, dSPACE * 基于基于 Matlab/Simulink 平臺(tái)平臺(tái)* 實(shí) 時(shí) 快 速 原 型 及 硬 件 在 回 路 仿 真實(shí) 時(shí) 快 速 原 型 及 硬 件 在 回 路 仿 真 的 一 體 化 解 決 途 徑的 一 體 化 解 決 途 徑 恒潤科技有限公司恒潤科技有限公司 2004 年年 6 月月 北京恒潤科技有限公司 1 dSPACE 產(chǎn)品介紹 目目 錄錄 1 概述概述 .1 2 2 dSPACE實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑.1 2.1 RCP（Rapid Control Prototyping）快速控制原型 .1 2.2 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation）硬件在回路仿真.1 2.3 用 dSPACE 進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā).1 2.4 建立用戶 dSPACE 系統(tǒng).1 3 dSPACE 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) .1 3.1 dSPACE 軟件.1 3.1.1 代碼生成及下載軟件（Implementation Software）.1 3.1.1.1 代碼的生成過程.1 3.1.1.2 MATLAB/Simulink-現(xiàn)代控制設(shè)計(jì)平臺(tái).1 3.1.1.3 RTI(Real-Time Interface)-從方框圖自動(dòng)生成代碼并下載.1 3.1.1.4 PPC 編譯器.1 3.1.2 實(shí)驗(yàn)軟件（Experiment Software）.1 3.1.2.1 ControlDesk 綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境.1 3.1.2.2 MLIB 和 MTRACE實(shí)現(xiàn)自動(dòng)試驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整.1 3.1.2.3 MotionDesk實(shí)時(shí)動(dòng)畫.1 3.1.2.4 CLIB-PC 與實(shí)時(shí)處理器通訊 .1 3.1.2.5 AutoMationDesk-自動(dòng)化測試工具 .1 3.1.3 TargetLink-產(chǎn)品級代碼的生成.1 3.2 dSPACE 硬件.1 3.2.1 智能化的單板系統(tǒng).1 3.2.1.1 DS1103 PPC 控制器板.1 3.2.1.2 DS1104 PPC 控制器板.1 3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng).1 3.2.2.1 處理器板（Processor Boards）.1 3.2.2.1.1 處理器板概述（總線和中斷）.1 3.2.2.1.2 DS1005 PPC 板-處理器 POWER PC750FX，800MHz.1 3.2.2.1.3 DS1006 PPC 板-處理器 X86 處理器，2.2GHz.1 3.2.2.2 I/O 板.1 3.2.2.2.1 簡單 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換.1 3.2.2.2.2 Multi-I/O.1 北京恒潤科技有限公司 2 dSPACE 產(chǎn)品介紹 3.2.2.2.3 增量編碼器接口 .1 3.2.2.2.4 定時(shí)及數(shù)字 I/O.1 3.2.2.2.5 復(fù)雜模擬信號(hào)及阻型傳感器.1 3.2.2.2.6 其它 I/O.1 3.2.2.2.7 DS2211 HIL I/O 板.1 3.2.2.3 附件（Accessories）.1 3.2.2.3.1 大系統(tǒng)擴(kuò)展盒 PX10/PX20 .1 3.2.2.3.2 接插鍵指示燈面板.1 3.2.2.3.3 DS830 連接緩沖器板-連接遠(yuǎn)距離系統(tǒng).1 3.2.3 汽車內(nèi)置系統(tǒng).1 3.2.3.1 AutoBox-汽車內(nèi)置試驗(yàn)擴(kuò)展箱 .1 3.2.3.2 MicroAutoBox-車輛快速測試控制原型系統(tǒng)的最佳選擇.1 4 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 .1 4.1 機(jī)器人新型控制原理測試-用-綜合與分析法控制機(jī)械手.1 4.2 驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用-驗(yàn)證 ASIC 控制器原理.1 4.3 機(jī)械工程方面的應(yīng)用Achenbach Buschhten 平面度控制.1 4.4 航空航天方面的應(yīng)用Simona 開發(fā)飛行仿真器 .1 4.5 汽車的硬件在回路仿真ABS 控制器測試試驗(yàn)臺(tái).1 4.6 電力電子方面的應(yīng)用-機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在回路仿真 .1 4.7 ECU 開發(fā)應(yīng)用-菲亞特公司開發(fā) ERG 控制器.1 4.8 DaimlerChrysler 開發(fā)主動(dòng)懸架 .1 4.9 Delphi 利用 Targetlink 進(jìn)行電控產(chǎn)品開發(fā) .1 4.10 Audi 公司動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) HIL 仿真測試.1 4.11 