基于dSPACE仿真技術的應用及發(fā)展

汪賽　余秋香　陳磊

【摘 要】基于dSPACE仿真技術同其它類型的仿真方法相比具有經濟地實現(xiàn)更高真實度的可能性，目前主要應用于高科技產業(yè)、教育教學、科學科研。本文介紹了dSPACE仿真技術及其體系結構，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。

【關鍵詞】dSPACE仿真技術；應用；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、導彈的控制需要應用動力學系統(tǒng)，而實物的檢測需要大量的人力和物力，這促使了仿真技術的發(fā)展。20世紀40年代，為了適應控制系統(tǒng)的市場，開始研究控制系統(tǒng)的仿真技術。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)團隊對相應的產品進行速度、樣式的模擬并進行測試，最終形成可靠產品。dSPACE的出現(xiàn)就是為了達到這一目的。

1 dSPACE仿真技術

對于企業(yè)產品的研發(fā)以及學校教學實驗，都需要理論與實踐相結合。

一個產品型控制器的開發(fā)會面臨兩個問題：一是在產品設計之前，主要是控制算法的應用。在現(xiàn)有的控制算法中找到一個合適的并能實時應用在硬件上觀測算法的性能，這是一種便捷的尋找設計方案的方法。因為在算法不理想時可以很快的進行反復設計來尋找理想方案。二是在確定相應的算法形成硬件后，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。

學校的教學實驗能夠為學生學習提供產品開發(fā)流程的實踐?？刂圃淼睦碚撝v解一直是枯燥的課程，同學在dSPACE平臺進行應用算法，再結合其他課程的學習，把自己設計的產品應用在實踐中提高了學生學習效率。

2 dSPACE體系結構簡介

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，完成原型到產品的轉換。

硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）主要是在上一階段已經結束后，并已完成產品，而應用的仿真。由于真實環(huán)境中測試條件有限不能對產品進行多種情況的測試。這一階段就能應用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仿真技術的應用——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學模型，然后應用Matlab/Simulink完成飛行器控制系統(tǒng)仿真模型搭建，最后設置仿真環(huán)境及應用監(jiān)控軟件實時監(jiān)測調試。

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據的接收，并由導航系統(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節(jié)參數，建立虛擬儀表、繪制按鈕等完成監(jiān)控界面的設計。

4 dSPACE仿真技術的發(fā)展趨勢

經過多年的發(fā)展，國內外的仿真應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，軍事方面已經形成了半實物仿真設施體系。制導和控制系統(tǒng)聯(lián)合、多模導引頭、導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，應用的領域也從傳統(tǒng)的航空航天到教育教學、新能源汽車、軌道交通等其他領域。由于我國對上述領域內產品需求規(guī)模大，國家政策以及技術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 結語

dSPACE仿真是仿真技術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學模型困難而無法仿真的情況。使最終設計出產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)的質量，縮短研制周期和節(jié)省研制費用。對于教學的實際情況，快速控制原理這一部分內容涉及到建模、設計、仿真、測試、檢測等方面，加深理解了理論知識、彌補了教學手段單一、教學內容枯燥等教學模式。隨著dSPACE仿真技術的發(fā)展，必將在多個領域發(fā)揮更大的作用。

【參考文獻】

[1]郭齊勝，等.系統(tǒng)仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2006.

[2]楊滌，等.系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應用[M].北京：清華大學出版社， 2002.

[3]dSPACE Real-time Interface（RTI and RTI-MP）Implementation Guide（For RTI 4.0 and RTI-MP 4.0）.HenLun science，Inc.2003.

[4]劉白雁.機電系統(tǒng)動態(tài)仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2005.

[5]劉延斌，金光.光機電信息[J].仿真技術，2003，（1）：27-32.

[6]劉延斌.基于dSPACE的亞軌道飛行器控制系統(tǒng)半實物仿真研究[D].湖南：國防科技大學，2011.