快速控制原型

在控制系統的研發過程中，通常先進行模擬研究，目的在於研究技術的可行性，縮短產品的研發周期，降低研發費用。模擬工具(如MATLAB、SABER等)自應用以來，對控制系統的研發提供了極大的幫助。然而，在傳統的研發流程中，大部分是採用純數學模擬，這種模擬結果的置信度有限。近年來，有部分實物參與的具有較高置信度的半實物模擬系統得到了廣泛的應用與發展。如果將實際控制器的模擬稱為虛擬控制器，實際對象的模擬稱為虛擬對象，可得到控制系統模擬的3種形式：

①虛擬控制器+虛擬對象=動態模擬系統，是純粹的系統模擬；

②虛擬控制器+實際對象=快速控制原型(RCP)模擬系統，是系統的一種半實物模擬；

③實際控制器+虛擬對象=硬體在環(HIL)模擬系統，是系統的另一種半實物模擬。

快速控制原型模擬處於控制系統開發的第二階段，遠在產品開發之前，使設計者新的控制思路(方法)能在實時硬體上方便而快捷地進行測試。通過實時測試，可以在設計初期發現存在的問題，以便修改原型或參數，再進行實時測試，這樣反覆進行，最終產生一個完全面向用戶需求的合理可行的控制原型。

快速控制原型技術源自製造業的快速原型(Rapid Prototyping，簡稱RP）技術。RP技術的主要思想是儘可能地在虛擬環境中進行產品設計，達到縮短產品開發周期、降低開發費用的目的。RP技術的應用明顯縮短了新產品的上市時間，節約了新產品開發和模具製造的費用。歐美等發達國家已將該技術廣泛應用於航空航天、汽車、醫療、家電、軍事裝備等領域。我國RP技術的研究工作起步於20世紀90年代初，初期以技術引進為主，後期在高額成本壓力下積極開展自主創新研究，並取得了較大的進展。國內的家電行業在RP技術的應用上，走在了國內前列，例如美的、春蘭、海爾等，都先後採用RP系統來開發新產品，收到了良好的效果。將RP技術引進電子控制系統的設計和控制演演算法的實時測試后，改稱快速控制原型(RCP)技術。在系統開發的初期階段，快速地建立控制器模型，並對整個系統進行多次離線和在線的測試來驗證控制方案的可行性，這個過程稱為快速控制原型口。過去l0多年，RCP和硬體在環(Hardware In Loop，簡稱HIL)模擬系統為電子控制系統的設計提供了開發速度上的優勢，加速了設計開發過程，已經被汽車和航空航天領域中的公司所採用，減少了昂貴的、破壞性的試飛試駕需要。

早期的RCP系統，絕大多數以DSP和PowerPC等微處理器為核心構建，是某些公司根據自己的應用領域需要開發的專用系統，技術先進但價格昂貴，這種RCP系統應用最廣的當屬德國的dSPACE公司，在汽車行業得到了大量應用。後來，一些公司如R T—L A B、MathWorks、NI等公司推出了基於PC的RCP系統（目前國內也有公司開發出了類似的系統，比如北京九州華海科技的RapidECU、鄭州微納科技的cSPACE），相對於昂貴的專用系統而言提供了一種廉價的選擇。

①大大縮短開發周期；

②在開發早期減少/消除可能的錯誤及缺陷，從而達到節省開支，降低物耗的目的；

③提高新產品對需求的適應性；

④性價比高、擴展性好、維護方便和成本低提高新產品對需求的適應性。

dSPACE實時模擬系統是由德國dSPACE公司開發的一套基於MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物模擬的軟硬體工作平台，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE硬體系統中的處理器具有高速的計算能力，並配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據需要進行組合；軟體環境的功能強大且使用方便，包括實現代碼自動生成/下載和試驗/調試的整套工具。

dSPACE實時系統充當控制演演算法和邏輯代碼的硬體運行環境，通過I/O板與控制對象連接進行研究和實驗，驗證控制方案的可行性，大大簡化了開發過程，提高了開發效率。

