摘 要： 一種基于Linux系統(tǒng)雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方案——RTAI和以圖形化仿真工具包" title="工具包">工具包Scilab/Scicos為目標(biāo)設(shè)備建立實(shí)時(shí)測控模型的技術(shù)方法。該方法具有很強(qiáng)的描述能力和可擴(kuò)展性，圖形模塊與實(shí)際物理環(huán)境具有一致性，并可對(duì)各種仿真資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞： RTAI? Scicos? Linux? 建模? 數(shù)據(jù)采集
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Linux作為開放源代碼的操作系統(tǒng)已得到迅猛發(fā)展，在各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用，在嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用更加普遍。嵌入式系統(tǒng)往往具有實(shí)時(shí)性和應(yīng)用多樣性的特點(diǎn)。按照對(duì)延時(shí)時(shí)間的約束要求，一般把實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種。測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng)作為一種特殊的工業(yè)平臺(tái)對(duì)其技術(shù)要求要高于一般的系統(tǒng)，需要有高時(shí)效性和良好的時(shí)間確定性以及可靠性、穩(wěn)定性。因此需要對(duì)以穩(wěn)定著稱的Linux進(jìn)行實(shí)時(shí)化" title="實(shí)時(shí)化">實(shí)時(shí)化擴(kuò)展，使其具有硬實(shí)時(shí)能力，滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。
1 Linux實(shí)時(shí)化擴(kuò)展及Scicos軟件包" title="軟件包">軟件包
1.1 Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化實(shí)現(xiàn)
Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化實(shí)現(xiàn)的幾種主要方法：(1)兼容Linux內(nèi)核方法：如LynuxOS系統(tǒng)。(2)雙內(nèi)核方法：如RtLinux和RTAI。(3)為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核打?qū)崟r(shí)補(bǔ)丁方法：KURT、TimeSys Linux、RED-Linux等。以上幾種方法和實(shí)現(xiàn)的比較，詳見參考文獻(xiàn)[1]。
1.2 RTAI框架
RTAI(Real-Time Application Interface)可為應(yīng)用程序提供一套實(shí)時(shí)的系統(tǒng)調(diào)用接口，它是一個(gè)具備了操作系統(tǒng)核心功能的實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核。RTAI接管了系統(tǒng)的所有硬件資源，RTAI的任務(wù)調(diào)度器把Linux操作系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)空閑任務(wù)，即優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)來運(yùn)行。
RTAI中包含了一個(gè)RTAI-Lab的工具包。它定義了一個(gè)建立仿真、多任務(wù)控制、實(shí)時(shí)控制的框架，集成到建模仿真軟件中（如Matlab、Scilab）。其生成控制模型可以在Linux RTAI系統(tǒng)中編譯和執(zhí)行。
1.3 Scilab/Scicos建模工具包
Scilab(Scientific Laboratory)是以法國國立信息與自動(dòng)化研究院(INRIA)的科學(xué)家為主共同開發(fā)的“開放源碼”式科學(xué)計(jì)算軟件。Scicos是包含于Scilab中用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模" title="系統(tǒng)建模">系統(tǒng)建模和仿真的工具軟件包。
2 系統(tǒng)建模
2.1 方案設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)建模一般需要一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件(CACSD)和一個(gè)運(yùn)行硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的硬件[5]。常見的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件有MatlabSimulink/RTW工具軟件包和Scilab/Scicos軟件。它們可以為不同控制目標(biāo)生成和編譯代碼。Matlab軟件包功能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴，會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)成本增加很多。
一個(gè)比較可行的方案是基于開源的Scilab/Scicos工具包并以Linux RTAI系統(tǒng)為測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真、測試。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)GS-01A摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行研究與測試。
2.2 建模環(huán)境
軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)為Fedora core 4,Linux內(nèi)核版本為2.6.16，RTAI版本為3.3，Scilab版本為4.0，Comedilib版本為0.7.22。
硬件環(huán)境：IBM兼容PC，Intel Pentium 4 CPU 2.60GHz，512MB內(nèi)存，硬盤容量80GB，轉(zhuǎn)速7200 r/s； NI公司Pci6024e數(shù)據(jù)采集卡。待測系統(tǒng)為圖1所示的GS-01A摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)。
待采集的信號(hào)有：
(1)摩擦盤的溫度A0：熱電偶傳感器。
(2)摩擦盤所受的拉力A1：壓電傳感器。
(3)氣缸對(duì)摩擦盤所施加的壓力A2：擴(kuò)散硅傳感器。