DS2302、DS4002 的應(yīng)用實(shí)例.1 附錄附錄 1I/O 板技術(shù)特性板技術(shù)特性.1 附錄附錄 2dSPACE 對計(jì)算機(jī)軟件及硬件的要求對計(jì)算機(jī)軟件及硬件的要求.1 北京恒潤科技有限公司 3 dSPACE 產(chǎn)品介紹 1 概述概述 在當(dāng)今社會(huì)，市場對產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性、快速性的趨勢，這就使企業(yè)的新品開發(fā)面 臨著多樣性需求與快速開發(fā)之間的矛盾；對控制系統(tǒng)魯棒性及可靠性的要求也日益增加；并 行工程（即：設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試和生產(chǎn)準(zhǔn)備同時(shí)進(jìn)行）被提上了日程。dSPACE 為并行工程 的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了一個(gè)良好的環(huán)境。 對于進(jìn)行控制算法研究的工程師而言，最頭疼的莫過于沒有一個(gè)方便而又快捷的途徑， 可以將他們用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件 (如 MATLAB/Simulink) 開發(fā)的控制算法在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，以便觀察與實(shí)際的控制對象相連時(shí)，控制算法的性能；而且，如果控制算法不 理想，還可以很快地進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)，反復(fù)試驗(yàn)直到找到理想的控制方案。 對一些大型的科研應(yīng)用項(xiàng)目，如果完全遵循過去的開發(fā)過程，由于開發(fā)過程中存在著需 求的更改，軟件代碼甚至代碼運(yùn)行硬件環(huán)境的不可靠性（如：新設(shè)計(jì)制造的控制單元存在缺 陷） ，最終導(dǎo)致項(xiàng)目周期長、費(fèi)用高，缺乏必要的可靠性，甚至還可能導(dǎo)致項(xiàng)目以失敗告終。 這就要求在開發(fā)的初期階段就引入各種試驗(yàn)手段，并有可靠性高的實(shí)時(shí)軟/硬件環(huán)境做支持。 另外，當(dāng)產(chǎn)品型控制器生產(chǎn)出來后，測試工程師又將面臨一個(gè)嚴(yán)重的問題。由于并行工 程的需求，控制對象可能還處于研制階段，或者控制對象很難得到，用什么方法才能在早期 獨(dú)立地完成對控制器的測試呢？ 我們將這些問題概括為兩種：快速控制原型（RCP）和硬件在回路仿真（HILS） 。dSPACE 提供了這兩方面應(yīng)用的統(tǒng)一平臺(tái)。 dSPACE 是德國的一家國際性高科技公司，成立于 1988 年。 公司除在德國 Paderborn 設(shè)有總部以外，在美國的麻省還設(shè)有分部。 目前，公司的主要產(chǎn)品方向：為控制工程項(xiàng)目的開發(fā)和測試提供軟/硬平臺(tái)。 公司的宗旨：將控制工程師從各種雜務(wù)中解脫出來，使他們在開發(fā)的初期可以全身心致 力于控制算法的研究；在產(chǎn)品測試階段為測試工程師提供一個(gè)適應(yīng)性強(qiáng)，界面友好的測試環(huán) 境。 dSPACE 公司目前已擁有 10000 多家用戶，其中 70%銷往德國以外的國家。 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng) 北京恒潤科技有限公司 4 dSPACE 產(chǎn)品介紹 開發(fā)及測試的工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和 MATLAB/Simulink 的完全無縫連接。dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁 有具有高速計(jì)算能力的硬件系統(tǒng)，包括處理器、I/O 等，還擁有方便易用的實(shí)現(xiàn)代碼生成/下 載和試驗(yàn)/調(diào)試的軟件環(huán)境。這樣，在 dSPACE 強(qiáng)大能力的支持下，就可以很好地解決上述 問題： ? 在控制系統(tǒng)開發(fā)的初期，把 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為控制算法及控制邏輯代碼的硬件運(yùn)行 環(huán)境。通過 dSPACE 提供的各種 I/O 板，在原型控制算法和控制對象之間搭建起一座實(shí) 時(shí)的橋梁；讓控制工程師將全部精力放在控制算法的研究和試驗(yàn)上，從而開發(fā)出最適合 控制對象或環(huán)境的控制方案。 ? 當(dāng)產(chǎn)品型控制器制造完以后，還可以用 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)來仿真控制對象或外環(huán)境， 從而允許對產(chǎn)品型控制器進(jìn)行全面、詳細(xì)地的測試，甚至連極限條件下的應(yīng)用也可以進(jìn) 行反復(fù)測試。在 dSPACE 試驗(yàn)工具軟件的幫助下，測試工程師不用再象過去那樣用一大 堆的信號(hào)監(jiān)測儀器費(fèi)力地監(jiān)測各種試驗(yàn)信號(hào)，而只需在計(jì)算機(jī)屏幕上隨時(shí)觀看測試工具 軟件記錄下的各種信號(hào)和曲線即可。從而大大節(jié)約測試費(fèi)用，縮短測試周期，增加測試 的安全性及可靠性。 