近年來,，基于Internet的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已成為國內(nèi)外測控領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),，在石油勘探開發(fā)、鋼鐵化工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,。而控制器的設(shè)計(jì)和研發(fā)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心,。在一些地域高度分散以及環(huán)境惡劣的控制現(xiàn)場，使用嵌入式系統(tǒng)作為控制器節(jié)點(diǎn),，可更有利于多點(diǎn)分布式綜合布控及并行處理,，實(shí)現(xiàn)更好的測控效果。然而由于網(wǎng)絡(luò)傳輸本身的特點(diǎn),，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延會(huì)不可避免地影響網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性,，因此本文提出基于S3C2440A及嵌入式Linux的GPC(Generalized PredictiveControl)控制器的設(shè)計(jì)方案，具有一定的通用性,。
1 控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
控制器節(jié)點(diǎn)是嵌入式網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的中心,。在測控系統(tǒng)中,，主控制器承擔(dān)著控制算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集兩大任務(wù)，這要求控制器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)有更強(qiáng)的計(jì)算能力,，以及更好的網(wǎng)絡(luò)性能,。本文中控制器的硬件平臺(tái)采用三星公司的S3C2440，外圍設(shè)備主要有RAM,、Flash等,。控制器的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
(1)S3C2440處理器簡介
本系統(tǒng)采用三星公司的16／32位RISC微處理器S3C2440AL作為控制器核心,。S3C2440AL的一大特點(diǎn)是其核心處理器(CPU)采用16／32位ARM920T的RISC微處理器,。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU,、AMBA BUS和Har-vard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)資源和外圍接口豐富,，包括電源管理器,、外部存儲(chǔ)器控制器、4通道DMA,、3通道UART,、8路10位ADC和GPIO等。
(2)外圍電路簡介
控制器外圍電路主要由存儲(chǔ)器電路模塊,、通信模塊以及JTAG調(diào)試電路等構(gòu)成,。其中存儲(chǔ)器電路模塊采用2片HY57V561620FTP芯片作為外擴(kuò)SDRAM；采用1片SST39VF1601(2 MB)芯片作為NOR Flash,，用于存放bootloader程序,；采用1片K9F1208芯片(64 MB)作為NAND Flash，用于存放操作系統(tǒng)以及文件系統(tǒng),。在通信模塊中采用DM9000網(wǎng)卡芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911103A,，以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)；同時(shí)設(shè)計(jì)了USBhost接口電路,，為下一步實(shí)現(xiàn)WLAN通信提供接口,。A／D和D／A接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的發(fā)出。
2 控制器軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)
2．1 軟件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)
控制器節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示,。其中最底層為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，主要進(jìn)行處理器初始化和驅(qū)動(dòng)各外設(shè)電路模塊；第2層為嵌入式Linux操作系統(tǒng),，主要管理系統(tǒng)的軟硬件資源,、上層應(yīng)用，以及操作底層驅(qū)動(dòng)接口,；第3層為Web服務(wù)器,，以實(shí)現(xiàn)控制器的：Browser／Server訪問控制,；第4層為應(yīng)用程序，主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,、GPC控制算法和時(shí)鐘同步應(yīng)用程序,。
2．2 bootloader的配置和編譯
首先在宿主機(jī)的Linux下建立arm-linux-gcc-2．95．3交叉編譯環(huán)境，將vivi．tgz解壓縮到Linux的相應(yīng)目錄下,，進(jìn)入vivi目錄,，執(zhí)行make menuconfig命令進(jìn)入vivi配置界面，對(duì)vivi的參數(shù)進(jìn)行配置,。完成配置之后,，進(jìn)行編譯，此時(shí)已經(jīng)在當(dāng)前目錄下生成了vivi,?？墒褂肏-JTAG將vivi燒寫到NAND Flash運(yùn)行。
2．3 Linux的移植
(1)編譯Linux內(nèi)核
首先在宿主機(jī)的Linux下建立arm-linux-gcc-3．4．1交叉編譯環(huán)境,，然后將Liunx-2．6．13．tgz解壓縮到Linux的某一目錄下,，執(zhí)行make menuconfig命令進(jìn)入內(nèi)核配置界面，定制Linux內(nèi)核,，包括配置CPU選項(xiàng),、網(wǎng)卡聲卡驅(qū)動(dòng)、串口,、對(duì)yaffs文件系統(tǒng)的支持等選項(xiàng),。完成定制之后，保存設(shè)置退出,。然后對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯,，即可生成內(nèi)核映像文件zImage。
(2)制作yaffs文件系統(tǒng)
制作yaffs文件系統(tǒng)映像需要使用mkyaffsimage工具程序,。首先將其解壓縮到／usr／sbin目錄下,，然后將文件系統(tǒng)解壓縮到Linux某一目錄下，此時(shí)用戶可以將自己編寫的應(yīng)用程序或其他文件添加到文件系統(tǒng)中,。添加完畢后使用mkyaffsimage命令即可得到root．img鏡像文件,。最后可使用H-JTAG將生成的映像文件燒寫到NAND Flash運(yùn)行。
2．4 Boa服務(wù)器的移植和構(gòu)建
