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外文翻譯----MATALAB混合仿真平臺控制算法的概述-其他專業.doc

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外文翻譯----MATALAB混合仿真平臺控制算法的概述-其他專業.doc

MATALAB 混合仿真平臺控制算法的概述 MATALB 混合仿真平臺,即為將硬件引入到仿真回路里的半實物仿真系統,可用于過程控制器的開發與測試。平臺提供了三種控制器的嵌入方法,尤其能用Matlab 語言編寫,大大提高了平臺的靈活性。為了建立過程控制混合仿真試驗系統,必須解決PC 機作為虛擬控制器設計環境的實現和在Windows 操作系統中實時控制的實現這兩個問題。我們先詳細闡述過程控制混合仿真試驗系統的實現原理;最后介紹平臺控制算法的嵌入方法,并通過實驗仿真驗證平臺的有效性。 過程控制混合仿真平臺實現原理1數值計算,MATLAB 提供了大約600 多個數學和工程上常用的函數。這些函數的數值運算是針對矩陣操作優化過的,可以使用它來代替底層編程語言。在保持同樣性能的情況下,編程工作量非常小,數值計算采用了LAPACK,BLAS,FFTW 等優秀數學函數庫,使得計算效率得到進一步的提升。MATLAB 包含的主要數學函數有線性代數和矩陣運算、傅立葉變換和統計分析、微分方程求解、稀疏矩陣運算以及三角和其他初等數學運算等;除此之外,隨著Matlab 的應用領域不斷的擴大,補充了用于許多特定領域的函數。2)算法開發,強大的計算能力,方便易用的編程語言和豐富的數學函數使MATLAB 最適于用于算法開發工作。典型的應用包括數據分析,信號處理,圖像處理,系統建模和高級算法研究等。不管用戶是使用已有的算法,還是自行開發,MATLAB 提供了一個通用的平臺。使用MATLAB 進行算法開發就像平時書寫數學表達式一樣。將用戶在MATLAB 中開發的算法結合到外部運行的系統中。一旦用戶的算法和仿真經過了編寫和調試,MATLAB Compiler 和C/C Math Library 會將MATLAB 應用自動轉換成可移植C 和C代碼的工具。對于信號處理,控制系統設計和其他一些應用,MATLAB 工具箱提供了一系列先進的技術。工具箱遠遠超出了提供一些基本算法的范疇他們提供了一個學習,研究,創新前沿理論和技術的舞臺。提供的算法工具箱有Neural Network Toolbox、Optimization Toolbox、System Identification Toolbox、Robust Control Toolbox、Model Predictive Control Toolbox、Control System Toolbox,Fuzzy logic Toolbox 等。3)數據分析與可視化,通過 MATLAB,用戶可以分析所有類別的數據包括信號,圖像,多項式,時間歷程,多變量數據和線性系統等。從分析中總結出來的結果可以作為將來進一步的算法和模型開發的基礎。此外,用戶可以快速地將代碼片段和知識轉換成可以重復使用的自動分析例程,不需要變量聲明和維數定義,可很快編寫出程序。MATLAB 提供了方便的數據訪問工具。例如,Data Acquisition Toolbox 允許用戶將實時的測量數據直接傳送到MATLAB 進行分析,Database Toolbox 允許用戶訪問符合ODBC 和JDBC的數據庫,而M 文件,C 和Fortran 程序中的處理文本和二進制文件的I/O 函數,則允許用戶處理任何格式的數據。MATLAB 和相關的工具箱包含了科學計算中需要的專業圖形功能。從2-D 原始數據的曲線圖到帶標記的等值線圖和交互式的GUI,這些工具提供了模型可視化的能力,幫助用戶理解復雜的系統。特別是MATLAB 提供了對3-D 標量和矢量可視化的能力,包括顯示等值面和流圖。這個能力使科學家和工程師們能夠對大量、復雜和多維的數據進行可視化。 Matlab 實時仿真環境,RTW 是MATLAB 提供的一個實時開發環境,是MathWork 系列軟件的重要組成部分。RTW 與MATLAB 其他組成軟件的無縫連接,既滿足了設計者在系統概念與方案設計等方面的需求,也為系統的技術實現或完成不同功能的系統實時操作實驗提供了方便,并且為并行工程的實現創造了一個良好的環境。它能直接從Simulink 的模型中產生優化的、可移植的和個性化的代碼,并根據目標配置自動生成多種環境下的程序,在硬件上運行動態系統模型,同時還支持基于模型的調試。 使用RTW 進行實時硬件的設計測試,用戶可以縮短開發周期,降低成本。當用戶在Simulink環境下建模,并得到較滿意的仿真結果后,就可將RTW 與一個快速原型化目標(例如RTWT 目標)聯合使用。該快速原型化目標與用戶的物理系統連接在一起。用戶可使用Simulink 模型作為連接物理目標的接口,完成對系統的測試。 RTW 的實現機制是一個復雜的過程,這里僅從RTW 自動構建應用程序的過程這一方面進行分析。RTW 生成應用程序的過程圖 modle 為建立的simulink 模型的名稱。RTW 構造應用程序的過程由一個M-file 的命令來控制,對于大多數目標,缺省命令是make.rtw。 其過程如下1.模型分析,首先分析 Simulink 模型,分析的過程包括以下一些主要任務 (1)數值化仿真參數和模框參數; (2)傳遞信號寬度和采樣時間; (3)確定模塊中框圖的執行次序; (4)計算工作向量的大小主要是針對S-Functions 模框。 在這個過程中,RTW 讀取模型文件modle.mdl,然后把它編譯為模型的內部描述。這個描述存儲是與語言無關的ASCII 文件,名稱為model.rtw。我們可以把這個文件看作是下個過程的輸入,它將會在代碼生成后被自動刪除。 2.調用TLC 程序來生成C 代碼,在這個階段,TLC 把存儲在modle.rtw 中的內部模型描述轉換為特定的目標代碼。TLC 是一種解釋性的程序語言,設計這個程序語言的唯一的目的就是把模型描述轉變成代碼。在編譯過程中TLC 執行包含多個目標文件TLC 腳本文件和TLC 函數庫的程序。目標文件分為兩種一種是系統目標文件,一種是模塊目標文件。這些目標文件指定如何把 modle.rtw 用作輸入,從modle 中生成代碼。 Real-Time Workshop 綁定了用于各種目標環境下的系統目標文件,圖3.5 給出了所有可用的系統目標文件。在本系統中,我們的目標環境是windows,選定的快速原型化目標為RTWT,那么在構建程序前,指定rtwin.tlc 作為我們在編譯過程用到的TLC 腳本文件。 3.生成定制Makefile,在這一步中,將產生定制的模板文件makefile ,文件名稱是model.mk.。生成的makefi1e 用來指導make utility 編譯和鏈接模型,從而生成源代碼。