2009年8月28日在我所光电大楼学术沙龙活动中心举行了第117期学术沙龙，主题为“控制系统半实物仿真技术探讨”。匡定波院士和汤心溢研究员主持了沙龙，刘学明研究员参与了讨论。

传统的控制系统设计一般包括系统建模、算法设计、软件和硬件的设计以及性能测试等；涉及控制理论、机电技术、软件开发、电路设计等多个领域的知识。这意味着设计人员不仅需要进行软件编程和查错，还需进行硬件电路的设计，一方面对设计人员的能力要求较高，再者也会导致开发时间过长。同时对于这种顺序的开发过程，一旦发现错误，就必须从头进行设计和实现，延误项目进度。

半实物仿真技术的发展，为解决上述问题提供了新的途径和良好的发展前景。用户可以在系统硬件组装之前，建立平台控制系统的实时仿真回路，实现控制软件代码在接近于真实的环境中执行，评估各种算法的优劣，优化系统，还可以尽早发现控制软件的设计问题，极大地加快了控制系统的开发速度。

从20世纪40年代初美国就开始了飞行模拟器的设计。1983年美国的先进防御研究项目署开始开发实用的虚拟战场，设计出SIMNET系统。1989年北欧制定“欧几里德计划”，将仿真技术作为11项优先合作发展的项目之一。近年来美国更加重视仿真，将发展“合成仿真环境”作为国际科技发展的7个科技推动领域之一。半实物仿真技术自20世纪60年代问世到目前美国研制航天飞机，始终盛行不衰。美国把模拟和仿真技术看作是降低导弹防御和战术导弹武器系统生命周期费用的切实可行的手段。

　  由于半实物仿真在缩短开发时间以及消减开发成本上的优势，许多商业公司纷纷推出快速控制原型实时仿真和开发平台，如：美国Mathworks公司开发了基于Simulink的代码自动生成环境RTW；德国dSPACE公司开发的一套基于RTW的控制系统在实时环境下的开发和测试平台dSPACE；加拿大Quanser公司开发的一套基于MATLAB/RTW的控制系统开发及半实物仿真的软硬件集成一体化平台QStudioRP。

半实物仿真系统一般由以下几个部分组成：

1）仿真计算机：它是实时仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环

境的数学模型和程序。一般地，采用层次化、模块化的建模方法，将模块化程序划分为不同的速率块，在仿真计算机中按速率块实时调度运行。

2）物理效应设备：它是模拟复现真实世界的物理环境，形成仿真环境或称

虚拟环境。

3）接口设备：仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的物理效

应设备。接口设备同时将操作人员或实物系统的反馈信号调入仿真计算机。

半实物仿真技术包括两方面：快速控制原型RCP和硬件在回路HIL。快速

控制原型技术，是指在产品开发的初期，将工程师开发的算法下载到计算机硬件平台中，通过实际I/O与被控对象实物连接，用实时仿真机来模拟控制器，并与实物相连检测控制算法的性能，并在控制算法不理想的情况下进行快速反复设计以找到理想的控制方案；在确定控制方案后，通过代码的自动生产及下载，形成最终的控制器产品。硬件在回路仿真主要用来进行控制系统的性能测试和分析。

在沙龙中，大家探讨了控制系统半实物仿真过程的建立；探讨了复杂控制系统的建模问题；探讨了控制系统实时测试数据的采集问题；探讨了延时系统跟踪控制问题……