dSPACE实时仿真平台软件环境及应用
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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 实时系统与 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
分析设计
概念设计 到测试
转换仿 真
监控 调试
ＭＬＩＢ ／ＭＴＲＡＣＥ
Ｉ／ Ｏ设置
实 时硬件
产生实 时代码
图 1 利用 dSPACE 实时仿真全过程
3 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
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
摘 要 从某种角度上来说 一个国家的半实物仿真技术的发展水平代表了其整体的科技实力
主要介绍了 dSPACE 实时仿真平台的优点及其软件环境 它包括代码生成及下载软件和测试软件
阐述了基于 dSPACE 进行控制系统开发的步骤 它比较传统的方法具有方便 高效 精确等优越
性 以此为契机 具体应用 dSPACE 仿真平台进行了某型反航导弹控制系统半实物仿真的开发
引 言1
HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation) 即硬件在回路 仿真 在半实物仿真系统中 由于实物的引入 需要模拟这 些部件的真实工作环境和激励信号 还需要以一些专用的物 理仿真模型加以实现 HILS 作为替代真实环境或设备的一 种典型方法,既提高了仿真的逼真性 又解决了以前存在于 系统中的许多复杂建模难题 因此半实物仿真成了主要的发 展方向 另外 在开发的初期阶段 需要快速地建立控制对 象原型及控制器模型 并对整个控制系统进行多次离线的及 在线的试验来验证控制系统软 硬件方案的可行性 这个过 程称之为快速控制 RCP dSPACE 实时仿真系统为 HILS 和 RCP 的应用提供了一个协调统一的一体化解决途径 dSPACE 是基于 MATLAB/Simulink 的控制系统开发及测试 的工作平台 实现了和 MATLAB/Simulink 的无缝连接 dSPACE 实时系统拥有高速计算能力的硬件系统 还拥有方 便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境
MA Pei-bei1, WU Jin-hua2, JI Jun1, XU Xin-lin1
(1Students’ Brigade of NAEI, Yantai 264001, China 2Department of Automatic Control Engineering of NAEI, Yantai 264001, China)
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
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
万方数据
Vol. 16 No. 4 April 2004
马培蓓, 等 dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用
• 669 •
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 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
dSPACE 组合性很强
万方数据
• 668 •
系统仿真学报
Vol. 16 No. 4 April 2004
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
2.2 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
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
目前 dSPACE 实时系统已广泛用于航空航天 机器人 等研究领域 本文以某型反舰导弹பைடு நூலகம்例 对其进行了半实物 仿真
收稿日期 2003-05-02
修回日期 2003-08-12
基金项目 军队 ２１１０ 工程 重点实验室基金项目
作 者 简 介 马 培 蓓(1976-), 女, 江苏南通人, 硕士生, 研究方向飞行器飞
2 dSPACE 软件环境介绍
2.1 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
行动力学与控制, 系统仿真技术; 吴 进 华 (1963-), 男, 浙江金华人, 教
授, 研究方向飞行器飞行动力学与控制, 系统仿真技术, 模式识别与智
能控制等
1 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
Abstract: From a certain angle, the development of hardware-in-the-loop simulation (HILS) represents the whole science and technology’s strength for a country. This paper introduces mainly dSPACE Real-Time simulation platform and its software environment which includes RTI and ControlDesk. It expatiates on the developing steps of control system which based on dSPACE. It is more convenient, efficient and accurate than traditional methods; By right of the base, we design HILS of anti-ship missile. The results prove that the HIL experiment is successful. Keywords: HILS; RTI; RTW; ControlDesk; dSPACE Real-Time simulation platform
Vol. 16 No. 4 April 2004
系统仿真学报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
• 667 •
dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用
马培蓓 1, 吴进华 2, 纪 军 1 徐新林 1
( 1 海军航空工程学院研究生 2 队, 山东 264001 2 海军航空工程学院自动控制系, 山东 264001)
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
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图 1 所示
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
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
结果证明此次仿真实验是比较成功的
关键词 HILS RTI RTW ControlDesk dSPACE 仿真平台
文章编号 1004-731X (2004) 04-0667-04
中图分类号 TP391.9
文献标识码 A
Software Environment and Application of dSPACE Real-Time Simulation Platform