RTW是從一個系統生成模板system template makefile中生成modle.mk 的,這個模板文件名稱是system.tmf syetem 是指被選擇目標名稱,例如在上一步中,我們選擇了rtwin.tlc 作為我們的系統目標文件,那么同時也選定了一個叫做rtwin.tmf 作為了我們的系統模板文件。模板文件makefile 允許用戶定制編譯器、編譯器的選項和程序建立期間其他的信息,如果所用的編譯器不同,那么makefile 文件也將不同,例如當目標為Windows 時,系統目標文件是rtwin.tlc,但是如果用visual C\C的編譯器時,系統模板文件就是win_vc.tmf,而選用watcom 時,系統的模板文件就是win_watc.tmf。molde.mk 只是system.tmf 的一個拷貝,可以修改此文件來定制構建程序的過程。 RTWTReal-Time Windows Target是MATLAB 提供和發行的一個基于RTW體系框架的附加產品,它可將PC 機轉變為一個實時系統,其目的是引入一種快速原型設計的方法,用于控制器的實時測試和開發。在這個環境里,一臺PC 機既作為宿主機,又作為目標機存在。對于RTWT,Simulink 和所生成的代碼都運行在同一個PC 機上,其運行界面可使用戶PC 機的處理器運行在Windows NT 或者Windows 95/98/2000/XP 操作系統的同時采用RTW 生成的代碼。 RTWT 支持許多類型的I/O 設備板卡包括ISA 和PCI 兩種類型 。用戶只需要安裝相關的軟件、一個編譯器和I/O 設備板卡,就可將一個PC 機用作實時系統并通過I/O 設備與外部設備進行連接。內核通過I/O driver 模塊作為接口,與I/O 硬件進行通訊,并且檢查I/O board 安裝的正確性。 Simulink與實時程序之間的通訊是通過Simulink的外部模式下的模塊來實現的。這個模塊直接與實時內核建立通訊,來開始和終止可執行程序的運行。Simulink模型和實時應用程序之間保持著一個校驗機制,實時內核使用這個校驗機制來判斷Simulink模型結構在代碼生成的自動中是否和實時應用程序的結構保持一致。這就確保了在線修改模型參數的時候,Simulink模型的參數可以正確地映射到實時應用程序相應的參數上。 RTWT 對I/0 board 的支持,在混合仿真試驗系統中,數據的物理采集和物理控制輸出是靠I/O板卡完成的,那么實時應用程序必須在軟件上具備數據采集和控制輸出的能力,也就說程序必須要和I/O板卡建立連接。這一功能的實現需要RTWT的支持。在Simulink模型中加入輸入輸出模塊,設置與實際板卡一致的參數,然后編譯連接就可以了,需要說明的是,板卡的驅動程序并不真的參與編譯,而只是在程序運行期間,需要采集數據或者輸出數據時,進行動態連接。 RTWT 支持標準的I/O boards。當Simulink 模型的運行期間,RTWT 從一個或多個輸入通道獲得采樣數據作為模型的輸入,然后快速的處理數據,再通過I/O boards 的輸出通道輸送到外部。 RTWT 提供了一個通用的Simulink block library-I/O driver block library. 在Matlab 命令中輸入rtwinlib 便可以查看,I/O driver block library 提供了RTWT 所支持的I/O board 的驅動程序。通過各個block 可以很方便的設置I/O boards。這些block 和其他的Simulink block 一樣,都支持拖放操作。對于RTWT 不支持的板卡,可利用S-function 模塊自行開發板卡的驅動程序。 I/O boards 是由其廠商提供,往往通過Switches 或者Jumpers 和廠商提供的軟件來設定based dresses,voltage levels 和unipolar or bipolar modes。在Real-Time Windows Target 也提供了參數設定的功能,這個功能的應用與廠商提供的軟件有相同的靈活性。 Simulink 外部模式下實現參數傳遞的機制,在外部模式下Simutink 不再對框圖表示的系統模型進行仿真,而是把當前的參數值下載到目標系統。在初始下載完成后,Simulink 保持在等待狀態,只有在框圖中的參數發生改變或者接收到來自目標機的參數才開始動作。 當框圖的參數發生改變,Simulink 調用一個外部接口Mex 文件,把新的參數值和其他一些信號傳遞給外部Mex 文件。外部接口Mex 文件執行Inter Process Communication IPC通道一端的代碼,這個通道把Simulink 過程Mex 文件執行的過程和外部可執行性程序的過程連接在一起。Mex 文件通過這個通道,把新的參數傳遞給外部程序。通道的另一端在外部程序中執行,這一端把新的參數值寫到目標參數結構中。 Simulink 通過發送一個含有參數信息的訊息初始化下載操作。在C/S 結構中,Simulink 作為客戶端,外部程序為服務端。兩個過程可以是遠程的,也可以是當地的。當客戶端和服務端是遠程的時候,通過TCP/IP 方式傳遞數據,當客戶端與服務端是當地的時候,采用共享內存的方式傳送數據,在本系統中采用的就是后一種方式。 過程控制算法的實現方法,一個通用的仿真平臺,必須能夠方便的讓用戶加入自己的控制算法或控制系統設計方案,此過程控制混合仿真平臺提供了以下三種控制算法的嵌入方法 應用Simulink 提供的模塊搭建控制器模型,Simulink 提供了各種各樣的模塊集合,在Simulink 提供的圖形用戶界面上,只要進行簡單拖拉操作,就可利用這些模塊集合構造出復雜的控制器模型。此外Simulink 還提供了諸如模糊邏輯工具箱與神經網絡工具箱之類的高級算法控制工具箱,利用這些工具箱,結合其他模塊,可搭建出各種與之相關的控制算法模型,如模糊PID、神經網絡PID 等,如以模糊PID 控制器模型。利用工具箱的圖形用戶界面編輯控制器,可方便地設計智能控制器的直觀圖式系統。 利用 Simulink 模塊搭建控制器模型靈活方便,它外表以方塊圖形式呈現,且采用分層結構。應用Simulink 模型作為控制器的可視化界面,不僅能讓用戶知道控制器具體環節的動態細節,而且能讓用戶清晰地了解控制器中各器件、各子系統的信息交換,掌握各部分間的交互影響,為進一步分析改善控制器提供了便利條件。 編寫C 語言的S-函數實現控制算法,在實際應用中,通常會發現有些算法用普通的Simulink 模塊不容易搭建,對此可以使用Simulink支持的S-函數格式,S-函數作為Simulink 的擴展工具有固定的程序格式,可采用MATLAB、C/C、Fortran 等語言編寫。但由于在實時仿真過程中需要將Simulink 模型轉化為C 代碼并生成獨立文件,只有C/C語言編寫的S-函數支持這一功能,因此在算法擴展中必須采用C/C語言編寫的S-函數。 S-函數的工作原理和Simulink的仿真原理基本類似,每一個Simulink模塊都具有輸入u、輸出y、狀態x三個向量和其他一些對應仿真各階段的方法。Simulink通過循環調用模型中的各模塊的特定方法來完成諸如計算輸出值、更新離散狀態值、計算連續狀態微分等任務。