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dSPACE实时仿真系统介绍

一、dSPACE实时仿真系统简介
dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台,实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有实时性强,可靠性高,扩充性好等优点。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。dSPACE软硬件目前已经成为进行快速控制原型验证和半实物仿真的首选实时平台。
 
RCP(Rapid Control Prototyping)—快速控制原型
要实现快速控制原型,必须有集成良好便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。 dSPACE 实时系统允许反复修改模型设计,进行离线及实时仿真。这样,就可以将错误及不当之处消除于设计初期,使设计修改费用减至最小。
使用 RCP 技术,可以在费用和性能之间进行折衷;在最终产品硬件投产之前,仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连,可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且,还可以利用旁路( BYPASS )技术将原型电控单元( ECU : Electronic Control Unit )或控制器集成于开发过程中,从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。 RCP 的关键是代码的自动生成和下载,只需鼠标轻轻一点,就可以完成设计的修改。
 
HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation)—半实物仿真
当新型控制系统设计结束,并已制成产品型控制器,需要在闭环下对其进行详细测试。但由于种种原因如:极限测试、失效测试,或在真实环境中测试费用较昂贵等,使测试难以进行,例如:在积雪覆盖的路面上进行汽车防抱死装置( ABS )控制器的小摩擦测试就只能在冬季有雪的天气进行;有时为了缩短开发周期,甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下(如:控制对象与控制器并行开发),对其进行测试。 dSPACE 实时仿真系统的 HIL 仿真将助您解决这一问题。
 
dSPACE开发流程    
开发人员在进行控制系统开发时,常常需要同时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。因此,只有高度集成的系统才能满足这一切要求, dSPACE 系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真,还包括实时快速控制原型、已验证的设计向产品型控制器的转换和硬件在回路测试。 dSPACE 为 RCP 和 HILS 提供了一套计算机辅助控制系统设计的工具 -CDP ( Control Development Package )。 CDP 主要基于下列工具:
 
1)    MathWorks 公司 Simulink :用来进行基于方框图的离线仿真;
2)    MathWorks 公司 Real-Time-Workshop: 用来从方框图生成 C 代码;
3)    dSPACE 公司 Real-Time Interface (RTI): 用来产生与硬件系统相关的代码,使代码可以在单处理器/多处理器目标系统中运行;
4)    dSPACE 系列软件工具:用来对闭环试验进行交互操作(自动/手动)。
利用 CDP ,可以完成从系统建模、分析、离线仿真直到实时仿真的全过程,可使开发人员全神贯注于控制方案的构思而不必再在琐碎的杂务上花费相当多的时间,从而可以大大缩短开发周期。 
dSPACE系统特点 
dSPACE 系统具有高度的集成性和模块性,允许用户根据需求来组建用户系统,无论是软件还是硬件, dSPACE 都提供了多项选择。 dSPACE 拥有单板系统及组件系统以及众多的 I/O 接口模板,可以满足大多数工程应用。 dSPACE 系统基于图形开发界面,免去了开发人员手工编程调试的繁杂而又易于出错的工作。 dSPACE 产品包括软件和硬件两部分,其主要软件有 RTI 、 ControlDesk 、 TargetLink 等。
 
二、dSPACE实时仿真系统在机器人领域的应用
 
腕关节测试仿真器的开发
如何成功的移植人的腕关节一直是现代外科手术的重大挑战。一个由外科医生和工程师组成的多学科小组在Bath 大学解决新型腕关节假肢的关键工程问题。这一工作的一个重要方面就是开发一个手腕仿真器以用于测试不同假肢腕关节设计在真实负载环境的性能。
 
对于这一仿真器,要求能够重现人手腕的典型运动以及载荷条件,同时对所使用的力进行测量。当前腕关节假肢的设计是基于ball-and-cup 型关节,关节在载荷下(例如从椅子上撑起这一过程)出现关节脱臼是腕关节假肢性能上的一个重大问题,因此仿真器的一个目的就是确定导致关节脱臼的因素。
 
Mark I 型仿真器是由铝部件组成,分别用以表示手部和前臂,这两部分由腕关节假肢连接在一起。四个缆绳表示关节内的腱,用来和“手”铰接。每根缆绳的一端绕在轴上,该轴通过齿轮箱连接到无刷伺服电机上,以调节缆绳的运动和张力。缆绳的另一端连接到一个载荷单元上,从而缆绳的张力可以被监控并用以反馈控制。连接到电机轴上的增量编码器将电机位置信号提供给控制器。仿真器的前臂模块安装在六轴力传送机构上,用来产生瞬间载荷条件。
 
