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引言 在工廠(chǎng)或實(shí)驗室里，實(shí)驗人員需要實(shí)時(shí)監測某些動(dòng)態(tài)量和狀態(tài)量，或用于快速準確的監控某些關(guān)鍵的設備，或用于記錄過(guò)程，為以后系統的調整（如算法的修改，參數整定等）做參考。其中一個(gè)廣泛試驗是半物理仿真，即所謂硬件在環(huán)仿真，配合硬件的輸入輸出，往往要求在確定的時(shí)間里完成確定的監測與控制。此時(shí)通常采用實(shí)時(shí)系統。 實(shí)時(shí)系統是在確定的時(shí)間間隔內對來(lái)自外部激勵信號完成響應，其中從輸入到輸出的每一循環(huán)抖動(dòng)足夠小，而使每個(gè)循環(huán)的過(guò)程不因為干擾而中斷。實(shí)時(shí)系統往往要求連續循環(huán)進(jìn)行準確控制，這樣就對運行實(shí)時(shí)系統的軟硬件環(huán)境要求很高。 設計實(shí)時(shí)系統的關(guān)鍵之一在于待測信號的特性分析，即合理分布被測對象。哪些信號需要實(shí)時(shí)監控，哪些信號只是普通的檢測。由于實(shí)時(shí)系統所控制的量通常很關(guān)鍵或者影響到全局，被測量都是某些特定或者必需的，所以某些非實(shí)時(shí)測量都不需要也不應該引入整個(gè)系統的實(shí)時(shí)部分，因為多一個(gè)監測量的引入都會(huì )影響實(shí)時(shí)性能。故在多個(gè)物理量監測的時(shí)候，特別在有實(shí)時(shí)信號和非實(shí)時(shí)信號混合監測時(shí)候，需要將系統分為實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分。 實(shí)時(shí)系統發(fā)展很快，境著(zhù)名的編寫(xiě)實(shí)時(shí)測試程序的軟件有QNX、VxWorks等，LabVIEW RT是National Instrument 公司在基于LabVIEW的Real-Time Module的實(shí)時(shí)編程環(huán)境，其利用LabVIEW的圖形化語(yǔ)言，使得我們能夠快速編寫(xiě)程序并方便地移植到實(shí)時(shí)平臺。特別在測量領(lǐng)域，很多工程師都很熟悉LabVIEW編寫(xiě)測控程序，利用NI LabVIEW Module使得工程師不需要再花費額外的時(shí)間學(xué)習其他平臺就能開(kāi)發(fā)很好的實(shí)時(shí)系統。 設計平臺 1.本文所用的硬件平臺包括NI的PXI平臺、通用PC平臺及筆記本平臺，采集輸出卡包括基于PXI、PCI和DAQCard的多功能采集卡。PXI平臺是PXI－1002機箱，PXI－8176實(shí)時(shí)控制器，PXI－6052多功能采集卡；PC平臺是通用PC和PCI－6014采集卡；筆記本平臺是IBM系列和DAQCard-6062多功能采集卡。 2.本文中的軟件平臺是美國國家儀器（NI）推行的LabVIEW7.0及LabVIEW Real-time 7.0 Module，其中所采用的LabVIEW工具包為Simulation Interface 2.0和Datalogging and Supervisory Module 7.0，同時(shí)還采用Mathswork 的Matlab6.5。 模型介紹 在很多情況下，工廠(chǎng)或者試驗室需要監控室溫、濕度等環(huán)境量，同時(shí)機械運作設備中一般都缺不了動(dòng)力的核心——電動(dòng)機。實(shí)時(shí)監測電動(dòng)機的運行情況在某些情況下是急需的。如何監控好多個(gè)信號，然后動(dòng)態(tài)顯示，處理分析，數據記錄，遠程共享數據等需要綜合考慮。 本文利用Matlab中的Simulink Module 開(kāi)發(fā)物理模型來(lái)模擬控制對象，模型包括房屋的溫度和供暖氣設備模型、直流電動(dòng)機的物理模型，然后利用LabVIEW Toolkit之一中的Simulation Interface調用物理模型，結合LabVIEW的通用采集程序，使得這些模型的輸入輸出都是真實(shí)的信號，從而來(lái)實(shí)現半物理仿真環(huán)境。 構建平臺 半物理仿真平臺的實(shí)現 1.