在S-函數中提供了與Simulink仿真不同階段相對應的回調函數。初始化階段包括mdlInitializeSizes , mdlInitializeSampleTimes 和mdlInitializeCondi 模塊它們分別起初始化系統輸入維數輸出維數、狀態變量個數,定義仿真采樣時間和初始化狀態變量的作用。輸出階段mdlOutputs模塊計算系統輸出。循環仿真階段mdlUpdate模塊計算更新系統當前狀態變量的值。C語言S函數不僅可以將具有C語言描述功能的代碼嵌入Simulink模塊,以便于在Simulink中仿真,而且可以很容易的將C語言S-函數模塊功能代碼轉換成純C代碼。 14 MATALAB hybrid simulation platform control algorithm overview MATLAB Hybrid simulation platform, that is, the hardware put into the simulation loop in the loop simulation system for process control of the development and testing. Platform embedded controller provides three methods, in particular, can use MATLAB language has greatly enhanced the flexibility of the platform. In order to build simulation system for process control systems must be addressed as a virtual controller PC, the environment and in the Windows operating system to achieve real-time control to achieve these two problems. We first elaborate simulation system for process control system principle, and finally introduced the embedded platform control algorithm method and the experiment results verify the effectiveness of the platform. Hybrid simulation platform process control theory 1 numerical calculation, based on more than 600 MATLAB provides some commonly used mathematical and engineering functions. The numerical computation of these functions are optimized for matrix operations, you can use it to replace the underlying programming language. Maintain the same performance in the case, the programming effort is very small, value calculated using the LAPACK and BLAS, FFTW other excellent math library, so the calculation efficiency is further improved. MATLAB contains the main mathematical functions are linear algebra and matrix operations, Fourier transform and statistical analysis, solving differential equations, sparse matrix operations, and trigonometric and other elementary mathematics, etc. In addition, use of MATLAB applications with continuous expanded to add a function for a number of specific areas. 2 Algorithm development, computing power, easy to use programming language and rich mathematical functions to the most suitable for MATLAB for algorithm development. Typical applications include data analysis, signal processing, image processing, system modeling and advanced algorithm research. Whether the user is using the existing algorithms or developing their own, based on MATLAB provides a common platform. MATLAB for algorithm development using the mathematical expression of the same writing as usual User-based algorithms developed in MATLAB integration to external systems running. Once the users algorithms and simulation through the writing and debugging, MATLAB compiler and the C / C Math Library MATLAB application will be automatically converted to portable and C code tool. For signal processing, control system design and other applications, MATLAB toolbox providing a range of advanced technology. Toolbox far beyond the scope of provision of some basic algorithms they provide a learning, research, innovation and cutting-edge theory and technology arena. Algorithm toolbox to provide a neural network toolbox, optimization toolbox, system identification toolbox, robust control toolbox, model predictive control toolbox, the control system toolbox, fuzzy logic toolbox. 