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有很多其他仿真系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)： ? 組合性強(qiáng)：dSPACE 在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了大多數(shù)用戶的需求，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)， 可以對系統(tǒng)進(jìn)行多種組合。對不同用戶而言，可以在運(yùn)算速度不同的多種處理器 （如：TI 公司的 TMS 系列、DEC 公司的 Alpha 系列、Motorala 公司的 PowerPC 系 列）之間進(jìn)行選擇，最快的處理器浮點(diǎn)運(yùn)算速度高達(dá) 1000MFlops；I/O 也具有廣泛 的可選性，通過選擇不同的 I/O 配置，即可組成不同的應(yīng)用系統(tǒng)。 ? 過渡性好，易于掌握和使用過渡性好，易于掌握和使用：由于 dSPACE 與 MATLAB 的無縫連接，使廣大 MATLAB 用戶可以輕松地掌握 dSPACE 的使用，從而方便地從非實(shí)時(shí)分析、設(shè)計(jì)過渡到實(shí)時(shí) 的分析、設(shè)計(jì)。 ? 對產(chǎn)品型實(shí)時(shí)控制器的支持性強(qiáng)：針對用戶最終需要將仿真代碼轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品型控制 器的需求，dSPACE 提供了從仿真代碼到產(chǎn)品型控制器代碼的生成工具，還提供產(chǎn) 北京恒潤科技有限公司 5 dSPACE 產(chǎn)品介紹 品型控制器與 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件接口，從而允許將 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)納入閉 環(huán)測試中，這樣，就可以在 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的幫助下，順利完成原型設(shè)計(jì)到產(chǎn)品 的轉(zhuǎn)換。 ? 快速性好：由于 dSPACE 與 MATLAB 的無縫連接，使用戶在幾分鐘之內(nèi)就可以完 成模型/參數(shù)的修改、代碼的生成及下載等工作，從而可以在短期內(nèi)完成對原型的 反復(fù)更改和試驗(yàn)，盡快推出產(chǎn)品，完全避免了過去的那種因?yàn)榫植扛膭?dòng)就要多花費(fèi) 幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行代碼的修改和重新測試。大大節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用。 ? 性能價(jià)格比高：對用戶而言，dSPACE 更象是一種平臺(tái)，這就意味著用戶用 dSPACE 完成一種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測試后，還可以用 dSPACE 進(jìn)行其它新品的開發(fā)或?qū)崟r(shí)仿真 測試。這一特點(diǎn)使 dSPACE 具有較高的性能價(jià)格比。 ? 基于 PC 機(jī)，WINDOWS 操作系統(tǒng)：為了便于用戶掌握和使用，dSPACE 充分考慮 了大多數(shù)用戶都使用 WINDOWS 這一特點(diǎn)， 其代碼生成及下載軟件、 試驗(yàn)工具軟件 都基于 WINDOWS，而不象其他仿真系統(tǒng)那樣基于 UNIX 或 DOS。另外，考慮到用 戶普遍使用PC機(jī)， dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與主機(jī)的硬件接口一般采用標(biāo)準(zhǔn)ISA/PCI總線， 從而避免了用戶在附加設(shè)備上的投資。 ? 實(shí)時(shí)性好：一旦代碼下載到實(shí)時(shí)系統(tǒng)，代碼本身將是獨(dú)立運(yùn)行的，試驗(yàn)工具軟件只 是通過內(nèi)存映射訪問試驗(yàn)過程中的各種參數(shù)及結(jié)果變量，不會(huì)產(chǎn)生對試驗(yàn)過程的中 斷。 ? 可靠性高：dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬件、代碼生成及下載軟件、試驗(yàn)工具軟件都是由 dSPACE 工程師精心設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試的，不存在任何兼容性問題，可靠性高。是 可以信賴的軟/硬件平臺(tái)。 ? 靈活性強(qiáng)：dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)允許用戶在單板系統(tǒng)和多板系統(tǒng)、單處理器系統(tǒng) 和多處理器系統(tǒng)、自動(dòng)生成代碼和手工編制代碼之間進(jìn)行選擇，使 dSPACE 系統(tǒng)具 有很大的靈活性，從而可以適應(yīng)用戶各方面的應(yīng)用需求。 正是由于 dSPACE 的無可比擬的優(yōu)越性，使得 dSPACE 從誕生之日起就引起了眾多工程 北京恒潤科技有限公司 6 dSPACE 產(chǎn)品介紹 技術(shù)人員及專家學(xué)者的注意。目前，dSPACE 已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、電力機(jī) 車、機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)及工業(yè)控制等領(lǐng)域。 