在控制系统的研发过程中,通常先进行仿真研究,目的在于研究技术的可行性,缩短产品的研发周期,降低研发费用。仿真工具(如MATLAB、SABER等)自应用以来,对控制系统的研发提供了极大的帮助。 然而,在传统的研发流程中,大部分是采用纯数学仿真,这种仿真结果的置信度有限。近年来,有部分实物参与的具有较高置信度的半实物仿真系统得到了广泛的应用与发展。如果将实际控制器的仿真称为虚拟控制器,实际对象的仿真称为虚拟对象,可得到控制系统仿真的3种形式:
①虚拟控制器+虚拟对象=动态仿真系统,是纯粹的系统仿真;
②虚拟控制器+实际对象=快速控制原型(RCP)仿真系统,是系统的一种半实物仿真;
③实际控制器+虚拟对象=硬件在环(HIL)仿真系统,是系统的另一种半实物仿真。
快速控制原型仿真处于控制系统开发的第二阶段,远在产品开发之前,使设计者新的控制思路(方法)能在实时硬件上方便而快捷地进行测试。通过实时测试,可以在设计初期发现存在的问题,以便修改原型或参数,再进行实时测试,这样反复进行,最终产生一个完全面向用户需求的合理可行的控制原型。
快速控制原型技术源自制造业的快速原型(Rapid Prototyping,简称RP)技术。RP技术的主要思想是尽可能地在虚拟环境中进行产品设计,达到缩短产品开发周期、降低开发费用的目的。RP技术的应用明显缩短了新产品的上市时间,节约了新产品开发和模具制造的费用。欧美等发达国家已将该技术广泛应用于航空航天、汽车、医疗、家电、军事装备等领域。我国RP技术的研究工作起步于20世纪90年代初,初期以技术引进为主,后期在高额成本压力下积极开展自主创新研究,并取得了较大的进展。国内的家电行业在RP技术的应用上,走在了国内前列,例如美的、春兰、海尔等,都先后采用RP系统来开发新产品,收到了良好的效果。将RP技术引进电子控制系统的设计和控制算法的实时测试后,改称快速控制原型(RCP)技术。在系统开发的初期阶段,快速地建立控制器模型,并对整个系统进行多次离线和在线的测试来验证控制方案的可行性,这个过程称为快速控制原型口。过去l0多年,RCP和硬件在环(Hardware In Loop,简称HIL)仿真系统为电子控制系统的设计提供了开发速度上的优势,加速了设计开发过程,已经被汽车和航空航天领域中的公司所采用,减少了昂贵的、破坏性的试飞试驾需要。
早期的RCP系统,绝大多数以DSP和PowerPC等微处理器为核心构建,是某些公司根据自己的应用领域需要开发的专用系统,技术先进但价格昂贵,这种RCP系统应用最广的当属德国的dSPACE公司,在汽车行业得到了大量应用。后来,一些公司如R T—L A B、MathWorks、NI等公司推出了基于PC的RCP系统(目前国内也有公司开发出了类似的系统,比如北京九州华海科技的RapidECU、郑州微纳科技的cSPACE),相对于昂贵的专用系统而言提供了一种廉价的选择。