摘 要： 一種基于Linux系統雙內核實時方案——RTAI和以圖形化仿真工具包" title="工具包">工具包Scilab/Scicos為目標設備建立實時測控模型的技術方法。該方法具有很強的描述能力和可擴展性，圖形模塊與實際物理環境具有一致性，并可對各種仿真資源進行統一管理。
　　關鍵詞： RTAI? Scicos? Linux? 建模? 數據采集

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　　Linux作為開放源代碼的操作系統已得到迅猛發展，在各行各業都有廣泛應用，在嵌入式領域中的應用更加普遍。嵌入式系統往往具有實時性和應用多樣性的特點。按照對延時時間的約束要求，一般把實時操作系統分為硬實時和軟實時兩種。測試系統" title="測試系統">測試系統作為一種特殊的工業平臺對其技術要求要高于一般的系統，需要有高時效性和良好的時間確定性以及可靠性、穩定性。因此需要對以穩定著稱的Linux進行實時化" title="實時化">實時化擴展，使其具有硬實時能力，滿足實時應用的需求。
1 Linux實時化擴展及Scicos軟件包" title="軟件包">軟件包
1.1 Linux系統的實時化實現
　　Linux系統的實時化實現的幾種主要方法：(1)兼容Linux內核方法：如LynuxOS系統。(2)雙內核方法：如RtLinux和RTAI。(3)為標準內核打實時補丁方法：KURT、TimeSys Linux、RED-Linux等。以上幾種方法和實現的比較，詳見參考文獻[1]。
1.2 RTAI框架
　　RTAI(Real-Time Application Interface)可為應用程序提供一套實時的系統調用接口，它是一個具備了操作系統核心功能的實時系統內核。RTAI接管了系統的所有硬件資源，RTAI的任務調度器把Linux操作系統當作一個空閑任務，即優先級最低的任務來運行。
　　RTAI中包含了一個RTAI-Lab的工具包。它定義了一個建立仿真、多任務控制、實時控制的框架，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系統中編譯和執行。
1.3 Scilab/Scicos建模工具包
　　Scilab(Scientific Laboratory)是以法國國立信息與自動化研究院(INRIA)的科學家為主共同開發的“開放源碼”式科學計算軟件。Scicos是包含于Scilab中用于動態系統建模" title="系統建模">系統建模和仿真的工具軟件包。
2 系統建模
2.1 方案設計
　　控制系統建模一般需要一個計算機輔助設計控制系統設計軟件(CACSD)和一個運行硬實時操作系統的硬件^[5]。常見的計算機輔助設計控制系統設計軟件有MatlabSimulink/RTW工具軟件包和Scilab/Scicos軟件。它們可以為不同控制目標生成和編譯代碼。Matlab軟件包功能強大，但價格昂貴，會使整個控制系統成本增加很多。
一個比較可行的方案是基于開源的Scilab/Scicos工具包并以Linux RTAI系統為測試系統設計實時控制系統模型，并進行仿真、測試。本實驗針對GS-01A摩擦實驗機進行研究與測試。
2.2 建模環境
　　軟件環境：操作系統為Fedora core 4,Linux內核版本為2.6.16，RTAI版本為3.3，Scilab版本為4.0，Comedilib版本為0.7.22。
　　硬件環境：IBM兼容PC，Intel Pentium 4 CPU 2.60GHz，512MB內存，硬盤容量80GB，轉速7200 r/s； NI公司Pci6024e數據采集卡。待測系統為圖1所示的GS-01A摩擦實驗機。

　　待采集的信號有：
　　(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)氣缸對摩擦盤所施加的壓力A2：擴散硅傳感器。
　　(4)電機轉速信號CTR0：磁電轉速計。
2.3 控制系統建模
　　(1)模型建立：根據實驗方案確定控制模型。利用Scicos中的模塊和RTAI-Lab的模型庫，并根據各個參數之間數學、邏輯的關系建立如圖2所示的模型。各參數關系如下：