越來越多的工廠、學(xué)校及研究部門開始用 dSPACE 來解決在實(shí)際工作及研究中碰到的問題。由于他們的努力，dSPACE 的應(yīng)用領(lǐng)域正在日益拓 寬。 許多汽車界的用戶都把 dSPACE 作為可以信賴的開發(fā)測試工具， 如： Audi 公司用 dSPACE 實(shí)現(xiàn)了 ABS 控制器測試臺(tái)；有的汽車界用戶如：Chrysler、Delphi、Ford、General Motors、 Honda、Toyota Motor、Nissan、Mazda Motor 等公司用 dSPACE 進(jìn)行動(dòng)力控制原型的開發(fā)； 而德國的鐵路運(yùn)輸巨頭 Adtranz 則用 dSPACE 實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的仿真； 美國的 Boeing, Calspan 公司用 dSPACE 進(jìn)行飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真；還有一些研究部門如荷蘭的 Delft 工業(yè) 大學(xué)、日本的 Waseda 大學(xué)等用 dSPACE 進(jìn)行機(jī)器人控制算法的研究；而且，由于 dSPACE 的高度可靠性，許多工業(yè)用戶用 dSPACE 實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程控制，如 Achenbach Buschtten 公司 就依賴 dSPACE 的高可靠性來控制型材的平面度； 丹麥的 Grundfos 還用 dSPACE 來驗(yàn)證專用 集成電路的設(shè)計(jì)可行性。 總而言之，dSPACE 已成為眾多用戶解決實(shí)際問題的一條可以信賴的途徑，而且，正是 由于 dSPACE 的存在，使得控制系統(tǒng)的開發(fā)、產(chǎn)品型控制器的仿真測試變得更加方便易行， 大大加快了新產(chǎn)品的研制速度，也使技術(shù)研究人員對控制算法及仿真測試方案的研究進(jìn)入更 高的境界。dSPACE 公司也將不遺余力地為廣大工程科研工作者著想，不斷推出更先進(jìn)的產(chǎn) 品。 北京恒潤科技有限公司 7 dSPACE 產(chǎn)品介紹 2 2 dSPACE實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑 實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑 對工程技術(shù)人員而言，所面臨的無非是兩種應(yīng)用問題：一是在開發(fā)的初期階段，快速地 建立控制對象及控制器模型，并對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行多次的、離線的及在線的試驗(yàn)來驗(yàn)證控 制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性。這個(gè)過程我們稱之為快速控制原型（RCP） ；第二個(gè)問題就是 已設(shè)計(jì)完的控制器投入生產(chǎn)后，在投放市場前必須對其進(jìn)行詳細(xì)的測試。如果按傳統(tǒng)的測試 方法，用真實(shí)的對象或環(huán)境進(jìn)行測試。這樣做無論是人員、設(shè)備還是資金都需要較大的投入， 而且周期長，不能進(jìn)行極限條件下的測試，試驗(yàn)的可重復(fù)性差，所得測試結(jié)果可記錄性及可 分析性都較差?，F(xiàn)在普遍采用的方法就是：在產(chǎn)品上市之前，采用真實(shí)的控制器，被控對象 或者系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境部分采用實(shí)際的物體，部分采用實(shí)時(shí)數(shù)字模型來模擬，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿 真測試，這個(gè)過程我們稱之為硬件在回路仿真（HILS） 。 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為這兩種應(yīng)用提供了協(xié)調(diào)統(tǒng)一的一體化解決途徑，即用 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)快速控制原型也可以實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真。 2.1 RCP（Rapid Control Prototyping）快速控制原型）快速控制原型 要實(shí)現(xiàn)快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計(jì)、離線仿真、實(shí)時(shí)開發(fā)及 測試工具。dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)允許反復(fù)修改模型設(shè)計(jì)，進(jìn)行離線及實(shí)時(shí)仿真。這樣，就可以 將錯(cuò)誤及不當(dāng)之處消除于設(shè)計(jì)初期，使設(shè)計(jì)修改費(fèi)用減至最小。 使用 RCP 技術(shù)，可以在費(fèi)用和性能之間進(jìn)行折衷；還可在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前，仔細(xì) 研究諸如離散化及采樣頻率等的影響、算法的性能等問題。