RTLab实时仿真器.docx

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RTLab实时仿真器

基于RT-LAB技术的电力系统与电力电子实时仿真

RT-LAB是专业的电力电子实时仿真平台（专业实时化软件+仿真器硬件），在逆变并网（包括LVRT）、MMC、HVDC、FACTS等研究领域有ABB、艾默生等专业用户，以及大量著名院校。

RT-LAB基于Matlab/Simulink模型的实时仿真工具，硬件基于PC及多核分布式并行运算。

业界唯一支持Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块的实时化技术加上强大的计算能力，RT-LAB让使用者更快更好的建立起电力和电力电子实时模型。

RT-Lab

在电力电子领域，清华、上交大等院校、中科院电工所、南瑞、许继等企业和研究所都在使用RT-LAB做电力电子研究工作。

作为高性能的、开放的实时计算机仿真平台，iHawk即可以利用其自身的强大的调试工具直接开发仿真软件，也可以作为MATLAB等建模工具软件进行实时仿真的目标机来承担关键的核心主机、以及各分系统计算机的仿真任务。

RT-Lab可以让设计者将基于MATLABSimulink?

以及MATRIXXSystemBuild?

等图形化建模工具所搭建的动力学系统和数学模型，在美国并行计算机公司的iHawk多处理器实时仿真平台上运行，从而方便的实现复杂仿真、快速原型，以及硬件在回路中的试验工作。

RT-Lab采用开放的体系结构，可以与Simulink?

以及SystemBuild?

等工具进行无缝连接，通过上位机和多处理器目标机的模式，将上位机用图形化工具建立好的模型拆分并下装到iHawk目标机平台上实时并行运行，并可通过Windows窗口对目标机的整个运行过程进行实时监控。

整个过程即免去了费时的手工代码编程和系统设置工作，又充分利用了目标机上的所有实时特性，生成紧凑而高效的实时运行代码，真正做到了高效自动的一体化运行。

此外，RT-LAB还可以与Labview?

，Altia?

，以及VBVC++等编程语言协同工作。

RT-LAB的一个突出特点是可以把复杂的模型划分成多个可以并行执行的子任务，再把这些子任务分配到网络中的多个目标机节点上，或者分配到一台SMP对称多处理目标机系统的多个处理器上，从而构成一个可伸缩的分布式并行实时仿真系统。

经过多年的研究，RT-LAB可以确保将一个复杂模型拆分成多个子任务后进行的并行仿真，不会引起该模型特征的改变，导致实时故障，造成死锁。

此外，RT-LAB还支持种类非常广泛的商用货架I/O产品，其I/O功能均可在Simulink框图环境中设置和调用，无需自己开发Simulink接口。

作为成熟的实时运行框架软件，RT-Lab提供了非常友好的用户界面，并易于掌握，从编辑、拆分、分配，直到运行模型，只需6步简单的操作即可完成。

第一步：

打开模型

选择一个准备实时运行的模型。

目前，RT-LAB支持由Simulink和SystemBuild生成的模型。

第二步：

编辑模型

RT-LAB提供工具用于把模型拆分成便于在多个目标机节点或SMP系统中运行的子任务，并加入实时特性。

第三步：

编译

使用适当的代码生成器（RTW或AutoCode），以及RedHawkLinux,对每个

子任务进行转化，并生成可在目标系统上运行的实时代码。

第四步：

分配节点

RT-LAB在网络搜寻出适当的节点，并把每个子任务在这些节点上任意分配运行。

第五步：

加载

通知RT-LAB向目标节点加载子任务的执行代码，初始化模型、通讯和同步等信息，以保证整个仿真在多个分布的目标节点上运行时的严格同步。

第六步：

运行

最后只须轻轻一点，即可启动整个仿真。

模型的数据通过一个特殊的子系统

传递给用户。

通过用户界面，你可以观察到生成的信号，并且在线改变仿真

的参数；也可以用API工具创建自己的用户界面。

总之，利用RT-LAB，你可以非常容易地在分布式多处理器环境里分配模型（计算负载）并实时运行；并且，RT-LAB还支持子系统多速率仿真、动态信号跟踪和数据记录、以及分布式工作站等等功能。