房屋室溫模型 引用Matlab Simulink Module 中自帶的模型，模型的建立不再贅述。 2.直流電機模型 引用通用的直流電機模型建立相關(guān)的simulink程序，如圖2所示。 3.LabVIEW Simulation Interface Toolkit LabVIEW發(fā)行的Toolkits之一中的Simulation Interface為在LabVIEW調用matlab的simulink提供了很方便的工具。我們可以利用LabVIEW的豐富界面作為Simulink的輸入輸出，同時(shí)可以利用LabVIEW的無(wú)數采集程序或則其他測量方面的應用聯(lián)系Simulink。鑒于simulink在仿真領(lǐng)域中的優(yōu)越性能，我們可以通過(guò)simulation interface 實(shí)現豐富的半物理仿真。Simulation Interface亦可以調用由simulink real-time workshop創(chuàng )建的dll并將其植入到RT系統中。 4.LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module LabVIEW發(fā)行的toolkits之一中的DSC（datalogging and supervisory control）為編寫(xiě)基于LabVIEW的測試程序與通用的工業(yè)模塊如PLC進(jìn)行通信提供了方便。DSC監視并記錄server（工業(yè)網(wǎng)絡(luò )如OPC）上各節點(diǎn)的數據，報警事件以及其他功能。本文中利用DSC目的在于利用其歷史數據的記錄功能，DSC將記錄的數據記錄在內置的數據庫中，我們可以查看歷史記錄并可以將數據庫導出做進(jìn)一步分析。 5.采集卡完成真實(shí)信號的采集和輸出 進(jìn)行半物理仿真，需要實(shí)際信號的參與，在這里信號的采集和輸出有PCI－6014多功能采集卡完成。采集輸出程序是連續的硬件控制采樣刷新率的緩沖型的普通程序。 6.半物理仿真平臺的實(shí)現 非實(shí)時(shí)控制平臺的實(shí)現 （1）非實(shí)時(shí)控制平臺主要完成：依據采集房屋溫度模型輸出的溫度值，算法計算，然后輸出相關(guān)值； （2）數據（溫度設定值和當前溫度值）通過(guò)datasocket傳送至上位機； （3）前面板如圖4所示。 實(shí)時(shí)控制平臺的實(shí)現 （1）PXI RT平臺包括PXI－8176和PXI－6052E多功能采集卡； （2）依據實(shí)時(shí)程序的一般編程方法，將線(xiàn)程分為采集算法輸出部分和通信存儲部分，其中前者的優(yōu)先級最高，設定為critical； （3）通信部分完成數據傳輸和與遠程上位機的某些參數的通行，包括程序的啟動(dòng)停止，PID參數的設置等； （4）存儲部分完成數據的本地存盤(pán)； （5）采集算法輸出部分為硬件定時(shí)采樣，PID算法和硬件定時(shí)輸出； （6）通信存儲部分與采集算法輸出部分之間通過(guò)FIFO通信。 上位機的實(shí)現 （1）具有網(wǎng)絡(luò )接口的高性能PC平臺； （2）上位機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程啟動(dòng)或停止實(shí)時(shí)平臺和非實(shí)時(shí)平臺； （3）遠程動(dòng)態(tài)修改實(shí)時(shí)平臺和非實(shí)時(shí)平臺各參數； （4）上位機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程接受從實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)平臺過(guò)來(lái)的數據，顯示并保存。 結論 通過(guò)半物理仿真平臺（房屋溫度和直流電機模型）實(shí)現被測對象的模擬，由于對象中有非實(shí)時(shí)信號（房屋溫度）和實(shí)時(shí)信號（直流電機速度）之分，分別通過(guò)非實(shí)時(shí)平臺和實(shí)時(shí)平臺進(jìn)行監控。而控制非實(shí)時(shí)平臺和實(shí)時(shí)平臺是通過(guò)遠程的上位機進(jìn)行監控。監控的數據除本地存儲外，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳到遠程上位機進(jìn)行遠程存儲。 |
