Real Time Windows Target и Workshop

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Знакомство с математическим пакетом MATLAB.
Работа с файлами в пакете МАТLАВ
решение обыконвенных дифференциальных
уравнений в пакете МАТLАВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсу «Программирование и основы алгоритмизации»
для студентов специальности 220301

Пермь 2008

лабораторная работа №1

Знакомство с математическим пакетом MATLAB

Цель работы: знакомство с пакетами расширения МАТLАВ, работа с матрицами и операции с ними.

Часть №1

Название MATLAB является сокращением от Matrix Laboratory. В настоящее время MATLAB является мощным и универсальным средством решения задач, возникающих в различных областях человеческой деятельности. Спектр проблем, исследование которых может быть осуществлено при помощи MATLAB и его расширений (Toolbox), охватывает: матричный анализ, обработку сигналов и изображений, задачи математической физики, оптимизационные задачи, финансовые задачи, обработку и визуализацию данных, работу с картографическими изображениями, нейронные сети, нечеткую логику и многое другое.

1.Вывод списка пакетов расширения

1.2.Real Time Windows Target и Workshop

1.3. Report Generator для MATLAB и Simulink

1.4. Neural Networks Toolbox

1.5. Fuzzy Logic Toolbox

1.6. Symbolic Math Toolbox

1.7. NAG Foundation Toolbox

1.8. Spline Toolbox

1.9. Statistics Toolbox

1.10. Optimization Toolbox

1.11.Partial Differential Equations Toolbox

2. Пакеты анализа и синтеза систем управления

2.1.Control System Toolbox

2.2. Nonlinear Control Design Toolbox

2.3. Robust Control Toolbox

2.4. Model Predictive Control Toolbox

2.5. (Мю)-Analysis and Synthesis

2.7. Quantitative Feedback Theory Toolbox

2.8. LMI Control Toolbox

3. Пакеты идентификации систем

3.1. System Identification Toolbox

3.2. Frequency Domain System Identification Toolbox

4. Дополнительные пакеты расширения MATLAB

4.1. Communications Toolbox

4.2. Digital Signal Processing (DSP) Blockset

4.3. Fixed-Point Blockset

5. Пакеты для обработки сигналов и изображений

5.1. Signal Processing Toolbox

5.2. Higher-Order Spectral Analysis Toolbox

5.3. Image Processing Toolbox

5.4. Wavelet Toolbox

Вывод списка пакетов расширения

Полный состав системы MATLAB содержит ряд компонентов, название, номер версии и дату создания которых можно вывести на просмотр командой ver:

» ver

MATLAB Version 6.0.0.88 (R12) on PCWIN MATLAB License Number: 0

MATLAB Toolbox

Simulink

Stateflow

Stateflow Coder

Real -Time Workshop

COMA Reference Blockset

Communications Blockset

Communications Toolbox

Control System Toolbox

DSP Blockset

Data Acquisition Toolbox

Database Toolbox

Datafeed Toolbox

Dials & Gauges Blockset

Filter Design Toolbox

Financial Derivatives Toolbox

Financial Time Series Toolbox

Financial Toolbox

Fixed-Point Blockset

Fuzzy Logic Toolbox

GARCH Toolbox

Image Processing Toolbox

Instrument Control Toolbox

LMI Control Toolbox

MATLAB Compiler

MATLAB Report Generator

Mapping Toolbox

Model Predictive Control Toolbox

Motorola DSP Developer’s Kit

Ми-Analysis and Synthesis Toolbox

Neural Network Toolbox

Nonlinear Control Design Blockset

Optimization Toolbox

Partial Differential Equation Toolbox

Power System Blockset

Real -Time Workshop Ada Coder

Real -Time Workshop Embedded Coder

Requirements Management Interface

Robust Control Toolbox

SB2SL (converts SystemBuild to Simulink )

Signal Processing Toolbox

Simulink Accelerator

Model Differencing for Simulink and.

