半实物仿真技术发展综述

1、半实物仿真技术综述1.半实物仿真技术1.1半实物仿真系统的定义半实物仿真，也称为半实物仿真，是指将一些物理对象连接到仿真实验系统的仿真回路中的实时仿真。实时性能是半实物仿真的必要前提。与其他类型的仿真方法相比，半实物仿真在经济上有可能实现更高的真实性。从系统的角度来看，硬件在环仿真允许一些物理对象连接到系统中，这意味着可以在系统中检查一些物理对象，从而可以在满足系统整体性能指标的环境中检查组件。因此，半实物仿真是提高系统设计可靠性和开发质量的必要手段。1.2半实物仿真的优势和特点硬件在环仿真技术自20世纪60年代问世以来一直很受欢迎，直到美国开发出航天飞机。大多数美国国防承包商都有一个或多个半

2、物理模拟实验室，代表着当前的世界先进水平。其进步体现在：(1)有高速、高精度的模拟器；(2)具有先进完整的环境模拟设备。国内半实物仿真技术在导弹制导、火箭控制和卫星姿态控制方面也达到了较高的水平。硬件在环仿真特性：(3)为了连接回路中的物理对象，必须实时运行，即仿真模型的时间尺度与自然时间尺度相同。(4)需要解决控制器与仿真计算机的接口问题。(5)半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际1.3半实物仿真系统的基本组成和原理半实物仿真系统属于实时仿真系统。这是一种硬件在环实时技术，它使用计算机接口将真实对象嵌入到软件环境中，并要求系统的软件和硬件实时运行，从而模拟整个系统的运行状态，如图2所示。

3、实时系统由以下部分组成。(1)模拟计算机仿真计算机是实时仿真系统的核心部分。它运行物理对象和仿真环境的数学模型和程序。一般来说，采用分层模块化建模方法将模块化程序划分为不同的速率块，并在仿真计算机中实时运行。对于复杂的大规模仿真系统，多台计算机可以联网实时运行。(2)物理效应设备物理效应设备的功能是模拟和再现现实世界的物理环境，形成模拟环境或虚拟环境。有许多技术方法可以实现物理效应设备。方案之一是利用伺服控制回路来控制和形成相应的物理量。另一种方案是在存储的数据库中搜索相应的数据，并将它们转换成相应的物理量。(3)接口设备模拟计算机输出的驱动信号经过接口转换后驱动相应的物理效果设备。接口装置同

4、时将操作者或物理系统的控制输入信号送入模拟计算机。半实物仿真系统的原理框图如图1所示。在仿真计算机中，通过求解动态系统和环境的数学模型，得到系统和环境的各种参数。在半物理仿真系统中，这些参数通过物理效应设备产生传感器所需的测量环境，从而形成一个完整的闭环仿真系统。物理效应设备是实现仿真系统所需的中间环节。其动态特性、静态特性和时延都会影响仿真系统的可信度和准确性，并应有严格的相应技术指标要求。图1半物理仿真系统原理框图半实物仿真系统是虚拟和真实系统的结合，具有以下特点：(1)建立仿真模型。任何仿真模型的实现都必须建立t(2)物理访问和模拟环境生成。实时仿真系统通常连接到物理系统，例如，发动机仿

5、真系统通过物理仿真进行测试。各种物理效应设备将模拟生成物理系统所需的物理环境。通过物理效果设备和接口，仿真计算机和接入的物理系统将形成一个完整的物理仿真系统。(3)系统仿真测试。系统模拟测试是可控的、非破坏性的、可重复的、经济的、安全的，不受气象条件和现场环境的限制。(4)系统仿真的应用。系统仿真技术可以广泛应用于国防、能源、水利、工业等工程和非工程领域。它还可以广泛应用于产品开发的全过程，包括方案论证、设计分析、生产制造、测试评估和人员培训。(5)系统的实时仿真。模拟计算机已经从“并行”计算模拟计算机发展到“串行”计算数字计算机。突出的技术关键是如何保证仿真系统的实时运行。实时性能反映在通过

