dSPACE实验系统的开发与实验设计

2015-05-03朱燕红史美萍谢海斌

实验技术与管理 2015年11期

朱燕红，史美萍，谢海斌

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073）

半实物仿真是现代工业领域的重要研究方法［1］，它通过 HILS（hardware in the loop simulation）方案解决纯仿真过程中建模复杂、精度低的难题，能有效地缩短新产品开发周期，降低开发成本，因而得到广泛的应用［2－5］，由德国 dSPACE 公司生产的 dSPACE 硬件在环式高效实时仿真系统，能与Matlab/Simulink无缝链接［6］，具有简单易用的特点，在现有仿真系统中处于领先地位。研究生教育作为高等教育的最后阶段，有着直面工程与科研的特点，学生掌握这一基本技术，对于以后的深造和工作都有着重要作用［7］。国防科学技术大学控制科学与工程研究生综合实验中心基于固高公司的dSPACE设备，自主设计开发了外围实验系统，并结合多层次、立体化、模块化的实验教学体系，以问题为导向设计实验课程，激发了学生的积极性，取得了良好的实验教学效果。

1 dSPACE教学实验系统的构成

1.1 dSPACE介绍

本实验系统采用的是dSPACE DS1104，该控制器是基于Matlab/Simulink的实时仿真硬件平台，能够通过RTW/RTI实现与 Matlab/Simulink的无缝链接。dSPACE的代码生成和下载软件作为Matlab的一个工具箱，用户可以在Simulink中调用模块搭建仿真模型，仿真模型可以直接转换成标准目标代码下载到dSPACE系统，下载到dSPACE的软件可以脱离Matlab软件环境而独立运行。

ControlDesk是dSPACE提供的综合实验软件，通过简单的可视化模型搭建，可方便、快捷地实现交互功能，对运行在硬件系统的程序进行实时监控。dSPACE因其强大的综合实验功能成为工程研发阶段首选的半实物仿真平台。

1.2 外围系统设计

控制科学与工程学科研究生综合实验中心以现代控制系统设计理念为指导，构建了以dSPACE系统为核心的现代控制技术实验室，控制系统硬件基本组成如图1所示。包括自主设计开发的外围拓展箱和控制领域典型被控对象群，被控对象如直线多级倒立摆、板球系统、电磁悬浮系统等多种典型复杂非线性时变多变量系统。通过简单的连线，快速构建控制原型，对各种控制方法实时验证。

图1 拓展系统实物图

在图1中，dSPACE外围拓展箱分为电源区、接口区、开关区、显示区、扩展区、传感器与被控对象区等6个基本区域。电源区提供＋5V、±12V、＋24V直流电压；接口区通过串口线与dSPACE控制板的I/O PWM接口连接；开关区集成了乒乓、锁位、触发、拨段等常用开关和旋转电位计；显示区提供灯和表两种显示方式；扩展区接线板为后续扩展设计提供接口；传感器与被控对象区提供了接近开关传感器以及舵机、步进电机、喇叭等简单控制元件作为被控对象。基于拓展实验箱设计了以控制步进电机为目标的基础实验——基于dSPACE的控制系统快速原型设计与硬件在回路仿真实验，使学生初步掌握该仿真实验的基本概念、原理和方法，熟悉dSPACE的软、硬件开发环境、掌握具体方法和流程，锻炼发现问题、分析问题、解决问题的科学研究能力和工程素养。

2 与结构化、多样化实验教学体系有机结合

2.1 循序渐进的“2＋4＋X”结构实验环节

按照“2＋4＋X”的结构和循序渐进的原则，依次设计实验内容。

“2”是2次理论讲授：基于 Matlab/Simulink的动态系统建模与离线仿真、基于dSPACE的控制系统快速原型设计与硬件在回路仿真。通过2次理论讲授使学生对dSPACE有基本的认知，明确实验目的。

“4”是4次具体的实验，要求学生在掌握课程知识的基础上，通过典型的电机控制系统离线建模、快速原型设计与硬件在回路仿真等实践环节，逐步掌握控制系统的图形化建模、分析、设计与离线仿真，快速原型设计、半实物仿真、在线控制与参数调节，硬件在回路仿真等概念、原理与方法。4次实验内容依次是：基于Simulink的动态系统建模与仿真——多功能信号发生器（实验一）、基于dSPACE的多功能信号发生器快速原型设计（实验二）、基于dSPACE的步进电机开环控制系统快速原型设计（实验三）、基于dSPACE的步进电机位置伺服控制系统快速原型设计（实验四），实验原理如图2所示。

图2 基于dSPACE的电机控制系统设计原理图

实验一要求通过对数字信号发生器与步进电机控制系统进行图形化建模、控制器设计与离线仿真，使学生了解基于模型的控制系统设计思想，并熟练掌握基于 Matlab/Simulink的控制系统设计、分析与仿真方法，为后续实验准备离线模型；实验二和实验三要求学生了解现代控制工程的控制系统V形设计理念与开发流程，并熟练掌握基于dSPACE平台的控制器快速原型设计方法与硬件在回路仿真方法；实验四要求学生了解闭环控制系统的设计原理，巩固基于dSPACE平台的控制器快速原型设计方法与硬件在回路仿真方法，为开展其他控制类实验奠定基础。

“X”为在前述基础上开设的拓展模块，通过构建面向典型应用的电机控制半实物仿真系统，促使学生系统地掌握基于dSPACE的控制系统快速原型设计的完整流程，锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

