快速控制原型技术的发展现状

第 ４ 期
丁荣军：快速控制原型技术的发展现状
工作；Ｐ Ｃ 目标机上运行 Ｑ Ｎ Ｘ 实时操作系统，实现控制 器模型的实时计算，选用 ＮＩ 的 Ｐ Ｃ Ｉ 数据采集卡，实现数 字控制器和实物对象之间的数据交换。
Ｒ Ｔ － Ｌ Ａ Ｂ 的突出特点是开放性和扩展性，完善的 ＡＰＩ，可以使用 ＬａｂＶＩＥＷ，Ｃ＋＋，ＶＢ，Ｍａｔｌａｂ 以及３Ｄ 虚拟 现实工具等开发上层应用程序，与运行的模型实现实 时交互，且接口能力强，支持众多工业级标准板卡，能 与第三方或者用户定制的ＰＣＩ、ＰＸＩ 总线的Ｉ／Ｏ 接口卡或 者数据总线卡集成。开放性使它可以灵活地应用于任 何工程系统仿真与控制场合；优秀的可扩展性为所有 的应用提供一个低风险的起点，使工程人员可以根据 项目的需要随时随地地扩展系统。 ３．３ 基于 ｘＰＣ Ｔａｒｇｅｔ 的快速控制原型仿真系统
从图１ 可以看出，快速控制原型仿真处于控制系统 开发的第二阶段，远在产品开发之前，使设计者新的 控制思路（方法）能在实时硬件上方便而快捷地进行 测试。通过实时测试，可以在设计初期发现存在的问 题，以便修改原型或参数，再进行实时测试，这样反复 进行，最终产生一个完全面向用户需求的合理可行的 控制原型。利用ＲＣＰ 进行控制系统的设计有以下优点：
图 ３ 基于 Ｒ Ｔ － Ｌ Ａ Ｂ 的快速控制原型仿真系统结构
图３ 的快速控制原型仿真研究的是典型的位置随 动系统，通过控制器原型设计，控制伺服电机运动，使 输出快速跟踪输入的变化。Ｐ Ｃ 主机上运行 Ｗ ｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ 系 统，安装 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 和 Ｒ Ｔ － Ｌ Ａ Ｂ 软件平台 Ｍ ａ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ，完成控制器建模、结果显示、在线调参等
ｄ Ｓ Ｐ Ａ Ｃ Ｅ 实时系统拥有实时性强、可靠性高等优 点，但这种专用系统必须采用其专用板卡，价格昂贵 且维护性差。 ３．２ 基于ＲＴ－ＬＡＢ的快速控制原型仿真系统
ＲＴ－ＬＡＢ 是加拿大Ｏｐａｌ－ｒｔ 公司开发的一套基于模型 的仿真系统平台软件包［ ７ ］ ，可以直接利用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控 制、测试及其他相关领域。基于ＲＴ－ＬＡＢ 的快速控制原 型仿真系统通过上位机和多处理器目标机的模式，将 上位机用图形化工具建立好的模型拆分并下载到 ｉ Ｈ ａ ｗ ｋ 目标机平台上实时并行运行，并可通过 Ｗ ｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ 窗口对目标机的整个运行过程进行实时监控。整个过 程即免去了费时的手工代码编程和系统设置工作，又 充分利用了目标机上的所有实时特性，生成紧凑而高 效的实时运行代码，真正做到了高效自动的一体化运 行。图３ 是基于ＲＴ－ＬＡＢ 的快速控制原型仿真系统在随 动系统的应用［８］。
ＤＩＮＧ Ｒｏｎｇ－ｊｕｎ
(CSR Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)
Abstract: This paper introduces the basic concept and the development status of fast control prototype. The realization of fast control prototype modes by simulation also has been described. The fast control prototype use virtual controller to control real object, so the design scheme can be validated fleetly, the developing period can be shorten and the fee can be reduced.