6、循环迭代计算的帧周期中。帧周期应根据仿真系统中的信息变化率来选择。网络仿真的网络延时和物理效应设备的延时都会影响仿真系统的实时性。1.4 HWIL模拟工作流程当用户执行硬件在环仿真时，他们通常会经历以下“瀑布”过程。如图2所示，他们对实际系统建模，执行纯数学仿真(即数学仿真模型)，修改模型，完成设计，用实时仿真的真实对象替换模型中的一些数学模型，修改仿真模型，最后确定模型。在完成数学模型的建立和仿真验证后，用户可以建立半实物实时仿真系统。在Matlab/Simulink系统平台上构建半实物实时仿真系统非常简单。用数学方法表达的原始输入输出信号模型被实际的输入输出板所取代。然后描述硬件目标以生成

7、实时代码。实时代码被下载到本地仿真平台。最后，运行模型，监控仿真数据，并在线修改仿真模型的数学部分。图2硬件在环仿真过程2.主要半实物仿真系统2.1 dSPACE半实物仿真平台在半实物仿真系统中，由于物理对象的引入，需要对这些部件的真实工作环境和激励信号进行仿真，并需要实现一些特殊的物理仿真模型。半实物仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法，不仅提高了仿真的逼真度，而且解决了系统中许多复杂的建模问题。因此，半实物仿真已经成为主要发展方向。此外，在开发的初始阶段，需要快速建立控制对象的原型和控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线和在线测试，以验证控制系统软硬件方案的可行性。这一过程称为快速控

8、制(RCP)。dSPACE实时仿真系统为半实物仿真和RCP应用提供了一个协调统一的集成解决方案。DSPACE是基于MATLAB/Simulink的控制系统开发和测试平台，实现了与MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时系统有一个具有高速计算能力的硬件系统，也有一个方便易用的软件环境来实现代码生成/下载和测试/调试。2 . 1 . 1 dSPACE简介dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司在实时环境下开发的基于MATLAB/Simulink的控制系统开发和测试平台，实现了与MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时系统由硬件系统和软件环境两部分组成。硬件

9、系统的主要特点是它的高速计算能力，包括处理器和输入输出接口。软件环境可以轻松实现代码生成/下载、测试和调试等。DSPACE功能强大，能够很好地完成控制算法的设计、测试和实现，为这套并行工程提供了良好的环境。dSPACE的开发思想是集成和集成系统或产品开发的功能和过程，即从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整，都可以集成到一套平台上。dSPACE的软件环境主要由两部分组成。一部分是实时代码生成和下载软件RTI(实时接口)，它是数字空间实时系统与MATLAB/Simulink之间的纽带。通过扩展实时车间，可以实现实时硬件代码从Simulink模型到dSPACE的自动

10、下载。另一部分是测试软件，包括综合实验测试环境(软件)控制台、自动实验和参数调整软件MLIB/MTRACE、PC机和实时处理器通讯软件CLIB和实时动画软件RealMotion。dSPACE实时仿真系统的结构如图3所示。图3 dSPACE半实物仿真系统框图与其他仿真系统相比，DSPACE实时仿真系统具有许多不可比拟的优势：强大的组合。使用标准组件系统，可以进行系统的各种组合。良好的过渡，易于掌握和使用。与MATLAB/Simulink的无缝连接促进了从非实时分析设计到实时分析设计的过渡。速度很快。用户可以在几分钟内完成模型/参数的修改、代码生成和下载，大大节省了时间和成本。良好的实时性能。一旦

11、代码被下载到实时系统，它将独立运行而不会中断测试过程。高可靠性。dSPACE系统的软硬件经过精心设计、制造和调试，没有兼容性问题，值得信赖。灵活性强。用户可以选择单板/多板系统、单处理器/多处理器系统、自动代码生成/手动代码编译，以满足各种应用需求。基于PC机和WINDOWS操作系统，其代码生成和下载软件以及测试工具软件均基于WINDOWS操作系统。硬件接口采用标准总线，便于掌握和使用。2 . 1 . 2 dSPACE软件环境介绍2.1.2.1代码生成和下载软件描述控制系统的C代码可以由Simulink框图自动生成，并下载到实时系统硬件中。这项工作主要由数字空间系统中的MATLAB/RTW和R

