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该系统以快速控制原型
（即用虚拟控制器控制实际对象的一种半实物仿真
技
术）
检验设计，
可排除大多数早期设
计中引入的错误和缺陷，
降低项目的技术风
险；
以硬件在回路仿真测试
（即用实际控制器控制虚拟对象的一种半实物仿真技
术）
，可实现模拟真实环境进行极限测试、失效测试等，大大节约了
测试费用，
缩短了测试周期。
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
MA
TLAB/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
MA
TLAB/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，<
/p>
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
< br>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<
/p>
(
自动
/
手动<
/p>
)
。
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，
< br>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<
/p>
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
< br>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