基于dSPACE仿真技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

汪賽　余秋香　陳磊

【摘 要】基于dSPACE仿真技術(shù)同其它類型的仿真方法相比具有經(jīng)濟地實現(xiàn)更高真實度的可能性，目前主要應(yīng)用于高科技產(chǎn)業(yè)、教育教學(xué)、科學(xué)科研。本文介紹了dSPACE仿真技術(shù)及其體系結(jié)構(gòu)，闡述其在飛行器控制系統(tǒng)中的仿真步驟，指出了其先進性，并對dSPACE的發(fā)展趨勢進行了分析。

【關(guān)鍵詞】dSPACE仿真技術(shù)；應(yīng)用；發(fā)展；飛行器

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0157-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.068

0 前言

在1939年到1945年世界正處于戰(zhàn)爭期間，武器裝備是一個國家軍事實力的象征，飛行、導(dǎo)彈的控制需要應(yīng)用動力學(xué)系統(tǒng)，而實物的檢測需要大量的人力和物力，這促使了仿真技術(shù)的發(fā)展。20世紀40年代，為了適應(yīng)控制系統(tǒng)的市場，開始研究控制系統(tǒng)的仿真技術(shù)。隨著控制系統(tǒng)魯棒性及可靠性要求日益增加，這就需要研發(fā)團隊對相應(yīng)的產(chǎn)品進行速度、樣式的模擬并進行測試，最終形成可靠產(chǎn)品。dSPACE的出現(xiàn)就是為了達到這一目的。

1 dSPACE仿真技術(shù)

對于企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)以及學(xué)校教學(xué)實驗，都需要理論與實踐相結(jié)合。

一個產(chǎn)品型控制器的開發(fā)會面臨兩個問題：一是在產(chǎn)品設(shè)計之前，主要是控制算法的應(yīng)用。在現(xiàn)有的控制算法中找到一個合適的并能實時應(yīng)用在硬件上觀測算法的性能，這是一種便捷的尋找設(shè)計方案的方法。因為在算法不理想時可以很快的進行反復(fù)設(shè)計來尋找理想方案。二是在確定相應(yīng)的算法形成硬件后，怎樣來測試硬件的性能成為了最終量產(chǎn)的一道門檻?；赿SPACE仿真系統(tǒng)能很好的解決上述兩個問題，實現(xiàn)快速控制原型和硬件在回路中的仿真。

學(xué)校的教學(xué)實驗?zāi)軌驗閷W(xué)生學(xué)習(xí)提供產(chǎn)品開發(fā)流程的實踐。控制原理的理論講解一直是枯燥的課程，同學(xué)在dSPACE平臺進行應(yīng)用算法，再結(jié)合其他課程的學(xué)習(xí)，把自己設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)用在實踐中提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

2 dSPACE體系結(jié)構(gòu)簡介

dSPACE仿真系統(tǒng)主要包含兩個方面——實現(xiàn)快速控制原型和硬件在回路中的仿真，是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套研發(fā)測試工作平臺。主要用于控制系統(tǒng)的開發(fā)。

快速控制原型（Rapid Control Prototyping）的過程如圖1所示，通過前期仿真確定控制方案，然后生成代碼并下載到原型ECU（Electronic Control Unit），將控制器集成到開發(fā)過程中，完成原型到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換。

硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）主要是在上一階段已經(jīng)結(jié)束后，并已完成產(chǎn)品，而應(yīng)用的仿真。由于真實環(huán)境中測試條件有限不能對產(chǎn)品進行多種情況的測試。這一階段就能應(yīng)用dSPACE實時仿真系統(tǒng)的硬件在回路仿真來實現(xiàn)。圖2是對汽車防抱死裝置（ABS）控制器的測試原理圖。

