朱燕紅，史美萍，謝海斌

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

半實(shí)物仿真是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的重要研究方法［1］，它通過(guò) HILS（hardware in the loop simulation）方案解決純仿真過(guò)程中建模復(fù)雜、精度低的難題，能有效地縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，因而得到廣泛的應(yīng)用［2－5］，由德國(guó) dSPACE 公司生產(chǎn)的 dSPACE 硬件在環(huán)式高效實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，能與Matlab/Simulink無(wú)縫鏈接［6］，具有簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在現(xiàn)有仿真系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位。研究生教育作為高等教育的最后階段，有著直面工程與科研的特點(diǎn)，學(xué)生掌握這一基本技術(shù)，對(duì)于以后的深造和工作都有著重要作用［7］。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)控制科學(xué)與工程研究生綜合實(shí)驗(yàn)中心基于固高公司的dSPACE設(shè)備，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了外圍實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并結(jié)合多層次、立體化、模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以問題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，激發(fā)了學(xué)生的積極性，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 dSPACE教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 dSPACE介紹

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是dSPACE DS1104，該控制器是基于Matlab/Simulink的實(shí)時(shí)仿真硬件平臺(tái)，能夠通過(guò)RTW/RTI實(shí)現(xiàn)與 Matlab/Simulink的無(wú)縫鏈接。dSPACE的代碼生成和下載軟件作為Matlab的一個(gè)工具箱，用戶可以在Simulink中調(diào)用模塊搭建仿真模型，仿真模型可以直接轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)代碼下載到dSPACE系統(tǒng)，下載到dSPACE的軟件可以脫離Matlab軟件環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行。

ControlDesk是dSPACE提供的綜合實(shí)驗(yàn)軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單的可視化模型搭建，可方便、快捷地實(shí)現(xiàn)交互功能，對(duì)運(yùn)行在硬件系統(tǒng)的程序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。dSPACE因其強(qiáng)大的綜合實(shí)驗(yàn)功能成為工程研發(fā)階段首選的半實(shí)物仿真平臺(tái)。

1.2 外圍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制科學(xué)與工程學(xué)科研究生綜合實(shí)驗(yàn)中心以現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，構(gòu)建了以dSPACE系統(tǒng)為核心的現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，控制系統(tǒng)硬件基本組成如圖1所示。包括自主設(shè)計(jì)開發(fā)的外圍拓展箱和控制領(lǐng)域典型被控對(duì)象群，被控對(duì)象如直線多級(jí)倒立擺、板球系統(tǒng)、電磁懸浮系統(tǒng)等多種典型復(fù)雜非線性時(shí)變多變量系統(tǒng)。通過(guò)簡(jiǎn)單的連線，快速構(gòu)建控制原型，對(duì)各種控制方法實(shí)時(shí)驗(yàn)證。

圖1 拓展系統(tǒng)實(shí)物圖

在圖1中，dSPACE外圍拓展箱分為電源區(qū)、接口區(qū)、開關(guān)區(qū)、顯示區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、傳感器與被控對(duì)象區(qū)等6個(gè)基本區(qū)域。電源區(qū)提供＋5V、±12V、＋24V直流電壓；接口區(qū)通過(guò)串口線與dSPACE控制板的I/O PWM接口連接；開關(guān)區(qū)集成了乒乓、鎖位、觸發(fā)、撥段等常用開關(guān)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)；顯示區(qū)提供燈和表兩種顯示方式；擴(kuò)展區(qū)接線板為后續(xù)擴(kuò)展設(shè)計(jì)提供接口；傳感器與被控對(duì)象區(qū)提供了接近開關(guān)傳感器以及舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、喇叭等簡(jiǎn)單控制元件作為被控對(duì)象?；谕卣箤?shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)了以控制步進(jìn)電機(jī)為目標(biāo)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)——基于dSPACE的控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)與硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生初步掌握該仿真實(shí)驗(yàn)的基本概念、原理和方法，熟悉dSPACE的軟、硬件開發(fā)環(huán)境、掌握具體方法和流程，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的科學(xué)研究能力和工程素養(yǎng)。

