在為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模時(shí)，必須確定表述每個(gè)部件的詳細(xì)程度。所需細(xì)節(jié)的數(shù)量取決于仿真中的具體用途。在本例中，仿真的主要目的是使數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能應(yīng)用于轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)。因此，要嘗試以良好的精確度對(duì)馬達(dá)和轉(zhuǎn)盤(pán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并忽略功率放大器的動(dòng)態(tài)特性，必須盡可能精確地模擬數(shù)字控制算法的特性。

我們將馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性建模為二階傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)的輸入為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓，輸出為馬達(dá)速度。馬達(dá)速度的積分可確定馬達(dá)的位置。位置編碼器向數(shù)字控制器輸出馬達(dá)位置的數(shù)字量化值。數(shù)字控制器的輸入是受控轉(zhuǎn)盤(pán)的位置及由編碼器測(cè)得的當(dāng)前位置。控制器的輸出驅(qū)動(dòng)功率放大器的模擬電壓，功率放大器輸出驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

圖4示出了數(shù)字控制器控制算法的實(shí)現(xiàn)方法。因?yàn)樵撍惴▓?zhí)行的時(shí)間間隔為5ms，Simulink模型要求添加標(biāo)有“0階保持1”、“1階保持2”和“單位延遲”的方框，這些方框都具備一個(gè)設(shè)定為5ms刷新的參數(shù)。算法的其余部分由比例微分控制器組成，該控制器使用標(biāo)有“導(dǎo)數(shù)估計(jì)”的離散時(shí)間傳遞函數(shù)來(lái)獲得轉(zhuǎn)盤(pán)角速率的估計(jì)值?？刂扑惴ǖ妮敵龇答伒较薹土炕盘?hào)的8位DAC?！?ms傳輸延遲”方框?qū)⑺惴ǖ妮敵鲅舆t4ms，從而仿真出計(jì)算延時(shí)。

除了實(shí)現(xiàn)仿真模型外，還必須確定所用的積分算法及積分時(shí)間步長(zhǎng)(如果使用的是固定步長(zhǎng)型算法)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定使用1ms的時(shí)間步長(zhǎng)和Simulink的4階Runge-Kutta積分算法可得到滿(mǎn)意的結(jié)果。通過(guò)執(zhí)行一個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間為0.1ms的操作進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果沒(méi)有顯著變化。

系統(tǒng)的初始狀態(tài)為轉(zhuǎn)盤(pán)停在位置0。0時(shí)刻之后，指令將轉(zhuǎn)盤(pán)移動(dòng)到弧度1位置。大約5s之后，可看到轉(zhuǎn)臺(tái)到達(dá)指定位置。

再看一下圖5所示的數(shù)字控制器輸出，可得到位置編碼器信號(hào)量化的結(jié)果。此外，不僅能看到輸出信號(hào)在仿真初期約1.7s后飽和為******值，還能看到DAC輸出信號(hào)電壓的量化值。

轉(zhuǎn)盤(pán)和控制器的仿真向我們提供了大量關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的信息。非線(xiàn)性系統(tǒng)特性的細(xì)節(jié)對(duì)于開(kāi)發(fā)實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。仿真的應(yīng)用使人們能夠通過(guò)改變模型參數(shù)及給部件模型增加額外的變化因素和復(fù)雜性因素來(lái)確定系統(tǒng)在各種條件下的特性。還能方便地改變研究以確定系統(tǒng)在設(shè)計(jì)修改時(shí)表現(xiàn)出的特性。這些修改包括不同的控制器刷新速率、不同的DAC位或不同的編碼器分辨率等。

本文總結(jié)

仿真是復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試中重要且常用的技術(shù)。從最初產(chǎn)品概念的定義到工程開(kāi)發(fā)，再到維護(hù)軟件發(fā)布和硬件升級(jí)測(cè)試的全過(guò)程都要應(yīng)用仿真。在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中采用適宜的仿真不但能降低工程所需的總體時(shí)間和費(fèi)用，而且可開(kāi)發(fā)出經(jīng)過(guò)完全測(cè)試的高質(zhì)量產(chǎn)品。