摘要：随着科技的不断进步，工程机械的发展越来越迅速。工程机械控制器是工程机械的重要核心部件之一，对工程机械控制器的性能要求越来越高，而物理仿真技术是验证控制系统方案正确性和可行性的一个有力工具。基于此，本文探讨了物理仿真系统在机械工程控制器中的应用。
关键词：物理仿真系统；工程机械；控制器
物理仿真在工程机械控制器中的应用对工程机械行业有一定的理论与工程实践的价值，通过建立物理仿真体系，为工程机械控制器的功能测试提供了有效的试验平台，缩短了控制系统的开发周期，提高了工程机械控制系统的设计水平，节省了人力、物力及研发费用，在工程机械控制器的开发中可发挥一定的积极作用。
一、物理仿真系统概述
物理仿真也称实体仿真，一般仿真的过程是以物理性质和几何形状相似为基础，其他性质不变的仿真。物理仿真系统是真实系统的几何相似物或物理类比物。几何相似是指同一个物理过程（如机械运动过程或电的动态过程等）的不同尺寸系统之间的相似关系。物理类比是指两种不同的物理过程（例如机械运动和电的动态过程等）具有相同的数学描述，它们可以互为仿真实验模型。
二、工程机械控制器物理仿真体系
构建工程机械控制器物理仿真体系，是为了能对工程机械控制器的各项性能进一步验证。所构建的工程机械控制器物理仿真体系是一个闭环系统，它将工程机械控制器的实物引进系统，将在PC机中建立工程机械被控对象的数学模型，为了能真实模拟现实生活中的信号情况，设计了信号转换器，用于实现真实物理信号与虚拟物理信号的转换。
1、工程机械控制器物理仿真系统的组成与功能。工程机械控制器物理仿真系统的实际组成与具体研究对象和研究目标等因素有很大关系，因而在组成的细节上略有差异。针对所研究的对象而言，工程机械控制器物理仿真系统一般由以下三部分组成：
1）工程机械被控对象的仿真设备：如目标模拟器、仿真计算机等。
2）参试设备：工程机械控制器实物。
3）各种接口设备：信号转换器，能实现真实物理信号与虚拟物理信号间的转换。
2、工程机械控制器物理仿真体系设计。为了进一步验证控制器的各项性能，构建了一个物理仿真的闭环系统。如图1所示，在PC中构建被控对象的数学模型，通过数据采集与数据输出硬件设备（A/D转换器、D/A转换器）、通信扩展设备等与控制器的硬件进行接口，形成接近工程实际、易于验证的闭环物理环境。需注意的是：实际中的信号（如模拟信号、数字信号、脉冲信号等），在试验中是通过信号转换器得到的。
图1 工程机械控制器半物理仿真系统
具体而言，物理仿真是将系统的部分实物引入仿真回路，尽可能地真实模拟现场的情况。在设计中，由硬件实物（工程机械控制器）发出控制信号，经过信号转换器的信号转换后，通过USB传送给PC机，在软件环境下调用PC机中被控对象数学模型的DLL，返回状态信号，此状态信号通过USB传送到信号转换器，经信号转换器的信号转换后，再传送给硬件实物（控制器），然后在控制器中完成控制算法后，再将处理后的信号经过信号转换器的信号转换后，通过USB传给PC机端被控对象的数学模型，这样反复的操作就形成了一个闭环的物理仿真体系。而在实际生活中，不单只有一种数字信号，还有可能是模拟量、脉冲信号、数字量等，而这些量PC机是不可能输出的，本设计中就是通过信号转换器来完成这些信号的实现；同样，工程机械控制器输出的控制信号也是通过信号转换器中的转换通过USB2.0接口传送给PC机的。
三、工程机械控制器半物理仿真软件环境的设计