2 與結(jié)構(gòu)化、多樣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有機(jī)結(jié)合

2.1 循序漸進(jìn)的“2＋4＋X”結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

按照“2＋4＋X”的結(jié)構(gòu)和循序漸進(jìn)的原則，依次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

“2”是2次理論講授：基于 Matlab/Simulink的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與離線仿真、基于dSPACE的控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)與硬件在回路仿真。通過(guò)2次理論講授使學(xué)生對(duì)dSPACE有基本的認(rèn)知，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

“4”是4次具體的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在掌握課程知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)典型的電機(jī)控制系統(tǒng)離線建模、快速原型設(shè)計(jì)與硬件在回路仿真等實(shí)踐環(huán)節(jié)，逐步掌握控制系統(tǒng)的圖形化建模、分析、設(shè)計(jì)與離線仿真，快速原型設(shè)計(jì)、半實(shí)物仿真、在線控制與參數(shù)調(diào)節(jié)，硬件在回路仿真等概念、原理與方法。4次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容依次是：基于Simulink的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真——多功能信號(hào)發(fā)生器（實(shí)驗(yàn)一）、基于dSPACE的多功能信號(hào)發(fā)生器快速原型設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)二）、基于dSPACE的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)三）、基于dSPACE的步進(jìn)電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)四），實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 基于dSPACE的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

實(shí)驗(yàn)一要求通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器與步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行圖形化建模、控制器設(shè)計(jì)與離線仿真，使學(xué)生了解基于模型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，并熟練掌握基于 Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析與仿真方法，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備離線模型；實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三要求學(xué)生了解現(xiàn)代控制工程的控制系統(tǒng)V形設(shè)計(jì)理念與開發(fā)流程，并熟練掌握基于dSPACE平臺(tái)的控制器快速原型設(shè)計(jì)方法與硬件在回路仿真方法；實(shí)驗(yàn)四要求學(xué)生了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，鞏固基于dSPACE平臺(tái)的控制器快速原型設(shè)計(jì)方法與硬件在回路仿真方法，為開展其他控制類實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

“X”為在前述基礎(chǔ)上開設(shè)的拓展模塊，通過(guò)構(gòu)建面向典型應(yīng)用的電機(jī)控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)，促使學(xué)生系統(tǒng)地掌握基于dSPACE的控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)的完整流程，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

實(shí)驗(yàn)最后采用結(jié)構(gòu)化考核方式，綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)效果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中安排問題與改進(jìn)方式、體會(huì)與建議等開放模塊，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)后認(rèn)真回顧和反思，總結(jié)實(shí)驗(yàn)心得，實(shí)驗(yàn)教員也能從中汲取經(jīng)驗(yàn)，以及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和授課方式作出調(diào)整。

2.2 以課題研究的形式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)

新時(shí)代高等教育以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力為目的［8－11］，傳統(tǒng)教育模式以知識(shí)傳授為主體，實(shí)踐教學(xué)是走出這一傳統(tǒng)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［12］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃中，除加強(qiáng)和鞏固課堂所學(xué)理論知識(shí)，把書本知識(shí)搬到實(shí)驗(yàn)桌上外，更要注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)開展模式的改革創(chuàng)新。

以科研項(xiàng)目實(shí)施流程開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，就是把“課題發(fā)布－選題/自主命題—方案設(shè)計(jì)—開題論證—項(xiàng)目實(shí)施—答辯驗(yàn)收—成果演示—實(shí)驗(yàn)報(bào)告—資料歸檔”的科研項(xiàng)目實(shí)施流程引入實(shí)驗(yàn)課堂。以dSPACE系列實(shí)驗(yàn)課程中拓展模塊為例，開課前2周發(fā)布課題，通知學(xué)生準(zhǔn)備選題并進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)，制作簡(jiǎn)單的文檔和匯報(bào)PPT，就開題論證與教師、同學(xué)進(jìn)行討論，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行可行性論證并調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，擬出所需設(shè)備清單。實(shí)驗(yàn)完成后統(tǒng)一答辯并演示實(shí)驗(yàn)成果、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由實(shí)驗(yàn)中心保管課題資料。

