DSPACE应用简介

dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用实时仿真平台软件环境及应用 一 一 dSPACE 简介简介 dSPACE 实时仿真系统是由德国 dSPACE 公司开发的一套基于 MATLAB Simulink 的控制 系统在实时环境下的开发及测试工作平台 实现了和 MATLAB Simulink 的无缝连接 dSPACE 实时系统由两大部分组成 一是硬件系统 二是软件环境 其中硬件系统的主要特 点是具有高速计算能力 包括处理器和 I O 接口等 软件环境可以方便地实现代码生成 下 载和试验调试等工作 dSPACE 具有强大的功能 可以很好地完成控制算法的设计 测试和 实现 并为这一套并行工程提供了一个良好的环境 dSPACE 的开发思路是将系统或产品 开发诸功能与过程的集成和一体化 即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真 从实时 仿真实验到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成 dSPACE 的软件环境 主要由两大部分组成 一部分是实时代码的生成和下载软件 RTI Real Time Interface 它 是连接 dSPACE 统与 MATLAB Simulink 纽带 通过对 RTW Real Time Workshop 进行扩 展 可以实现从 Simulink 模型到 dSPACE 实时硬件代码的自动下载 另一部分为测试软件 其中包含了综合实验与 测试环境 软件 ControlDesk 自动试验及参数调整软件 MLIB MTRACE PC 与实时处理 器通信软件 CLIB 以及实时动画软件 RealMotion 等 二 二 dSPACE 的优点的优点 dSPACE 实时仿真系统具有许多其它仿真系统具有的无法比拟的优点 1 dSPACE 组合性很强 组合性很强 2 dSPACE 的过渡性和快速性好的过渡性和快速性好 由于 dSPACE 和 MATLAB 的无缝连接 使 MATLAB 用 户可以轻松掌握 dSPACE 的使用 方便地从非实时分析 设计过渡到实时的分析和设计上 来 大大节省了时间和费用 3 性能价格比高 性能价格比高 dSPACE 是一个操作平台 它可用于许多产品的开发或实时仿真测试 而不是一物一用 dSPACE 是基于 PC 机的 Windows 操作系统 dSPACE 实时系统与主机 的硬件接口使用标准 ISA 总线 从而避免用户再投资别的设备 4 实时性好 可靠性高 实时性好 可靠性高 基于这些优点 dSPACE 已广泛应用于航空航天 发动机 机器人及工业控制领域 也正 是由于 dSPACE 这些优点的存在 使得控制系统的开发 产品型控制器的仿真测试变得更 加方便易行 大大加快了新产品的研制速度 也使控制算法及仿真测试方案的研究进入更 高的境界 三 三 dSPACE 软件环境介绍软件环境介绍 3 1 代码的生成及下载软件代码的生成及下载软件 描述控制系统的 C 代码可以由 Simulink 方框图自动生成并下载到实时系统硬件中 这 项工作主要由 MATLAB RTW 与 dSPACE 系统中的 RTI 来完成 RTI 的使用方法就是用图 形方式从 dSPACE 的 RTI 库中选定相应的 I O 模型 将其拖放到用 Simulink 搭建的系统 模型方框图中 并指定 I O 参数以完成对它的选定 选定后 只要用鼠标点击一下对话框 中的 Build 命令 RTI 就会自动编译 下载并启动实时模型 另外 RTI 还根据信号和参数 产生一个变量文件 可以用 dSPACE 的试验工具软件如 ControlDesk 来进行变量的访问 当仿真系统比较复杂时 就需要 RTI MP 的帮助以完成多处理器系统的设计并建立多处理 器网络结构 3 2 测试软件测试软件 dSPACE 提供的测试软件主要有 ControlDesk 综合实验环境 MLIB MTRACE 实现自动试 验及参数调整软件 1 ControlDesk ControlDesk 是 dSPACE 公司开发的新一代综合试验和测试软件工具 提供对试验过程的 综合管理 它可实现的功能包括 1 对实时硬件的可视化管理 2 用户虚拟仪表的建立 3 变量的可视化管理 4 参数的可视化管理 5 试验过程的自动化 2 MLIB MTRACE 利用 MLIB 和 MTRACE 可以大大增强 dSPACE 实时系统的自动试验能力 使用这两个 库可以在不中断试验的情况下从 MATLAB 直接访问 dSPACE 板上运行的应用程序中的变 量 甚至无需知道变量的地址 有变量名就足够了 这样就可以利用 MATLAB 的数字计算 及图形能力进行顺序自动测试 数据记录和控制参数的优化 MLIB 和 MTRACE 联合使用 可组成一个完美的整体 有 MATLAB 强大的计算能力做支持 可以自动执行所能想到的任 何试验 比如控制器的优化 