3 Data analysis and visualization, through the MATLAB software, users can analyze all types of data, including signal, image, polynomials, time course, data and multi-variable linear systems. From the analysis results can be summed up as a model for the further development of the algorithm and the base. In addition, users can quickly convert the code fragment and knowledge can be reused in automated analysis routines, no variable declarations and the definition of dimension, can write programs quickly. Based on MATLAB provides a convenient data access tools. For example, the data acquisition toolbox allows users to send real-time measurement data directly into MATLAB for analysis, database toolkit to allow users to access consistent with the ODBC and JDBC in the database, while M c and the Fortran language documents and procedures in handling text and binary file I / O function, then allow the user to handle any format. And related MATLAB toolbox contains a scientific computing need of professional graphics. The raw data from the two-dimensional curve to the contour map with markers and interactive graphical user interface, these tools provide a model visualized capabilities to help users understand complex systems. In particular, provides a MATLAB-based three-dimensional scalar and vector visualization capabilities, including display equivalence face and flow diagram. This capability enables scientists and engineers to a large number of complex and multidimensional data visualization. MATLAB real-time simulation environment, RTW is to provide a real-time based on MATLAB other components of the software for seamless connection, not only to meet the designers in the system concept and program design needs, the technology for the system or perform different functions in real-time operating system provides the convenience of experiments, and for implementation of concurrent engineering to create a good environment. It directly from the SIMULINK simulation model produces optimized, portable and personalized code, and automatically generate a variety of configurations depending on the target under the program environment, the hardware running dynamic system model also supports model-based debug. Real-time using the RTW of the design of test hardware, users can shorten the development cycle and reduce costs. When the user model in SIMULINK environment and get satisfactory simulation results, can be a RTW with the goal of rapid prototyping such as RTWT target joint use. The goal of rapid prototyping of physical systems and users connected. Users can use the SIMULINK model as the interface to connect the physical target to complete system testing. RTW implementation mechanism is a