dSPACE實驗系統的開發與實驗設計

朱燕紅，史美萍，謝海斌

（國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073）

半實物仿真是現代工業領域的重要研究方法［1］，它通過 HILS（hardware in the loop simulation）方案解決純仿真過程中建模復雜、精度低的難題，能有效地縮短新產品開發周期，降低開發成本，因而得到廣泛的應用［2－5］，由德國 dSPACE 公司生產的 dSPACE 硬件在環式高效實時仿真系統，能與Matlab/Simulink無縫鏈接［6］，具有簡單易用的特點，在現有仿真系統中處于領先地位。研究生教育作為高等教育的最后階段，有著直面工程與科研的特點，學生掌握這一基本技術，對于以后的深造和工作都有著重要作用［7］。國防科學技術大學控制科學與工程研究生綜合實驗中心基于固高公司的dSPACE設備，自主設計開發了外圍實驗系統，并結合多層次、立體化、模塊化的實驗教學體系，以問題為導向設計實驗課程，激發了學生的積極性，取得了良好的實驗教學效果。

1 dSPACE教學實驗系統的構成

1.1 dSPACE介紹

本實驗系統采用的是dSPACE DS1104，該控制器是基于Matlab/Simulink的實時仿真硬件平臺，能夠通過RTW/RTI實現與 Matlab/Simulink的無縫鏈接。dSPACE的代碼生成和下載軟件作為Matlab的一個工具箱，用戶可以在Simulink中調用模塊搭建仿真模型，仿真模型可以直接轉換成標準目標代碼下載到dSPACE系統，下載到dSPACE的軟件可以脫離Matlab軟件環境而獨立運行。

ControlDesk是dSPACE提供的綜合實驗軟件，通過簡單的可視化模型搭建，可方便、快捷地實現交互功能，對運行在硬件系統的程序進行實時監控。dSPACE因其強大的綜合實驗功能成為工程研發階段首選的半實物仿真平臺。

1.2 外圍系統設計

控制科學與工程學科研究生綜合實驗中心以現代控制系統設計理念為指導，構建了以dSPACE系統為核心的現代控制技術實驗室，控制系統硬件基本組成如圖1所示。包括自主設計開發的外圍拓展箱和控制領域典型被控對象群，被控對象如直線多級倒立擺、板球系統、電磁懸浮系統等多種典型復雜非線性時變多變量系統。通過簡單的連線，快速構建控制原型，對各種控制方法實時驗證。

圖1 拓展系統實物圖

在圖1中，dSPACE外圍拓展箱分為電源區、接口區、開關區、顯示區、擴展區、傳感器與被控對象區等6個基本區域。電源區提供＋5V、±12V、＋24V直流電壓；接口區通過串口線與dSPACE控制板的I/O PWM接口連接；開關區集成了乒乓、鎖位、觸發、撥段等常用開關和旋轉電位計；顯示區提供燈和表兩種顯示方式；擴展區接線板為后續擴展設計提供接口；傳感器與被控對象區提供了接近開關傳感器以及舵機、步進電機、喇叭等簡單控制元件作為被控對象。基于拓展實驗箱設計了以控制步進電機為目標的基礎實驗——基于dSPACE的控制系統快速原型設計與硬件在回路仿真實驗，使學生初步掌握該仿真實驗的基本概念、原理和方法，熟悉dSPACE的軟、硬件開發環境、掌握具體方法和流程，鍛煉發現問題、分析問題、解決問題的科學研究能力和工程素養。

2 與結構化、多樣化實驗教學體系有機結合

2.1 循序漸進的“2＋4＋X”結構實驗環節

按照“2＋4＋X”的結構和循序漸進的原則，依次設計實驗內容。

“2”是2次理論講授：基于 Matlab/Simulink的動態系統建模與離線仿真、基于dSPACE的控制系統快速原型設計與硬件在回路仿真。通過2次理論講授使學生對dSPACE有基本的認知，明確實驗目的。