２００９ 年第 ４ 期 ２００９ 年 ７ 月 １０ 日
机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ ４， ２００９ Ｊｕｌｙ １０， ２００９
综
快速控制原型技术的发展现状
述
与百度文库
丁荣军
评
论
（南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 ４１２００１）
１ 快速控制原型技术的基本概念
在控制系统的研发过程中，通常先进行仿真研究， 目的在于研究技术的可行性，缩短产品的研发周期， 降低研发费用。仿真工具（如 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 、Ｓ Ａ Ｂ Ｅ Ｒ 等）自 应用以来，对控制系统的研发提供了极大的帮助。然 而，在传统的研发流程中，大部分是采用纯数学仿真， 这种仿真结果的置信度有限。近年来，有部分实物参 与的具有较高置信度的半实物仿真系统得到了广泛的 应用与发展。如果将实际控制器的仿真称为虚拟控制 器，实际对象的仿真称为虚拟对象，可得到控制系统 仿真的３ 种形式：
车辆交流传动与网络控制
关键词：快速控制原型； 仿真；虚拟控制器；快速原型；硬件在回路
技术的理论研究、技术开
中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００９）０４－０００１－０３ 发 和 工 程 应 用 工 作 。
The Development Status of Fast Control Prototype
①大大缩短开发周期； ②在开发早期减少／ 消除可能的错误及缺陷，从而 达到节省开支，降低物耗的目的； ③提高新产品对需求的适应性。
３ 快速控制原型技术的发展现状
早期的Ｒ Ｃ Ｐ 系统，绝大多数以 ＤＳＰ 和 ＰｏｗｅｒＰＣ 等微 处理器为核心构建，是某些公司根据自己的应用领域 需要开发的专用系统，技术先进但价格昂贵，这种 Ｒ Ｃ Ｐ 系统应用最广的当属德国的 ｄＳＰＡＣＥ 公司，在汽车行业 得 到 了 大 量 应 用 。后 来 ，一 些 公 司 如 Ｒ Ｔ － Ｌ Ａ Ｂ 、 ＭａｔｈＷｏｒｋｓ、ＮＩ 等公司推出了基于 ＰＣ 的 ＲＣＰ 系统，相对 于昂贵的专用系统而言提供了一种廉价的选择。这种 Ｒ Ｃ Ｐ 系统支持标准的 Ｐ Ｃ 处理器和数据采集卡，具有性 价比高、扩展性好、维护方便和成本低等优点。下面将 介绍几种典型的ＲＣＰ 系统。 ３．１ 基于ｄＳＰＡＣＥ的快速控制原型仿真系统
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机 车 电 传 动
２００９ 年
①虚拟控制器＋虚拟对象＝动态仿真系统，是纯 粹的系统仿真；
②虚拟控制器＋实际对象＝快速控制原型（Ｒ Ｃ Ｐ ） 仿真系统，是系统的一种半实物仿真；
③实际控制器＋虚拟对象＝硬件在回路（Ｈ Ｉ Ｌ ）仿 真系统，是系统的另一种半实物仿真。
基于以上３ 种仿真形式，在行业内形成了如图１ 所 示的控制系统Ｖ 形开发流程。
ｄＳＰＡＣＥ 实时仿真系统是由德国ｄＳＰＡＣＥ 公司开发 的一套基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的控制系统开发及半实 物仿真的软硬件工作平台，实现了和 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＲＴＷ 的完全无缝连接［４］。ｄＳＰＡＣＥ 硬件系统中的 处理器具有高速的计算能力，并配备了丰富的 Ｉ ／ Ｏ 支 持，用户可以根据需要进行组合；软件环境的功能强 大且使用方便，包括实现代码自动生成／ 下载和试验 ／ 调试的整套工具。
—２ —
图 ２ 基于 ｄ Ｓ Ｐ Ａ Ｃ Ｅ 的快速控制原型仿真系统结构
图２ 中，ＰＣ 主机装有 Ｗｉｎｄｏｗｓ 操作系统、ＭＡＴＬＡＢ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ ／ Ｒ Ｔ Ｗ 、ｄ Ｓ Ｐ Ａ Ｃ Ｅ 的 Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｄ ｅ ｓ ｋ 及 Ｒ Ｔ Ｉ ；利用 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 建立电机的快速控制原型，完成控制 算法的设计；ＲＴＩ 与 ＲＴＷ 协作自动将快速控制原型转化 为可执行的Ｃ 代码，经过编译并下载到ｄ Ｓ Ｐ Ａ Ｃ Ｅ 实时处 理器ＤＳ１００５ 中运行；利用ｄＳＰＡＣＥ 的 ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ 软件， 实现对实时硬件的图形化管理、用户虚拟仪表的轻松 建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理以及实验 过程自动化。ｄＳＰＡＣＥ 硬件系统中处理器板ＤＳ１００５ 负责 控制算法的实时计算，通过内部的 Ｐ Ｈ Ｓ 总线和 Ｉ ／ Ｏ 板 ＤＳ２２０１ 连接，Ｉ／Ｏ 板ＤＳ２２０１ 接受来自实物电机的电压电 流信号，并发出 Ｐ Ｗ Ｍ 脉冲信号去控制逆变器。