　　其中：V(t)為瞬時線速度(m/s)，CTR0(t)為計算機采集到的轉速（r/m），R為摩擦半徑(m)，μ(t)為瞬時摩擦系數，μ_av為平均摩擦系數，F_A1(t)為瞬時拉力值，R_A1為測力臂半徑，P_A2(t)為氣缸對摩擦盤所施加的壓強（N/mm²），剎車面積C_M（mm²）。

　　工作現場存在很多潛在的干擾源，使得采集到的信號被認為是訛誤的信號，使用FFT的最佳（維納）濾波方法對噪聲信號進行濾除。即假設信號S和噪聲N是不相關的，隨頻率f積分時，它們的叉積為零。從而得到最佳濾波函數的Φ(f)計算公式：

　　(2)代碼生成：把建立好的模型封裝到超級模塊superblock中，然后調用RTAICodeGen_.sci文件，生成C語言代碼。
　　(3)可執行程序生成：把生成的C語言代碼與rtmain.c、libsciblk.a文件進行編譯和鏈接，就可生成執行的程序文件，程序文件可以在任何安裝有相同RTAI版本的Linux機器上運行。
3 測試與分析
3.1 實驗測試
　　拖動電機通過傳動皮帶與主軸連接，當電機達到指定速度（如2000r/m）時按下剎車按鈕，離合器把主軸和電機脫離，主軸與摩擦實驗盤靠慣性轉動，下面的氣缸頂著安裝有待測材料的圓盤上升，與實驗盤相接觸，使得實驗盤依靠待測材料表面的摩擦力制動。與此同時給計算機一個高電平信號，由控制模型生成的程序開始運行，數據采集卡開始采樣，記錄整個過程，實時讀取數據，并根據讀到的數據實時計算其他參數，繪制曲線。
　　由于整個實驗過程較短，一般只有3～15秒，參數值變換很大，有一定波動，同時摩擦實驗機在實驗過程中存在一定振動，要詳細、真實反映整個實驗中各個參數的變化趨勢，應該充分利用軟、硬件資源，實現實時數據采集、計算、曲線記錄，還原真實的摩擦過程。
3.2 結果分析
　　在Linux系統中沒有執行其他非實時任務時進行實驗測量。在經過86次實驗測定之后，得出比較有代表性的同一材料的實驗狀況如圖3所示。圖3(a)為理論摩擦系數曲線，圖3(b)為被測材料在Linux RTAI系統下測得的曲線，圖3(c)為沒有開啟RTAI硬實時測得的曲線。
　　由于被測材料的結構、成分上的差異性，實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在時間軸上與力矩的曲線變化一致，就認為是合理的曲線。從三個圖對比來看，圖3(a)為理想摩擦材料在剎車過程中的瞬時摩擦系數曲線，在開始和結束部分存在兩個明顯的峰值，中間部分摩擦系數的變化相對比較平滑；圖3(b)曲線能準確反映摩擦系數的變化趨勢，實時性好，曲線平滑，峰值點較明顯，但在采樣開始部分丟失一部分數據，導致曲線數據不完整。這一問題由于系統啟動方式——采樣手動剎車按鈕信號使系統采樣存在一定延時，丟失部分數據。圖3(c)的圖形失真嚴重，主要因為摩擦系數是由其他參數計算而來，采樣來的數據實時性不好，致使波形抖動，造成曲線反映不出參數變化，不能滿足測試系統使用要求。

　　(1)在Linux RTAI系統下使用Scilab/Scicos工具包搭建了一個低成本、高效、開放源代碼的控制模型。所有的設計任務，包括系統分析、控制器設計、仿真、代碼執行都在一個統一的工作環境下完成，保證了設計工作的連貫性。
　　(2)通過實驗驗證了系統的有效性和良好的應用效果。結果表明，Scilab/Scicos和Linux RTAI是一個非常理想的實時平臺搭建方案。其開源特性使得科研設計及應用具有更大的靈活性，對于嵌入式系統的研發、應用有很重要的現實意義。
　　(3)本實驗方案還存在信號受工作臺中的振動影響等問題，有待于進一步解決。
參考文獻
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