通過將快速原型硬件系統(tǒng)與所要 控制的實(shí)際設(shè)備相連，可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)的性能特征。而且， 還可以利用旁路（BYPASS）技術(shù)將原型電控單元（ECU： Electronic Control Unit）或控制 器集成于開發(fā)過程中，從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品型控制器的順利轉(zhuǎn)換。 RCP 的關(guān)鍵就是代碼的自動(dòng)生成和下載，只需鼠標(biāo)輕輕一點(diǎn)，就可以在幾秒鐘內(nèi)完成設(shè) 計(jì)的更改。 北京恒潤科技有限公司 8 dSPACE 產(chǎn)品介紹 2.2 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation）硬件在回路仿真）硬件在回路仿真 當(dāng)新型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束，并已制成產(chǎn)品型控制器，需要在閉環(huán)下對其進(jìn)行詳細(xì)測試。 但由于種種原因如：極限測試、失效測試，或在真實(shí)環(huán)境中測試費(fèi)用較昂貴等，使測試難以 進(jìn)行，例如：在積雪覆蓋的路面上進(jìn)行汽車防抱死裝置（ABS）控制器的測試就只能在冬季 有雪的天氣進(jìn)行；有時(shí)為了縮短開發(fā)周期，甚至希望在控制器運(yùn)行環(huán)境不存在的情況下（如： 控制對象與控制器并行開發(fā)） ， 對其進(jìn)行測試。 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的 HIL 仿真將助您解決 這一問題。 現(xiàn)在，許多控制工程師都把 HIL 仿真作為替代真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法。在 HIL 北京恒潤科技有限公司 9 dSPACE 產(chǎn)品介紹 仿真中，實(shí)際的控制器和用來代替真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的仿真模型一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)，難以 建立數(shù)學(xué)仿真模型的部件（如液壓系統(tǒng)）可以保留在閉環(huán)中，這樣就可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完 成對 ECU 的測試，從而可以大大降低開發(fā)費(fèi)用，縮短開發(fā)周期。 這兩方面應(yīng)用的區(qū)別僅僅是：在 RCP 中，dSPACE 的仿真對象是控制器，實(shí)現(xiàn)了控制器的 功能；而在 HILS 中，dSPACE 的仿真對象是設(shè)備或環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了某一設(shè)備或外環(huán)境的功能。 2.3 用用 dSPACE 進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā) 工程師在進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，常常需要同時(shí)面臨許多難以解決的問題，而開發(fā)的時(shí)間 卻要求愈來愈緊迫。 ? 由于在制造過程中存在的公差、老化和元器件裝配等問題，對控制系統(tǒng)提出了相當(dāng)高的 可靠性要求； ? 對控制性能越來越高的要求使得控制算法越來越復(fù)雜； ? 并行工程要求設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試及生產(chǎn)準(zhǔn)備同時(shí)進(jìn)行。 ? 有時(shí)控制對象在開發(fā)過程中也在不斷發(fā)生變化。 dSPACE 公司為了減輕控制工程師的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)企業(yè)/院校的產(chǎn)品開發(fā)能力，縮短產(chǎn)品開 發(fā)周期，提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，從而增強(qiáng)其市場競爭力，徹底改變了過去的那種啟發(fā)式開發(fā) 方法，推出面向應(yīng)用的現(xiàn)代開發(fā)方法。 按照過去的開發(fā)方法，一般包括下列的典型步驟： ? 根據(jù)調(diào)查情況用文字說明的方式定義需求和設(shè)計(jì)目標(biāo) ? 根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)提出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ? 由硬件人員設(shè)計(jì)并制造硬件電路 ? 由控制工程師設(shè)計(jì)控制方案，并將控制規(guī)律用方程的形式描述出來 ? 由軟件人員采用手工編程的方式實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律 ? 由系統(tǒng)工程師或電子專家將代碼集成于硬件電路中 ? 用真實(shí)控制對象或測試臺(tái)對系統(tǒng)進(jìn)行測試 北京恒潤科技有限公司 10 dSPACE 產(chǎn)品介紹 由上述過程可以看出，傳統(tǒng)的開發(fā)方法至少存在三個(gè)較大的問題： 1在對控制規(guī)律的控制特性或控制效果還沒有一點(diǎn)把握的情況下，硬件電路已經(jīng)制造了， 這時(shí)，還不知道所設(shè)計(jì)的方案能在多大程度上滿足要求，抑或根本就不能滿足要求，但已經(jīng) 產(chǎn)生了較大的硬件投入資本。 