ｄ Ｓ Ｐ Ａ Ｃ Ｅ 实时系统充当控制算法和逻辑代码的硬 件运行环境，通过Ｉ／Ｏ 板与控制对象连接进行研究和实 验，验证控制方案的可行性，大大简化了开发过程，提 高了开发效率。图 ２ 是基于 ｄ Ｓ Ｐ Ａ Ｃ Ｅ 的快速控制原型仿 真在电机控制系统中的典型应用［５，６］。
图 １ 控制系统 Ｖ 形开发流程
作者简介：丁荣军（１ ９ ６ １ － ）， 摘 要 ：阐述了快速控制原型技术的基本概念，介绍了当前的发展现状及快速控制原型仿真的 男，博士，高级工程师（教
几种实现方式。快速控制原型技术利用虚拟的控制器来控制真实的对象，可以快速地验证设计方案， 授 级 ）， 长 期 从 事 铁 路 机 车
缩短产品开发周期并降低开发费用。
将ＲＰ 技术引进电子控制系统的设计和控制算法的 实时测试后，改称快速控制原型（ＲＣＰ）技术。在系统开 发的初期阶段，快速地建立控制器模型，并对整个系
收稿日期：２ ０ ０ ９－０ ６ －１ ２
统进行多次离线和在线的测试来验证控制方案的可行 性，这个过程称为快速控制原型［３］。过去１０多年，ＲＣＰ 和 硬件在回路（Ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ Ｉ ｎ Ｌ ｏ ｏ ｐ，简称 Ｈ Ｉ Ｌ）仿真系统为 电子控制系统的设计提供了开发速度上的优势，加速 了设计开发过程，已经被汽车和航空航天领域中的公 司所采用，减少了昂贵的、破坏性的试飞试驾需要。本 文对 Ｒ Ｃ Ｐ 技术发展进行综述，为轨道交通车辆交流传 动系统ＲＣＰ 仿真平台构建提供参考。
Key words: fast control prototype; simulation; virtual controller; hardware in loop
０ 引言
快速控制原型（Ｒａｐｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，简称 ＲＣＰ） 技术是近几年发展成熟的一种仿真技术。快速控制原 型技术源自制造业的快速原型（Ｒ ａ ｐ ｉ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｉ ｎ ｇ ，简 称ＲＰ）［１］技术。ＲＰ 技术的主要思想是尽可能地在虚拟环 境中进行产品设计，达到缩短产品开发周期、降低开 发费用的目的。Ｒ Ｐ 技术的应用明显缩短了新产品的上 市时间，节约了新产品开发和模具制造的费用。欧美 等发达国家已将该技术广泛应用于航空航天、汽车、 医疗、家电、军事装备等领域。我国ＲＰ 技术的研究工作 起步于２０ 世纪９０ 年代初，初期以技术引进为主，后期 在高额成本压力下积极开展自主创新研究，并取得了 较大的进展。国内的家电行业在 Ｒ Ｐ 技术的应用上，走 在了国内前列，例如美的、春兰、海尔等，都先后采用 Ｒ Ｐ 系统来开发新产品，收到了良好的效果［２］。
ｘＰＣ Ｔａｒｇｅｔ 是ＭａｔｈＷｏｒｋｓ 提供一种用于产品原型开 发、测试和配置实时系统的 ＰＣ 机解决途径［９］。为了提高 系统实时仿真的能力，ｘＰＣ Ｔａｒｇｅｔ 采用了宿主机—目标 机的技术途径，两机通过网卡连接，以ＴＣＰ／ＩＰ 协议进行 通信。宿主机安装ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 及 ｘＰＣ 工具箱，用 Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 建立模型，进行仿真前的参数配置，然后用 Ｒ Ｔ Ｗ 和一个Ｖ Ｃ 编译器将模型编译为一个可执行文件 下载到目标机。目标机不需要安装 Ｄ Ｏ Ｓ 、Ｗ ｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ 、 Ｌ ｉ ｎ ｕ ｘ 或任何一种操作系统，用户只需用特殊的启动软 盘启动目标机 ｘＰＣ Ｔａｒｇｅｔ 实时内核（ＢＩＯＳ 是 ｘＰＣ Ｔａｒｇｅｔ 实 时内核所需的唯一软件），运行从宿主机下载的ＲＴＷ 生 成的目标应用程序，通过Ｉ／Ｏ 通道与外部实物进行数据 交换，最终实现半实物的实时仿真测试［１０，１１］。基于 ｘ Ｐ Ｃ Ｔａｒｇｅｔ 的快速控制原型仿真系统结构如图４ 所示。