(完整版)DSPACE应用简介(2)

dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用

一、dSPACE 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、dSPACE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。

2、dSPACE 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。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。

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、dSPACE 软件环境介绍

3.1 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

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、dSPACE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

图2硬件系统示意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

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dSPACE 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；