RT-LAB在汽车、航空航天、机电和工业控制领域有着广泛的应用，其相关产品有电力系统仿真软件包ARTEMIS、飞行动力学仿真和分析软件包DINAMO、混合模式仿真时间补偿软件包RT-EVENTS等。

RT-LABOverview

RT-LAB™isadistributedReal-TimeplatformthatenablesengineerstoconductReal-TimeSimulationofSimulinkmodelswithHardware-in-the-Loop,inaveryshorttime,atalowcost.Itsscalabilityallowsthedevelopertoaddcomputingpowerwhereandwhenitisneeded.Itisflexibleenoughtobeappliedtothemostcomplexsimulationandcontrolproblem,whetheritisaReal-TimeHardware-in-the-Loopapplicationorforspeedingupmodelexecution,controlandtest.

RT-LABprovidestoolsforrunningsimulationsofhighlycomplexmodelsonanetworkofdistributedrun-timetargets,communicatingviaultralow-latencytechnologies,inordertoachievetherequiredperformance.Inaddition,RT-LAB'smodulardesignenablesthedeliveryofeconomicalsystemsbysupplyingonlythemodulesneededfortheapplicationinordertominimizecomputationalrequirementsandmeetcustomerspricetargets.Thisisessentialforhigh-volumeembeddedapplications.

HowitWorks

RT-LABallowstheusertoreadilyconvertSimulinkmodels,viaReal-TimeWorkshop（RTW）,andthentoconductReal-TimeSimulationofthosemodelsexecutedonmultipletargetcomputersequippedwithmulti-corePCprocessors.ThisisusedparticularlyforHardware-in-the-Loop（HIL）andrapidcontrolprototypingapplications.RT-LABtransparentlyhandlessynchronization,userinteraction,real-worldinterfacingusingI/Oboardsanddataexchangesforseamlessdistributedexecution.

SingleTargetConfiguration

Inthisconfiguration,typicallyusedforrapidcontrolprototyping,asinglecomputerrunstheplantsimulationorcontrollogic.OneormorehostsmayconnecttothetargetviaanEthernetlink.ThetargetusesQNXorRedHawkLinuxastheRTOSforfastsimulationorforapplicationswherereal-timeperformanceisrequired.

DistributedTargetConfiguration

Thedistributedconfigurationallowsforcomplexmodelstobedistributedoveraclusterofmulti-corePCsrunninginparallel.ThetargetnodesintheclustercommunicatebetweeneachotherwithlowlatencyprotocolssuchasFireWire,SignalWireorInfiniBand,fastenoughtoprovidereliablecommunicationforreal-timeapplications.Thereal-timeclusterislinkedtooneormorehoststationsthroughaTCP/IPnetwork.Hereagain,theclusterofPCscanbeusedforReal-Timeapplications（usingQNXorRedHawkLinux）,orfastsimulationofcomplexsystems（usingQNX,RedHawkorWindows）.RT-LABPC-clustertargetsaredesignedforflexibleandreconfigurablemega-simulation.TheusercanbuildandexpandthePC-clusterasneeded,thenredeploythePCsforotherapplicationswhenthesimulationisdone.RT-LABcanaccommodateupto64nodesrunninginparallel.

