半物理仿真系统及模型的试验分析_赵立华.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-12-07半物理仿真系统及模型的试验分析赵立华，李 博，丁彦杰，步 石，陈国兴(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)摘要：为提高大型复杂设备的开发速度，满足精度和实时性要求，进行了必要的半物理仿真。从仿真设备、仿真设计和试验分析等方面进行了详细描述，重点从控制模型组成、Simulink模型方案设计以及试验数据分析等方面，进行了硬件在环仿真设计。根据试验结果，该方法对被控对象的功能性、实时性、比例积分微分(PID)、控制器设计的合理性以及内部参数等优化调试都有一定的参考价值。关键词：半物理仿真；仿真模型；实时控制；试验分析中图分类号：TN305文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0001-06Semi-physical Simulation System and Model Test AnalysisZHAO Lihua，LI Bo，DING Yanjie，BU Shi，CHEN Guoxing(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)Abstract:A necessary semi-physical simulation is performed for improvement of some large-scale andcomplicated equipment rapid development to meet the requirement of accuracy and real-time perfor-mance.The simulation device，simulate design and test analysis are described in detail.Especiallyfrom control model composition，simulink model scheme design and test data analysis，a hard-in-loopsimulate design is carried out.Based on test results，the method has a certain reference value for func-tion of the controlled projects and its real-time performance，PID，controller rationality and inner pa-rameters.Key words:Semi-physical simulation；Simulink model；Real-time control；Test analysis1仿真设计的现状1.1仿真设备的现状随着大型设备的开发难度越来越大，周期越来越长，投产前为了验证系统设计的可行性、准确性和可靠性，需要进行实时系统仿真，包括快速原型开发设计和硬件在环仿真，既提高了设计效率和准确性，又可对设备性能进行测试和评估。半物理仿真目标机，欧洲品牌居多，在交通设备或工具行业应用较多，如：汽车产业、航天和轨道交通领域，其产品都是基于 Matlab-simulinkRT，包括目标机 CPU、I/O 板卡以及驱动软件包等。有的品牌硬半导体制造工艺与设备1（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022件配置好，驱动接口多，模块性较好，而有的品牌软件功能实力强，产品模块性较差。国内也有定制化开发的模块在得到更多的应用。1.2仿真设计应用仿真目标机既可以作为快速控制原型开发，也可以作为硬件在环仿真分析，如图 1、图 2 所示，可以快速地在现实环境中验证控制方案设计，结果获取迅速，迭代时间短。工程上从需求的提出到系统集成的全部过程中，可以看到不同阶段中仿真机的具体应用，V 型开发流程如图 3 所示，包括系统需求（仿真）、系统设计（RCP 快速控制原型）、软件设计（目标机的快速原型）软以及件编码（产品代码生成）等步骤。其中 RCP 属于目标机参与的快速控制原型；然后再从编码（软件在环）、软件集成（处理器在环）、硬件/软件集成、硬件在环测试 HIL，一直到系统集成完毕。图2硬件在环仿真图1快速控制原型图3 V型开发流程本文主要介绍硬件在环测试。采用专用控制器，内部需要包括驱动软件和相应的固件，目标机模拟被控对象 Plant、Simulink Real-Time 和实时目标机协同工作，可以快速实现系统开发。2仿真模型设计2.1 Matlab插件和仿真驱动模块该模型设计是基于新型半物理仿真目标机设计的，该目标机具有较高的配置，采用多核高速CPU；并支持 FPGA 的实时运行。另外通用的Matlab 编译环境，便于文件生成和下载到目标机；对应插件、Simulink Real-time 与该目标机相关；I/O 实时模块，驱动和支撑的硬件板卡，便于模型访问其对应的硬件通道；I/O 电气线缆和对应端子，便于连接物理实物；具有软件升级功能，与Matlab 的较新版本紧密配合。2.2 Simulink模型的模块设计首先为系统所需的运动设计了伺服算法，也称为固件。该固件模型粗略分为两层，包括框架模块、功能模块和硬件层模块。运动伺服系统的每个环节划分为框架模块与功能模块，功能模块间不能直接传递数据，而是通过框架模块传递，框架层测试曲线控制器执行器数据校验目标机物理系统数据流数据流被控对象目标机测试曲线控制器执行器数据校验系统需求（仿真）系统设计（RCP 快速控制原型）软件设计（目标机的快速原型）编码（产品代码生成/软件在环）软件集成（处理器在环）硬件/软件集成（HIL 硬件在环测试）系统集成和测校半导体制造工艺与设备2（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022负责功能模块的调度并管理数据。