实验最后采用结构化考核方式，综合评价实验效果及实验报告，在实验报告中安排问题与改进方式、体会与建议等开放模块，使学生能够在实验后认真回顾和反思，总结实验心得，实验教员也能从中汲取经验，以及时对实验内容和授课方式作出调整。

2.2 以课题研究的形式开展实验教学活动

新时代高等教育以培养学生的创新实践能力为目的［8－11］，传统教育模式以知识传授为主体，实践教学是走出这一传统模式的关键环节［12］。在实验教学规划中，除加强和巩固课堂所学理论知识，把书本知识搬到实验桌上外，更要注重实验教学活动开展模式的改革创新。

以科研项目实施流程开展实验教学活动，就是把“课题发布－选题/自主命题—方案设计—开题论证—项目实施—答辩验收—成果演示—实验报告—资料归档”的科研项目实施流程引入实验课堂。以dSPACE系列实验课程中拓展模块为例，开课前2周发布课题，通知学生准备选题并进行初步方案设计，制作简单的文档和汇报PPT，就开题论证与教师、同学进行讨论，在教师的指导下进行可行性论证并调整实验方案，拟出所需设备清单。实验完成后统一答辩并演示实验成果、撰写实验报告，由实验中心保管课题资料。

实验中心鼓励学生自拟题目，以问题为导向进行自主研究性学习，且不受课时和学科限制。学生在教师的引导下创设问题情景、了解所涉及的学科领域，最终得到较高水平的研究成果。一个单独实验项目能够成为一个概括专业知识的有机整体，有利于学生更加系统、深入地了解和掌握专业知识。学生在完成实验项目的同时，能够学习到工程项目的管理方法，团结协作与组织协调能力也可得到锻炼。

3 实验教学成果实例

dSPACE系列实验课程开设已有5年，经过不断的优化改革，取得了非常好的教学效果。在项目化的运作方式下，学生创作出很多优秀的实验作品。

（1）基于dSPACE的悬挂系统设计。该设计以dSPACE系统平台为控制核心，以机械结构和dSPACE外围系统实验箱为硬件平台，由步进电机控制模块、红外传感和Control Desk人机交互3个功能部分组成。由dSPACE的算法产生不同状态的PWM波，以控制电机的运动，从而实现对画笔的控制。系统可通过Control Desk设置运动轨迹；控制质量大于100g的物体在仰角不大于100°的80cm×100cm白板上做自行设定的运动，物体上固定有浅色画笔，在白板上画出运动轨迹。电机的运动状态实时显示在屏幕上，人机界面友好。

（2）基于dSPACE的车辆运动控制仿真。用一台计算机充当上位机，另一台安装dSPACE软件的计算机充当下位机。上位机通过dSPACE的串口将方向、速度、档位及刹车等控制信号发送到下位机，完成车辆的运动控制。

（3）基于dSPACE的自动升降电梯半实物仿真系统。根据对现实生活中自动电梯运行的观察，使用Simulink搭建基于dSPACE的半实物仿真系统模型，实现对单座4层电梯运行状态的模拟，包括合理的运行逻辑、电梯门的防夹功能、超重检测功能、异常状态报警功能，并最大限度地做到节能。

（4）基于dSPACE的二维跟踪系统。以地面控制台为原型，实现风筝的放飞、控制与回收，在dSPACE实验平台上完成地面控制台的构建，实现二维云台的手动跟踪、程序自动跟踪和2自由度分开控制和联控。用360°导电滑环实现云台水平旋转角度的测量，增量编码器用于云台的俯仰角度测量。用2个SPWM实现控制云台俯仰和水平旋转步进电机的控制，用2个DAC模块输出0.5V电压（逻辑低电平）或者5V电压（逻辑高电平）分别驱动步进电机正反转。

4 结束语

以培养目标为导向进行dSPACE教学实验平台的构建和实验内容设计，有助于实现多层次、模块化、多样化的实验教学体系，显著提高学生的工程实践能力，学生在综合素质方面也有很好的锻炼。由于在dSPACE模块实验中，实验器材大多是学生自己采购的，实验内容、目标及方法也由学生自己确定，很好地锻炼了学生提出问题、解决问题的能力。对于学生来说，这不仅是一个学习知识的过程，更是一个全方位能力锻炼的过程。

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［1］单家元，丁艳.半实物仿真技术［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］付志红，熊学海，侯兴哲，等.基于dSPACE平台的电能计量实时仿真系统［J］.仪器仪表学报，2011，32（8）：1763－1770.

［3］陈建松，陈南，殷国栋，等.基于dSPACE的4WS车辆硬件在环控制仿真研究［J］.系统仿真学报，2010，22（7）：1622－1626.

［4］许小庆，李凤兰.利用dSPACE实现电液伺服系统研究的实验方法［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：90－92.

［5］张浩.基于dSPACE的交流调速系统实验平台设计［J］.电气电子教学学报，2010，32（1）：76－79.

［6］北京九州恒润科技有限公司.dSPACE：基于 Matlab/Smulink平台的实时快速原型及硬件在回路仿真的一体化解决途径［M］.北京：北京九州恒润科技有限公司，2005.

［7］谢海斌、龙志强、史美萍，等.面向dSPACE的实验教学探索与实践［J］.实验室研究与探索，2012，31（7）：158－164.

［8］黄奕勇.创新意识培养从课堂开始［J］.高等教育研究，2013，36（1）：33－35.

［9］杨胜刚.高校体制改革与大学生创新能力培养［J］.湖湘论坛，2013（2）：45－51.

［10］李银国，朱方彬，李方伟，等.研究生开放性研究环境营造与协同创新能力培养［J］.学位与研究生教育，2013（2）：19－23.