馬玉靜，李學(xué)軍，劉 為

(長春大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院;b.計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

0 引言

隨著快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，半實(shí)物仿真技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要手段。借助該技術(shù)的靈活性和真實(shí)性，縮短了研發(fā)周期，減輕設(shè)計(jì)者的工作量，同時(shí)也。在眾多的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，基于dSPACE(德國公司)搭建的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與MATLAB/Simulink的完全無縫連接，可快速完成從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)代碼生成，因此能反復(fù)修改模型設(shè)計(jì)、離線仿真和半實(shí)物仿真;并且通過將快速原型硬件系統(tǒng)與實(shí)際要控制設(shè)備相連，可以在線修改控制器的參數(shù)來改善實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

1 dSPACE系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

dSPACE(digital Signal Processing and Control Engineering)半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)［1］，是由德國dSPACE公司提供，是基于Matlab/Simulink環(huán)境下控制系統(tǒng)開發(fā)與性能測試平臺(tái)。其仿真器包括硬件和軟件兩部分，其中MicroAutoBox為主要硬件;軟件環(huán)境包括能生成實(shí)時(shí)代碼、RTI(Real Time Interface)［2］模塊庫 和自動(dòng)測試軟件(Control Desk)［3］。

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與其他實(shí)時(shí)系統(tǒng)相比較有如下特點(diǎn):

(1)使用標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)，利用多種CPU、A/D、D/A板，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多種組合，構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

(2)通過Matlab/Simulink的無縫鏈接，實(shí)現(xiàn)從非實(shí)時(shí)分析設(shè)計(jì)到實(shí)時(shí)分析的良好過渡。

(3)精心設(shè)計(jì)的高可靠性硬件系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)總線的硬件接口，基于PC機(jī)、WINDOWS操作系統(tǒng)的代碼生成及下載軟件、試驗(yàn)軟件，方便掌握使用。

(4)根據(jù)用戶的需求，允許用戶可以靈活在單板/多板系統(tǒng)、自動(dòng)生成代碼/手工編制代碼選擇等。

由于dSPACE有無可比擬的優(yōu)越性，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)器人及工業(yè)控制等領(lǐng)域。也被學(xué)校及研究部門使用，來解決實(shí)際問題。

2 二維自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 二維自由度工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)

“慧魚創(chuàng)意組合模型(Fischertechnik)”是德國發(fā)明家Artur Fischer博士于1964年發(fā)明的。該模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，可以通過多種組合變化模擬簡單或復(fù)雜的模型，并通過計(jì)算機(jī)接口及相關(guān)軟件編程對(duì)模型進(jìn)行控制，采用比較直觀的圖形化程序語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和儀器控制。本文就是利用慧魚創(chuàng)意組合的靈活性和創(chuàng)新性來搭建模擬工業(yè)上常用到的二維自由度工作臺(tái)。

二維自由度工作臺(tái)使用的主要零件是齒輪(C1、C2)、連桿、圓盤、立柱、蝸輪、蝸桿、微型電機(jī)(M1、M2)以及各種接插件，緊固件等。按設(shè)計(jì)要求組裝的二維工作臺(tái)模型。二維自由度工作臺(tái)實(shí)物如圖1所示。

2.2 二維自由度工作臺(tái)的設(shè)計(jì)原理

圖1 二維自由度工作臺(tái)實(shí)物

該工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是由9V直流電機(jī)(M1、M2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)又通過兩級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)由渦輪和蝸桿構(gòu)成的螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)，并沿直線運(yùn)動(dòng)，這樣構(gòu)成了二維自由度工作臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)。其中直流電機(jī)M1帶動(dòng)絲杠(S1)沿X軸方向左右移動(dòng)，直流電機(jī)M2通過絲杠(S2)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)E沿Y軸方向上下移動(dòng)。

由于在dSPACE平臺(tái)環(huán)境下，通過模塊(DAC)輸出的電壓和電流信號(hào)很小，不能直接控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，必須通過一個(gè)直流放大驅(qū)動(dòng)電路去控制工作臺(tái)的直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制。我們采用由LG9110芯片和外圍器件構(gòu)成的電路作為驅(qū)動(dòng)電路，該芯片是雙通道推挽式功率放大專用集成電路器件，其抗干擾能力強(qiáng)，而且兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，每個(gè)通道能通過750～800mA的持續(xù)電流，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力。所以該工作臺(tái)采用此驅(qū)動(dòng)放大電路完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維自由度工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制。

