摘 要：一种基于Linux系统双内核实时方案——RTAI和以图形化仿真工具包" title="工具包">工具包Scilab/Scicos为目标设备建立实时测控模型的技术方法。该方法具有很强的描述能力和可扩展性，图形模块与实际物理环境具有一致性，并可对各种仿真资源进行统一管理。
关键词：RTAI Scicos Linux 建模 数据采集

　　Linux作为开放源代码的操作系统已得到迅猛发展，在各行各业都有广泛应用，在嵌入式领域中的应用更加普遍。嵌入式系统往往具有实时性和应用多样性的特点。按照对延时时间的约束要求，一般把实时操作系统分为硬实时和软实时两种。测试系统" title="测试系统">测试系统作为一种特殊的工业平台对其技术要求要高于一般的系统，需要有高时效性和良好的时间确定性以及可靠性、稳定性。因此需要对以稳定著称的Linux进行实时化" title="实时化">实时化扩展，使其具有硬实时能力，满足实时应用的需求。
1 Linux实时化扩展及Scicos软件包" title="软件包">软件包
1.1 Linux系统的实时化实现
　　Linux系统的实时化实现的几种主要方法：(1)兼容Linux内核方法：如LynuxOS系统。(2)双内核方法：如RtLinux和RTAI。(3)为标准内核打实时补丁方法：KURT、TimeSys Linux、RED-Linux等。以上几种方法和实现的比较，详见参考文献[1]。
1.2 RTAI框架
　　RTAI(Real-Time Application Interface)可为应用程序提供一套实时的系统调用接口，它是一个具备了操作系统核心功能的实时系统内核。RTAI接管了系统的所有硬件资源，RTAI的任务调度器把Linux操作系统当作一个空闲任务，即优先级最低的任务来运行。
　　RTAI中包含了一个RTAI-Lab的工具包。它定义了一个建立仿真、多任务控制、实时控制的框架，集成到建模仿真软件中（如Matlab、Scilab）。其生成控制模型可以在Linux RTAI系统中编译和执行。
1.3 Scilab/Scicos建模工具包
　　Scilab(Scientific Laboratory)是以法国国立信息与自动化研究院(INRIA)的科学家为主共同开发的“开放源码”式科学计算软件。Scicos是包含于Scilab中用于动态系统建模" title="系统建模">系统建模和仿真的工具软件包。
2 系统建模
2.1 方案设计
　　控制系统建模一般需要一个计算机辅助设计控制系统设计软件(CACSD)和一个运行硬实时操作系统的硬件^[5]。常见的计算机辅助设计控制系统设计软件有MatlabSimulink/RTW工具软件包和Scilab/Scicos软件。它们可以为不同控制目标生成和编译代码。Matlab软件包功能强大，但价格昂贵，会使整个控制系统成本增加很多。
一个比较可行的方案是基于开源的Scilab/Scicos工具包并以Linux RTAI系统为测试系统设计实时控制系统模型，并进行仿真、测试。本实验针对GS-01A摩擦实验机进行研究与测试。
2.2 建模环境
　　软件环境：操作系统为Fedora core 4,Linux内核版本为2.6.16，RTAI版本为3.3，Scilab版本为4.0，Comedilib版本为0.7.22。
　　硬件环境：IBM兼容PC，Intel Pentium 4 CPU 2.60GHz，512MB内存，硬盘容量80GB，转速7200 r/s； NI公司Pci6024e数据采集卡。待测系统为图1所示的GS-01A摩擦实验机。

　　待采集的信号有：
　　(1)摩擦盘的温度A0：热电偶传感器。
　　(2)摩擦盘所受的拉力A1：压电传感器。
　　(3)气缸对摩擦盘所施加的压力A2：扩散硅传感器。
　　(4)电机转速信号CTR0：磁电转速计。
2.3 控制系统建模
　　(1)模型建立：根据实验方案确定控制模型。利用Scicos中的模块和RTAI-Lab的模型库，并根据各个参数之间数学、逻辑的关系建立如图2所示的模型。各参数关系如下：