2由于采用手工編程，所以會(huì)產(chǎn)生代碼不可靠的問題，這樣，在測試過程中如果出現(xiàn)問題 （在大多數(shù)情況下這是必然的） ，就很難確定是控制方案不理想還是軟件代碼有錯(cuò)誤。更重 要的是手工編程將會(huì)占用大量的時(shí)間，導(dǎo)致雖然有了控制方案，卻要等待很長時(shí)間才能對其 進(jìn)行驗(yàn)證和測試，從而在不知道方案是否可行的情況下就浪費(fèi)了大量的時(shí)間、人力和物力， 給開發(fā)帶來不必要的開支和經(jīng)濟(jì)損失。 3即使軟件編程不存在問題，如果在測試過程中發(fā)現(xiàn)控制方案不理想，需要進(jìn)行修改，則 新的一輪工作又將開始。大量的時(shí)間又將耗費(fèi)在軟件的修改和調(diào)試上。另外，由于涉及的部 門太多，再加上管理不善所引入的種種不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致開發(fā)周期長而又長，最終導(dǎo)致產(chǎn)品雖然 研制成功了，但初始需求已經(jīng)發(fā)生了變化，市場機(jī)會(huì)已經(jīng)錯(cuò)過，產(chǎn)品已沒有了銷路，從而使 整個(gè)開發(fā)以失敗告終。 而 dSPACE 提倡的基于模型面向應(yīng)用的現(xiàn)代開發(fā)方法則要有效的多。 現(xiàn)代開發(fā)方法的最重要的特征就是計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（CACSD：Computer-Aided Control System Design） 。將計(jì)算機(jī)支持工具貫穿于控制系統(tǒng)開發(fā)測試的全過程。計(jì)算機(jī)輔助 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅僅是進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)和離線仿真，還包括實(shí)時(shí)快速控制原型、產(chǎn)品代 碼生成和硬件在回路測試。這是一個(gè)完整的流線型的控制系統(tǒng)開發(fā)步驟，一般將由下列過程 組成： ? 概念定義/需求定義/詳細(xì)說明 /* 在傳統(tǒng)方法中，這一過程的產(chǎn)物就是幾千字甚至幾萬字的文字說明。在現(xiàn)代方法中 為了避免文字說明的模糊性及理解性錯(cuò)誤，詳細(xì)說明將采用模型方式?？梢杂眯盘?hào)流圖的方 式進(jìn)行定義。*/ ? 控制方案設(shè)計(jì) /* 控制方案的設(shè)計(jì)也不再采用過去的那種先將對象模型簡化成手工可以處理的形 北京恒潤科技有限公司 11 dSPACE 產(chǎn)品介紹 式，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工設(shè)計(jì)的方式。而是用諸如 MATLAB/SIMULINK 等計(jì)算機(jī)輔助 建模及分析軟件建立對象盡可能準(zhǔn)確的模型，并進(jìn)行離線仿真，從而避免了傳統(tǒng)設(shè) 計(jì)過程中，由于對象過于簡化，也沒有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具做支持而帶來的 到試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的方案根本就不能滿足實(shí)際對象的要求的尷尬局面。*/ ? 快速控制原型（RCP） /* 按現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，方案設(shè)計(jì)結(jié)束后，無須再象過去那樣要花極大的耐心等待軟 件工程師進(jìn)行手工編程，再由電子工程師將代碼集成于硬件電路中，而是利用計(jì)算 機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具自動(dòng)將控制方案框圖轉(zhuǎn)換為代碼并自動(dòng)下載到硬件開發(fā)平臺(tái)，從而 快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型，并且包括了實(shí)際系統(tǒng)中可能包括的各種 I/O，軟件及硬 件中斷等實(shí)時(shí)特性。之后，就可以利用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)測試管理工具軟件進(jìn)行各種 試驗(yàn)，以檢驗(yàn)控制方案對實(shí)際對象的控制效果，并隨時(shí)修改控制參數(shù)，直到得到滿 意的結(jié)果為止。即使是模型需要相當(dāng)大的修改，從修改到下一次對原型的測試的也 只需要幾分鐘的時(shí)間。從而在最終實(shí)現(xiàn)控制方案之前，就已經(jīng)對可能得到的結(jié)果有 了相當(dāng)?shù)陌盐?，避免了過多的資源浪費(fèi)和時(shí)間消耗。 */ ? 生成產(chǎn)品代碼 /* 將模型轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品代碼是開發(fā)過程中最關(guān)鍵的一步。過去這種轉(zhuǎn)換完全是通過 手工編程實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)代開發(fā)方法則不同，產(chǎn)品代碼的大部分是自動(dòng)生成的。 