“4”是4次具體的實驗，要求學生在掌握課程知識的基礎上，通過典型的電機控制系統離線建模、快速原型設計與硬件在回路仿真等實踐環節，逐步掌握控制系統的圖形化建模、分析、設計與離線仿真，快速原型設計、半實物仿真、在線控制與參數調節，硬件在回路仿真等概念、原理與方法。4次實驗內容依次是：基于Simulink的動態系統建模與仿真——多功能信號發生器（實驗一）、基于dSPACE的多功能信號發生器快速原型設計（實驗二）、基于dSPACE的步進電機開環控制系統快速原型設計（實驗三）、基于dSPACE的步進電機位置伺服控制系統快速原型設計（實驗四），實驗原理如圖2所示。

圖2 基于dSPACE的電機控制系統設計原理圖

實驗一要求通過對數字信號發生器與步進電機控制系統進行圖形化建模、控制器設計與離線仿真，使學生了解基于模型的控制系統設計思想，并熟練掌握基于 Matlab/Simulink的控制系統設計、分析與仿真方法，為后續實驗準備離線模型；實驗二和實驗三要求學生了解現代控制工程的控制系統V形設計理念與開發流程，并熟練掌握基于dSPACE平臺的控制器快速原型設計方法與硬件在回路仿真方法；實驗四要求學生了解閉環控制系統的設計原理，鞏固基于dSPACE平臺的控制器快速原型設計方法與硬件在回路仿真方法，為開展其他控制類實驗奠定基礎。

“X”為在前述基礎上開設的拓展模塊，通過構建面向典型應用的電機控制半實物仿真系統，促使學生系統地掌握基于dSPACE的控制系統快速原型設計的完整流程，鍛煉學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

實驗最后采用結構化考核方式，綜合評價實驗效果及實驗報告，在實驗報告中安排問題與改進方式、體會與建議等開放模塊，使學生能夠在實驗后認真回顧和反思，總結實驗心得，實驗教員也能從中汲取經驗，以及時對實驗內容和授課方式作出調整。

2.2 以課題研究的形式開展實驗教學活動

新時代高等教育以培養學生的創新實踐能力為目的［8－11］，傳統教育模式以知識傳授為主體，實踐教學是走出這一傳統模式的關鍵環節［12］。在實驗教學規劃中，除加強和鞏固課堂所學理論知識，把書本知識搬到實驗桌上外，更要注重實驗教學活動開展模式的改革創新。

以科研項目實施流程開展實驗教學活動，就是把“課題發布－選題/自主命題—方案設計—開題論證—項目實施—答辯驗收—成果演示—實驗報告—資料歸檔”的科研項目實施流程引入實驗課堂。以dSPACE系列實驗課程中拓展模塊為例，開課前2周發布課題，通知學生準備選題并進行初步方案設計，制作簡單的文檔和匯報PPT，就開題論證與教師、同學進行討論，在教師的指導下進行可行性論證并調整實驗方案，擬出所需設備清單。實驗完成后統一答辯并演示實驗成果、撰寫實驗報告，由實驗中心保管課題資料。

實驗中心鼓勵學生自擬題目，以問題為導向進行自主研究性學習，且不受課時和學科限制。學生在教師的引導下創設問題情景、了解所涉及的學科領域，最終得到較高水平的研究成果。一個單獨實驗項目能夠成為一個概括專業知識的有機整體，有利于學生更加系統、深入地了解和掌握專業知識。學生在完成實驗項目的同時，能夠學習到工程項目的管理方法，團結協作與組織協調能力也可得到鍛煉。

3 實驗教學成果實例

dSPACE系列實驗課程開設已有5年，經過不斷的優化改革，取得了非常好的教學效果。在項目化的運作方式下，學生創作出很多優秀的實驗作品。

（1）基于dSPACE的懸掛系統設計。該設計以dSPACE系統平臺為控制核心，以機械結構和dSPACE外圍系統實驗箱為硬件平臺，由步進電機控制模塊、紅外傳感和Control Desk人機交互3個功能部分組成。由dSPACE的算法產生不同狀態的PWM波，以控制電機的運動，從而實現對畫筆的控制。系統可通過Control Desk設置運動軌跡；控制質量大于100g的物體在仰角不大于100°的80cm×100cm白板上做自行設定的運動，物體上固定有淺色畫筆，在白板上畫出運動軌跡。電機的運動狀態實時顯示在屏幕上，人機界面友好。

