系统仿真DSPACE论文

基于dSPACE的半实物仿真应用及其发展

汪赛

(北京信息科技大学自动化学院，北京 100192)

摘要:半实物仿真是一种在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。目前已经引起科学界和企业界的广泛关注。本文在阐述了dSPACE的原理及其体系结构上，介绍了其在实例中的应用，并指出了dSPACE目前的发展趋势。

关键词:dSPACE;实时仿真;半实物仿真

Application and Trends of Hardware-in-the-loop Simulation Based on dSPACE Abstract:Hardware-in-the-loop is a real time simulation,which parts of materials are embedded in simulation experiment system,has draw much attentions from research institutes and industries.Based on principle and its system structure of dSPACE ,examples was introduced and the future research trends were presented.

Key words:dSPACE;real time simulation;hardware-in-the-loop simulation

0前言

在第二次世界大战后期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究孕育了仿真科学与技术的发展，20世纪40年代就开始了控制系统半实物仿真技术的研究，而为了解决当今市场对控制系统鲁棒性及可靠性要求日益增加，对产品的需求呈现多样性、快速性的趋势，这就需要企业对新产品的开发能做到速度快、样式多且能同时进行设计、实现、测试和生产准备。dSPACE为达到这一目的创造了一个良好的环境。目前由于dSPACE的存在使得控制系统的开发、产品型控制器的仿真测试变得更加方便易行。本文首先从dSPACE的原理和体系结构方面对其进行描述，然后就实例的应用分析发展的趋势。

1dSPACE—实现快速控制原型和硬件在回路中的仿真

对工程技术人员而言，所面临的两种应用问题：一是在产品开发的初期阶段，他们希望找到一个方便的途径，可以将他们开发的控制算法在一个实时的硬件基体上实现以观察控制算法的性能，而且在算法不理想时可以很快的进行反复设计来找到理想方案快速地建立控制对象及控制器模型。二是在产品型的控制器生产出来后，他们希望找到一个方便的途径来独立完成对控制器的测试。而dSPACE实时仿真系统为这两种应用提供了协调统一的一体化解决途径，既可以实现快速控制原型也可以实现硬件在回路仿真。

1. 1 RCP(Rapid Control Prototyping)—快速控制原型

要实现快速控制原型，必须有集成良好便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。dSPACE实时系统允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真。这样，就可以将错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。使用 RCP 技术可在最终产品硬件投产之前，仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利用旁路（BYPASS）技术将原型电控单元（ECU： Electronic Control Unit）或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。

1.2 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation）—硬件在回路仿真

当新型控制系统设计结束，并已制成产品型控制器，需要在闭环下对其进行详细测试。但由于种种原因如：极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试难以进行，例如：在积雪覆盖的路面上进行汽车防抱死装置（ABS）控制器的测试就只能在冬季有雪的天气进行；有时为了缩短开发周期，甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下（如：控制对象与控制器并行开发），对其进行测试。dSPACE实时仿真系统的HIL仿真将助你解决这一问题。

2 dSPACE体系结构

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试用的工作平台,实现了和MATLAB/Simulink的完全无缝连接。利用Simulink的控制算法和模型框图可以自动生成dSPACE系统的运行代码，也可下

载到dSPACE 系统实时运行。dSPACE 实时系统拥有高速计算能力的硬件系统(包括处理器、I/O 等) ,还拥有方便易用且能实现代码生成、下载、试验和调试的软件环境。

2. 1 dSPACE 的硬件系统

针对不同的用户, dSPACE 可分为标准组件系统和单板系统。单板系统主要面向快速控制原型用户其I/O 数量有限，但包括了进行快速控制原型设计所需的大多数I/O （包括A/D ，D/A ，数字I/O 等）。还特别考虑了驱动应用方面的需求，配有增量编码器信号接口及PWM 信号发生器。无论是用来进行原型设计，还是直接用作核心控制板来进行驱动控制都不失为一种较完美的选择。标准组件系统是把处理器板、I/O 板分开,并提供多个系列和品种,允许用户根据特定需求随意组装,可以使用多块处理器板、多块(多种)I/O 板,使系统运算速度、内存和I/O 能力均可大大扩展,从而满足复杂的应用之需。此外，dSPACE 还专门设计了车辆内置式系统，用来满足汽车、火车、飞机等用户对内置式系统在空间体积、振动和环境温度上的需求。

2. 2 dSPACE 的软件系统

dSPACE 实时仿真系统允许用户实时地调整控制器参数和运行环境,并提供各种各样的参数显示方式。dSPACE 的实时仿真系统主要由3部分组成,如图所示,分别为控制系统算法设计平台MATLAB /Simulink 、dSPACE 实时仿真系统及外部真实环境和设备。其中,RTI(Real Time Interface)是连接dSPACE 实时系统与MATLAB /Simulink 的纽带,用户通过将RTI 库中的模型与MATLAB/Simulink 配合使用,设计控制器的Simulink 模型,通过对RTW (Real Time Workshop)进行扩展,实现了从Simulink 模型到dSPACE 实时硬件代码的无缝自动下载。dSPACE 实时硬件负责与外部设备连接,交互控制信息与反馈信息,监控测试软件,提供对试验过程的综合管理,在线调整参数,建立用户虚拟仪表,实时观测控制效果。针对dSPACE 实时仿系统的3个部分, dSPACE 软件系统相应地也由3个模块组成:算法开发模块,实时运行模块及实时测试和监控模块。