complex process, where only from the RTW process automated building applications that were analyzed. RTW generated application process diagram model for the establishment of the SIMULINK name. RTW construction application process by an M-file in order to control for most of the target, the default command is make.rtw. The process is as follows 1. model, first analyzes the SIMULINK model to analyze the process includes the following main tasks 1 Numerical simulation parameters and molding parameters; 2Passing the signal width and sampling time; 3 determine the module block diagram of the implementation of the order; 4 Calculation of the size of the vector mainly for S-Functions module box. In this process, RTW read the model file modle.mdl, and then compile it as a model of internal description. This description is stored in ASCII files and language-independent, name model.rtw. We can use that file as input for the next process, it will be automatically deleted after the code generation. 2. call TLC program to generate C code, at this stage, TLC stored in modle.rtw in the internal model description into a specific object code. TLC is an interpreted programming language, programming language design that the only purpose is to model description into the code. TLC in the compilation process of the implementation of multiple object files TLC script file, and TLC library procedures. Object file is divided into two types one is the target file system, one is the module object file. The target file to specify how to modle.rtw used as an input, generate code from modle. Real-Time Workshop target binding environment for a variety of target file system, Figure 3.5 shows all the available system target file. In this system, our target environment is windows, the selected target rapid prototyping RTWT, then the building process before, we specify rtwin.tlc as TLC used in the compilation process script file. 3.Generate customized M-file, in this step, will have a custom template file M-file, the file name is model.mk.. Generated makefi1e used to guide the make utility to compile and link model, which generates source code. RTW is a system-generated template system template M-file generated modle.mk, this template file name is system.tmf syetem is the target name is selected, such as in the previous step, we selected rtwin.tlc as Our system target file, also called rtwin.tmf selected our system as a template file. Template file M-file allows users to customize the compiler, compiler options and other information during the process to establish, if the compiler used in different, then the makefile file will be different, such as when the target is Windows, the system target file is rtwin . tlc, but with the visual C \ C compiler, the system template file is win_vc.tmf, and choose watcom, the system of the template file is win_watc.tmf. molde.mk only system.tmf a copy, you can modify this file to customize the build proce

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