基于虛擬儀器的調速實時仿真系統設計

楊東偉

0 引言

某船舶研究所為實現對汽輪機調速系統控制算法的驗證以及相關調節機構的功能檢驗，需要展開一系列的試驗工作。然而，由于各方面因素的限制，在試驗現場沒有條件將實際的船舶汽輪機運用于試驗工作。在這種情況下，開發調速實時仿真系統替代實際汽輪機，成為了解決這一問題的有效方法。

調速實時仿真系統能夠在內部實現對汽輪機的準確仿真，在外部實現與汽輪機一致的外圍接口，并且在性能上滿足實時性和可靠性，從而相關子系統在與本系統交聯試驗下得出的試驗結果具有一定的實際意義，能夠準確地反應出控制算法及調節機構的效果和特性。

1 系統的介紹

汽輪機調速實時仿真系統通過圖形化的軟件設計實現了系統建模、數據記錄以及友好的人機交互等功能，通過模塊化的硬件平臺實現了模擬信號以及數字信號的輸入與輸出，從而在功能上起到了在相關試驗的過程中，對汽輪機調速系統相關環節的替代作用，并在性能上滿足實時性和可靠性的要求。

調速實時仿真系統的硬件平臺由美國國家儀器公司工業化總線PXI 平臺的硬件設備、外圍接口電路等組成，軟件平臺包括操作系統、基于LabVIEW的應用程序開發平臺、外部設備驅動程序等。

調速實時仿真系統可分為上位機管理系統和下位機實時仿真系統兩大部分，上位機采用安裝了Windows XP 操作系統以及LabVIEW 開發平臺的普通PC，用于進行人機交互，用戶可通過上位機進行查看運行數據、設置模型參數、配置通道、選擇系統仿真模式以及管理數據等操作；下位機是安裝了實時操作系統的PXI 系統，用以實現信號輸入與輸出、模型迭代等功能。上、下位機之間通過以太網實現通信，上位機將通道配置、參數設置等信息傳遞給下位機，下位機將輸入輸出信號、模型運行結果等數據傳遞給上位機用以顯示及保存。

在運行模式的選擇上，系統能夠基于內部控制算法及數學模型獨立仿真運行，從而單獨驗證控制算法或模型的正確性及有效性；也可以接入實際系統中實現半物理的實時仿真，從而真正應用于相關試驗與開發工作。調速實時仿真系統框圖如圖1所示：

圖1 調速實時仿真系統框圖

當調速實時仿真系統獨立仿真運行時，用戶可通過上位機主界面設置轉速設定值、控制器、模型參數，下位機實時進行控制器以及系統模型的迭代，運行結果通過數值或波形在主界面顯示；當調速實時仿真系統接入實際運行系統進行半物理仿真時，用戶可以選擇需要接入的一個或多個實際系統，從而確定系統的具體運行模式，系統可以接收實際電子調節器控制信號、油動機位移、GC 信號等實際模擬量、數字量信號，通過模型實時運算，輸出轉速信號、調節級壓力、發電機有功功率、開大閥、并網等實際模擬量、數字量信號。

2 硬件結構

調速實時仿真系統的硬件系統主要由上位機、下位機兩部分組成。上位機采用普通的PC，下位機是NI的PXI 系統。PXI 系統由PXI 機箱、PXI 嵌入式控制器以及PXI 外部模塊組成。調速實時仿真系統的硬件結構圖，如圖2所示：

圖2 調速實時仿真系統硬件結構圖

PXI 機箱采用NI PXI-1050，帶集成SCXI的PXI 機箱。NI PXI-1050 是一款8 插槽PXI 機箱，帶有4 個用于SCXI模塊的插槽，適用于需多路復用、濾波、隔離、放大、切換等附加信號調理的PXI 測量系統，以及需在一個機箱內結合高精度測量和信號調理功能的應用。

PXI 嵌入式控制器選用 NI PXI-8110，這是一款2.26GHz 四核PXI 嵌入式控制器。通過使用NI LabVIEW的內在并行機制，可以將處理負擔分配到4 個CPU 內核上，充分利用多核控制器的性能。

PXI 外部模塊共包含三種不同類型的PXI 板卡：

1)NI PXI-6704：16 位靜態更新模擬輸出模塊。模塊可提供16 路電壓輸出和16 路電流輸出以及8 條數字I/O線，可將每路輸出通道在±10V 或0 到20mA的范圍內分別設定；

2)NI PXI-6624：用于PXI 系統的定時和數字I/O模塊。該模塊包括8 個32 位計數器/定時器，并帶有通道間有光學隔離，可支持高達高達48 VDC 輸入和輸出信號，可執行事件計數、周期/頻率測量以及脈沖序列生成等測量任務；

