1、就控制系統(tǒng)的研發(fā)而言，技術(shù)人員必須面對兩個基本問題：在開發(fā)的初始階段，快速建立控制對象和控制器模型，并對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行多次離線和在線測試，以驗證控制系統(tǒng)軟硬件解決方案的可行性，即使用快速控制原型(RCP)進(jìn)行功能測試和檢查。通過快速控制原型檢驗設(shè)計，可以消除早期設(shè)計中引入的大部分錯誤和缺陷，便于制定詳細(xì)的后續(xù)設(shè)計規(guī)范，降低項目的技術(shù)風(fēng)險。當(dāng)控制器被設(shè)計并投入生產(chǎn)時，在投入市場之前必須進(jìn)行詳細(xì)的測試。如果用傳統(tǒng)的測試方法對真實物體或環(huán)境進(jìn)行測試，將需要大量的人員、設(shè)備和資金投入，并且由于周期長，在極端條件下很難進(jìn)行測試。測試重復(fù)性差，可記錄和可分析的測試結(jié)果差。目前，常用的方法是：在產(chǎn)品上市之

2、前，使用真實的控制器，用實時數(shù)字模型對被控對象或系統(tǒng)運行環(huán)境進(jìn)行部分仿真，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，即硬件在環(huán)仿真(HILS)。一般來說，控制器產(chǎn)品的開發(fā)一般包括以下幾個部分：(1)根據(jù)調(diào)研，用文字明確要求和設(shè)計目標(biāo)，并根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)參考提出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計；硬件人員設(shè)計和制造硬件電路?？刂乒こ處熢O(shè)計控制方案，并以方程的形式描述控制規(guī)律。軟件人員使用手工編程來實現(xiàn)控制規(guī)律。系統(tǒng)工程師或電子專家將代碼集成到硬件電路中，并用真實的控制對象或測試平臺測試產(chǎn)品。為了滿足越來越緊迫的工期，R&D大部分單位采用了并行工作的方法，即并行工程。在這個過程中，控制系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和質(zhì)量要求以及R&D要求的變化(如

3、被控對象的變化，這在大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計中非常常見)使得控制器的設(shè)計需要隨時進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這通常是基于對成形產(chǎn)品零件的綜合實驗測試。事實上，傳統(tǒng)的控制器設(shè)計過程往往具有一定的盲目性。由于集成控制系統(tǒng)的閉環(huán)測試只能在整個系統(tǒng)的全部或大部分部件都已樣機(jī)化后才能進(jìn)行，因此在產(chǎn)品開發(fā)的后期會逐漸出現(xiàn)很多問題，造成很大的麻煩，例如硬件電路的制作沒有掌握控制規(guī)律的控制特性或控制效果，但是設(shè)計方案在多大程度上能夠滿足要求還沒有得到確認(rèn)，或者根本不能滿足要求，但是卻產(chǎn)生了大量的硬件投資資金。有一個問題是手工編程會導(dǎo)致代碼不可靠。如果在測試過程中出現(xiàn)問題(這在大多數(shù)情況下是不可避免的)，很難確定控制方案是否不理想或

4、軟件編碼錯誤。此外，手工編程費時費力，再次驗證和測試控制方案設(shè)計需要很長時間。如果方案不合適，就意味著前期投資的浪費和高開發(fā)風(fēng)險。即使軟件編程沒有問題，如果在測試中發(fā)現(xiàn)控制方案不能令人滿意，需要修改，就應(yīng)該開始新一輪的改進(jìn)工作。大量時間將花費在軟件修改和調(diào)試上。此外，由于涉及的部門多，管理不善帶來的各種不協(xié)調(diào)，開發(fā)進(jìn)度經(jīng)常被延誤。因此，雖然產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)成功，但最初的市場需求已經(jīng)改變，商機(jī)已經(jīng)錯過，開發(fā)仍然以失敗告終。V型開發(fā)過程中，現(xiàn)代V型依賴于計算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(CACSD)，計算機(jī)支持工具貫穿于控制系統(tǒng)開發(fā)和測試的全過程。計算機(jī)不僅可以輔助控制系統(tǒng)設(shè)計、方案設(shè)計和離線仿真，還可以用于實

