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應(yīng)用領(lǐng)域
能源/電力
使用的產(chǎn)品
CompactRIO, LabVIEW, LabVIEW FPGA, LabVIEW Real-Time
挑戰(zhàn)
開發(fā)一個(gè)引擎仿真測(cè)試系統(tǒng)以提高Samsung Techwin公司生產(chǎn)的燃?xì)鉁u輪引擎的性能。
應(yīng)用方案
以NI LabVIEW和CompactRIO平臺(tái)取代龐大而繁冗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于PC的仿真和測(cè)試環(huán)境。燃?xì)鉁u輪引擎由于應(yīng)用了各種不同的復(fù)雜技術(shù)，對(duì)其綜合性能的測(cè)試相當(dāng)困難。通常測(cè)試和分析不會(huì)在真實(shí)的引擎上進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)并驗(yàn)證燃?xì)鉁u輪引擎控制器的硬件和控制算法便成了一個(gè)頗具難度的挑戰(zhàn)。
設(shè)計(jì)正確的引擎仿真器對(duì)于我們的驗(yàn)證能力相當(dāng)關(guān)鍵，我們借助仿真器檢驗(yàn)引擎控制器是否安全可靠。為了實(shí)現(xiàn)安全而精準(zhǔn)的引擎控制，我們必須在集成到真實(shí)的引擎之前對(duì)控制器硬件和控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。
我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬引擎（引擎仿真器）來提高引擎控制器的性能指標(biāo)。我們?cè)赑C上運(yùn)行NLabVIEW并使用緊湊而堅(jiān)固的NI CompactRIO平臺(tái)取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)仿真和測(cè)試環(huán)境。設(shè)計(jì)出來的虛擬引擎輸入輸出與真實(shí)引擎一樣的物理信號(hào)，提供了驗(yàn)證控制器硬件和軟件系統(tǒng)的最優(yōu)方案。
通過燃?xì)鉁u輪引擎的數(shù)學(xué)模型，我們可以計(jì)算出引擎的性能參數(shù)。然后將這些性能參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的物理信號(hào)，作為引擎控制器的輸入輸出。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，我們可以驗(yàn)證控制器的硬件和算法，提高可靠性，減少調(diào)試(校準(zhǔn))事件并且?guī)椭覀兎乐挂馔獾墓收习l(fā)生。
開發(fā)過程
開發(fā)控制器算法的過程中，我們使用了 NI LabVIEW，LabVIEW Simulation Interface Toolkit 2.0, The MathWorks, Inc. MATLAB® and Simulink® software, 和 Visual C++。整個(gè)開發(fā)過程由一個(gè)開發(fā)者花費(fèi)9個(gè)半月完成。
系統(tǒng)配置
燃?xì)鉁u輪引擎的仿真系統(tǒng)包括以下部分：虛擬引擎（仿真器），燃?xì)鉁u輪引擎控制器，控制算法（應(yīng)用程序），仿真服務(wù)器。仿真器包括一個(gè)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算引擎的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，執(zhí)行實(shí)時(shí)操作和狀態(tài)計(jì)算，輸出參數(shù)。仿真器通過通用的I/O模塊將輸出的參數(shù)轉(zhuǎn)變成壓力／溫度／RPM等物理信號(hào)進(jìn)行輸出。我們?cè)?槽的CompactRIO的平臺(tái)上通過FPGA和實(shí)時(shí)應(yīng)用編程實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作，I/O以及對(duì)仿真服務(wù)器的通信。
引擎控制器是執(zhí)行引擎控制的硬件，我們?yōu)橐婵刂破髋鋫淞烁咝阅艿?CPU并將控制器與引擎通過電纜連接。控制算法是引擎的操作邏輯和控制補(bǔ)償，是引擎控制最重要的部分，我們必須根據(jù)具體指標(biāo)編寫算法程序。最后由仿真服務(wù)器管理仿真器的操作，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及用戶界面。
我們的仿真器在 NI CompactRIO平臺(tái)上結(jié)合了 FPGA編程和實(shí)時(shí)系統(tǒng)編程。用可重配置機(jī)箱中的FPGA實(shí)現(xiàn)了高速濾波器和 I/O，將基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制算法下載到實(shí)時(shí)控制器上進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算。
我們起初使用cRIO-9102，8槽1百萬門 FPGA的可重配置機(jī)箱，開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)FPGA規(guī)模不夠，因此改用 cRIO-9104，8槽3百萬門FPGA的可重配置機(jī)箱。在模擬輸出模塊中我們還加入了緩沖電路，因?yàn)?cRIO-9263的輸出電流只有幾mA。
運(yùn)行仿真服務(wù)器上的程序，用戶可以進(jìn)行如下操作：引擎狀態(tài)的暫時(shí)修改，仿真設(shè)置修改，仿真啟動(dòng)，暫停，退出以及仿真引擎最終狀態(tài)的設(shè)定等。引擎狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序需要將應(yīng)用程序中的各個(gè)操作行為都通知用戶，包括引擎改換的顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。引擎狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序在開發(fā)和調(diào)試中都是最重要的部分。
以前基于PXI的系統(tǒng)在尺寸和重量上給便攜式要求帶來了困難。而 windows操作系統(tǒng)也不適于有確定性要求的應(yīng)用。CompactRIO平臺(tái)在以上兩方面非常有吸引力，非常適合開發(fā)者實(shí)現(xiàn)新的控制和監(jiān)測(cè)概念。CompactRIO上配備的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為我們的系統(tǒng)確保了實(shí)時(shí)性，而LabVIEW為FPGA的開發(fā)大大減少了開發(fā)成本。
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