對大多數(shù)工程師而言，如果能夠加快開發(fā)速度，損失代碼的部分實(shí)時(shí)運(yùn)行效率是可 以接受的，如：自動(dòng)生成代碼的運(yùn)行效率不低于手工代碼的 10%，內(nèi)存占用量不超 過手工代碼的 10%。*/ ? 硬件在回路仿真（HILS） /* 有了控制系統(tǒng)的初樣，并不意味著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具（軟件/硬件）就沒有用 了。相反，現(xiàn)在由于控制系統(tǒng)所完成功能的日漸復(fù)雜性，對其進(jìn)行全面綜合的測試， 特別是故障情況和極限條件下測試就顯得尤為重要了。但如果用實(shí)際的控制對象進(jìn) 行測試，很多情況是無法實(shí)現(xiàn)的，抑或要付出高昂的代價(jià)， （* 如：對汽車電控單 元的測試就包括不同車型，不同路況，不同環(huán)境（雨、雪、風(fēng)、冰等）下的測試， 北京恒潤科技有限公司 12 dSPACE 產(chǎn)品介紹 如果用真實(shí)的汽車必然要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間，付出高昂測試費(fèi)用。 ）但如果用計(jì)算 機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具對控制對象進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，就可以進(jìn)行各種條件下的測試，特別是 故障和極限條件下的測試。而這正是傳統(tǒng)開發(fā)方法所不具備的。*/ dSPACE 為流線型控制系統(tǒng)開發(fā)提供了一套計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具包-CDP （Control Development Package） 。CDP 主要基于下列工具： ? MathWorks 公司 MATLAB：用來進(jìn)行模型的分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化和數(shù)據(jù)的離線處理 ? MathWorks 公司 Simulink：用來進(jìn)行基于方框圖的控制系統(tǒng)離線仿真 ? MathWorks 公司 Real-Time-Workshop: 用來從方框圖模型直接生成 C 代碼 ? dSPACE 公司 Real-Time Interface (RTI): 用來使代碼可以在單處理器/多處理器目標(biāo) 系統(tǒng)中運(yùn)行 ? dSPACE 系列軟件工具：用來對閉環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行交互操作（自動(dòng)/手動(dòng)） 利用 CDP，可以完成從系統(tǒng)建模、分析、離線仿真直到實(shí)時(shí)仿真的全過程。對大多數(shù)用 戶而言，一般有以下幾個(gè)開發(fā)步驟： 步驟 1： 用線性或非線性方程建立控制對象的理論模型。 該方程應(yīng)能用 MATLAB 的 m-file 格式或 Simulink 方框圖方式表示，以便于用 MATLAB/Simulink 進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。 步驟2： 用MATLAB工具箱設(shè)計(jì)一原始控制方案。 這些工具箱包括： Control System Toolbox, Nonlinear Control Toolbox, Robust Control Toolbox, 和 Optimization Toolbox。 步驟 3：用 Simulink 對控制方案設(shè)計(jì)進(jìn)行離線仿真。 步驟 4：在 Simulink 方框圖中，從 RTI 庫用拖放指令指定實(shí)時(shí)測試所需的 I/O（A/D 轉(zhuǎn) 換器，增量編碼器接口等） ，并對 I/O 參數(shù)（如 A/D 電壓范圍等）進(jìn)行設(shè)置。 步驟 5：用鼠標(biāo)選擇 RTW Build，自動(dòng)完成目標(biāo) DSP 系統(tǒng)的實(shí)時(shí) C 代碼生成、編譯、連 接和下載。即使是復(fù)雜的大型控制系統(tǒng)該過程一般也只需幾分鐘左右。 步驟 6：用 ControlDesk 試驗(yàn)工具軟件包與實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行交互操作，如調(diào)整控制參數(shù)， 顯示控制系統(tǒng)的狀態(tài)（如發(fā)動(dòng)機(jī)速度，液壓等） ，跟蹤過程響應(yīng)曲線等。 步驟 7：如果需要，利用 MLIB/MTRACE 從實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)回傳 給用于建模和設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境（如：MATLAB） ，由 MATLAB 根據(jù)一定的算法計(jì)算下一步控制參 北京恒潤科技有限公司 13 dSPACE 產(chǎn)品介紹 數(shù)并通過 MLIB/MTRACE 將參數(shù)送給實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)的優(yōu)化過程。 步驟 8：返回步驟 1。只有通過實(shí)時(shí)測試，才能得到一些反饋信息如：對象模型是否需 要改進(jìn)、控制特性是否過嚴(yán)或過松、控制系統(tǒng)對不能建模的對象動(dòng)特性（如：考慮到實(shí)時(shí)性 而將部分對象直接包含于閉環(huán)測試中） 、干擾及傳感器噪音是否有足夠的魯棒性。 