù)接口，并用于調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)和配置硬件運(yùn)行參數(shù).示例模型中的comedi模塊[10]屬于配置子模型庫(kù)，用于配置目標(biāo)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，包括時(shí)鐘、初始化、網(wǎng)絡(luò)通信地址等信息.通訊子模型和配置子模型共同把HILS模型映射到多個(gè)目標(biāo)機(jī)中，通過兩者的配置信息，使得Modelica數(shù)字仿真模型可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化為HILS模型.

4結(jié)束語

研究基于Modleica規(guī)范的硬件接口控制技術(shù)，提出一種不同于傳統(tǒng)SIMULINK模型接口的、新型模型設(shè)備接口設(shè)計(jì)方法和一種新的HILS模型的建模方法，同時(shí)擴(kuò)展多領(lǐng)域物理模型設(shè)計(jì)過程中的延伸應(yīng)用，有效地支持多領(lǐng)域混合復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)建模仿真設(shè)計(jì)及HILS分析驗(yàn)證.基于Modleica規(guī)范建立的硬件接口模型，可以很好地與Modelica數(shù)字仿真模型運(yùn)行于同一建模環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)Modelica數(shù)字仿真模型與HILS目標(biāo)機(jī)板卡接口的關(guān)聯(lián)以及兩者之間的信息傳遞，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)HILS目標(biāo)機(jī)和板卡接口進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和信號(hào)輸入/輸出控制.該接口模型技術(shù)可簡(jiǎn)化建模仿真應(yīng)用過程，提高系統(tǒng)研發(fā)效率，降低研發(fā)工作量.

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（編輯武曉英）