工程机械控制器半物理仿真环境中被控对象的数学模型可用VB、VC++、VC#等软件平台来开发。将被控对象的数学模型创建成.dll文件能节省开发时间，提高数学模型的使用率，工程机械控制器半物理仿真环境中被控对象的数学模型采用面向对象程序设计方法。在.NET框架下使用VC#软件创建具有Windows风格的人机交互式图形仿真界面。创建的仿真平台能用被控对象的数学模型模拟所需实物部件并能实现软硬件交互的功能，即达到了仿真的目的。实现在VC#软件环境下.dll的调用、语音控制、参数设定、操作提示、仿真设置、数据显示等功能。其中参数设定为工程机械控制器系统相关控制参数、数学模型DLL入口参数、状态参数的一个模块；仿真菜单项设置有“定时周期”、“定时器选择”两个子项。为使仿真效果达到要求，必须使定时器的精度达到要求；操作提示是针对硬件设备与半物理仿真环境进行通讯的一个模块，它有将接收到的数据发送至工程机械控制器系统的数学模型，将数学模型DLL的运算结果传输给USB，并同时在数据显示区进行显示等功能。
四、被控对象数学模型的调用
1、开发语言。设计人员可根据自己所学的计算机语言来建立数学模型，例如Fortran、C#、C++、C语言等。机械工程控制器系统中的数学模型将采用C#与Fortran语言相配合来建立。
C#在带来对应用程序的快速开发能力的同时，并没有牺牲C与C++程序员所关心的各种特性，它继承了C和C++的优点。同时它具有简洁的语法，精心地面向对象设计方式，完整的安全性与错误处理能力，具有灵活性和兼容性等特点。
使用C#和Fortran混合语言编程，可用Fortran编写所有的计算工作，利用C#实现友好的用户界面。但在程序编码过程中，必须以C#编译，用C#编的主程序来调用Fortran程序。混合编程的关键就是将Fortran计算程序编译成动态链接库，而后在C#下成功调用此动态链接库。
2、动态连接库DLL
1）DLL的概述。动态链接库（DLL）是Dynamic Link Library的缩写形式，是作为共享函数库的可执行文件，是随Windows系统出现的新机制。动态链接提供了一种方法，使进程可调用不属于其可执行代码的函数。DLL是一些编译过的可执行代码模块，后缀为.DLL。DLL的用途广泛，是Windows程序设计中的一个重要组成部分，它有着以下优点：
①使用DLL能节省系统资源。
②DLL作为一种基于Windows的程序模块，不但包含可执行代码，还包括数据和各种资源，扩充了库文件的使用范围。
③DLL适用于开发大型软件系统。
④DLL支持世界各国的语言。
⑤DLL为系统升级带来方便。一些功能模块做成DLL，若系统需升级，只要将特定模块的DLL升级即可，无需将整个系统进行重新编译和链接。
3、动态链接库的使用方法。用不同语言编写的DLL调用格式不同，通用的有隐式链接和静态加载两种方法。隐式链接会把DLL中所有标志为_declspec（dllexport）的函数都加载，若有多个DLL加载时，可能会影响到程序执行的效率，这种加载方法简单，但有缺陷。而用动态加载DLL的方式则可根据需要去加载用到的函数。前者确定于编译链接阶段，后者决定与运行阶段。在一种语言环境中调用DLL，必须遵守函数名一致、参数名一致、参数类型匹配、函数类型匹配及参数传递等规则。
五、结语
机械工程控制器物理仿真系统是采用实时性要求高的仿真计算机、运动模拟器、目标模拟器、控制台来代替系统部件或实际被控对象，而控制系统则采用实际物体（工程机械控制器）连接成为一个物理仿真系统。将物理仿真系统引入工程机械控制器的研制过程，不但能缩短产品的开发周期，降低开发成本，还能使产品研发具有良好的可控性、重复性及安全性。
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论文作者:马玲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/16
标签：工程机械论文; 控制器论文; 物理论文; 信号论文; 系统论文; 数学模型论文; 转换器论文; 《基层建设》2019年第18期论文;