12、TI完成。RTI的使用方法是，从dSPACE的RTI库中以图形方式选择相应的输入/输出模型，将其拖放到由Simulink构建的系统模型框图中，并指定输入/输出参数来完成选择。选择后，只要用鼠标单击对话框中的“构建”命令，RTI就会自动编译、下载并启动实时模型。此外，RTI还根据信号和参数生成一个变量文件，可由dSPACE测试工具软件(如控制台)访问。当仿真系统比较复杂时，需要RTI-MP来完成多处理器系统的设计，建立多处理器网络结构。2.1.2.2测试软件dSPACE提供的测试软件主要包括：控制台集成测试环境、MLIB/MTRACE自动测试和参数调整软件。(1)控制台控制台是由dSPACE公司

13、开发的新一代综合测试软件工具。它提供了测试过程的全面管理。其职能包括：实时硬件的可视化管理用户虚拟仪器的建立变量的可视化管理参数的可视化管理测试过程自动化(2) MLIB/MTRACE使用MLIB和MTRACE可以大大提高dSPACE实时系统的自动测试能力。使用这两个库，您可以直接从MATLAB访问在dSPACE板上运行的应用程序中的变量，而不会中断测试。即使不知道变量的地址，有一个变量名就足够了。这样，MATLAB的数值计算和图形功能就可以用于自动序贯测试、数据记录和控制参数的优化。MLIB和MTRACE的结合可以形成一个完美的整体。在MATLAB强大的计算能力支持下，它可以自动进行任何可以

14、想象的测试。例如，控制器的优化：MTRACE记录数据，然后将数据传输到MATLAB，MATLAB自动计算新的控制器参数，并通过MLIB将其发送回处理器板或控制板。简而言之，dSPACE是基于Simulink模型的半实物仿真和实时控制的首选工具。利用上述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整个过程，如图4所示。图4使用dSPACE的实时模拟过程2.1.3使用dSPACE开发控制系统在控制系统的开发中，许多难题往往需要解决，但开发时间越来越紧迫。由于制造过程中的误差、老化和部件组装问题，要求控制系统高度可靠。对更高控制性能的要求使得控制算法越来越复杂。并行工程需要同时进行设计、实

15、施、测试和生产准备。有时控制对象在开发过程中不断变化。从以上过程可以看出，传统的开发方法至少有三个主要问题：1.硬件电路是在不知道控制特性或控制规律的控制效果的情况下制造的。目前，还不知道设计方案能在多大程度上满足要求或根本不能满足要求。2.由于手动编程，会出现代码不可靠的问题，因此很难确定测试过程中的问题是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是，手动编程会占用大量时间，导致控制方案虽然可行，但需要很长时间进行验证和测试，浪费大量时间、人力和物力，不知道方案是否可行，给开发带来不必要的费用和经济损失。3.即使软件没有问题，如果发现控制方案不理想，需要在测试期间进行修改，新一轮的工作将重新

16、开始。很多时间将花在软件修改和调试上。另外，由于涉及的部门和人员太多，管理不善造成的各种不协调，开发周期又长又长。然而，使用dSPACE倡导的基于模型的面向应用的现代开发方法要有效得多。现代开发方法最重要的特征是计算机辅助控制系统设计(CACSD)。计算机支持工具贯穿于控制系统开发和测试的整个过程。CACSD不仅是控制方案设计和离线仿真，还包括实时RCP、产品代码生成和硬件在环测试。这是一个完整的流线型控制系统开发步骤。DSPACE为流线型控制系统的开发提供了一个CACSD工具包CDP(控制开发包)。CDP主要基于以下工具：用于模型分析、设计、优化和离线数据处理Simulink:用于基于框图的控制系统离线仿真。实时工作室：用于直接从框图模型生成c代码。用于使代码能够在单处理器目标系统上运行。DSPACE系列软件工具：用于闭环测试的交互式操作。总之，CDP可以用来完成从系统建模、分析、离线仿真到实时仿真的全过程。对于大多数用户，通常有以下步骤：步骤1:用线性或非线性方程建立控制对象的理论模型。该方程可以用MATLAB的m文件格式或Simulink的框图表示，以便于用MATLAB/Simulink进行动态分析。第二步：利用MATL