基于NI CompactRIO和LabVIEW的控制自動(dòng)化平臺(tái)案例

在類似實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中駕駛汽車，同時(shí)仿真路面阻力，這種方式提供了對(duì)車輛設(shè)計(jì)的功率、燃料和排放效率進(jìn)行測(cè)量的可能性。被測(cè)車輛的前輪和后輪放置在動(dòng)力計(jì)上。在操作員駕駛車輛時(shí)，控制系統(tǒng)測(cè)量車輛速度、加速度和扭矩，并且同時(shí)控制兩個(gè)直流功率吸收系統(tǒng)（電機(jī)和發(fā)電機(jī)），控制車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)和力。主動(dòng)吸收器用于控制精確仿真路面阻力和空氣動(dòng)力阻力，如同車輛駕駛在道路上一樣。我們使用高級(jí)采樣和分析設(shè)備，可以對(duì)車輛排放進(jìn)行特征采集，并且進(jìn)行包括替代燃料效率在內(nèi)的其他研究。

四輪驅(qū)動(dòng)車輛的出現(xiàn)給動(dòng)力計(jì)控制系統(tǒng)帶來了復(fù)雜性。除了實(shí)時(shí)、低延遲和任務(wù)緊迫之外，控制硬件必須在管理多變量系統(tǒng)的同時(shí)，保持前輪和后輪處于同一速度和加速度下。開發(fā)這樣的系統(tǒng)通常需要大量的開發(fā)時(shí)間和成本。

我們的客戶Environment Canada幫助我們解決自動(dòng)化四輪動(dòng)力計(jì)問題，我們使用CompactRIO作為數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用的控制平臺(tái)。背板的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和高性能實(shí)時(shí)控制器的CompactRIO提供了成本有效、技術(shù)先進(jìn)的控制自動(dòng)化平臺(tái)。LabVIEW的強(qiáng)大分析和控制功能與NI工具結(jié)合將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)時(shí)間降到了最小。

工程挑戰(zhàn)的創(chuàng)新解答
自動(dòng)化四輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力計(jì)對(duì)系統(tǒng)工程提出了多個(gè)挑戰(zhàn)。CompactRIO和LabVIEW作為靈活的可編程環(huán)境跨越了Windows操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和FPGA開發(fā)領(lǐng)域，是成功開發(fā)我們解決方案的關(guān)鍵因素。

快速與實(shí)時(shí)響應(yīng)
能夠響應(yīng)快速運(yùn)動(dòng)車輛要求控制循環(huán)能夠在一秒內(nèi)完成多次循環(huán)。在我們的解決方案中，CompactRIO FPGA循環(huán)完成所有的測(cè)量和安全檢查，在一秒內(nèi)能夠運(yùn)行一百萬次。實(shí)時(shí)嵌入式處理器的控制循環(huán)每秒循環(huán)250次，從而能夠提供完美的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

革命性的測(cè)量方法
速度和加速度等測(cè)量的質(zhì)量直接反應(yīng)了動(dòng)力計(jì)進(jìn)行高保真控制和仿真的能力。我們解決方案中的CompactRIO平臺(tái)提供了多個(gè)獨(dú)特而富有創(chuàng)造性的測(cè)量特性，其中包括：

FPGA代碼實(shí)現(xiàn)的用于數(shù)字輸入的定制防抖動(dòng)系統(tǒng)

由于循環(huán)速度高達(dá)1 MHz，可以采用基于編碼起脈沖定時(shí)的全新精確方法測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度值，取代傳統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)方法

具有快速響應(yīng)時(shí)間、寬動(dòng)態(tài)范圍、優(yōu)秀線性度和工業(yè)可靠性的模塊化I/O通道

分布式軟件
基于CompactRIO和Windows操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)盡管尺寸小、成本低，卻具有強(qiáng)大的分布式系統(tǒng)可編程性，支持三個(gè)計(jì)算平臺(tái)：FPGA、CompactRIO實(shí)時(shí)控制器和Windows。我們使用LabVIEW將這些平臺(tái)無縫整合在一起，并進(jìn)行編程。圖3給出了物理任務(wù)分配。

?

圖1：控制系統(tǒng)軟件的分布式設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)的定制消息協(xié)議將位于控制室的Windows主機(jī)計(jì)算機(jī)與位于I/O柜的CompactRIO實(shí)時(shí)控制器連接在一起。我們使用CompactRIO完成所有測(cè)量和控制，使用Windows操作系統(tǒng)顯示所有用戶接口并完成數(shù)據(jù)記錄。

驗(yàn)證仿真性能
美國汽車工程師學(xué)會(huì)提出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了驗(yàn)證動(dòng)力計(jì)仿真精度的步驟。我們根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)完成車輛在最高速度100 km/h進(jìn)行滑行的測(cè)量和在中性模式下的滑行測(cè)試。之后，我們精調(diào)仿真參數(shù)，和預(yù)期一樣重現(xiàn)了道路上相同的速度，然后車輛逐漸減速。在不同速度下，快速收斂以及觀察數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)極為貼近是對(duì)該控制系統(tǒng)性能的一個(gè)證明。

我們使用全新的控制系統(tǒng)和多個(gè)車輛類型完成了多個(gè)測(cè)試。系統(tǒng)可以同樣成功地以預(yù)期的精度，快速重現(xiàn)預(yù)期的滑行測(cè)試性能。

結(jié)果
全新的控制系統(tǒng)在幾個(gè)月內(nèi)完成了設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署、驗(yàn)證和文檔編寫。CompactRIO和LabVIEW為高要求的四輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力計(jì)控制系統(tǒng)成功提供了高性能的解決方案。車輛滑行步驟能夠在幾個(gè)循環(huán)之內(nèi)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到穩(wěn)定?；卸〞r(shí)可以在十分之一秒內(nèi)完成重現(xiàn)，力誤差小于10 N。此外，在四輪驅(qū)動(dòng)模式下，前輪和后輪速度的滑動(dòng)保持在0.07 ppm范圍內(nèi)。系統(tǒng)能夠運(yùn)行在最高速度140 km/h下，速度誤差小于0.01 m/s。在完成幾千米動(dòng)態(tài)駕駛狀態(tài)之后，前輪和后輪通過的路程差保持在幾厘米數(shù)量級(jí)上。

另外，基于CompactRIO和LabVIEW系統(tǒng)的靈活性比最終結(jié)果更令人振奮。在開發(fā)階段中發(fā)現(xiàn)的所有測(cè)量和控制挑戰(zhàn)，我們都快速找到了令人滿意的創(chuàng)新解決方案。