引言 在工廠或?qū)嶒?yàn)室里,實(shí)驗(yàn)人員需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某些動(dòng)態(tài)量和狀態(tài)量,或用于快速準(zhǔn)確的監(jiān)控某些關(guān)鍵的設(shè)備,或用于記錄過程,為以后系統(tǒng)的調(diào)整(如算法的修改,參數(shù)整定等)做參考。其中一個(gè)廣泛試驗(yàn)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(jiān)測(cè)與控制。此時(shí)通常采用實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在確定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)來自外部激勵(lì)信號(hào)完成響應(yīng),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)的過程不因?yàn)楦蓴_而中斷。實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往要求連續(xù)循環(huán)進(jìn)行準(zhǔn)確控制,這樣就對(duì)運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境要求很高。 設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一在于待測(cè)信號(hào)的特性分析,即合理分布被測(cè)對(duì)象。哪些信號(hào)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控,哪些信號(hào)只是普通的檢測(cè)。由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)所控制的量通常很關(guān)鍵或者影響到全局,被測(cè)量都是某些特定或者必需的,所以某些非實(shí)時(shí)測(cè)量都不需要也不應(yīng)該引入整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)部分,因?yàn)槎嘁粋(gè)監(jiān)測(cè)量的引入都會(huì)影響實(shí)時(shí)性能。故在多個(gè)物理量監(jiān)測(cè)的時(shí)候,特別在有實(shí)時(shí)信號(hào)和非實(shí)時(shí)信號(hào)混合監(jiān)測(cè)時(shí)候,需要將系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)發(fā)展很快,境著名的編寫實(shí)時(shí)測(cè)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的圖形化語言,使得我們能夠快速編寫程序并方便地移植到實(shí)時(shí)平臺(tái)。特別在測(cè)量領(lǐng)域,很多工程師都很熟悉LabVIEW編寫測(cè)控程序,利用NI LabVIEW Module使得工程師不需要再花費(fèi)額外的時(shí)間學(xué)習(xí)其他平臺(tái)就能開發(fā)很好的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)平臺(tái) 1.本文所用的硬件平臺(tái)包括NI的PXI平臺(tái)、通用PC平臺(tái)及筆記本平臺(tái),采集輸出卡包括基于PXI、PCI和DAQCard的多功能采集卡。PXI平臺(tái)是PXI-1002機(jī)箱,PXI-8176實(shí)時(shí)控制器,PXI-6052多功能采集卡;PC平臺(tái)是通用PC和PCI-6014采集卡;筆記本平臺(tái)是IBM系列和DAQCard-6062多功能采集卡。 2.本文中的軟件平臺(tái)是美國(guó)國(guó)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,工廠或者試驗(yàn)室需要監(jiān)控室溫、濕度等環(huán)境量,同時(shí)機(jī)械運(yùn)作設(shè)備中一般都缺不了動(dòng)力的核心——電動(dòng)機(jī)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況在某些情況下是急需的。如何監(jiān)控好多個(gè)信號(hào),然后動(dòng)態(tài)顯示,處理分析,數(shù)據(jù)記錄,遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)等需要綜合考慮。 本文利用Matlab中的Simulink Module 開發(fā)物理模型來模擬控制對(duì)象,模型包括房屋的溫度和供暖氣設(shè)備模型、直流電動(dòng)機(jī)的物理模型,然后利用LabVIEW Toolkit之一中的Simulation Interface調(diào)用物理模型,結(jié)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(hào),從而來實(shí)現(xiàn)半物理仿真環(huán)境。 構(gòu)建平臺(tái) 半物理仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) 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(jī)模型 引用通用的直流電機(jī)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(diào)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的無數(shù)采集程序或則其他測(cè)量方面的應(yīng)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simulation interface 實(shí)現(xiàn)豐富的半物理仿真。Simulation Interface亦可以調(diào)用由simulink real-time workshop創(chuàng)建的dll并將其植入到RT系統(tǒng)中。 4.LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module LabVIEW發(fā)行的toolkits之一中的DSC(datalogging and supervisory control)為編寫基于LabVIEW的測(cè)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(jiān)視并記錄server(工業(yè)網(wǎng)絡(luò)如OPC)上各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),報(bào)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(shù)據(jù)的記錄功能,DSC將記錄的數(shù)據(jù)記錄在內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫中,我們可以查看歷史記錄并可以將數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出做進(jìn)一步分析。 5.采集卡完成真實(shí)信號(hào)的采集和輸出 進(jìn)行半物理仿真,需要實(shí)際信號(hào)的參與,在這里信號(hào)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(xù)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(tái)的實(shí)現(xiàn) 非實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) (1)非實(shí)時(shí)控制平臺(tái)主要完成:依據(jù)采集房屋溫度模型輸出的溫度值,算法計(jì)算,然后輸出相關(guān)值; (2)數(shù)據(jù)(溫度設(shè)定值和當(dāng)前溫度值)通過datasocket傳送至上位機(jī); (3)前面板如圖4所示。 實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) (1)PXI RT平臺(tái)包括PXI-8176和PXI-6052E多功能采集卡; (2)依據(jù)實(shí)時(shí)程序的一般編程方法,將線程分為采集算法輸出部分和通信存儲(chǔ)部分,其中前者的優(yōu)先級(jí)最高,設(shè)定為critical; (3)通信部分完成數(shù)據(jù)傳輸和與遠(yuǎn)程上位機(jī)的某些參數(shù)的通行,包括程序的啟動(dòng)停止,PID參數(shù)的設(shè)置等; (4)存儲(chǔ)部分完成數(shù)據(jù)的本地存盤; (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(chǔ)部分與采集算法輸出部分之間通過FIFO通信。 上位機(jī)的實(shí)現(xiàn) (1)具有網(wǎng)絡(luò)接口的高性能PC平臺(tái); (2)上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟動(dòng)或停止實(shí)時(shí)平臺(tái)和非實(shí)時(shí)平臺(tái); (3)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)修改實(shí)時(shí)平臺(tái)和非實(shí)時(shí)平臺(tái)各參數(shù); (4)上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程接受從實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)平臺(tái)過來的數(shù)據(jù),顯示并保存。 結(jié)論 通過半物理仿真平臺(tái)(房屋溫度和直流電機(jī)模型)實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的模擬,由于對(duì)象中有非實(shí)時(shí)信號(hào)(房屋溫度)和實(shí)時(shí)信號(hào)(直流電機(jī)速度)之分,分別通過非實(shí)時(shí)平臺(tái)和實(shí)時(shí)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。而控制非實(shí)時(shí)平臺(tái)和實(shí)時(shí)平臺(tái)是通過遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控的數(shù)據(jù)除本地存儲(chǔ)外,同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程存儲(chǔ)。 |