　　其中：V(t)为瞬时线速度(m/s)，CTR0(t)为计算机采集到的转速（r/m），R为摩擦半径(m)，μ(t)为瞬时摩擦系数，μ_av为平均摩擦系数，F_A1(t)为瞬时拉力值，R_A1为测力臂半径，P_A2(t)为气缸对摩擦盘所施加的压强（N/mm²），刹车面积C_M（mm²）。

工作现场存在很多潜在的干扰源，使得采集到的信号被认为是讹误的信号，使用FFT的最佳（维纳）滤波方法对噪声信号进行滤除。即假设信号S和噪声N是不相关的，随频率f积分时，它们的叉积为零。从而得到最佳滤波函数的Φ(f)计算公式：

　　(2)代码生成：把建立好的模型封装到超级模块superblock中，然后调用RTAICodeGen_.sci文件，生成C语言代码。
　　(3)可执行程序生成：把生成的C语言代码与rtmain.c、libsciblk.a文件进行编译和链接，就可生成执行的程序文件，程序文件可以在任何安装有相同RTAI版本的Linux机器上运行。
3 测试与分析
3.1 实验测试
　　拖动电机通过传动皮带与主轴连接，当电机达到指定速度（如2000r/m）时按下刹车按钮，离合器把主轴和电机脱离，主轴与摩擦实验盘靠惯性转动，下面的气缸顶着安装有待测材料的圆盘上升，与实验盘相接触，使得实验盘依靠待测材料表面的摩擦力制动。与此同时给计算机一个高电平信号，由控制模型生成的程序开始运行，数据采集卡开始采样，记录整个过程，实时读取数据，并根据读到的数据实时计算其他参数，绘制曲线。
　　由于整个实验过程较短，一般只有3～15秒，参数值变换很大，有一定波动，同时摩擦实验机在实验过程中存在一定振动，要详细、真实反映整个实验中各个参数的变化趋势，应该充分利用软、硬件资源，实现实时数据采集、计算、曲线记录，还原真实的摩擦过程。
3.2 结果分析
　　在Linux系统中没有执行其他非实时任务时进行实验测量。在经过86次实验测定之后，得出比较有代表性的同一材料的实验状况如图3所示。图3(a)为理论摩擦系数曲线，图3(b)为被测材料在Linux RTAI系统下测得的曲线，图3(c)为没有开启RTAI硬实时测得的曲线。
　　由于被测材料的结构、成分上的差异性，实际测得的曲线与理想状况存在一定偏差，但只要测得的曲线能反映变化趋势，并且波峰与波谷的出现在时间轴上与力矩的曲线变化一致，就认为是合理的曲线。从三个图对比来看，图3(a)为理想摩擦材料在刹车过程中的瞬时摩擦系数曲线，在开始和结束部分存在两个明显的峰值，中间部分摩擦系数的变化相对比较平滑；图3(b)曲线能准确反映摩擦系数的变化趋势，实时性好，曲线平滑，峰值点较明显，但在采样开始部分丢失一部分数据，导致曲线数据不完整。这一问题由于系统启动方式——采样手动刹车按钮信号使系统采样存在一定延时，丢失部分数据。图3(c)的图形失真严重，主要因为摩擦系数是由其他参数计算而来，采样来的数据实时性不好，致使波形抖动，造成曲线反映不出参数变化，不能满足测试系统使用要求。

　　(1)在Linux RTAI系统下使用Scilab/Scicos工具包搭建了一个低成本、高效、开放源代码的控制模型。所有的设计任务，包括系统分析、控制器设计、仿真、代码执行都在一个统一的工作环境下完成，保证了设计工作的连贯性。
　　(2)通过实验验证了系统的有效性和良好的应用效果。结果表明，Scilab/Scicos和Linux RTAI是一个非常理想的实时平台搭建方案。其开源特性使得科研设计及应用具有更大的灵活性，对于嵌入式系统的研发、应用有很重要的现实意义。
　　(3)本实验方案还存在信号受工作台中的振动影响等问题，有待于进一步解决。
参考文献
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