3)NI PXI-6238：帶隔離的多功能數據采集板卡，提供2 路模擬輸出 (0mA 到20mA),16 位分辨率，采樣率達500 kS/s，此外，還提供6 路數字輸入和4 路數字輸出,源極電壓可達到24V。

在調速實時仿真系統中，上位機與下位機之間通過以太網實現實時通信，PXI 外部模塊通過相應的接線端子盒，與外圍試驗設備連接，實現信號的輸入與輸出。

3 軟件的設計

3.1 RT 項目

調速實時仿真系統的軟件平臺包括安裝于上位機的Windows XP 操作系統、LabVIEW 應用程序開發平臺、LabVIEW的控制設計與仿真模塊、實時模塊、設備驅動程序以及安裝于下位機的實時操作系統。

通過LabVIEW 實時模塊以及實時操作系統，能夠創建RT 項目。在RT 項目內包含項目信息、上位機程序、下位機程序以及共享變量庫。RT 項目能夠通過以太網將下位機程序部署到實時操作系統中，并在部署完畢后自動運行。

共享變量不但可以在不同的VI 之間傳遞數據，還可以在不同的程序、甚至不同的計算機以及硬件設備間傳遞數據[1]。在實際應用中，共享變量主要用于網絡上不同VI的數據共享。共享變量可以選擇FIFO、網絡緩存等特性用以保證數據傳遞的可靠性。共享變量有單進程、網絡發布以及事件觸發3 種，其中，單進程的共享變量用于下位機程序內部數據的傳遞，而網絡發布的共享變量用于上位機程序與下位機程序之間的數據傳遞，運行示意圖，如圖3所示：

圖3 RT 項目結構與運行示意圖

3.2 上位機程序設計

上位機程序的主要功能包括數據顯示、系統仿真模式選擇、數據保存與管理、參數設置、硬件通道配置以及與下位機之間的實時通信，上位機的軟件結構圖，如圖4所示：

圖4 上位機軟件結構圖

當上位機程序開始運行時，程序先對上位機、下位機程序中的變量進行初始化操作，隨后開始并行運行等待界面相應、共享變量數據傳遞、數據顯示、數據保存、檢測下位機程序是否正常運行等循環任務。

當用戶在主界面選擇啟動模型仿真時，程序先將參數設置、通道配置、仿真模式等信息通過共享變量傳遞至下位機，等待這一過程完成，再發出指令，開始下位機模型的迭代。

在下位機模型運行周期為10ms，并且包含多個模擬量數據的情況下，需要保存的數據量非常龐大。因此，數據保存采用高效的、專門用于信號數據存儲的文件格式TDMS。當待保存的數據準備就緒，下位機程序通過標志位通知上位機程序，上位機程序從共享變量提取相應的數據，并采用TDMS 格式保存至硬盤。上位機程序主界面，如圖5所示：

圖5 上位機程序主界面

3.3 下位機程序的設計

下位機的主要功能包括實時仿真系統模型迭代、讀取相關硬件板卡的輸入信號、將計算得到的結果在相應硬件通道上輸出以及與上位機之間的實時通信。

在上位機程序開始運行后，下位機程序收到相應指令以及初始化命令，開始進行變量的初始化以及硬件板卡的啟動工作。隨后等待上位機的模型仿真啟停命令，當收到啟動模型仿真指令后，首先通過共享變量讀取上位機發送的參數設置、硬件通道配置等信息，然后并行運行模型迭代、信號輸入輸出、向上位機發送需顯示及保存的數據等循環任務。當收到停止模型迭代的命令后，則繼續等待上位機的命令，直到接收到退出指令。下位機程序運行流程圖，如圖6所示：

圖6 下位機程序運行流程圖

根據試驗工作的需求，模型迭代的周期設置為10ms。為保證模型迭代的實時性，基于實時操作系統以及多核處理器，在程序設計中利用了定時循環結構，不僅可以設置循環的周期，還可以指定處理該循環所使用的處理器以及優先級。通過這一設置，可以優先保證高優先級工作的實時性不受低優先級工作的影響，從而在本設計中，保證了模型的實時迭代這一關鍵工作的實時性能夠符合試驗與開發工作的要求。

4 結論

經過現場調試，調速實時仿真系統在系統功能上以及實時性、可靠性等性能上，都能夠滿足該研究所在相關開發及試驗過程中的要求，并且，友好的人機交互與開放的設置平臺都為試驗工作帶來一個靈活、便捷的環境。

[1]阮奇楨.我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009:126-127。

[2]豐偉偉，楊世文，南金瑞等。LabVIEW 中TDMS 文件和SQLSQL 數據庫數據處理速度的研究。[j]儀器儀表與分析監測，2011（1）。

[3]劉鵬，郭智威，基于LabVIEWLabVIEW的振動信號采集與分析系系統的開發，[j]科技信息2010，（18）。