徐 威 ， 梁 全 ， 趙文川

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

半實(shí)物仿真能夠在實(shí)際控制中對(duì)仿真控制模型中的算法進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)存在的不足和缺陷進(jìn)行調(diào)整，能夠進(jìn)行廣泛應(yīng)用，然而半實(shí)物仿真理論和應(yīng)用技術(shù)仍然存在許多不足和欠缺[1-4]。高峰等[5]基于分層、分設(shè)計(jì)理念對(duì)半仿真平臺(tái)進(jìn)行研究，確定了平臺(tái)具有較好通用性，并且測(cè)試效率以及精度較高，但是該平臺(tái)相對(duì)較復(fù)雜，成本較高。孫強(qiáng)龍[6]根據(jù)分布式原理搭建出半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過(guò)上、下位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)仿真平臺(tái)良好運(yùn)行，然而研究過(guò)程缺乏理論基礎(chǔ)。王志佳[7]根據(jù)列車輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種半實(shí)物仿真平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，并完成了準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性驗(yàn)證，然而該仿真平臺(tái)效率較低。孫起麟等[8]解決了半仿真實(shí)物平臺(tái)缺乏橫向數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)對(duì)比、數(shù)據(jù)分析各環(huán)節(jié)集成度低等問(wèn)題，但是缺乏一定的應(yīng)用性。針對(duì)以上問(wèn)題，課題組提出一種以AMESim仿真軟件為載體的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其中，半實(shí)物部分為AMESim仿真軟件的仿真模型，實(shí)物部分為實(shí)際的控制器。本研究不僅利用了AMESim仿真軟件進(jìn)行準(zhǔn)確建模，而且能夠結(jié)合實(shí)際控制器，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)試能夠起到一定的技術(shù)支持。

1 半實(shí)物仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理

半實(shí)物仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)主要涉及仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型描述、動(dòng)態(tài)模型數(shù)值求解器、高精度定時(shí)器、實(shí)物和非實(shí)物模型之間的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)等方面[9-12]。

1.1 仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型描述

仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的描述主要通過(guò)AMESim仿真建模軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)AMESim仿真軟件的功率鍵合圖進(jìn)行仿真建模。具體流程是將整個(gè)仿真系統(tǒng)劃分為若干子模塊，每個(gè)子模塊能夠直觀抽象表達(dá)實(shí)物仿真模型，并且每個(gè)子模塊可以重復(fù)使用，減少仿真建模工作。該過(guò)程所建立的仿真模型草圖能夠高度契合實(shí)物模型的工作原理，AMESim仿真模型圖如圖1所示。

圖1 AMESim仿真模型圖

1.2 動(dòng)態(tài)模型的數(shù)值求解器

課題組根據(jù)AMESim仿真軟件開發(fā)仿真模型的數(shù)值求解器，通過(guò)算法將功率鍵合圖模型轉(zhuǎn)換為適合計(jì)算機(jī)求解的微分方程組，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)所建立的微分方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和求解，從而完成半實(shí)物系統(tǒng)中非實(shí)物部分的設(shè)計(jì)。將圖1所示的仿真模型草圖轉(zhuǎn)換為如式（1）所示的微分方程組。

需要注意的是，該方程組可能是線性的、也可能是非線性的，可能是定常的、也可能是時(shí)變的。但無(wú)論是什么形式，都可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行求解，并且能夠得到模型在任意時(shí)刻的輸入、輸出的數(shù)值數(shù)據(jù)。另外，由于AMESim仿真軟件集成了快速、穩(wěn)定的微分方程組數(shù)值算法求解器，該數(shù)值算法求解器是完全可靠的，并且能夠避免用戶重新開發(fā)數(shù)值算法，方便了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1.3 高精度定時(shí)器

為了保證半實(shí)物仿真具有可靠性，半實(shí)物仿真系統(tǒng)需要在時(shí)間維度和空間維度上有效模擬真實(shí)系統(tǒng)。在空間維度上，半實(shí)物仿真通過(guò)輸出計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模擬；在時(shí)間維度上，半實(shí)物仿真通過(guò)高精度定時(shí)器來(lái)完成。本研究所開發(fā)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，借助了Windows系統(tǒng)的QueryPerformanceCounter函數(shù)，該函數(shù)能夠獲取實(shí)物計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最高頻率，并以該最高頻率的倒數(shù)作為定時(shí)器的定時(shí)精度，因而定時(shí)較準(zhǔn)確，能夠適合半實(shí)物仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