所有力和电机位置信号通过高精度A/D 板由dSPACE 快速原型进行监控,并运用于dSPACE 处理器板所运行的控制算法中。控制系统的输出驱动电机的功率元件,从而决定电机产生的转矩。控制器通过使用ControlDesk 手动初始化。假肢测试程序调用预定的关节运动,通过MLIB 编写MATLAB 文件自动运行。腕关节的运动路径从MATLAB 工作空间上载到控制器中,同时测量得到的数据被下载到工作空间中。通过使用dSPACE 快速原型,使得快速高效的控制系统实现和开发成为可能。
 
卧式下肢康复机器人控制系统研究
为了能够更好的为患者进行康复训练,电机和编码器的选择及硬件电路的设计必须能够提供足够的驱动力和精度,使其达到精确有力的对患者进行康复。控制系统的好坏是康复机器人能否区别与普通的康复训练器的关键。卧式下肢康复机器人基于dSPACE开发,首先用dSPACE来进行系统辨识,Matlab SISO进行控制器设计,控制器调试完毕后,用 MatLab/Simulink来建立控制模型,利用dSPACE的实时仿真特性和ControlDesk的强大功能来实时调节控制参数,从而达到控制要求。调试完毕后进行仿真实验来验证设计的可靠性和准确性,最后利用dSPACE的RTW中产生的标准C代码,稍做修改,把程序移植到单片机中和上位机控制系统中。
 
挖掘机的挖掘环节控制设计
在澳大利亚用于露天煤矿的挖掘机每台价值100 万美元。该挖掘机类似于巨大的起重机,通过其100米高的吊架上悬挂的挖掘铲来清理并移走煤矿覆盖层,例如,砂土和岩石。铲斗空重40t,满载时能够达到120t。这些机器的生产效率提高几个百分点,则澳大利亚整个煤矿收入将增加数百万美元。当前,昆士兰理工大学通过使用dSPACE 快速原型来实现这种机器挖掘循环的自动化。
 
一台典型挖掘机铲斗一次可以将100t 左右的碎块铲起,转动90 度将其倒入废弃堆中。这个挖掘循环每分钟重复一次,日日夜夜重复工作。挖掘循环可以通过如下的优化来得到提高:通过减小物料的泄漏来提高铲斗的有效载荷——泄漏是由于满载的铲斗倾斜上升导致晃动而引起的;加快提升的时间——这可以通过控制铲斗的运动来实现,从而使之在工作空间中沿着理想的最短时间路径运动;减小维护时间,通过减小挖掘循环期间的动态载荷来实现。
在实现铲斗路径自动化控制的研究过程中,研究人员首先建立一个1:20 的缩小模型,使用dSPACE 快速原型DS1104R&D 控制板以及MATLAB/Simulink 结合的开发环境进行研究开发。在模型上实验成功后,下一步工作是将所研究的控制技术应用到大型(1:7)试验挖掘机上,采用dSPACE AutoBox 作为控制原型,以扩展输入信号来满足自动挖掘流程中的需要。在开发过程中,dSPACE 控制硬件的简单易用性使得客户十分满意。
 
dSPACE系统应用于机器人领域的优越性:
 
(1)dSPACE系统软、硬件均采用模块化设计方法,可靠性高。用dSPACE提供的集成开发调试平台可以方便快捷的构建快速控制原型,完成控制系统的设计和调试。工程师不用或只需缩写极少的程序代码就可用很短的时间完成以前需要编写大量代码来完成的工作,且模型参数的修改、代码的生成及下载也非常方便,完全避免了过去的那种因为局部改动就要多花费几周甚至几个月的时间进行代码的修改和重靳测试,大大节省了时间,提高了效率。
 
(2)dSPACE系统与MATLAB实现了无缝连接,使广大MATLAB用户可以轻松地掌握dSPACE的使用,从而方便地从非实时分析、设计过渡到实时的分析、设计。
 
(3)机器人控制器的设计是一项比较复杂的工作,往往需要比较许多不同的控制算法并不断的调整控制参数。dSPACE快速控制原型构造简单、调整方便,非常适合进行机器人控制算法的实验研究。(来自网络)

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