具有模拟运行能力的控制装置的制作方法

本发明属于控制器，尤其涉及一种具有模拟运行能力的控制装置。

背景技术：

1、嵌入式系统是一种嵌入到机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常基于控制芯片进行实现，这些控制芯片可以是微控制器(microcontrol unit，mcu)、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、中央处理器(central processing unit，cpu)等。控制芯片中运行具有特定功能的软件。嵌入式系统与其他外部的机械或电气系统组合，便能够实现特定的产品功能。这些外部的机械或电气系统主要有输入输出接口、检测装置和执行装置等。

2、在控制系统软件设计时，研究人员常采用仿真的方式对关键算法和软件进行模拟，以评估控制系统软件的性能。这种仿真常运行在通用型的电脑(如计算机)或专用的仿真设备中(如dspace)。将输入输出接口、检测装置、执行装置等物理装置转换为数学模型，依据数学模型设计相应的软件，便能够实现对这些物理系统的仿真。在该物理系统仿真中，加入前述运行在控制芯片中的具有特定功能的软件，便能够在通用型电脑或专用仿真设备中实现对整个物理系统和控制软件的模拟运行。

3、现有仿真系统是基于通用型电脑或专用仿真设备，采用硬件连线的方式对嵌入式控制装置的软件或嵌入式控制装置整体进行快速验证，此过程需改变控制装置位置并对其连线，测试流程繁琐。

技术实现思路

1、针对相关技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有模拟运行能力的控制装置，将控制软件模块和仿真软件模块置于同一个控制装置中，在该控制装置中实现对控制软件的测试，以简化测试流程。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种具有模拟运行能力的控制装置，控制装置与执行装置和检测装置连接，控制装置用以接收外部指令值并输出控制量至执行装置，执行装置根据控制量进行动作，检测装置检测执行装置的实际物理值并反馈给控制装置，控制装置包括：

4、模式控制模块，模式控制模块用以根据外部指令值判断控制装置的运行模式并根据其所判断出的运行模式输出选通信号，模式控制模块用以根据外部指令值或实际物理值输出给定环境物理值；

5、数据选通模块，数据选通模块用以接收外部指令值和实际物理值，数据选通模块与模式控制模块连接以接收选通信号，数据选通模块用以根据选通信号输出选通值；

6、控制软件模块，控制软件模块与数据选通模块连接以接收选通值，控制软件模块用以根据选通值生成控制量，根据控制量得到控制量时间片数据，并输出控制量和控制量时间片数据；

7、仿真软件模块，仿真软件模块与模式控制模块连接以接收给定环境物理值，仿真软件模块与控制软件模块连接以接收控制量时间片数据，仿真软件模块用以根据给定环境物理值和控制量时间片数据输出仿真物理值；

8、偏差计算模块，偏差计算模块与仿真软件模块连接以接收仿真物理值，偏差计算模块与模式控制模块连接，偏差计算模块用以根据实际物理值和仿真物理值输出偏差值至模式控制模块。

9、在其中一些实施例中，模式控制模块用以输出强制指令值至数据选通模块，模式控制模块用以输出给定期望物理值至偏差计算模块，模式控制模块输出的选通信号包括指令值选通信号和物理值选通信号。

10、在其中一些实施例中，数据选通模块与仿真软件模块连接以接收仿真物理值，数据选通模块输出的选通值包括指令值和物理值。

11、在其中一些实施例中，数据选通模块包括第一数据选择器和第二数据选择器，第一数据选择器和第二数据选择器为2选1数据选择器；

12、第一数据选择器的第一输入端接收实际物理值，第一数据选择器的第二输入端接收仿真物理值，第一数据选择器的控制端接收物理值选通信号，第一数据选择器的输出端输出物理值；

13、第二数据选择器的第一输入端接收外部指令值，第二数据选择器的第二输入端接收强制指令值，第二数据选择器的控制端接收指令值选通信号，第二数据选择器的输出端输出指令值。

