Speedgoat基于AMESim-Simulink的实时仿真解决方案

 基于AMESim的实时仿真

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)是一个应用广泛的多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可以在这个平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，例如燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统等，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。

航空航天、汽车等领域的一些客户已经搭建了各自系统的AMESim模型，并希望基于该模型进行实时仿真测试，尤其是针对HIL（hardware-in-the-loop，硬件在环）测试。在这方面，AMESim为Speedgoat实时仿真目标机提供了实时仿真的接口，能够让客户方便地利用已有的AMESim模型开展实时仿真。

具体的方式是，AMESim向Simulink导出AMESim模型对应的S-function，同时生成供实时仿真调用的文件；Simulink集成该S-function并调用MATLAB Coder、Simulink Coder和Visual Studio将完整模型编译下载到Speedgoat实时仿真目标机。下文以HIL为例，着重描述整个实时仿真的操作流程。

  用户案例

在这方面，知名的德国农业设备制造商AGCO已有使用先例。AGCO在开发Fendt Vario系列拖拉机的过程中，以Speedgoat实时目标机为基础，搭建了HIL测试平台，其拖拉机模型就是由MATLAB和AMESim共同搭建的。

AGCO工程师Jürgen Weinbuch评价道， "Simulink Real-Time and Speedgoat hardware are expressly designed to work together, enabling us to use latest MathWorks software with state-of-the-art Speedgoat hardware, seamlessly integrated and fully tested."

关于该用户案例的更详细说明，可以前往https://www.speedgoat.com/user-stories/speedgoat-user-stories/agco-fendt。

软硬件环境的准备

硬件在环仿真需要准备的硬件主要包括一个真实的控制器、一个实时仿真平台（用以运行AMESim导出的S-function模型）和一个电脑（用于与目标机交互，修改参数和查看信号等）。

本示例采用了Baseline实时目标机，该目标机的主要参数如下：

如果用户的AMESim模型非常复杂，也可以采用性能更强的Performance实时目标机（CPU为Intel Core i7 4.2 GHz 4cores）。

软件方面，基于AMESim的实时仿真对AMESim、MATLAB和VisualStudio的版本匹配有严格的要求，建议的安装顺序是Visual Studio→MATLAB→AMESim。本示例采用AMESim16，与之适用的MATLAB版本是MATLAB R2017a，Visual Studio版本是Visual Studio 2012。

对于MATLAB，需要具备如下几个工具箱：

l                      MATLAB

l                      MATLAB Coder

l                      Simulink

l                      Simulink Coder

l                      Simulink Real-Time

软件安装完毕后，得将AMESim和MATLAB的编译器都选择为Visual Studio 2012。除此之外，还得将AMESim安装路径下的lib、interface和scripting文件夹及其子文件夹添加到MATLAB的搜索路径。

  实时仿真操作流程

 1.  AMESim建模

基于AMESim的实时仿真的第一步便是在AMESim中建立被控系统的模型。出于方便读者理解的目的，本示例直接采用了AMESim自带的一个液压demo模型——Pressure Regulator，如下图，模块数量较少，模型层次清晰。

 2.  生成Simulink接口

以上demo模型包括被控对象和控制算法，对于HIL，控制算法应该是由控制器来提供，所以我们需要删除demo模型中原有的控制算法，并添加上Simulink的接口。同时为了查看节流孔之后的流速，在节流孔之后添加一个流速传感器。

添加Simulink接口：在Interface工具栏下选择create interface block，设置相关的输入输出接口。

 3.  生成实时仿真所需文件

第2步骤后，逐一点击Submodel Mode、Parameter Mode和Simulation Mode。接着在Simulation Mode下生成实时仿真所需文件：在Interface工具栏下选择generate files for real-time，并在出现的窗口中选择xPC平台，点击Generate。

 4.  Simulink模型配置

新建一个Simulink模型，做好基本的配置，包括求解器的配置和代码生成的配置。求解器的配置请参见Speedgoat实时仿真系统公众号中《Speedgoat/Simulink Real-Time模型配置说明》一文。

代码生成的配置：

1）       选择slrt.tlc作为目标文件

2）   填写适用于MATLAB R2017a实时仿真的tmf文件名：ame_slrt_vc_2017a.tmf（请提前在AMESim安装路径的lib文件夹下确认是否有该文件）

3）       填写make command，格式为make_rtw AMESIMMODEL=<Amesim model name>

 5.  将AMESim模型导入Simulink

配置完成后，打开Simulink工具箱，将AMESim的接口模块拖入到Simulink模型中。

之后在Simulink中双击该模块，选择4.3步骤生成的mexw64文件，即可把AMESim模型以S-funtion的形式加载到Simulink中。

我们可以发现，新生成的AMESim接口模块的输入输出与4.2中我们对接口的设置是保持一致的。

 6.  添加Speedgoat硬件接口

打开Speedgoat驱动库，将当前使用的Baseline目标机所具备板卡的输入输出接口拖到Simulink模型，并与AMESim接口模块连接起来，如下图。

之后，常规的流程是将Speedgoat Baseline实时目标机与控制器连接起来，即可运行实时仿真了。因为本示例并没有真实的控制器，所以控制信号直接在Simulink中人为给定，Baseline实时目标机并不连接真实的控制器，如下图。

 7.  下载模型并运行

以上所有工作完成后，在Simulink中点击Build按钮，一键将模型编译下载到Baseline实时目标机中，然后运行模型。可以在Simulink Real-Time Explorer或者Simulation Data Inspector中观察观测信号，Flow_Rate的波形如下：

 8.  调参及观测信号

因为AMESim模型已经被转换成了S-function，模型内部参数和信号被隐藏了，所以在实时仿真过程中是无法调节AMESim模型中所有参数的，也观测所有信号。但是对于模型内部一些我们想要调节的参数和观测的信号，可以单独将它们做处理以能在实时仿真中修改或观测。

对于需要调节的参数，只要在AMESim的建模阶段将这些参数设置为Global Parameter即可。如下图，我们将压力调节阀内部弹簧的等效刚度、压力调节阀的开启压力和节流孔的最大开启直径设定为Global Parameter。

对应的，双击Simulink中的AMESim接口模块，点击Model Parameter按钮，即可查看到这些Global Parameter。

在实时仿真的过程中，我们打开MATLAB自带的上位机操作软件Simulink Real-Time Explorer，进入调参页面，点击edit按钮即可修改这些参数。

修改参数的流程：先停止仿真，修改参数，然后再启动仿真，无需重新编译下载模型。

对于需要观测的信号，在AMESim建模过程中添加相应的传感器即可，4.2中添加的流速传感器就是出于这个目的。

我们将压力调节阀内部弹簧的等效刚度修改为不同的值，可以观测到对应的Flow Rate的变化。