如果采用傳統(tǒng)的開發(fā)方法，那么在開發(fā)過程中至少要包括一個(gè)控制工程師，負(fù)責(zé)根據(jù)原 始說明設(shè)計(jì)電氣線路； 一個(gè)程序員負(fù)責(zé)開發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所描述的控制算法代碼。 這樣， 在開發(fā)過程中就難免由于各種協(xié)調(diào)問題產(chǎn)生時(shí)間延誤。而且由于硬件方面的種種限制，對控 制系統(tǒng)參數(shù)的修改必須花很長時(shí)間才能得到驗(yàn)證，導(dǎo)致開發(fā)周期過長。 利用 dSPACE， 則可使工程師全神貫注于控制方案的構(gòu)思而不必再在瑣碎的雜務(wù)上花費(fèi)相 當(dāng)多的時(shí)間，從而可以大大縮短開發(fā)周期。 （如果不想使用 MATLAB/Simulink，也可以使用其 他工具生成控制算法代碼或進(jìn)行手工編程） 。 2.4 建立用戶建立用戶 dSPACE 系統(tǒng)系統(tǒng) dSPACE 允許用戶根據(jù)需求來組建用戶系統(tǒng)，無論是軟件還是硬件，dSPACE 都提供了 多項(xiàng)選擇： 自動(dòng)/手動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制代碼的生成和下載 如果將 dSPACE 的 TDE 集成開發(fā)環(huán)鏡與 Mathworks 的 MATLAB/Simulink+RTW 聯(lián)合使 用，外加一個(gè) C 編譯器，只需鼠標(biāo)輕輕一點(diǎn)，一切均可自動(dòng)完成。 如果代碼不是源于 Simulink， 用 dSPACE 提供的系列軟件庫也可以完成代碼生成及下載。 單板系統(tǒng)/標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng) dSPACE 允許在單板系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)之間進(jìn)行選擇。 單板系統(tǒng)本身就是一個(gè)完整的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，DSP 及 I/O 全部集成于同一板上。 標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)至少由一塊處理器板和一些 I/O 板組成。 I/O 的類型及數(shù)目、 計(jì)算性能及存 儲(chǔ)區(qū)均可通過附加 I/O 板和處理器板進(jìn)行擴(kuò)展。處理器板和 I/O 板之間的通訊由 PHS （Peripheral High-Speed bus）總線完成。 PC 機(jī)內(nèi)置式系統(tǒng)/擴(kuò)展盒式系統(tǒng) 北京恒潤科技有限公司 14 dSPACE 產(chǎn)品介紹 dSPACE 實(shí)時(shí)系統(tǒng)板為標(biāo)準(zhǔn) 8 位或 16 位 PC/AT 板，可直接插入 PC 機(jī)內(nèi)的 ISA 或 PCI 總線，也可插入擴(kuò)展盒中，并通過總線或 Ethernet 與主機(jī)相聯(lián)。 單處理器/多處理器系統(tǒng) 如果用單處理器系統(tǒng)不能滿足要求，可以用 dSPACE 的多處理器系統(tǒng)。多處理器系統(tǒng)以 DS1005 PPC 處理器板為核心（主 CPU 為 PowerPC） ，同時(shí)，也可通過處理器板之間的光纖 通信接口板擴(kuò)展處理器板，組成并行多處理器系統(tǒng)，從而大大加快模型的仿真速度，適應(yīng)用 戶對快速實(shí)時(shí)計(jì)算模型的要求。DS1005 PPC 處理器板可通過 PHS 總線管理 I/O，因此，由 DS1005 PPC 處理器板組成的多處理器系統(tǒng)除 I/O 能力可以擴(kuò)展外，計(jì)算能力也同時(shí)得以擴(kuò) 展。 北京恒潤科技有限公司 15 dSPACE 產(chǎn)品介紹 3 dSPACE 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 作為一個(gè)全方位的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與測試平臺(tái)，dSPACE 擁有簡單易用的代碼生成及下 載軟件、試驗(yàn)工具軟件，還擁有靈活性極強(qiáng)的硬件組合系統(tǒng)。 就軟件而言，考慮到大多數(shù)用戶使用 MATLAB 進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和各種模型的建立， dSPACE 將自己的代碼生成及下載軟件集成于 MATLAB 中， 實(shí)現(xiàn)了與 MATLAB 的無縫連接。 從而允許用戶直接在 MATLAB 中調(diào)用 dSPACE 的各種函數(shù)庫如：實(shí)時(shí)接口 RTI 、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 采集 MTRACE 及 MATLAB 到 dSPACE 的接口 MLIB 等。 雖然 dSPACE 的代碼生成及下載軟件、試驗(yàn)工具軟件都是模塊化的，但從用戶的實(shí)際需 求出發(fā)，dSPACE 提供了軟件組合 CDP。CDP 包括 Real-Time Interface, ControlDesk, MLIB/MTRACE。CDP 配合 MATLAB/Simulink/RTW，就可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開發(fā)測試的