(4)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)CTR0：磁電轉(zhuǎn)速計(jì)。
2.3 控制系統(tǒng)建模
(1)模型建立：根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案確定控制模型。利用Scicos中的模塊和RTAI-Lab的模型庫，并根據(jù)各個(gè)參數(shù)之間數(shù)學(xué)、邏輯的關(guān)系建立如圖2所示的模型。各參數(shù)關(guān)系如下：
其中：V(t)為瞬時(shí)線速度(m/s)，CTR0(t)為計(jì)算機(jī)采集到的轉(zhuǎn)速（r/m），R為摩擦半徑(m)，μ(t)為瞬時(shí)摩擦系數(shù)，μav為平均摩擦系數(shù)，F(xiàn)A1(t)為瞬時(shí)拉力值，RA1為測力臂半徑，PA2(t)為氣缸對(duì)摩擦盤所施加的壓強(qiáng)（N/mm2），剎車面積CM（mm2）。
工作現(xiàn)場存在很多潛在的干擾源，使得采集到的信號(hào)被認(rèn)為是訛誤的信號(hào)，使用FFT的最佳（維納）濾波方法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除。即假設(shè)信號(hào)S和噪聲N是不相關(guān)的，隨頻率f積分時(shí)，它們的叉積為零。從而得到最佳濾波函數(shù)的Φ(f)計(jì)算公式：
(2)代碼生成：把建立好的模型封裝到超級(jí)模塊superblock中，然后調(diào)用RTAICodeGen_.sci文件，生成C語言代碼。
(3)可執(zhí)行程序生成：把生成的C語言代碼與rtmain.c、libsciblk.a文件進(jìn)行編譯和鏈接，就可生成執(zhí)行的程序文件，程序文件可以在任何安裝有相同RTAI版本的Linux機(jī)器上運(yùn)行。
3 測試與分析
3.1 實(shí)驗(yàn)測試
拖動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)皮帶與主軸連接，當(dāng)電機(jī)達(dá)到指定速度（如2000r/m）時(shí)按下剎車按鈕，離合器把主軸和電機(jī)脫離，主軸與摩擦實(shí)驗(yàn)盤靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，下面的氣缸頂著安裝有待測材料的圓盤上升，與實(shí)驗(yàn)盤相接觸，使得實(shí)驗(yàn)盤依靠待測材料表面的摩擦力制動(dòng)。與此同時(shí)給計(jì)算機(jī)一個(gè)高電平信號(hào)，由控制模型生成的程序開始運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集卡開始采樣，記錄整個(gè)過程，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算其他參數(shù)，繪制曲線。
由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程較短，一般只有3～15秒，參數(shù)值變換很大，有一定波動(dòng)，同時(shí)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中存在一定振動(dòng)，要詳細(xì)、真實(shí)反映整個(gè)實(shí)驗(yàn)中各個(gè)參數(shù)的變化趨勢，應(yīng)該充分利用軟、硬件資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、曲線記錄，還原真實(shí)的摩擦過程。
3.2 結(jié)果分析
在Linux系統(tǒng)中沒有執(zhí)行其他非實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。在經(jīng)過86次實(shí)驗(yàn)測定之后，得出比較有代表性的同一材料的實(shí)驗(yàn)狀況如圖3所示。圖3(a)為理論摩擦系數(shù)曲線，圖3(b)為被測材料在Linux RTAI系統(tǒng)下測得的曲線，圖3(c)為沒有開啟RTAI硬實(shí)時(shí)測得的曲線。
由于被測材料的結(jié)構(gòu)、成分上的差異性，實(shí)際測得的曲線與理想狀況存在一定偏差，但只要測得的曲線能反映變化趨勢，并且波峰與波谷的出現(xiàn)在時(shí)間軸上與力矩的曲線變化一致，就認(rèn)為是合理的曲線。從三個(gè)圖對(duì)比來看，圖3(a)為理想摩擦材料在剎車過程中的瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線，在開始和結(jié)束部分存在兩個(gè)明顯的峰值，中間部分摩擦系數(shù)的變化相對(duì)比較平滑；圖3(b)曲線能準(zhǔn)確反映摩擦系數(shù)的變化趨勢，實(shí)時(shí)性好，曲線平滑，峰值點(diǎn)較明顯，但在采樣開始部分丟失一部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致曲線數(shù)據(jù)不完整。這一問題由于系統(tǒng)啟動(dòng)方式——采樣手動(dòng)剎車按鈕信號(hào)使系統(tǒng)采樣存在一定延時(shí)，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)。圖3(c)的圖形失真嚴(yán)重，主要因?yàn)槟Σ料禂?shù)是由其他參數(shù)計(jì)算而來，采樣來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不好，致使波形抖動(dòng)，造成曲線反映不出參數(shù)變化，不能滿足測試系統(tǒng)使用要求。
(1)在Linux RTAI系統(tǒng)下使用Scilab/Scicos工具包搭建了一個(gè)低成本、高效、開放源代碼的控制模型。所有的設(shè)計(jì)任務(wù)，包括系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計(jì)、仿真、代碼執(zhí)行都在一個(gè)統(tǒng)一的工作環(huán)境下完成，保證了設(shè)計(jì)工作的連貫性。
(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和良好的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，Scilab/Scicos和Linux RTAI是一個(gè)非常理想的實(shí)時(shí)平臺(tái)搭建方案。其開源特性使得科研設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有更大的靈活性，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)、應(yīng)用有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
(3)本實(shí)驗(yàn)方案還存在信號(hào)受工作臺(tái)中的振動(dòng)影響等問題，有待于進(jìn)一步解決。
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