图 2 dSPACE 系统框图 3 汽车的硬件在回路仿真—ABS 控制器测试试验台

对现代汽车而言，汽车的舒适性、效率及安全性相当依赖于实现动力系控制、防抱死刹车系统、牵引控制等的电控单元的性能。 ECU 的软件也越来越复杂，以控制算法设置平面台MATLAB/Simulink Real-time Workshop 实时接口（Real-time Interface ） dSPACE 实时硬件（Real-time Hardware ） 监控测试软件（ControlDesk ） 实际控制对象

dSPACE 实时伪真系统

至于在开发的早期就需进行详细测试。如果用真实的汽车对新的ECU 进行测试既昂贵又消耗时间,特别是进行一些极限环境下的测试如：积雪覆盖的路面上的小摩擦测试就只能局限于冬季的几个月。而且用真实汽车进行测试存在可重复性差、不能复现同一测试条件等缺点。硬件在回路仿真这种技术允许在测试台上重复进行测试，从而可以比较产品型ECU 及原型ECU 的各种特性。

该例描述了一个用于测试防抱死刹车系统（ABS）的工业型HIL测试台，该测试台已安装在Audi AG。

为了在达到期望的准确性的同时保证模型的实时可执行性，Audi HIL 测试工作台使用了TESIS（Munich，Germany）开发的Ve-DYNA 三维汽车动力学模型。由于在闭环控制中液压刹车系统的非线性及快速动态特性使得给其建立模型非常困难，所以在Ve-DYNA 仿真模型中没有实现刹车液压系统的动力学模型，而是将真实的Audi A8 型液压刹车系统和Audi A8Quattro 四轮驱动的液压刹车系统置于一测试架上，该测试架与ABS 控制器和VEDYNA 模型同时相连。

为了像真实的汽车一样给ECU提供I/O 信号，整个模型的仿真必须在1ms 步长内执行完毕（小于ABS 控制器的采样时间）。

为了在仿真最复杂的汽车配置和操纵时也能使步长小于1ms，仿真任务由5个TMS320C40 DSP联合进行。主DSP 负责计算驱动轨迹模型；用两个DSP 来建立轴系；其它两个DSP 向4个从处理器写入141个信号，读取175个信号。五个DSP 并行，在不同配置下，模型的仿真执行时间从650μs 到940μs 不等。这比用单处理仿真速度快2.5-3倍（如果采用DS1004 Alpha 板，仿真速度还可以加快到222μs）。在试验过程中，用户选定的系列变量可以被实时地记录下来。最后，这些信号（如：刹车压力，车轮打滑，车轮的轴向及侧向压力等）被自动装载到MATLAB 工作区。使用MATLAB描述语言很容易就能实现不同配置的自动顺序试验。

4 dSPACE的发展

经过14年的发展，dSPACE作为一种先进而可靠的开发和仿真系统，对控制系统开发的前期的产品原型开发，中期的产品实现和后期的产品测试和闭环仿真都提供了强有力的支持能为众多用户解决实际问题，使得控制系统的开发、产品型控制

器的仿真测试变得更加方便易行，大大加快了新产品的研制速度，也使技术研究人员对控制算法及仿真测试方案的研究进入更高的境界。所以dSPACE的应用领域正在日益拓宽。目前，dSPACE已广泛应用于航空航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开始用dSPACE来解决在实际工作及研究中碰到的问题。Audi公司用dSPACE实现了ABS控制器测试台；有的汽车界用户如：Chrysler、Delphi、Ford、General Motors、Honda、Toyota Motor、Nissan、Mazda Motor等公司用dSPACE进行动力控制原型的开发；而德国的铁路运输巨头Adtranz则用dSPACE实现了电力机车的仿真；美国的Boeing, Calspan公司用dSPACE 进行飞行器的控制系统设计和仿真；还有一些研究部门如荷兰的Delft工业大学、日本的Waseda大学等用dSPACE进行机器人控制算法的研究；而且，由于dSPACE的高度可靠性，许多工业用户用dSPACE实现工业过程控制，如Achenbach Buschutten公司就依赖dSPACE的高可靠性来控制型材的平面度；丹麦的Grundfos还用dSPACE来验证专用集成电路的设计可行性。

5 总结

dSPACE半实物仿真是仿真技术中置信水平的一种仿真方法，是系统研制工作强有力的手段，具有提高系统严重质量，缩短研制周期和节省研制费用，这样在RCP 中完全避免了过去因为局部改动就要多花费几周甚至几个月的时间进行代码修改和重新测试的不便，在HIL中可以避免了部分用数学模型困难的情况而且在检验系统各设备的功能与性能上更直接有效。

参考文献:

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