基于dSPACE仿真技术的应用及发展

汪赛　余秋香　陈磊

【摘 要】基于dSPACE仿真技术同其它类型的仿真方法相比具有经济地实现更高真实度的可能性，目前主要应用于高科技产业、教育教学、科学科研。本文介绍了dSPACE仿真技术及其体系结构，阐述其在飞行器控制系统中的仿真步骤，指出了其先进性，并对dSPACE的发展趋势进行了分析。

【关键词】dSPACE仿真技术；应用；发展；飞行器

中图分类号：TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0157-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.068

0 前言

在1939年到1945年世界正处于战争期间，武器装备是一个国家军事实力的象征，飞行、导弹的控制需要应用动力学系统，而实物的检测需要大量的人力和物力，这促使了仿真技术的发展。20世纪40年代，为了适应控制系统的市场，开始研究控制系统的仿真技术。随着控制系统鲁棒性及可靠性要求日益增加，这就需要研发团队对相应的产品进行速度、样式的模拟并进行测试，最终形成可靠产品。dSPACE的出现就是为了达到这一目的。

1 dSPACE仿真技术

对于企业产品的研发以及学校教学实验，都需要理论与实践相结合。

一个产品型控制器的开发会面临两个问题：一是在产品设计之前，主要是控制算法的应用。在现有的控制算法中找到一个合适的并能实时应用在硬件上观测算法的性能，这是一种便捷的寻找设计方案的方法。因为在算法不理想时可以很快的进行反复设计来寻找理想方案。二是在确定相应的算法形成硬件后，怎样来测试硬件的性能成为了最终量产的一道门槛。基于dSPACE仿真系统能很好的解决上述两个问题，实现快速控制原型和硬件在回路中的仿真。

学校的教学实验能够为学生学习提供产品开发流程的实践。控制原理的理论讲解一直是枯燥的课程，同学在dSPACE平台进行应用算法，再结合其他课程的学习，把自己设计的产品应用在实践中提高了学生学习效率。

2 dSPACE体系结构简介

dSPACE仿真系统主要包含两个方面——实现快速控制原型和硬件在回路中的仿真，是由德國dSPACE公司开发的一套研发测试工作平台。主要用于控制系统的开发。

快速控制原型（Rapid Control Prototyping）的过程如图1所示，通过前期仿真确定控制方案，然后生成代码并下载到原型ECU（Electronic Control Unit），将控制器集成到开发过程中，完成原型到产品的转换。

硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）主要是在上一阶段已经结束后，并已完成产品，而应用的仿真。由于真实环境中测试条件有限不能对产品进行多种情况的测试。这一阶段就能应用dSPACE实时仿真系统的硬件在回路仿真来实现。图2是对汽车防抱死装置（ABS）控制器的测试原理图。

3 基于dSPACE仿真技术的应用——飞行器控制系统的实时仿真

飞行器控制系统是飞行器的重要指令系统，对控制飞行器的姿态起着至关重要的作用。完成飞行器控制系统的实时仿真需要先建立其数学模型，然后应用Matlab/Simulink完成飞行器控制系统仿真模型搭建，最后设置仿真环境及应用监控软件实时监测调试。

3.1 Matlab/Simulink控制系统模型搭建

通过选用好的控制方法和求解参数进行控制系统模型搭建。主要是完成计算机控制程序的功能，实现接收、计算和输出控制。控制系统环节如图3所示。接收模块主要是惯组数据的接收，并由导航系统模块得出姿态信息，最后给出舵机的控制指令完成对飞行器的滚转控制，整体控制模型环节如图4所示。

3.2 基于dSPACE的实时仿真

实时仿真包括Matlab/Simulink控制算法设计平台、dSPACE实时仿真系统和实际控制对象。而基于dSPACE的实时仿真是dSPACE仿真系统的一部分，相比传统的实时仿真对设计人员要求更容易。平台通过RTI库中的模型与Matlab/Simulink配合使用。实现飞行器的仿真模型代码自动生成，然后通过RTW （Real Time Workshop）进行扩展，从而把Simulink模型代码下载到dSPACE实时硬件中，dSPACE实时硬件则与外部实际控制对象相连，实现与对象的交互和反馈。同时建立监控软件来实施对试验过程的综合监控，在软件中包括可以在线调节参数，建立虚拟仪表、绘制按钮等完成监控界面的设计。

4 dSPACE仿真技术的发展趋势

经过多年的发展，国内外的仿真应用都达到了新的高度。国外发展中美国从20世纪60年代开始，军事方面已经形成了半实物仿真设施体系。制导和控制系统联合、多模导引头、导弹抗干扰等半实物仿真都为其研发提升了效率，在武器系统研究发挥着举足轻重的作用。我国发展起步较晚，但发展的方向多样化，应用的领域也从传统的航空航天到教育教学、新能源汽车、轨道交通等其他领域。由于我国对上述领域内产品需求规模大，国家政策以及技术人才上的支持都使得dSPACE现今发展机遇良好。dSPACE作为一种可靠性高的开发、仿真系统，硬件和软件水平也进一步得到了发展。软件方面：系统仿真建模水平不断提高、操作界面更加便捷使编程更加智能和高效。硬件方面：计算机硬件设施水平的提高、扩展与兼容性的完善、功能模块的小型化与集成化的统一使运行稳定功能强大。

5 结语

dSPACE仿真是仿真技术中置信水平的一种仿真方法：通过在快速控制原型中直接的修改编程代码进行测试，在硬件在回路仿真中避免部分用数学模型困难而无法仿真的情况。使最终设计出产品的功能与性能上更直接有效，从而成为系统研制工作强有力的手段，具有提高研发系统的质量，缩短研制周期和节省研制费用。对于教学的实际情况，快速控制原理这一部分内容涉及到建模、设计、仿真、测试、检测等方面，加深理解了理论知识、弥补了教学手段单一、教学内容枯燥等教学模式。随着dSPACE仿真技术的发展，必将在多个领域发挥更大的作用。

【参考文献】

[1]郭齐胜，等.系统仿真[M].北京：国防工业出版社， 2006.

[2]杨涤，等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京：清华大学出版社， 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]刘白雁.机电系统动态仿真[M].北京：机械工业出版社， 2005.

[5]刘延斌，金光.光机电信息[J].仿真技术，2003，（1）：27-32.

[6]刘延斌.基于dSPACE的亚轨道飞行器控制系统半实物仿真研究[D].湖南：国防科技大学，2011.