3 基于dSPACE仿真技術(shù)的應(yīng)用——飛行器控制系統(tǒng)的實時仿真

飛行器控制系統(tǒng)是飛行器的重要指令系統(tǒng)，對控制飛行器的姿態(tài)起著至關(guān)重要的作用。完成飛行器控制系統(tǒng)的實時仿真需要先建立其數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用Matlab/Simulink完成飛行器控制系統(tǒng)仿真模型搭建，最后設(shè)置仿真環(huán)境及應(yīng)用監(jiān)控軟件實時監(jiān)測調(diào)試。

3.1 Matlab/Simulink控制系統(tǒng)模型搭建

通過選用好的控制方法和求解參數(shù)進行控制系統(tǒng)模型搭建。主要是完成計算機控制程序的功能，實現(xiàn)接收、計算和輸出控制?？刂葡到y(tǒng)環(huán)節(jié)如圖3所示。接收模塊主要是慣組數(shù)據(jù)的接收，并由導(dǎo)航系統(tǒng)模塊得出姿態(tài)信息，最后給出舵機的控制指令完成對飛行器的滾轉(zhuǎn)控制，整體控制模型環(huán)節(jié)如圖4所示。

3.2 基于dSPACE的實時仿真

實時仿真包括Matlab/Simulink控制算法設(shè)計平臺、dSPACE實時仿真系統(tǒng)和實際控制對象。而基于dSPACE的實時仿真是dSPACE仿真系統(tǒng)的一部分，相比傳統(tǒng)的實時仿真對設(shè)計人員要求更容易。平臺通過RTI庫中的模型與Matlab/Simulink配合使用。實現(xiàn)飛行器的仿真模型代碼自動生成，然后通過RTW （Real Time Workshop）進行擴展，從而把Simulink模型代碼下載到dSPACE實時硬件中，dSPACE實時硬件則與外部實際控制對象相連，實現(xiàn)與對象的交互和反饋。同時建立監(jiān)控軟件來實施對試驗過程的綜合監(jiān)控，在軟件中包括可以在線調(diào)節(jié)參數(shù)，建立虛擬儀表、繪制按鈕等完成監(jiān)控界面的設(shè)計。

4 dSPACE仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外的仿真應(yīng)用都達到了新的高度。國外發(fā)展中美國從20世紀60年代開始，軍事方面已經(jīng)形成了半實物仿真設(shè)施體系。制導(dǎo)和控制系統(tǒng)聯(lián)合、多模導(dǎo)引頭、導(dǎo)彈抗干擾等半實物仿真都為其研發(fā)提升了效率，在武器系統(tǒng)研究發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國發(fā)展起步較晚，但發(fā)展的方向多樣化，應(yīng)用的領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的航空航天到教育教學(xué)、新能源汽車、軌道交通等其他領(lǐng)域。由于我國對上述領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)品需求規(guī)模大，國家政策以及技術(shù)人才上的支持都使得dSPACE現(xiàn)今發(fā)展機遇良好。dSPACE作為一種可靠性高的開發(fā)、仿真系統(tǒng)，硬件和軟件水平也進一步得到了發(fā)展。軟件方面：系統(tǒng)仿真建模水平不斷提高、操作界面更加便捷使編程更加智能和高效。硬件方面：計算機硬件設(shè)施水平的提高、擴展與兼容性的完善、功能模塊的小型化與集成化的統(tǒng)一使運行穩(wěn)定功能強大。

5 結(jié)語

dSPACE仿真是仿真技術(shù)中置信水平的一種仿真方法：通過在快速控制原型中直接的修改編程代碼進行測試，在硬件在回路仿真中避免部分用數(shù)學(xué)模型困難而無法仿真的情況。使最終設(shè)計出產(chǎn)品的功能與性能上更直接有效，從而成為系統(tǒng)研制工作強有力的手段，具有提高研發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量，縮短研制周期和節(jié)省研制費用。對于教學(xué)的實際情況，快速控制原理這一部分內(nèi)容涉及到建模、設(shè)計、仿真、測試、檢測等方面，加深理解了理論知識、彌補了教學(xué)手段單一、教學(xué)內(nèi)容枯燥等教學(xué)模式。隨著dSPACE仿真技術(shù)的發(fā)展，必將在多個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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