该固件模型的功能如图 4 所示。图4嵌入式软件功能模型轨迹模块用来产生轴所要运动的轨迹。它在起始点与终点之间计算出了一系列不同的设置点(位置、速度和加速度)，这些设置点按照每个采样周期进行分配，并送给控制器。单个设置点按照每个采样周期等距设置位置差，然后在指定的采样周期计算范围内到达给定位置；伺服控制器接收来自设置点生成器的设置点信息和测量系统的实际位置信息，并计算得到两者的位置差。该位置差作为伺服控制算法的输入，并计算得到执行器系统的力/速度设定值。执行器系统的主要任务是解耦和坐标转换。轴之间的交叉耦合在这部分进行解耦，坐标转换则是将逻辑坐标值转换为物理坐标值时引起的力/速度的重 新分配；测量控制主要包括传感器接口，即将传感器原始测量值(bit)，转换为实际的位置信息；测量系统根据传感器测量的实际位置值，计算当前的逻辑坐标值。硬件模块中的时序控制是根据系统设计的需要，让软件、硬件模块运行在一定的中断周期上，并和对应的状态/控制寄存器密切相关。在信号处理器 DSP 和可编程逻辑器件的组合电路板 MCB 中下载相应的固件，并由可编程逻辑器件按照一定的时序进行逻辑处理和物理通信。2.3虚拟Plant设计以平行的双电机控制的运动轴为例，进行被控对象 Plant 的动力学建模。首先确定虚拟运动台Plant 的在整体控制中的位置和作用，对于结构组成和系统性能要求进行简要分析，搭建 simulink的控制分析模型，结合传统的 PID+前馈+反馈的控制方法，对多自由度的运动台进行仿真建模，从而初步验证了结构的合理性和性能的初步仿真分析。然后需要借助以上分析进行嵌入式平台的固件移植和虚拟 Plant 的代码移植，固件中主要包括了轨迹生成、控制算法、执行器输出和测量反馈等主要功能模块，固件输出的物理轴的出力作为Plant 的输入，经过动力学分析转换成位移和加速度等数据输出，如图 5（a）所示。模拟 Plant 和机构设计密切配合，不断优化设计，逐步达到机电联合仿真的效果。其次，进行动力学框图设计，两个 X 向电机对称分布，结构和驱动指标完全一样，电机动子定子假设成一个刚体，底面、上表面和侧面是由一定气模间隙的气浮来支撑，假设成对称的弹簧阻尼系统，在逻辑轴 X、Rz 方向有电气限位、机械限位，同时两个对称分布的光栅尺进行高精密测量，经过测量转换成逻辑轴 X、Rz 的测量反馈，从而为动力学建模建立了初步框架，如图 5（b）所示。最后是模型的搭建和 c 代码的具体实现。物理轴有 X1，X2两个电机轴，共有 X、Rz 两个逻辑自由度。根据上述广义坐标定义，构建其运动微分方程：M(P)Q.+C(P，P.)+K(P)=F其中 P 表示某一坐标系下的姿态变量，Q=(X，Rz)，其中 X，Rz 为两个自由度的位移和姿态。其中 M，C，K 分别表示质量，阻尼和刚度系数矩阵，当然还需要对旋转运动增加科里奥利力补偿。嵌入式软件框架模块功能模块硬件层模块轴处理模块通信模块进程调度测量控制参数控制事件控制错误处理诊断控制轨迹模块控制器测量系统执行器模块时序控制处理器接口硬件初始化半导体制造工艺与设备3（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022（d）Plant 动力学模型图5 Plant总体设计图其中有些参数是根据设计模型计算得到的，有些是根据手册查表得到的经验值，实际测试时还需要适当的进行修正。对应的 Simulink 整体模型如图 5（c）所示，模型输入为固件的输出电流值等，输出为运动位移、加速度等需要关注的变量。内部动力学模型为图 5（d）所示，该 Plant 属于 MIMO多输入多输出系统，有相应的质量、刚度和阻尼矩阵的计算，左侧为力输入，右侧为位移输出。（a）虚拟运动台模型（b）动力学和测量反馈图（c）Plant 整体模型控制分析模型控制策略被控对象主要伺服算法各自由度运动功能控制开发模型多种功能模块功能算法验证运动性能仿真虚拟运动台功能算法验证运动性能仿真固件代码生成驱动软件对接嵌入式应用主要伺服算法，诊断，错误处理等多个支撑模X left block sphericalX ceramic beamX right blockX leftlinearmoterSphericalairbearing forfine RzAirbearing forX axisguiding2leftsphericalairbearingX_left_guidewayAirbearingforsppuorting2Airbearingforsppuorting2Linear encoderHard sotpXrightlineermoterAirbearing forX axisguiding2rightAirbearingleafspringRinghtairbearingX_right_guidewayAirbearingforsppuorting4WS granite baseLinear encoderX Long stage andRz fine tageHard sotpForce_x1_inForce_x1_inStage_F/TForce_x2_inForce_x2_in12X forceRz_forceRz_forceStage_Rzfine_RzRz_DiffRz_Difffine_Rz3412Sensor2_limitSensor1_limitSensor1_limitSensor2_limitFine_Elec_limStage_Xactuator_forceStage_FineposPLANT