基于虚拟仪器的调速实时仿真系统设计

杨东伟

0 引言

某船舶研究所为实现对汽轮机调速系统控制算法的验证以及相关调节机构的功能检验，需要展开一系列的试验工作。然而，由于各方面因素的限制，在试验现场没有条件将实际的船舶汽轮机运用于试验工作。在这种情况下，开发调速实时仿真系统替代实际汽轮机，成为了解决这一问题的有效方法。

调速实时仿真系统能够在内部实现对汽轮机的准确仿真，在外部实现与汽轮机一致的外围接口，并且在性能上满足实时性和可靠性，从而相关子系统在与本系统交联试验下得出的试验结果具有一定的实际意义，能够准确地反应出控制算法及调节机构的效果和特性。

1 系统的介绍

汽轮机调速实时仿真系统通过图形化的软件设计实现了系统建模、数据记录以及友好的人机交互等功能，通过模块化的硬件平台实现了模拟信号以及数字信号的输入与输出，从而在功能上起到了在相关试验的过程中，对汽轮机调速系统相关环节的替代作用，并在性能上满足实时性和可靠性的要求。

调速实时仿真系统的硬件平台由美国国家仪器公司工业化总线PXI 平台的硬件设备、外围接口电路等组成，软件平台包括操作系统、基于LabVIEW的应用程序开发平台、外部设备驱动程序等。

调速实时仿真系统可分为上位机管理系统和下位机实时仿真系统两大部分，上位机采用安装了Windows XP 操作系统以及LabVIEW 开发平台的普通PC，用于进行人机交互，用户可通过上位机进行查看运行数据、设置模型参数、配置通道、选择系统仿真模式以及管理数据等操作；下位机是安装了实时操作系统的PXI 系统，用以实现信号输入与输出、模型迭代等功能。上、下位机之间通过以太网实现通信，上位机将通道配置、参数设置等信息传递给下位机，下位机将输入输出信号、模型运行结果等数据传递给上位机用以显示及保存。

在运行模式的选择上，系统能够基于内部控制算法及数学模型独立仿真运行，从而单独验证控制算法或模型的正确性及有效性；也可以接入实际系统中实现半物理的实时仿真，从而真正应用于相关试验与开发工作。调速实时仿真系统框图如图1所示：

图1 调速实时仿真系统框图

当调速实时仿真系统独立仿真运行时，用户可通过上位机主界面设置转速设定值、控制器、模型参数，下位机实时进行控制器以及系统模型的迭代，运行结果通过数值或波形在主界面显示；当调速实时仿真系统接入实际运行系统进行半物理仿真时，用户可以选择需要接入的一个或多个实际系统，从而确定系统的具体运行模式，系统可以接收实际电子调节器控制信号、油动机位移、GC 信号等实际模拟量、数字量信号，通过模型实时运算，输出转速信号、调节级压力、发电机有功功率、开大阀、并网等实际模拟量、数字量信号。

2 硬件结构

调速实时仿真系统的硬件系统主要由上位机、下位机两部分组成。上位机采用普通的PC，下位机是NI的PXI 系统。PXI 系统由PXI 机箱、PXI 嵌入式控制器以及PXI 外部模块组成。调速实时仿真系统的硬件结构图，如图2所示：

图2 调速实时仿真系统硬件结构图

PXI 机箱采用NI PXI-1050，带集成SCXI的PXI 机箱。NI PXI-1050 是一款8 插槽PXI 机箱，带有4 个用于SCXI模块的插槽，适用于需多路复用、滤波、隔离、放大、切换等附加信号调理的PXI 测量系统，以及需在一个机箱内结合高精度测量和信号调理功能的应用。

PXI 嵌入式控制器选用 NI PXI-8110，这是一款2.26GHz 四核PXI 嵌入式控制器。通过使用NI LabVIEW的内在并行机制，可以将处理负担分配到4 个CPU 内核上，充分利用多核控制器的性能。

PXI 外部模块共包含三种不同类型的PXI 板卡：

1)NI PXI-6704：16 位静态更新模拟输出模块。模块可提供16 路电压输出和16 路电流输出以及8 条数字I/O线，可将每路输出通道在±10V 或0 到20mA的范围内分别设定；

