一、应用背景

智能化、自动化是矿山机械设备的主要发展趋势之一，基于先进的传感器、控制算法和自适应控制技术，实现设备的智能感知、智能控制和自主决策。可以有效提高生产效率、降低生产成本、提高设备及矿产资源利用率和推动矿业现代化。

多变的工况、复杂的机构、高安全性要求以及多样化的操作模式意味着矿山机械装备控制系统需要具备实时性强、稳定性高、自主性强、数据处理和存储以及人机界面友好等特点，半实物仿真技术作为一种基于实际硬件系统和虚拟仿真环境相结合的仿真方法，可有效地模拟出矿山机械装备的工作环境和控制系统的运行情况。借助半实物仿真来设计矿山机械装备的控制系统可大大降低实验成本和风险，提高系统设计效率和可靠性。

二、需求分析

为满足某煤机装备企业对掘进机或掘锚机等矿山机械装备的智能化功能闭环测试需求，拟搭建一套半实物仿真系统，为控制系统创造一个模拟对象环境，从而实现仿真联调，能够验证模型，调试控制系统结构、逻辑、控制算法以及接口，以实现自动截割和自主行走等功能的验证。

主要功能需求如下：

1.数字建模：建立装备静态模型和传感器动态模型

2.模型实时化改造：对用户掘进机或掘锚机这类复杂的机电对象系统模型，进行实时化改造，使其实现目标工况的实时仿真运行。

3.硬件平台搭建：掘进机或掘锚机属于复杂机电对象系统，模型包括了机械、液压、动力学等多学科，因此平台需要强大的运算能力以及丰富的IO资源来实现复杂模型的分布式实时计算和数据的实时采集及输出。

三、解决方案

本系统基于灵思创奇通用型仿真测试一体化平台（Links-Xil）来搭建，整体结构见图1，装置采用“上-下”位机架构，上位机是1台Windows主控计算机，是用户进行掘进机等智能装备系统设计、模型搭建和试验运行管理的环境；下位机是2台实时仿真器，1台运行复杂机电系统模型，1台部署大量I/O资源，完成与控制系统的信号连通。

3.1软件部分：

1）上位机软件：基于Windows操作系统，提供系统建模、仿真运行管理等功能。

a)建模软件：基于MATLAB Simulink创建自定义掘进机、掘锚机等复杂机电系统模型，自动编译后可下载到模型仿真机中运行；

b)主控软件RT-Sim Plus：对整个仿真平台的工作流程进行管理，包括模型与I/O的映射配置、仿真启停管理、试验数据处理、虚拟仪表监控等；

c)HIL模型：支持用户基于MATLAB Simulink开发的HIL模型下载到实时仿真机中运行。

2）下位机软件：基于VxWorks实时操作系统，实现复杂机电系统的HIL系统模型的实时计算。

a)实时代码，包括两部分：

i.模型实时代码：由用户基于MATLAB Simulink开发，并且已自动转换为VxWorks系统上可直接运行的二进制代码文件；

ii.I/O映射任务：由RT-Sim Plus软件完成模型与I/O配置，并将配置文件下发至I/O仿真机。

b)分布式仿真组件RT-MP：支持多节点分布式仿真，支持模型间实时通讯，自动编译为多处理器目标代码，支持多模型加载与同步仿真控制。

c)实时仿真支持组件RT-Engine：运行于VxWorks操作系统之上的仿真引擎。实时仿真支持组件启动一组任务，包括命令通讯任务、FTP任务、数据通讯任务、存储任务、模型调度任务等，为模型目标代码的加载、运行、监控提供基础环境。

3.2硬件部分：

1)开发主机：Windows计算机，提供系统建模、运行管理、试验数据处理等的平台环境。

2)模型实时仿真机：高性能实时操作系统计算机，依靠多核分布式并行运算能力，完成复杂的机电对象系统模型实时计算；

3)I/O仿真机：集成式嵌入式计算机，部署CPU控制器、I/O板卡，通过串口、CAN、PWM采集接口等完成与电控箱的数据通信。

4)信号故障注入与转接适配设备，实现对半实物仿真装置的所有IO通道都具有FIU故障注入功能；可以对控制器输入、输出管脚进行电气故障仿真，包括传感器故障注入和执行器故障注入。

四、项目总结

半实物仿真系统的成功搭建，既能协助用户对掘进机或掘锚机等矿山机械设备控制系统进行模拟测试，验证设计方案的可行性和有效性，发现和解决潜在问题，提高控制系统的可靠性和稳定性。还可以模拟实际工作环境，对控制系统进行性能评估，例如响应时间、稳定性、控制精度等指标，从而优化控制系统的性能，对于矿山机械设备的智能化自动化发展具有重要意义。