基于MATLAB/Simulink的半实物仿真系统设计优化

更新时间：2025-09-01 理论教育 版权反馈

【摘要】：Simulink的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。例如在MATLAB6.5版本中用MATLAB/Simulink构建半实物仿真系统过程如下：1）双击MATLAB图标，如图6-79所示，进入MATLAB主命令窗口。

6.4.4.1 MATLAB/Simulink简介

在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入到计算机中，对其进行进一步的分析与仿真。

2025年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以2025年正式将该软件更名为Simulink。

Simulink的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用Simulink提供的功能来对系统进行仿真和分析。

Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来，就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

Simulink模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous（连续）模块，Discrete（离散）模块，Function＆Tables（函数和平台）模块，Math（数学）模块，Nonlinear（非线性）模块，Signals＆Systems（信号和系统）模块，Sinks（接收器）模块和Sources（输入源）模块。

6.4.4.2 Simulink仿真的实时工具（RTW）

采用Simulink直接绘制框图有时仿真速度较慢，加快运行速度或使程序能脱离MATLAB环境独立运行，需将其转换成可执行文件，可采用实时工具（Real-Time Windows Target，RTW）。

要采用实时工具（RTW），首先应对其环境进行设置，在MATLAB主命令窗口输入：

》rtwintgt-install

You are going to install the Real-Time Windows Target kernel.

Do you want to proceed？[y]：y

安装后重新启动系统，这样就可以使用RTW。

6.4.4.3 基于xPC仿真应用

1.xPC环境简介

xPC Target是一种快速原型设计方法，用于控制器的实时测试和开发。允许使用多种通用的PC输入、输出板卡，在代码翻译和编译过程中，需要C语言编译器，如Mirosoft Visual C＋＋或MATCOM C/C＋＋的支持，只有在这些编译器下，才能生成独立的可执行文件，用于实时控制。xPC Target的主要特色：

1）可以在没有安装Mirosoft Windows的目标计算机上运行Simulink及其实时工具生成的代码，用Target Embedded选项开发嵌入式控制器。

2）支持各种常用输入、输出板卡。

3）允许在主机或目标计算机上进行交互式的参数调试。

4）支持通过RS-232接口或TCP/IP（传输控制协议/网间协议）的主机与目标计算机通信方式。

5）可以利用一般台式计算机、笔记本电脑、工控机、PC/104等作为目标计算机进行实时控制。

6）可以用xPC的Target Embedded选项开发嵌入式控制器。

2.基于xPC的半实物仿真

在离线控制系统设计中，需要提取出受控对象的数学模型，据此设计控制器。因此得到的仿真结果是针对数学模型的纯数学结果，如果将这样设计的控制器进行硬件实现，直接用于实际受控对象的控制，则不一定能得到好的控制效果，原因在于基于数学模型的仿真中忽略了很多因素，例如模型的准确性、外部扰动、模型本身的参数变化、检测信号误差和量测噪声等，所以即使仿真能得到满意的结果，将其用于实际系统也可能存在问题。

采用半实物仿真技术能解决这样的问题，设计出来的控制器可直接对实际受控对象进行控制，可以对得到的控制效果进行及时的评价。较理想的半实物仿真系统，可支持很多常用的输入、输出接口板卡，实际受控对象通过接口板卡与计算机相连，构建控制器仿真模型，进行仿真分析，可很容易地观察控制效果。

下面通过一个实例来说明构建半实物仿真系统。若控制对象为交流异步电动机，变频器采用模拟量输入控制，这样组成的是开环系统，其系统性能较差。若组成闭环系统，涉及速度调节器的参数设计，当速度调节器参数不一样时，得到的系统动态性能也不相同，有时甚至使闭环系统不能稳定工作，此时采用半实物仿真系统方法来设计速度调节器是较佳的选择。

构建该系统硬件需要一台带码盘的异步电动机、配套的变频器和MATLAB/Simulink中xPC支持的板卡，在这里采用研华PCL-711B板卡，把PCL-711B板卡安装在工控机的ISA槽上。例如在MATLAB6.5版本中用MATLAB/Simulink构建半实物仿真系统过程如下：

1）双击MATLAB图标，如图6-79所示，进入MATLAB主命令窗口。