1.4 實(shí)物、非實(shí)物系統(tǒng)之間的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是能夠完成“非實(shí)物”部分和“實(shí)物”部分之間的計(jì)算機(jī)通信，將非實(shí)物部分的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，輸出給實(shí)物控制器，作為位置傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)。而實(shí)物控制器的計(jì)算結(jié)果，也能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)接口，輸出給非實(shí)物仿真模型，作為該仿真模型的控制參數(shù)。在本半實(shí)物仿真平臺(tái)的開發(fā)中，將數(shù)據(jù)采集卡模擬量通道作為實(shí)物部分和非實(shí)物部分的通信接口，并且整個(gè)半實(shí)物仿真系統(tǒng)包括兩塊帶有模擬量輸入輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡。其中，一塊數(shù)據(jù)采集卡用來(lái)讀入實(shí)物控制器的輸出信號(hào)，其方法是利用模擬量輸入通道讀入，同時(shí)將AMESim仿真模型計(jì)算得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果通過(guò)模擬量輸出通道輸出；而另一塊數(shù)據(jù)采集卡，則充當(dāng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的實(shí)物控制器，該控制器通過(guò)模擬量輸入通道讀取仿真模型的數(shù)據(jù)采集信號(hào)，通過(guò)模擬量輸出通道將控制器計(jì)算結(jié)果輸出到仿真模型板卡的模擬量輸入通道，從而完成半實(shí)物仿真通信。

對(duì)于AMESim數(shù)值計(jì)算結(jié)果的獲得，需要利用AMESim的聯(lián)合仿真技術(shù)（Co-simulation），通過(guò)TCP/IP、共享內(nèi)存（Shared Memory）或DLL輸入方式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和AMESim的通信，從而才能將AMESim仿真軟件的計(jì)算結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)采集卡。本研究采用了AMESim仿真軟件的TCP/IP功能，通過(guò)C語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了AMESim仿真軟件和數(shù)據(jù)采集卡的通信。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本半實(shí)物仿真平臺(tái)的正確性，課題組開展了基于本半實(shí)物仿真平臺(tái)的液壓伺服系統(tǒng)PID控制算法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，仿真試驗(yàn)的液壓原理圖如圖2所示。

圖2 液壓伺服系統(tǒng)極點(diǎn)配置算法半實(shí)物仿真驗(yàn)證原理圖

由圖2可知，AMESim所構(gòu)建的閥控缸液壓伺服系統(tǒng)是將位移傳感器作為極點(diǎn)配置算法所需要的系統(tǒng)狀態(tài)變量，通過(guò)AMESim軟件聯(lián)合仿真庫(kù)中的TCP/IP模塊，使該變量輸出給數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出通道，并且TCP/IP模塊將從數(shù)據(jù)采集卡中采集到的模擬量信號(hào)輸出給圖2中的伺服閥，使之作為閥控缸系統(tǒng)的輸入信號(hào)，從而完成半實(shí)物仿真系統(tǒng)中實(shí)物和非實(shí)物部分的通信。

為了驗(yàn)證實(shí)物PID控制的正確性，本研究將AMESim自帶PID控制器的控制效果與半實(shí)物仿真系統(tǒng)的PID控制效果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 AMEsim仿真模型和半實(shí)物仿真模型控制對(duì)比圖

由圖3可知，虛線為伺服系統(tǒng)純軟件仿真的PID控制效果，實(shí)線為半實(shí)物仿真系統(tǒng)在相同PID控制參數(shù)下的控制效果。兩種仿真方法的曲線分布趨勢(shì)大致相同，產(chǎn)生的誤差主要是Windows仿真環(huán)境延時(shí)所導(dǎo)致的，則能夠證明本半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有可行性和正確性。

3 結(jié)論

本研究基于AMESim仿真軟件，開發(fā)了半實(shí)物仿真系統(tǒng)原型樣機(jī)，解決了半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的模型建立、模型求解、高精度定時(shí)器和計(jì)算機(jī)接口等關(guān)鍵問(wèn)題。最后通過(guò)液壓伺服系統(tǒng)的半實(shí)物仿真PID控制，驗(yàn)證了本半實(shí)物仿真平臺(tái)開發(fā)方案具有可行性。本半實(shí)物仿真平臺(tái)能夠?yàn)榭刂破鏖_發(fā)和參數(shù)整定提供一定的借鑒。