MATLAB與CCU之間的TCP/IP通訊技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用
2011-01-01 00:00:00李英杰
計算技術(shù)與自動化 2011年4期
文章編號：1003-6199(2011)04-0126-04
摘 要：介紹MATLAB/Simulink與CCU（中央控制單元）之間通過TCP/IP協(xié)議進行通信的程序開發(fā)及此通訊技術(shù)在電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。當(dāng)TCP/IP通信時，采用MATLAB作為服務(wù)器及CCU作為客戶端的serve/client模式。在MATLAB中，用M語言開發(fā)服務(wù)器程序，并將其封裝到Simulink中的MATLAB Fcn模塊中，在CCU編程軟件multiprog上開發(fā)客戶端程序，然后實現(xiàn)硬件在環(huán)的半實物控制系統(tǒng)仿真。
關(guān)鍵詞：MATLAB；Simulink；CCU；TCP/IP通信；系統(tǒng)仿真
中圖分類號： TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
The Development and Application of TCP/IP Communication Technology Between Simulink and CCU
LI Yingjie
(School of Electronics and Information Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028，China)
Abstract:This paper describes a program development of theTCP / IP communication between MATLAB / Simulinkand CCU. The application of this communication technology inthemotorspeed controlsystem simulation is also described here. It uses serve/client mode when carrying out TCP / IP communication， MATLAB as a server and CCU as a client. In MATLAB environment， it develops server program in M language and package the program into the MATLAB Fcn block of Simulink， and develops client program on multiprog software platform of CCU， then achieves hardwarein the loop’s semi-physical control system simulation.
Key words:MATLAB; Simulink; CCU; TCP/IP communication; system simulation
1 引 言
在工業(yè)控制領(lǐng)域，如何有效的實現(xiàn)控制算法一直是人們普遍關(guān)心的問題［1］。MATLAB/Simulink軟件是由美國mathworks公司開發(fā)的，主要完成數(shù)值分析、矩陣運算及非線性動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真等功能強大的軟件，同時它還提供了一系列工具箱用于解決許多特定的系統(tǒng)仿真問題。CCU具有用戶使用方便、可靠性高、邏輯運算能力強、抗干擾性強等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域，但其實現(xiàn)復(fù)雜的算法比較困難，因此，通過開發(fā)兩者的通信接口軟件的方法，將MATLAB/Simulink進行復(fù)雜控制算法運算與CCU進行實時數(shù)據(jù)采樣、邏輯分析和輸出控制結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)點，用以實現(xiàn)高效的硬件在環(huán)控制系統(tǒng)仿真。雖然MATLAB/Simulink提供了儀器控制工具箱，可以實現(xiàn)TCP/IP的通信，但它只支持MATLAB/Simulink作為客戶端的模式進行通信。鑒于模塊配置的局限性，因此開發(fā)一個以MATLAB/Simulink作為服務(wù)器的通訊程序是必要的，最后將此程序應(yīng)用于電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真實驗中。
2 MATLAB/Simulink簡介及服務(wù)端通訊
程序的開發(fā)
2.1 MATLAB/Simulink簡介
Simulink是一種針對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具，它被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的建模和仿真，支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)或者兩者混合的系統(tǒng)和多速率系統(tǒng)。 ［2］它也是MATLAB最重要的組件之一，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，為用戶提供了友好的界面環(huán)境。Simulink為用戶提供了一些基本模塊，用戶只需從庫瀏覽器中選擇所需要的功能模塊，并對模塊參數(shù)進行配置后將其各模塊連接起來，就可得到用戶所需要的動態(tài)系統(tǒng)的模型。另外，對于一些基本模塊很難實現(xiàn)或不能實現(xiàn)的功能時，它還提供了用戶自定義模塊，如MATLAB Fcn模塊、SFunction模塊等，用戶可以借助這些自定義模塊，根據(jù)自己的功能需求，利用MATLAB語言、C、C++、FORTRAN、Ada等語言進行程序編寫，然后將程序封裝入這些自定義模塊中，就能得到用戶所需的新功能模塊。
2.2 MATLAB上TCP/IP通信程序的開發(fā)流程及部分程序
MATLAB中TCP/IP通信程序主要完成Simulink中動態(tài)系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)收發(fā)與CCU中邏輯控制輸入輸出操作。其開發(fā)流程圖如圖1所示：
根據(jù)上述流程圖，編寫的主體通訊程序如下，注：message是MATLAB發(fā)給CCU的數(shù)據(jù)，msg是CCU返回給MATLAB的數(shù)據(jù)。
while true
server_socket = ServerSocket(output_port);
server_socket.setSoTimeout(100);
output_socket = server_socket.accept();
output_stream = output_socket.getOutputStream;
d_output_stream = DataOutputStream(output_stream);
