5.4 惯性环节

惯性环节又称为非周期环节，是由一阶微分方程描述。其s域传递函数为Y(s)=K·X(s)/(T1·s+1)，差分方程为y(k)=(T1-ΔT)/T1·y(k)+K·ΔT/T1·X(k-1)（K为比例系数,ΔT为采样周期，T1为时间常数）。

实验步骤

1、编写低代码控制器配置文件

实现本应用案例，低代码控制器需要完成两部分文件配置：测点配置和AOE配置。测点配置用于配置控制器输入和输出信号点的参数，而AOE配置是建立AOE模型网络来实现所需的控制逻辑和功能。

1.1、测点配置

测点配置表格的内容包含了测点的点号、名称、别名、是否离散、是否是计算点以及默认值等。点号是程序里给这个测点的编号，可以自己定义，使用时，测点与通信通道的点号一一对应完成对接。别名是英文字母与下划线组合使用，可以当做变量名用于AOE表格里表达式的书写，使之可以不用点号来表达，使得表达式的意思表达得更加清楚。本案例测点配置如下：

序号点号名称别名是否离散是否计算点默认值备注
1100001测点1timeFALSEFALSE0时间值
2100002测点2TFALSEFALSE1时间常数
3100003测点3valueFALSEFALSE0输入值
4100004测点4KFALSEFALSE1比例系数
5100005测点5outFALSEFALSE0输出值

1.2、AOE配置

本案例中AOE文件配置内容分为三个部分。

AOE网络声明

名称为惯性环节，触发条件设置为事件驱动（Event_Drive）。

AOE ID是否启用名称触发条件触发条件参数变量初始值
70001TRUE惯性环节Event_Drivetime_old:0；
value_old:0;
out_old:0;
AOE节点声明
AOE ID节点ID名称节点类型超时时间(ms)表达式
700011开始节点Condition10000time>time_old
700012结束节点Condition100001

本案例中共有2个节点，节点类型均为Condition，表达式为真时，动作触发执行。

AOE边声明
AOE ID首尾节点动作名称失败模式动作类型动作参数
700011;2计算DefaultSet_Pointsout:out_old*(T-(time-time_old))(1/T)+(1/T)(time-time_old)Kvalue_old;
out_old:out_old*(T-(time-time_old))(1/T)+(1/T)(time-time_old)Kvalue_old;
value_old:value;
time_old:time;

本案例中的边声明动作类型为为SetPoints。 式中，out表示当前时刻输出量的采样值；out_old表示上一时刻输出量的采样值；T表示时间常数；K表示比例系数；time表示当前时刻；time_old表示上一时刻；value表示当前时刻函数值的采样值；value_old表示上一时刻函数值的采样值。out、T、value、K、time为设置的测点。

2、Simulink验证

为验证低代码控制器惯性环节结果的正确性，本案例借助Simulink的惯性环节运行结果来对照。为实现控制器与simulink仿真模型间通信，需要进行低代码控制器通道文件的配置以及Simulink的S函数程序编写，具体过程如下：

2.1、通信通道配置

低代码控制器通过Modbus协议与Simulink进行通信。由于Matlab仅有Modbus客户端功能，因此需要将低代码控制器配置为Modbus服务端，如下：

通道名称server测试通道连接名称测试通道
连接个数1测点个数5
服务端口502客户端IP127.0.0.1
客户端端口9999
slave id1
通信协议XA
一次读寄存器数上限125
一次读开关数上限2000
一次写寄存器数上限120
一次写开关数上限1968
轮询周期(ms)5000
超时(ms)1000

服务端口设定为502，测点个数为5，客户端ip是本机的ip地址，可以在网络属性界面查询得到，客户端端口设置为9999.

序号寄存器类型起始地址数据类型新请求标志轮询周期点号
1HOLDING1EightByteFloatFALSE2000100001
2HOLDING5EightByteFloatFALSE2000100002
3HOLDING9EightByteFloatFALSE2000100003
4HOLDING13EightByteFloatFALSE2000100004
5HOLDING17EightByteFloatFALSE2000100005

本实验中需要用5个寄存器存储数据，数据类型均为八位浮点数。

2.2、编写Simulink与控制器通信程序

modbusComproportion.m是本案例模型控制器的源文件，建立与低代码控制器起通信的作用。

sizes.NumContStates  = 0;
sizes.NumDiscStates  = 0;
sizes.NumOutputs     = 1;
sizes.NumInputs      = 4;
sizes.DirFeedthrough = 1;
sizes.NumSampleTimes = 1;

上述程序表示输入与输出个数的设置，本案例中的输入个数为4，分别为T、value、K、time。输出个数为1，为惯性计算后的输出值。

ts  = [0.02,0];

上述程序表示模块的采样时间为0.02s。

global m;
m = modbus('tcpip', '127.0.0.1', 502);  % 建立modbus通信

上述程序表示初始化过程中建立与控制器的通信。

function sys=mdlOutputs(t,x,u)
global m;
write(m,'holdingregs',2,u(1)','double');
write(m,'holdingregs',6,u(2)','double');
write(m,'holdingregs',10,u(3)','double');
write(m,'holdingregs',14,u(4)','double');
pause(0.01);    % 等待10ms（实际时间），使得通过modbus通信之后读到最新控制值
sys = read(m,'holdingregs',18,1,'double');

如上面的输出函数所示，需要将输入写入控制器，再从控制器中读取控制信号。程序中的pause（0.001）用于设置等待时间，当控制器和计算机的性能较好时，可以适当修改这个参数，可以加快仿真通信的速度，使动画跟随的动作加快。

2.3、低代码控制器配置与运行

这一步低代码控制器的连接和案例1中完全一致，将MATLAB的文件夹打开到低代码控制器替代后的simulink模型文件的文件夹。

当与实体的控制器连接时，就是将所实现的功能放入实体的控制器中，只需要将控制器与电脑通过网线连接后，修改主站和从站的ip地址。 控制器（从站ip）可以从发现工具获得。

主站ip为本机ip地址，通过网络属性配置中可以查询。

3、运行仿真

先运行低代码控制器，再运行Simulink模型，进行仿真。使用AOE组态技术配置的惯性环节在输入为单位阶跃响应时输出如下图所示，此时时间常数T=1，比例系数K=1：

基本控制组态惯性环节运行结果

附件：基本控制组态_惯性环节.rar