5、時快速控制原型、產(chǎn)品代碼生成和硬件在環(huán)測試。在這里，“V”代表“驗證”和“確認(rèn)”，從而形成了一套嚴(yán)謹(jǐn)、完整的系統(tǒng)開發(fā)方法，一般包括以下幾個階段：第一階段是功能需求的定義和控制方案的設(shè)計。在傳統(tǒng)的方法中，這個過程的產(chǎn)物是幾千個詞甚至幾萬個詞。在現(xiàn)代方法中，為了避免對文本描述的歧義和誤解，詳細(xì)描述將采用模型模式，該模式可由信號流圖(Simulink模型)定義。在控制方案的設(shè)計中，不是將對象模型簡化成一個可以手動處理的形式，然后根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行手動設(shè)計，而是利用計算機(jī)輔助建模分析軟件如MATLAB/SIMULINK來建立對象的模型，并進(jìn)行離線仿真，從而避免了傳統(tǒng)設(shè)計過程中由于對象過于簡單化而導(dǎo)致設(shè)計方案

6、不能滿足實際對象要求的尷尬局面。根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計方法，第二階段快速控制原型(RCP)不需要等待軟件工程師的編程和后續(xù)的代碼與硬件的集成，而是利用計算機(jī)輔助設(shè)計工具將控制方案框圖自動轉(zhuǎn)換成代碼，并自動下載到硬件開發(fā)平臺，從而快速實現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型。原型包括各種實時特性，如實際系統(tǒng)中的輸入/輸出、軟件和硬件中斷。然后，利用計算機(jī)輔助測試管理工具軟件進(jìn)行各種測試，驗證控制方案對實際對象的控制效果，在線優(yōu)化控制參數(shù)。此時，即使模型需要大規(guī)模修改，也只需要幾分鐘就可以重新形成測試原型。這樣，在最終實現(xiàn)控制方案之前，可以基本確定最終的方案和效果，避免資源和時間消耗的過度浪費。第三階段，代碼生成，傳統(tǒng)手工編程容

7、易引入缺陷，速度慢；現(xiàn)代開發(fā)方法不同，大多數(shù)產(chǎn)品代碼都是由機(jī)器自動生成的。對于大多數(shù)工程師來說，如果開發(fā)速度可以加快，那么損失一部分代碼的實時運行效率是可以接受的，而且機(jī)器會自動編碼，這樣就很容易避免各種人為錯誤。在硬件在環(huán)仿真(HILS)的第四階段，必須對控制產(chǎn)品的初始樣本進(jìn)行全面測試，以驗證產(chǎn)品和實際指標(biāo)要求，尤其是在故障條件和極端條件下的測試。然而，如果使用實際的控制對象進(jìn)行測試，許多環(huán)境條件將無法實現(xiàn)，或者將付出高昂的代價?，F(xiàn)代開發(fā)方法中的計算機(jī)輔助設(shè)計工具(軟件/硬件)將再次發(fā)揮作用，HILS方法和工具可用于各種條件下的測試，尤其是在故障和極端條件下。這在傳統(tǒng)的開發(fā)方法中是不可用的。第五階段，系統(tǒng)集成測試/校準(zhǔn)，產(chǎn)品控制器制造完成后，需要與其他子系統(tǒng)連接，形成一個完整的閉環(huán)，進(jìn)行全面詳細(xì)的測試，以確認(rèn)產(chǎn)品滿足各種設(shè)計指標(biāo)和要求定義。這個階段的主要困難是其他子系統(tǒng)還沒有準(zhǔn)備好，不能集成到并行開發(fā)過程中。HILS的應(yīng)用可以替代閉環(huán)系統(tǒng)中不存在或難以獲得的部分，用數(shù)學(xué)模型模擬