3 半實(shí)物仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該半實(shí)物仿真平臺(tái)［4］主要由工控機(jī)、PC機(jī)、dSPACE仿真控制器和二維自由度工作臺(tái)等構(gòu)成。其中采用帶有多個(gè)插槽的ISA總線的工控機(jī)和裝有Matlab/Simulink［5］［6］(Matlab7.0)、dSPACE軟件的PC機(jī)，Simulink構(gòu)建控制系統(tǒng)框圖，方便調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，進(jìn)行離線仿真，這就構(gòu)成了半實(shí)物仿真的上位機(jī)。dSPACE標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)中的處理器與上位機(jī)相連，采用光纜來接進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，采用dSPACE單板系統(tǒng)DS1401控制板作為原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制器的控制算法。半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

通常情況下在計(jì)算機(jī)完成半實(shí)物仿真過程，需以下幾個(gè)步驟:

步驟1:建立Simulink模型。在Simulink模塊庫將控制所需輸入、輸出等模塊添加到Simulink框圖中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

步驟2:dSPACE平臺(tái)中的RTI模塊庫，選擇實(shí)時(shí)仿真測試所需的I/O、A/D、D/A模塊，添加到Simulink框圖中，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

步驟3:選擇RTW Build自動(dòng)完成實(shí)時(shí)C代碼的生成、編譯、鏈接和下載。通過TargetLink下載到硬件平臺(tái)MicroAutoBox中，進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)。

步驟4:創(chuàng)建監(jiān)控界面。在dSPACE軟環(huán)境ControlDesk下建立虛擬儀表和下載目標(biāo)應(yīng)用程序，進(jìn)行半實(shí)物仿真，在線調(diào)整參數(shù)及在線控制，實(shí)現(xiàn)仿真變量的可視化監(jiān)控，直觀反映試驗(yàn)過程。

4 仿真結(jié)果

通過已建立的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，我們選擇二維自由度工作臺(tái)實(shí)物的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)為控制對(duì)象，利用dSPACE仿真控制器，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)來驗(yàn)證控制效果。

在Matlab/Simulink環(huán)境下，采用Simulink建立控制模型實(shí)時(shí)框圖，完成算法框圖的建立及代碼生成、編譯及下載。同時(shí)將dSPACE的硬件系統(tǒng)與外部受控對(duì)象(二維自由度工作臺(tái))對(duì)應(yīng)控制口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)時(shí)控制?？刂葡到y(tǒng)仿真模型如圖4所示。

控制系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式PWM，加在工作臺(tái)中直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，其電機(jī)速度調(diào)節(jié)是通過改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)仿真模型

圖中DAC-TYPE1-M1-C2、DAC-TYPE1-M1-C1兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換(輸出直流電壓范圍為0-5V，電流為20mA)，與二維自由工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)放大電路相連，來控制工作臺(tái)的X軸方向和Y軸方向運(yùn)動(dòng)，這樣就構(gòu)成了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的控制回路。通過dSPACE的測試軟件(Control Desk)建立監(jiān)控界面，在線調(diào)參，觀測控制效果。監(jiān)控界面輸出波形如圖5所示。

圖5 監(jiān)控界面輸出的波形圖

5 結(jié)語

本文利用dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過Simulink構(gòu)建的控制系統(tǒng)模型，借助dSPACE成熟的硬件接口與軟件工具，快捷方便的實(shí)現(xiàn)了二維自由度工作臺(tái)系統(tǒng)的控制，達(dá)到了預(yù)期的效果。說明通過此方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，表明dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)具有高仿真度和可靠性的特點(diǎn)。

［1］dSPACE User Guide Implementation Guide［M］.dSPACE Inc.2003.

［2］dSPACE Inc.Real Time Interface(RTI and RTIMP)Implementation Guid［M］.dSPACE GmbH.2005.

［3］dSPACE In c.Cont rolDesk Experiment Guide［M］.dSPACE GmbH.2005.

［4］李學(xué)軍，張玲霞，馬玉靜.基于dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(6):4-5，12.

［5］楊滌，李立濤，楊旭，朱承元.系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［6］雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)研究系統(tǒng)仿真技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2005，1(3):131-135.