14、在其中一些实施例中，控制装置的运行模式包括常规运行模式、仿真校准模式、模拟运行模式和自检运行模式。

15、在其中一些实施例中，控制装置的运行模式为常规运行模式，外部指令值和实际物理值选通输出至控制软件模块；控制装置的运行模式为仿真校准模式，强制指令值和实际物理值选通输出至控制软件模块；控制装置的运行模式为模拟运行模式，外部指令值和仿真物理值选通输出至控制软件模块；控制装置的运行模式为自检运行模式，强制指令值和仿真物理值选通输出至控制软件模块。

16、在其中一些实施例中，控制装置的运行模式为常规运行模式或仿真校准模式或模拟运行模式，模式控制模块置给定期望物理值为0，偏差计算模块输出的偏差值的计算方式为：

17、

18、控制装置的运行模式为自检运行模式，控制装置不连接执行装置和检测装置，偏差计算模块输出的偏差值的计算方式为：

19、

20、其中，d为偏差值，lpf为低通滤波器，ak为第k个物理值的加权系数，yk为第k个物理值。

21、在其中一些实施例中，控制软件模块的执行周期为t，控制软件模块计算控制量在t+(1/n)t，t+(2/n)t，…，t+(n/n)t时的瞬时值形成控制量时间片数据，以使仿真软件模块根据控制量时间片数据实现以t/n为步长的仿真；

22、其中，n为正整数。

23、在其中一些实施例中，仿真软件模块通过分析实际物理系统得到状态更新方程f和输出方程g；仿真软件模块运行状态更新方程f得到仿真软件模块内部下一时刻的状态变量xnext，xnext＝f(x,u)；仿真软件模块以t/n为步长，运行n次状态更新方程f，得到t+t时刻的状态量xt+t；仿真软件模块运行输出方程g得到仿真物理值y，y＝g(xt+t,u)；

24、其中，u为输入向量，u包括控制量时间片数据和给定环境物理值，x为仿真软件模块内部状态变量，nnext为仿真软件模块内部下一时刻的状态变量，y为仿真物理值。

25、在其中一些实施例中，控制装置的运行模式为常规运行模式或模拟运行模式，模式控制模块赋值全局变量t0为当前周期的时间值，以供仿真校准模式或自检运行模式作为时间初值使用。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、1、本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置包括控制软件模块和仿真软件模块，仿真软件模块在控制装置中运行，控制装置产品的功能得到扩充，使其包括完整的仿真功能，在该控制装置中即可实现对控制软件模块的测试，测试流程简便。

28、2、本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置还包括模式控制模块，模式控制模块通过控制控制软件模块和仿真软件模块的数据输入，使控制装置产品具有常规运行模式、仿真校准模式、模拟运行模式和自检运行模式；在常规运行模式下，本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置可以用作常规的控制装置，在模拟运行模式或自检运行模式下，无需借助外部执行装置或检测装置即可实现模拟运行的功能。

29、3、在常规运行模式下，本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置在正常运行时实时计算检测装置的实际物理值和仿真软件模块的仿真物理值间的偏差值，通过该偏差值及时发现外部执行装置或检测装置的故障，提高了系统可靠性；该偏差值也可作为运行摘要值进行存储或输出，对比各控制装置的偏差值可识别出异常偏差值数据，从而及时识别异常产品，降低因产品故障导致的运维成本支出；相比于将实际物理值存储或上传的方式，采用存储或输出该偏差值的方式可大程度降低数据量。

30、4、在模拟运行模式下，本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置所具有的模拟运行能力是通过其内部的仿真软件模块实现的，无需外接仿真装置或设备，从而大程度简化仿真测试流程，使控制装置的仿真测试不受场地、接线等的限制；在控制装置的控制软件模块开发阶段，无需借助外部仿真装置、检测装置或执行装置，可降低控制软件模块的开发成本，提高开发速度。

31、5、在自检运行模式下，本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置可采用其内部的仿真软件模块实现对控制软件模块运行状态的自检，无需将控制装置从产品上拆除或更改接线；在控制软件模块更新后或定期运行自检模式，可及时发现软件里的错误或存储器坏块等问题，提升产品可靠性。

32、6、本发明提供的具有模拟运行能力的控制装置包括控制软件模块和仿真软件模块，控制软件模块和仿真软件模块间的结合是通过时间片细分的方式实现的，使运行于控制装置中的仿真软件模块能够满足控制软件模块的精度需求。