用 MTRACE 记录数据 然后将数据传送给 MATLAB MATLAB 自动计算出新的控制器参数 并通过 MLIB 送回处理器板或控制板 示意图如下图所示 总之 dSPACE 是进行基于 Simulink 模型半实物仿真和实时控制的首选工具 利用以上 软件工具可以完成从系统建模 分析 离线仿真到实时仿真的全过程如下图 1 所示 四四 dSPACE 硬件体系介绍硬件体系介绍 dSPACE 的硬件体系主要有以下几个部分构成 1 单板系统 单板系统 单板系统主要由 CPU 与外围 I O 集成部分以及 DS1103 及 DS1104 处理器板等 2 组件系统 组件系统 组件系统则是由处理器板 I O 板 多处理器系统等几部分构成 3 其他硬件 其他硬件 主要包括扩展箱 单主机多系统的连接板 连接器和 LED 板等 根据实验目的的不同会 做出相应的改变 五 利用五 利用 dSPACE 进行控制系统的开发进行控制系统的开发 我们在进行控制系统的开发时 常常需要面临许多难以解决的问题 而开发的时间却要 求愈来愈紧迫 由于制造过程中存在误差 老化及元器件装配等问题 对控制系统提出了 相当高的可靠性要求 对控制性能越来越高的要求使控制算法也越来越复杂 并行工程要 求设计 实现 测试及生产准备同时进行 有时控制对象在开发过程中也在不断发生变化 由上述过程可以看出 传统的开发方法至少存在三个较大的问题 在对控制规律的控制特性或控制效果还没有一点把握的情况下 硬件电路已经制造了 这时还不知道设计方案能在多大程度上满足要求 或者根本不能满足要求 由于采用手工编程 会产生代码不可靠的问题 这样在测试过程中对出现的问题 很难 确定是控制方案不理想还是软件代码有错误 更重要的是手工编程将会占用大量的时间 导致虽然有了控制方案 却要等待很长的时间才能对其进行验证和测试 从而在不知道方 案是否可行的情况下就浪费了大量的时间 人力和物力 给开发带来了不必要的开支和经 济损失 即使软件不存在问题 如果在测试过程中发现控制方案不理想 需要进行修改 则新的 一轮工作又将开始 大量的时间又将耗费在软件的修改和调试上 另外 由于涉及的部门 和人员过多 再加上管理不善造成的种种不协调 导致开发周期长而又长 而用 dSPACE 提倡的基于模型面向应用的现代化开发方法则要有效的多 现代开发方法的最重要的特征 就是计算机辅助控制系统设计 CACSD Computer Aided Control System Design 将计算机 支持工具贯穿于控制系统开发测试的全过程 CACSD 不仅仅是进行控制方案的设计和离线 仿真 还包括实时 RCP 产品代码的生成和硬件在回路测试 这是一个完整的流线型控制 系统开发步驟 dSPACE 为流线型控制系统的开发提供了一套 CACSD 的工具包 CDP Control Development Package CDP 主要基于下列工具 1 MATLAB 用于进行模型的分析 设计 优化和数据的离线处理 2 Simulink 用来进行基于方框图的控制系统离线仿真 3 Real Time Workshop 用来从方框图模型直接生成 C 代码 4 dSPACE 公司的 RTI 用来使代码可以在单处理器目标系统中运行 5 dSPACE 系列软件工具 用来对闭环试验进行交互操作 图 2 硬件系统示意 图 总之 利用 CDP 可以完成从系统建模 分析 离线仿真到实时仿真的全过程 对大多 数用户而言 一般有以下几个步骤 步骤 1 用线性或非线性方程建立控制对象的理论模型 该方程能用 MATLAB 的 m file 格式或 Simulink 方框图方式表示 以便于用 MATLAB Simulink 进行动态分析 步骤 2 用 MATLAB 工具箱设计原始控制方案 步骤 3 用 Simulink 对控制方案进行离线仿真 步骤 4 在 Simulink 框图中 从 RTI 库用拖放指令指定实时测试所需的 I O A D D A 并对其参数进行设置 步骤 5 选择 RTW Build 自动完成目标 DSP 系统的实时 C 代码的生成 编译 连接 和下载 即使是复杂的大型控制系统 该过程也只需几分钟左右 步骤 6 用 ControlDesk 试验工具软件包与实时控制器进行交互操作 如调整控制参数 显示控制系统的状态 跟踪进程响应曲线等 步骤 7 返回步骤 1 总之 利用 dSPACE 可以把精力全神贯注于控制方案的构思 可以大大缩短开发周期 六 六 dSPACE 开发流程开发流程 如图所示 通过建模仿真等一系列过程 完成从概念设计到实物的转换 具体步骤如下 第一步 使用 MATLAB Simulink 建立对象数学模型设计控制方案进行离线仿真 第二步 保留需要下载到 dSPACE 中的模块 用硬件接口关系代替原来的逻辑连接关系 并对 I O 进行配置 然后设定软硬件中断优先级 第三步 利用 RTW 及 dSPACE 提供的 RTI 自动生成代码并下载 图示如下所示 第四步 利用 dSPACE 进行综合实验和测试环境 七 心得与体会七 心