d_output_stream.writeBytes(char(message));
d_output_stream.flush;
input_stream = output_socket.getInputStream;
d_input_stream = DataInputStream(input_stream);
end
3 CCU邏輯控制系統(tǒng)上TCP/IP客戶端
通信模塊配置
CCU［3］是中央控制單元的縮寫，是軟邏輯控制系統(tǒng)的核心。CCU邏輯控制系統(tǒng)是基于嵌入式計算機的硬件和軟件資源，利用軟件技術(shù)來實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC功能的控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)綜合了數(shù)值運算及處理、邏輯運算、模擬量及開關(guān)量控制、網(wǎng)絡(luò)通信和PID調(diào)節(jié)等功能，具有強大的邏輯分析、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信的功能。CCU邏輯控制系統(tǒng)平臺的軟件結(jié)構(gòu)由編程系統(tǒng)和目標(biāo)運行系統(tǒng)組成：編程系統(tǒng)的主要任務(wù)是應(yīng)用編程語言進行應(yīng)用編程，程序編譯與調(diào)試，資源配置和與目標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)機通信等，這部分由開發(fā)軟件multiprog完成；目標(biāo)運行系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成系統(tǒng)配置，輸入信號處理，程序執(zhí)行和控制信號輸出等功能。
CCU系統(tǒng)有TCP/IP服務(wù)端程序和客戶端程序。當(dāng)CCU作為客戶端時，TCP/IP客戶端程序發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機的以太網(wǎng)指定的端口，其訪問的PC機的IP地址來自系統(tǒng)啟動參數(shù)的主機IP地址。Multiprog開發(fā)環(huán)境中提供的固件庫中有TCP/IP/通信功能塊，設(shè)置TCP/IP通信程序步驟如下：
1）定義TCP/IP通信程序的數(shù)組為：
1TYPE
2 TCPIP_DATA : ARRAY ［0..99］ OF BYTE;
3END_TYPE
2）定義TCP/IP發(fā)送變量TCPIP_SendData和接收變量TCPIP_ReceiveData，選擇數(shù)據(jù)類型為“TCPIP_DATA”。
3）從編輯向?qū)У墓碳熘校x擇發(fā)送和接收TCP/IP數(shù)據(jù)的功能塊“TCP_Receive_1”和“TCP_Send_1”，將步驟2）定義的變量與這兩個功能塊連接，如圖2所示：
4 利用通訊程序?qū)崿F(xiàn)MATLAB/Simulink
與CCU的TCP/IP通信
根據(jù)以上開發(fā)的通信程序，完成MATLAB Fcn模塊的封裝后，和CCU就可以進行TCP/IP通信了。MATLAB/Simulink動態(tài)模型系統(tǒng)中包含有Sine Wave模塊、MATLAB Fcn模塊和Scope模塊，CCU系統(tǒng)中使用了TCP_Receive模塊和TCP_Send模塊等，通信過程如圖3所示：
在上圖所示的通信過程中，Sine Wave作為MATLAB/Simulink系統(tǒng)的輸入向MATLAB Fcn模塊中的發(fā)送數(shù)組發(fā)送數(shù)據(jù)，然后通過以太網(wǎng)傳送給CCU，CCU再將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)原樣返回到MATLAB Fcn模塊中的接收數(shù)組中，最后再通過顯示器模塊顯示出輸出波形，波形如圖4所示，從顯示器輸出的波形可直觀的看出其波形與輸入端的波形基本一致，進而驗證了通訊程序的正確性。
5 TCP/IP通訊技術(shù)在硬件在環(huán)半實物仿真中的應(yīng)用
硬件在環(huán)仿真（Hardwareintheloop Simulation，HILS）是指將部分實際被控對象或系統(tǒng)部件用高速運行的實時仿真模型來代替，而控制系統(tǒng)則用實物（即硬件）與系統(tǒng)實時仿真模型連接成為一個硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（HILSS），通過仿真試驗對控制系統(tǒng)的控制策略、控制功能及系統(tǒng)可靠性等進行測試和評估。［4］下面構(gòu)造一個電動機轉(zhuǎn)速控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖5所示，階躍信號為轉(zhuǎn)速給定值，該值與電動機的實際轉(zhuǎn)速反饋值作差，得到速度偏差，然后通過MATLAB自定義模塊傳送到CCU中進行PI調(diào)節(jié)運算，得出控制量，再經(jīng)過MATLAB自定義模塊將控制量傳送給電動機，控制電動機轉(zhuǎn)速向著給定值靠近。其中電動機模型可以看成是典型的一階系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為典型的慣性環(huán)節(jié)，PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)Kp = 0.6，Ki = 0.2。
通過動態(tài)系統(tǒng)的運行，顯示器中輸出的電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)仿真波形如圖6所示，系統(tǒng)在3s內(nèi)進入穩(wěn)態(tài)，此輸出結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期的效果。
6 結(jié)束語
本文主要完成了MATLAB/Simulink與CCU之間通過TCP/IP協(xié)議進行通信的程序開發(fā)及此通訊技術(shù)在電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。其中通過正弦波的例子驗證了通訊程序的正確性，并在電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真中得到了預(yù)期的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)效果。該通訊程序具有通用性，只要將此程序封裝到其它系統(tǒng)的自定義模塊中，也可以完成其它系統(tǒng)的仿真實驗。另外，該仿真系統(tǒng)中CCU的控制算法可以靈活編程，對硬件在環(huán)仿真實驗具有廣泛的意義。
參考文獻(xiàn)
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收稿日期：2011-10-10
作者簡介：李英杰（1985—），男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(E-mail：Andre.Leey@gmail.com)。