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 实时系统与 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
分析设计
概念设计 到测试
转换仿 真
监控 调试
ＭＬＩＢ ／ＭＴＲＡＣＥ
Ｉ／ Ｏ设置
实 时硬件
产生实 时代码
图 1 利用 dSPACE 实时仿真全过程
3 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
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
摘 要 从某种角度上来说 一个国家的半实物仿真技术的发展水平代表了其整体的科技实力
主要介绍了 dSPACE 实时仿真平台的优点及其软件环境 它包括代码生成及下载软件和测试软件
阐述了基于 dSPACE 进行控制系统开发的步骤 它比较传统的方法具有方便 高效 精确等优越
性 以此为契机 具体应用 dSPACE 仿真平台进行了某型反航导弹控制系统半实物仿真的开发
引 言1
HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation) 即硬件在回路 仿真 在半实物仿真系统中 由于实物的引入 需要模拟这 些部件的真实工作环境和激励信号 还需要以一些专用的物 理仿真模型加以实现 HILS 作为替代真实环境或设备的一 种典型方法,既提高了仿真的逼真性 又解决了以前存在于 系统中的许多复杂建模难题 因此半实物仿真成了主要的发 展方向 另外 在开发的初期阶段 需要快速地建立控制对 象原型及控制器模型 并对整个控制系统进行多次离线的及 在线的试验来验证控制系统软 硬件方案的可行性 这个过 程称之为快速控制 RCP dSPACE 实时仿真系统为 HILS 和 RCP 的应用提供了一个协调统一的一体化解决途径 dSPACE 是基于 MATLAB/Simulink 的控制系统开发及测试 的工作平台 实现了和 MATLAB/Simulink 的无缝连接 dSPACE 实时系统拥有高速计算能力的硬件系统 还拥有方 便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境
MA Pei-bei1, WU Jin-hua2, JI Jun1, XU Xin-lin1
(1Students’ Brigade of NAEI, Yantai 264001, China 2Department of Automatic Control Engineering of NAEI, Yantai 264001, China)
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
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
万方数据
Vol. 16 No. 4 April 2004
马培蓓, 等 dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用
• 669 •
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 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
dSPACE 组合性很强
万方数据
• 668 •
系统仿真学报
Vol. 16 No. 4 April 2004
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
2.2 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
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
目前 dSPACE 实时系统已广泛用于航空航天 机器人 等研究领域 本文以某型反舰导弹பைடு நூலகம்例 对其进行了半实物 仿真
收稿日期 2003-05-02
修回日期 2003-08-12
基金项目 军队 ２１１０ 工程 重点实验室基金项目
作 者 简 介 马 培 蓓(1976-), 女, 江苏南通人, 硕士生, 研究方向飞行器飞
2 dSPACE 软件环境介绍
2.1 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
行动力学与控制, 系统仿真技术; 吴 进 华 (1963-), 男, 浙江金华人, 教
授, 研究方向飞行器飞行动力学与控制, 系统仿真技术, 模式识别与智
能控制等
1 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
Abstract: From a certain angle, the development of hardware-in-the-loop simulation (HILS) represents the whole science and technology’s strength for a country. This paper introduces mainly dSPACE Real-Time simulation platform and its software environment which includes RTI and ControlDesk. It expatiates on the developing steps of control system which based on dSPACE. It is more convenient, efficient and accurate than traditional methods; By right of the base, we design HILS of anti-ship missile. The results prove that the HIL experiment is successful. Keywords: HILS; RTI; RTW; ControlDesk; dSPACE Real-Time simulation platform
Vol. 16 No. 4 April 2004
系统仿真学报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
• 667 •
dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用
马培蓓 1, 吴进华 2, 纪 军 1 徐新林 1
( 1 海军航空工程学院研究生 2 队, 山东 264001 2 海军航空工程学院自动控制系, 山东 264001)
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
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图 1 所示
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
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
结果证明此次仿真实验是比较成功的
关键词 HILS RTI RTW ControlDesk dSPACE 仿真平台
文章编号 1004-731X (2004) 04-0667-04
中图分类号 TP391.9
文献标识码 A
Software Environment and Application of dSPACE Real-Time Simulation Platform