（2）基于dSPACE的車輛運動控制仿真。用一臺計算機充當上位機，另一臺安裝dSPACE軟件的計算機充當下位機。上位機通過dSPACE的串口將方向、速度、檔位及剎車等控制信號發送到下位機，完成車輛的運動控制。

（3）基于dSPACE的自動升降電梯半實物仿真系統。根據對現實生活中自動電梯運行的觀察，使用Simulink搭建基于dSPACE的半實物仿真系統模型，實現對單座4層電梯運行狀態的模擬，包括合理的運行邏輯、電梯門的防夾功能、超重檢測功能、異常狀態報警功能，并最大限度地做到節能。

（4）基于dSPACE的二維跟蹤系統。以地面控制臺為原型，實現風箏的放飛、控制與回收，在dSPACE實驗平臺上完成地面控制臺的構建，實現二維云臺的手動跟蹤、程序自動跟蹤和2自由度分開控制和聯控。用360°導電滑環實現云臺水平旋轉角度的測量，增量編碼器用于云臺的俯仰角度測量。用2個SPWM實現控制云臺俯仰和水平旋轉步進電機的控制，用2個DAC模塊輸出0.5V電壓（邏輯低電平）或者5V電壓（邏輯高電平）分別驅動步進電機正反轉。

4 結束語

以培養目標為導向進行dSPACE教學實驗平臺的構建和實驗內容設計，有助于實現多層次、模塊化、多樣化的實驗教學體系，顯著提高學生的工程實踐能力，學生在綜合素質方面也有很好的鍛煉。由于在dSPACE模塊實驗中，實驗器材大多是學生自己采購的，實驗內容、目標及方法也由學生自己確定，很好地鍛煉了學生提出問題、解決問題的能力。對于學生來說，這不僅是一個學習知識的過程，更是一個全方位能力鍛煉的過程。

（

）

［1］單家元，丁艷.半實物仿真技術［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］付志紅，熊學海，侯興哲，等.基于dSPACE平臺的電能計量實時仿真系統［J］.儀器儀表學報，2011，32（8）：1763－1770.

［3］陳建松，陳南，殷國棟，等.基于dSPACE的4WS車輛硬件在環控制仿真研究［J］.系統仿真學報，2010，22（7）：1622－1626.

［4］許小慶，李鳳蘭.利用dSPACE實現電液伺服系統研究的實驗方法［J］.實驗技術與管理，2012，29（4）：90－92.

［5］張浩.基于dSPACE的交流調速系統實驗平臺設計［J］.電氣電子教學學報，2010，32（1）：76－79.

［6］北京九州恒潤科技有限公司.dSPACE：基于 Matlab/Smulink平臺的實時快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑［M］.北京：北京九州恒潤科技有限公司，2005.

［7］謝海斌、龍志強、史美萍，等.面向dSPACE的實驗教學探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2012，31（7）：158－164.

［8］黃奕勇.創新意識培養從課堂開始［J］.高等教育研究，2013，36（1）：33－35.

［9］楊勝剛.高校體制改革與大學生創新能力培養［J］.湖湘論壇，2013（2）：45－51.

［10］李銀國，朱方彬，李方偉，等.研究生開放性研究環境營造與協同創新能力培養［J］.學位與研究生教育，2013（2）：19－23.

［11］孫彥君，于恩中.高校大學生創新能力培養途徑探析［J］.中國科教創新導刊，2013（1）：41.

［12］楊學軍.加強實踐動手能力培養 改革創新人才培養模式［J］.高等教育研究學報，2013，36（1）：4－7.