Simulink Model Coverage Tool

Simulink Report Generator

Spline Toolbox

Statistics Toolbox

Symbolic Math Toolbox

System Identification Toolbox

Wavelet Toolbox

XPC Target

XPC Target Embedded Option

Simulink

Пакет расширения Simulink служит для имитационного моделирования моделей, состоящих из графических блоков с заданными свойствами (параметрами). Компоненты моделей, в свою очередь, являются графическими блоками и моделями, которые содержатся в ряде библиотек и с помощью мыши могут переноситься в основное окно и соединяться друг с другом необходимыми связями. В состав моделей могут включаться источники сигналов различного вида, виртуальные регистрирующие приборы, графические средства анимации. Двойной щелчок мышью на блоке модели выводит окно со списком его параметров, которые пользователь может менять. Запуск имитации обеспечивает математическое моделирование построенной модели с наглядным визуальным представлением результатов. Пакет основан на построении блочных схем путем переноса блоков из библиотеки компонентов в окно редактирования создаваемой пользователем модели. Затем модель запускается на выполнение. Simulink составляет и решает уравнения состояния модели и позволяет подключать в нужные ее точки разнообразные виртуальные измерительные приборы. Поражает наглядность представления результатов моделирования. Предшествующая версия пакета достаточно подробно описана в книгах. Основным нововведением является обработка матричных сигналов. Добавлены отдельные пакеты повышения производительности Simulink, такие как Simulink Accelerator для компиляции кода моделей, Simulink profiler для анализа кода и т. д.

Real Time Windows Target и Workshop

Подключающаяся к Simulink мощная подсистема имитационного моделирования в реальном масштабе времени (при наличии дополнительных аппаратных средств в виде плат расширения компьютера), представленная пакетами расширения Real Time Windows Target и Workshop, — мощное средство управления реальными объектами и системами. Кроме того, эти расширения позволяют создавать исполняемые коды моделей. Достоинством такого моделирования является его математическая и физическая наглядность. В компонентах моделей Simulink можно задавать не только фиксированные параметры, но и математические соотношения, описывающие поведение моделей.

Simulink Desktop Real-Time

Запуск моделей Simulink в реальном времени на вашем компьютере.

Simulink Desktop Real-Time предоставляет ядро реального времени для выполнения моделей Simulink на ноутбуке или настольном компьютере под управлением Windows или Mac OS X. Он включает библиотечные блоки, подключаемые к ряду устройств ввода-вывода. Вы можете создавать и настраивать систему реального времени для быстрого прототипирования или полунатурного моделирования на базе вашего компьютера.

Simulink Desktop Real-Time поддерживает производительность в режиме реального времени до 1 кГц с Simulink и до 20 кГц с Simulink Coder.

Ключевые возможности

• Выполнение моделей Simulink с обратной связью в реальном времени
• Визуализация сигналов и настройка параметров во время работы модели
• Производительность в реальном времени приближается к частоте дискретизации 1 кГц в обычном режиме Simulink
• Производительность в реальном времени приближается к частоте дискретизации 20 кГц в режиме SimulinkExternal Mode (с Simulink Coder)
• Блоки для поддержки более чем 250 устройств ввода/вывода (включая аналоговые входы/выходы, цифровые входы/выходы, счетчики, энкодеры и частотные выходы) и коммуникационных протоколов (включая UDP, последовательный интерфейс и CAN)
• Подключение к устройствам ввода-вывода, установленным на компьютере или в шасси расширения Thunderbolt

Тестирование моделей Simulink в режиме реального времени

Simulink Desktop Real-Time позволяет запускать модели Simulink в режиме реального времени и взаимодействовать с физическими устройствами. Используя настольный компьютер или ноутбук под управлением Windows или Mac OS X, вы можете создавать и управлять системой моделирования и тестирования в реальном времени, включая быстрое прототипирование и полунатурное моделирование (HIL), непосредственно из Simulink.

Simulink Desktop Real-Time предоставляет драйверы устройств ввода-вывода, которые поддерживают широкий выбор плат ввода-вывода, позволяя вам взаимодействовать с датчиками, исполнительными механизмами и другими устройствами для разработки, настройки и тестирования систем реального времени.

Simulink Desktop Real-Time содержит ядро реального времени, которое работает с наивысшим приоритетом в вашей операционной системе. Это ядро в реальном времени загружает драйверы устройств ввода-вывода и устанавливает соединение с Simulink. В обычном режиме драйверы устройств ввода-вывода выполняются в режиме реального времени параллельно с симуляцией Simulink. Simulink Desktop Real-Time синхронизирует данные между ядром реального времени и Simulink. Вы можете достигнуть производительности до 1 кГц в нормальном режиме.

Simulink Coder генерирует код C и C++ из модели и решателя модели. Simulink Desktop Real-Time использует Simulink Coder и создает двоичный файл модели и решателя с помощью поставляемого компилятора C. Ядро реального времени загружает полученный двоичный файл и драйверы устройств ввода-вывода и устанавливает соединение с Simulink. В режиме External Mode драйверы устройств модели, решателя и ввода-вывода выполняются в режиме реального времени. Вы можете достигнуть производительности до 20 кГц в режиме External Mode.

В обычном режиме и режиме External Mode можно управлять выполнением модели в реальном времени, записью данных, настройкой параметров и просмотром сигналов с панели инструментов Simulink.