PC主機裝有Windows操作系統、MATLAB/Simulink，RTW、dSPACE的ControlDesk及RTI；利用MATLAB/Simulink建立電機的快速控制原型，完成控制演演算法的設計；RTI與RTW協作自動將快速控制原型轉化為可執行的c代碼，經過編譯並下載到dSPACE實時處理器DS1005中運行；利用dSPACE的ControlDesk軟體，實現對實時硬體的圖形化管理、用戶虛擬儀錶的輕鬆建立、變數的可視化管理、參數的可視化管理以及實驗過程自動化。dSPACE硬體系統中處理器板DS1005負責控制演演算法的實時計算，通過內部的PHS匯流排和I/O板DS2201連接，I/O板DS2201接受來自實物電機的電壓電流信號，併發出PWM脈衝信號去控制逆變器。dSPACE實時系統擁有實時性強、可靠性高等優點，但這種專用系統必須採用其專用板卡，價格昂貴且維護性差。

RapidECU是由北京九州華海科技有限公司自主研發的一系列快速原型控制器，可以在電控系統的開發過程中替代真實控制器硬體，通過全自動代碼生成技術，將MATLAB\Simulink建模與模擬階段所形成的控制演演算法模型下載到快速原型控制器硬體中，並連接實際被控對象，進行控制演演算法的硬體在環模擬驗證和實物驗證，並在開發階段早期實現標定。

RapidECU硬體核心採用Freescale MPC55xx、MPC56xx、S12x/S12等系列微處理器，硬體設計符合汽車級標準。可以在沒有控制器硬體的情況下，提前進行控制演演算法的開發與驗證，尤其適合於新產品、新型號的開發研究，快速原型的試驗結果還可以為硬體設計提供參考。因此，控制器快速原型在進行軟體快速驗證的同時，也降低了硬體返工幾率，從而縮短開發周期，降低開發成本，提高控制器設計質量。

PROtroniC快速控制原型系統是德國AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH專為汽車電子行業設計的，用於電控系統的基於模型的控制演演算法和軟體開發。

使用PROtroniC在MATLAB/Simulink無縫開發環境中進行產品控制任務的獨立開發，並且可以將開發結果直接轉化到產品中。PROtroniC支持自動代碼生成工具Real Time Workshop Embedded Coder和Targetlink，用戶可根據自身需求自由選擇自動代碼生成工具，並將代碼下載到PROtroniC硬體中，快速高效地測試ECU產品的新功能。PROtroniC是德國內燃機學會FVV推薦的標準參考研發工具，在歐美汽車動力總成電控系統研發領域獲得了廣泛的應用。

由於PROtroniC集成了信號調理和功率放大模塊，並且採用先進的FPGA技術實現I/O資源的靈活配置，可以實現PROtroniC作為快速控制原型系統的即插即用，而不用費力去搭建外圍電路及連接複雜的線束。特別針對發動機電控開發，AFT公司還為客戶提供先設計好的汽油機和柴油機功能模型, 客戶可以直接在控制演演算法中使用這些模型，從而專註核心控制邏輯的開發。

PROtroniC結構緊湊、外殼堅固，採用汽車級的接插件和外接線束，並經過嚴格的防水測試（IP64K），因此可以直接置於發動機艙、試驗室或台架上使用。PROtroniC支持ASAM標準協議，用戶可選擇AFT公司的測量標定工具MARC以及其他國際主流的標定工具CANape、INCA等在線實時的調整和測量參數。

PROtroniC可用於各種不同的汽車ECU開發應用，提供PROtroniC USG用於通用型控制器原型平台，並且提供ROtroniC MR專用於柴油機和汽油機的控制器原型平台。

PROtroniC是專門針對汽車ECU開發設計的，不是通用型的快速控制原型系統，而是集成化專業工具，價格較高。

cSPACE快速控制原型和硬體在環開發系統是鄭州微納科技公司研發的，是基於MS320F2812DSP開發的，與dSPACE公司的DS1104卡相當。擁有AD、DA、IO、Encoder和快速控制原型開發、硬體在環模擬功能。通過Matlab/Simulink設計好控制演演算法，將輸入、輸出介面替換為公司的cSPACE模塊，編譯整個模塊就能自動生成DSP代碼，在控制卡上運行后就能生成相應的控制信號，從而方便地實現對被控對象的控制。運行過程中通過cSPACE提供的MATLAB介面模塊，可實時修改控制參數，並以圖形方式實時顯示控制結果；而且DSP採集的數據可以保存到磁碟，研究人員可利用MATLAB對這些數據進行離線處理。

相對國外的硬體在迴路控制系統，價格上具有明顯的競爭優勢，具有較高的性價比。