在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中,，每個(gè)測控節(jié)點(diǎn)都需要使用Web瀏覽器進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互,。Web服務(wù)器作為一個(gè)數(shù)據(jù)載體，可以將本地的信息和數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)端發(fā)出請(qǐng)求的客戶,，這對(duì)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)有重要意義,。因此Web Server的移植成為一項(xiàng)必不可少的工作。Boa的優(yōu)點(diǎn)在于其源代碼開放,、性能好和可靠性高,。本文中Web Server的構(gòu)建也是基于Boa展開的,。
首先在官方網(wǎng)站上下載Boa的源碼boa-0．94．13．tar．gz，解壓縮到Linxu宿主機(jī)的某一目錄下,，然后進(jìn)入src目錄,，執(zhí)行．／congfig命令，生成Makefile．in文件,。由于生成的Makefile文件是針對(duì)X86平臺(tái)的,，為了生成能夠在ARM上運(yùn)行的Boa，需要修改Makefile文件,。找到CC=gcc,，CPP=gcc-E這兩行，并修改為CC=arm-linux-gcc,，CPP=arm-linux-gcc-E,；然后使用make命令進(jìn)行編譯，編譯成功后會(huì)在src目錄下生成1個(gè)可運(yùn)行在ARM平臺(tái)下的Boa可執(zhí)行文件,，然后將編譯好的Boa程序放入,，／sbin目錄下。
在目標(biāo)板上運(yùn)行Boa之前,，還需要對(duì)boa．conf文件進(jìn)行配置。boa．conf文件主要包含的boa基本參數(shù)：Port,，boa服務(wù)器監(jiān)聽的端口,；User，連接到服務(wù)器的客戶端的身份,；DocumentRoot,，HTML文件的根目錄。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行設(shè)置,，設(shè)置完畢后進(jìn)入sbin目錄,，直接運(yùn)行Boa就可以直接啟動(dòng)Web服務(wù)器。
3 GPC算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
廣義預(yù)測控制算法是Clarke等人于1987年提出的,。該算法在保留了DMC,、MAC等算法中多步預(yù)測優(yōu)化策略的基礎(chǔ)上，同時(shí)借鑒了最小方差自校正控制中的模型預(yù)測,、最小方差控制,、在線辨識(shí)的思想。因此對(duì)模型精度要求低,，對(duì)變時(shí)滯的對(duì)象具有較強(qiáng)的魯棒性,，近年來得到了廣泛的應(yīng)用和重視。本文采用GPC算法解決時(shí)延問題,。
3．1 GPC算法
在GPC中,，采用最小方差控制中使用的受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型(CARIMA)來描述被控對(duì)像,，即
式中z-1是后移算子，表示后退1個(gè)采樣周期的相應(yīng)量,；A(z-1),，B(z-1)，C(z-1)為后移算子z-1的多項(xiàng)式,。y(k)為系統(tǒng)輸出,，u(k)為控制輸出。ξ(t)是均值為0,、方差為0的白噪聲序列,，表示一類隨機(jī)噪聲的影響?！鳛椴罘炙阕?，且△=1-z-1。一般,，令C(z-1)=1,。為了便于研究，在不影響系統(tǒng)算法研究的前提下,，令系統(tǒng)為SISO系統(tǒng),。GPC算法的目標(biāo)函數(shù)中引入了控制增量加權(quán)參數(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性,。其目標(biāo)函數(shù)為
其中,，E為數(shù)學(xué)期望；ω(k十i)為輸人參考軌跡,，N1,、N2分別為優(yōu)化時(shí)域的初始值和終值，NU為控制時(shí)域,，λ(j)為大于零的控制增量加權(quán)系數(shù),。廣義預(yù)測控制算法問題最終歸結(jié)為：通過遞推求解Diophanfine方程，求出最優(yōu)控制增量△U,，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值,。
3．2 MatIab仿真及生成目標(biāo)代碼
RTW是Matlab提供的代碼自動(dòng)生成工具，可使Simulink模型自動(dòng)生成面向不同目標(biāo)的代碼,。目前通過Matlab／RTW可生成在PC,、ARM等設(shè)備上運(yùn)行的代碼，以及在Windows,、Linux等系統(tǒng)上運(yùn)行的可執(zhí)行文件,。利用RTW自動(dòng)生成代碼，可使工程師專注于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，減輕編程工作量,，加快產(chǎn)品研發(fā)的速度,。GPC算法的仿真和調(diào)試是在Matlab7．0環(huán)境下，利用MPC工具箱,，編制了相應(yīng)程序而實(shí)現(xiàn),。由于Matlab中，m語言無法直接移植到嵌入式控制器中,，因此先要用simulink構(gòu)建系統(tǒng)模型,，然后再用Real-Time Workshop自動(dòng)生成面向ARM平臺(tái)的C代碼。
利用RTW自動(dòng)生成代碼的實(shí)驗(yàn)步驟如下：
?、儆肕atlab的m語言編寫GPC算法程序,，仿真通過后，封裝成Simulink仿真框圖,，并建立GPC控制系統(tǒng)模型Model．mdl,。
②在Simulink窗口中,，選擇Simulink|Configuration Parameters選項(xiàng),，對(duì)solvet option、Data Import／Export等進(jìn)行設(shè)置,。
?、圻x中Generate code only復(fù)選框，單擊build,，代碼自動(dòng)生成,。
④整合底層驅(qū)動(dòng)函數(shù),、用戶定義的函數(shù)以及自動(dòng)生成的GPC程序，編譯生成目標(biāo)文件,。
從圖3可以看出,，在伴有隨機(jī)擾動(dòng)的二價(jià)系統(tǒng)中，基于GPC算法的控制器的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都比較小,，且上升時(shí)間快,，表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。這和GPC算法多步預(yù)測,、滾動(dòng)優(yōu)化的特點(diǎn)是分不開的,。
結(jié) 語
本文成功構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化控制器節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺(tái)，并通過Matlab／RTW半實(shí)物仿真的方法,，實(shí)現(xiàn)了GPC算法的快速移植,，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲進(jìn)行了補(bǔ)償。該測控平臺(tái)應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,，適用于基于Ethernet的嵌入式Web控制器,，滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制需求,，具有一定的應(yīng)用前景。
來源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)