RT-LAB主要用户

AllisonTransmissionDivisionofGeneralMotors

AntonovAutomotiveTechnologies

BoschBombardier

CanadianNationalDefense

CanadianSpaceAgency（CSA）

CumminsEngineCompany

ColeSuprieuredesSciencesAppliqusdel'IngnieurMulhouse

Embraer

Ford

GeneralMotorsAdvancedTechnologyVehiclesDivision

IngersollRandTorrington

InternationalSubmarineEngineering

MassachuettsInstituteofTechnologyPlasmaScience&FusionCenter

MechanicalSimulationCorporation

MitsubishiElectric

NASAGlennResearchCenter

NorwegianUniversityofScience&Technology

Peugeot

Pratt&Whitney

Toyota

UniversityofTorontoInstituteforAerospaceStudies

国内：

航空某飞机所、航天某系统所、上海宝钢、上海GE、南方公司、哈工大等

RT-LAB系统组成

RT-LAB的灵活性和开放性使得用户在构建自己的实时系统时可以根据应用的需要自主选择系统构建方式和软硬件模块。

尽管如此，我们可以根据应用的经验为用户推荐一些搭建不同系统的指导原则。

推荐的系统配置

单节点系统

在这种配置下，仿真在一台目标机上运行。

一台或者多台主机可以通过局域网和目标机连接。

在要求实时性能的应用中，目标机运行QNX实时操作系统；如果仅仅作为仿真应用时，目标机上也可以允许WindowsNT/2k/XP。

对于后者来说，RT-LAB也支持单CPU或多CPU的目标机。

典型应用：

快速控制原型

利用虚拟对象模型进行硬件控制器设计和测试

硬件在回路（HIL）控制

快速仿真

分布式节点系统

分布式的配置允许将复杂的模型分布到多台PC（目标节点）上并行运算。

目标节点之间用IEEE1394互联，保证节点间实时数据交换迅速可靠。

目标机和一台或多台主机通过局域网连接。

多节点的模式也可以用于实时应用或者复杂系统的快速仿真。

对于前者，目标机运行QNX实时操作系统；对于后者，也可以运行WindowsNT/2k/XP，此时也可以支持多CPU目标机。

RT-LAB的多目标机配置可以灵活的应用于大型仿真项目。

用户可以用自己的PC搭建多目标机系统并按需要进行扩展；当项目结束后，目标机也可以用于其它的场合。

RT-LAB支持多达64台目标节点并行运算。

典型应用：

硬实时分布式HIL控制

利用虚拟对象模型进行硬件控制器设计和测试

快速控制原型

复杂模型的快速仿真

有I/O连接的对象/控制器设计与测试

嵌入式目标机

这种配置可以用来开发嵌入式控制器。

利用这种配置，原先设计和测试通过的控制器模型可以直接下载到嵌入式目标机，并和外部物理设备一起工作。

这种配置有些特殊的功能如自启动和运行时license管理，因此特别适用于产品级的控制器设计和实施，如汽车ECU的设计开发。

嵌入式目标机的软硬件要求和单节点系统配置相似。

如图所示是一个标准PC-104目标机的系统。

RT-LAB关键特性

实时模型开发

与Matlab/Simulink/Stateflow/Realtimeworkshop,以及MATRIXx/SystemBuild/AutoCode完全兼容

具有专门的模块用于将模型转化为可以分布式，实现节点间数据交换以及信号I/O简洁易用的图形用户界面。

完善的API，允许与用户自己开发的上层应用程序接口，包括LabVIEW,C++,VB,Matlab,Python以及3D

虚拟现实工具。

支持第三方专业建模工具的模型，包括CarSim/TruckSim,GT-Power,AMEsim,Dymola，以及用

FORTRAN手工开发的模型。

运行特性

仿真在多个目标机，或者SMP计算机上分布式同步运行

目标机间数据通过IEEE1394或者共享内存通讯

RT-SCOPE：

集成的显示和监控面板

动态信号跟踪—运行时可以选择监控任意信号