Динамические системы можно визуализировать в режиме реального времени с помощью Simulink 3D Animation.

Настройка параметров, мониторинг сигналов и сбор данных

Настройка параметров

Параметры модели можно настраивать во время работы Simulink как в обычном режиме, так и в External Mode, редактируя блок-схему Simulink. Можно также добавить графические элементы управления, такие как ручки и переключатели, для настройки параметров модели. Simulink Desktop Real-Time по связи в режиме External Mode автоматически передает изменения параметров блок-схемы Simulink исполняемому файлу, работающему в ядре реального времени.

Мониторинг и захват сигналов в режиме реального времени

С использованием Simulink Desktop Real-Time можно записывать сигналы из модели в режиме реального времени и отображать их с помощью стандартных блоков осциллографа в Simulink. Сигналы в модели можно просматривать с помощью графических дисплеев, таких как шкалы, осциллографы и лампы.

Захват и запись данных

Сигналы, захваченные во время выполнения, можно хранить в рабочей области MATLAB с помощью Simulink. В режиме External Mode можно захватить один или несколько пакетов данных и сохранить их в файл, к которому можно получить доступ в MATLAB для дополнительного анализа и визуализации.

Взаимодействие с моделями в режиме реального времени

Используя Simulink Desktop Real-Time и джойстик, вы можете взаимодействовать в реальном времени с моделью, например, с симулятором полета или симулятором автомобиля. Этот подход позволяет проверить поведение системы перед включением компонентов модели в более обширные системы HIL и полноразмерные симуляторы и тренажеры. Simulink Desktop Real-Time поддерживает джойстики игрового порта и USB-джойстики, включая модели с силовой обратной связью.

Синхронизация моделей для работы в реальном времени

Включив блок Real-Time Sync в свой проект, вы можете синхронизировать модель Simulink, работающую в обычном режиме, с ядром реального времени. Эта синхронизация позволяет модели работать в режиме реального времени на настольном компьютере или ноутбуке, не требуя решателей с фиксированным шагом. Кроме того, ядро реального времени синхронизирует модель с доступными устройствами ввода-вывода, чтобы вы могли передавать данные в режиме реального времени в модель Simulink. В нормальном режиме, вы можете достигнуть производительности до 1 кГц.

Подключение физических устройств

Simulink Desktop Real-Time включает в себя библиотеку блоков драйверов ввода-вывода, которые обеспечивают связь между физическими устройствами ввода-вывода и моделями реального времени. Вы можете запустить симуляцию и наблюдать, как модели Simulink реагируют на поведение в реальном мире. Библиотека блоков драйверов ввода-вывода позволяет подключать сигналы ввода-вывода к широкому спектру плат ввода-вывода.

Блоки драйверов ввода-вывода Simulink Desktop Real-Time позволяют осуществлять связь с использованием ASCII или двоичных данных в любом формате. Поддерживаемые протоколы связи включают UDP для стандартных сетевых подключений, RS-232 для последовательных линий и CAN-шину.

Thunderbolt поддерживается для подключения к устройствам ввода-вывода при использовании шасси расширения Thunderbolt для плат PCIe/PCI или многофункционального устройства ввода-вывода HUMUSOFT MF 644 с поддержкой Thunderbolt. Thunderbolt это распространенный интерфейс для ноутбуков и настольных компьютеров на базе Mac OS X, а также для некоторых ноутбуков и настольных компьютеров на базе Windows.

Доступны следующие блоки драйверов ввода-вывода:

• Analog Input: подключение и чтение аналоговых входных каналов
• Counter Input: подключение и чтение входных каналов счетчика
• Digital Input: подключение и чтение цифровых входных линий или каналов
• Encoder Input: подключение и чтение входных каналов энкодера
• Other Input: подключение и чтение из аппаратных источников, требующих специализированной поддержки драйверов
• Packet Input: чтение неформатированных двоичных данных из порта, файла или устройства CAN
• Stream Input: получает форматированные данные по ASCII из порта или файла
• Analog Output: подключение и запись аналоговых выходных каналов
• Digital Output: подключение и запись цифровых выходных линий или каналов
• Frequency Output: генерация и вывод широтно-импульсной прямоугольной волны на выход таймера
• Other Output: подключение и запись в аппаратные приемники, требующие специализированной поддержки драйверов
• Packet Output: запись неформатированных двоичных данных в порт, файл или устройство CAN
• Stream Output: запись форматированных данных ASCII в порт или файл
• Real-Time Sync: синхронизация Simulink с ядром реального времени