實(shí)驗(yàn)中心鼓勵(lì)學(xué)生自擬題目，以問題為導(dǎo)向進(jìn)行自主研究性學(xué)習(xí)，且不受課時(shí)和學(xué)科限制。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下創(chuàng)設(shè)問題情景、了解所涉及的學(xué)科領(lǐng)域，最終得到較高水平的研究成果。一個(gè)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠成為一個(gè)概括專業(yè)知識(shí)的有機(jī)整體，有利于學(xué)生更加系統(tǒng)、深入地了解和掌握專業(yè)知識(shí)。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時(shí)，能夠?qū)W習(xí)到工程項(xiàng)目的管理方法，團(tuán)結(jié)協(xié)作與組織協(xié)調(diào)能力也可得到鍛煉。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果實(shí)例

dSPACE系列實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)已有5年，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化改革，取得了非常好的教學(xué)效果。在項(xiàng)目化的運(yùn)作方式下，學(xué)生創(chuàng)作出很多優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)作品。

（1）基于dSPACE的懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以dSPACE系統(tǒng)平臺(tái)為控制核心，以機(jī)械結(jié)構(gòu)和dSPACE外圍系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱為硬件平臺(tái)，由步進(jìn)電機(jī)控制模塊、紅外傳感和Control Desk人機(jī)交互3個(gè)功能部分組成。由dSPACE的算法產(chǎn)生不同狀態(tài)的PWM波，以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)畫筆的控制。系統(tǒng)可通過(guò)Control Desk設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡；控制質(zhì)量大于100g的物體在仰角不大于100°的80cm×100cm白板上做自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，物體上固定有淺色畫筆，在白板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，人機(jī)界面友好。

（2）基于dSPACE的車輛運(yùn)動(dòng)控制仿真。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)充當(dāng)上位機(jī)，另一臺(tái)安裝dSPACE軟件的計(jì)算機(jī)充當(dāng)下位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)dSPACE的串口將方向、速度、檔位及剎車等控制信號(hào)發(fā)送到下位機(jī)，完成車輛的運(yùn)動(dòng)控制。

（3）基于dSPACE的自動(dòng)升降電梯半實(shí)物仿真系統(tǒng)。根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中自動(dòng)電梯運(yùn)行的觀察，使用Simulink搭建基于dSPACE的半實(shí)物仿真系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)單座4層電梯運(yùn)行狀態(tài)的模擬，包括合理的運(yùn)行邏輯、電梯門的防夾功能、超重檢測(cè)功能、異常狀態(tài)報(bào)警功能，并最大限度地做到節(jié)能。

（4）基于dSPACE的二維跟蹤系統(tǒng)。以地面控制臺(tái)為原型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)箏的放飛、控制與回收，在dSPACE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成地面控制臺(tái)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)二維云臺(tái)的手動(dòng)跟蹤、程序自動(dòng)跟蹤和2自由度分開控制和聯(lián)控。用360°導(dǎo)電滑環(huán)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，增量編碼器用于云臺(tái)的俯仰角度測(cè)量。用2個(gè)SPWM實(shí)現(xiàn)控制云臺(tái)俯仰和水平旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的控制，用2個(gè)DAC模塊輸出0.5V電壓（邏輯低電平）或者5V電壓（邏輯高電平）分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向進(jìn)行dSPACE教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)多層次、模塊化、多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，顯著提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，學(xué)生在綜合素質(zhì)方面也有很好的鍛煉。由于在dSPACE模塊實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)器材大多是學(xué)生自己采購(gòu)的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目標(biāo)及方法也由學(xué)生自己確定，很好地鍛煉了學(xué)生提出問題、解決問題的能力。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，這不僅是一個(gè)學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程，更是一個(gè)全方位能力鍛煉的過(guò)程。

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