在线参数编辑器—可以在运行时动态整定模型参数

广泛I/O硬件支持—支持超过100种主流I/O和通讯设备，并在不断扩充

性能参数

XHP模式—超高速运行模式，闭环运行步长可以达到20μs

优化的硬实时调度机制—高性能，低抖动

对复杂和简单模型的处理

由于这些模型可能会非常复杂，所以如果它们在一个单处理器的计算机上运行，经常会不能满足实时性要求。

RT-LAB提供的方法能够使复杂程度很高的模型在一个分布式的目标机网络中运行，各个目标机之间通过超低延时的通讯技术连接，以达到要求的实时性。

同时，RT-LAB的可扩展性还有另外一层意思。

由于它的模块化设计，工程师可以根据项目的运算能力需要，只提供应用需要的模块。

这在嵌入式的应用中是很有用的。

Commercial-Off-The-Shelf集成

RT-LAB是首个完全可扩展的仿真和控制平台。

它允许用户将系统的模型分割成若干个子系统并分布到基于x86的目标机（普通PC，PC/104或者SMP服务器）网络中并行运算。

同时，用户可以广泛利用市场中快速发展而且相对便宜的各种技术。

RT-LAB使用标准的以太网和“火线”（IEEE1394）进行通讯；而且提供丰富的硬件支持，包括各种ISA,PCI,VME以及PXI的模拟量和数字量I/O板卡，以及通讯模块。

硬实时性能

通过多年的研究，RT-LAB提供了基于PC平台的最优秀的硬实时性能，并且能确保并行运算不会改变模型的行为，引入实时干扰，或者造成死锁。

而且通过RT-LAB提供的独特的XHP运行模式，模型能以最快20微秒（50kHz）的步长闭环运行，同时将抖动控制在纳秒级。

我们选择的底层实时操纵系统（RTOS）—QNX也是很重要的。

它在许多任务关键的实时工程应用中表现出来的稳定性和可靠的实时性亦使其成为要求较高的工程模拟和控制项目的很好选择。

快速产品开发

RT-LAB提供的很多有用的特性可以使用户在最短的时间开发自己的实时系统。

RT-LAB和Simulink以及SystemBuild紧密集成。

用户只需要在用Simulink或者SystemBuild设计好的模型中嵌入RT-LAB的针对实时性的模块，剩下的只需要在RT-LAB的简单易用的界面中点几下鼠标，就得到了能在目标机上实时运行的仿真模型。

针对其它的专业建模工具，RT-LAB也提供支持。

用户可以将用这些专业工具建立的模型与Simulink模型结合成一个系统模型，RT-LAB可以自动识别并将此模型转化为实时模型。

请参考后续章节所列的我们所支持的第三方建模工具。

最后，为完成用户的应用，还可以通过RT-LAB提供的API工具将正在目标机上实时运行的模型与LabVIEW，WorldUp，Altia和VAPS等显示工具联系起来，实现在线人机界面功能。

用户也可以在自己的MATLAB，Python，VisualBasic和C++应用程序中通过RT-LABAPI与模型交互。

降低风险

RT-LAB可以使用户以非常短的时间和非常低的成本将Simulink或SystemBuild动态模型转化为硬件在回路应用中的实时模型。

通过它的可扩展性以及COTS硬件的使用，用户的初始投资将会很低。

随着应用的要求增长，也可以很灵活的增加系统运算能力。

这种扩展能力能确保用户在实时工程应用中避免运算能力不足的问题。

使用户能在时间和预算范围内提交最优的解决方案。

RT-LAB--HIL&Test（BlackTest）实时系统仿真，设计与测试的解决方案

RT-LAB是由加拿大Opal-RTTechnologies推出的一套工业级的系统平台软件包。

通过应用这种开放，可扩展的实时平台。

通过RT-LAB，工程师可以直接将利用MATLAB/Simulink或者MATRIXx/SystemBuild建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其它相关领域。

RT-LAB是一种全新的基于模型的工程设计应用平台。

工程师可以在一个平台上实现工程项目的设计，实时仿真，快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案。

RT-LAB的应用，为基于模型的设计思路带来了革命性变化。

由于其开放性，RT-LAB可以灵活的应用于任何工程系统仿真与控制场合；其优秀的可扩展性能为所有的应用提供一个低风险的起点，使得用户可以根据项目的需要随时随地对系统运算能力进行验证及扩展－不论是为了加快仿真速度或者是为满足应用的实时硬件在回路测试的需要。