2)NI PXI-6624：用于PXI 系统的定时和数字I/O模块。该模块包括8 个32 位计数器/定时器，并带有通道间有光学隔离，可支持高达高达48 VDC 输入和输出信号，可执行事件计数、周期/频率测量以及脉冲序列生成等测量任务；

3)NI PXI-6238：带隔离的多功能数据采集板卡，提供2 路模拟输出 (0mA 到20mA),16 位分辨率，采样率达500 kS/s，此外，还提供6 路数字输入和4 路数字输出,源极电压可达到24V。

在调速实时仿真系统中，上位机与下位机之间通过以太网实现实时通信，PXI 外部模块通过相应的接线端子盒，与外围试验设备连接，实现信号的输入与输出。

3 软件的设计

3.1 RT 项目

调速实时仿真系统的软件平台包括安装于上位机的Windows XP 操作系统、LabVIEW 应用程序开发平台、LabVIEW的控制设计与仿真模块、实时模块、设备驱动程序以及安装于下位机的实时操作系统。

通过LabVIEW 实时模块以及实时操作系统，能够创建RT 项目。在RT 项目内包含项目信息、上位机程序、下位机程序以及共享变量库。RT 项目能够通过以太网将下位机程序部署到实时操作系统中，并在部署完毕后自动运行。

共享变量不但可以在不同的VI 之间传递数据，还可以在不同的程序、甚至不同的计算机以及硬件设备间传递数据[1]。在实际应用中，共享变量主要用于网络上不同VI的数据共享。共享变量可以选择FIFO、网络缓存等特性用以保证数据传递的可靠性。共享变量有单进程、网络发布以及事件触发3 种，其中，单进程的共享变量用于下位机程序内部数据的传递，而网络发布的共享变量用于上位机程序与下位机程序之间的数据传递，运行示意图，如图3所示：

图3 RT 项目结构与运行示意图

3.2 上位机程序设计

上位机程序的主要功能包括数据显示、系统仿真模式选择、数据保存与管理、参数设置、硬件通道配置以及与下位机之间的实时通信，上位机的软件结构图，如图4所示：

图4 上位机软件结构图

当上位机程序开始运行时，程序先对上位机、下位机程序中的变量进行初始化操作，随后开始并行运行等待界面相应、共享变量数据传递、数据显示、数据保存、检测下位机程序是否正常运行等循环任务。

当用户在主界面选择启动模型仿真时，程序先将参数设置、通道配置、仿真模式等信息通过共享变量传递至下位机，等待这一过程完成，再发出指令，开始下位机模型的迭代。

在下位机模型运行周期为10ms，并且包含多个模拟量数据的情况下，需要保存的数据量非常庞大。因此，数据保存采用高效的、专门用于信号数据存储的文件格式TDMS。当待保存的数据准备就绪，下位机程序通过标志位通知上位机程序，上位机程序从共享变量提取相应的数据，并采用TDMS 格式保存至硬盘。上位机程序主界面，如图5所示：

图5 上位机程序主界面

3.3 下位机程序的设计

下位机的主要功能包括实时仿真系统模型迭代、读取相关硬件板卡的输入信号、将计算得到的结果在相应硬件通道上输出以及与上位机之间的实时通信。

在上位机程序开始运行后，下位机程序收到相应指令以及初始化命令，开始进行变量的初始化以及硬件板卡的启动工作。随后等待上位机的模型仿真启停命令，当收到启动模型仿真指令后，首先通过共享变量读取上位机发送的参数设置、硬件通道配置等信息，然后并行运行模型迭代、信号输入输出、向上位机发送需显示及保存的数据等循环任务。当收到停止模型迭代的命令后，则继续等待上位机的命令，直到接收到退出指令。下位机程序运行流程图，如图6所示：

图6 下位机程序运行流程图

根据试验工作的需求，模型迭代的周期设置为10ms。为保证模型迭代的实时性，基于实时操作系统以及多核处理器，在程序设计中利用了定时循环结构，不仅可以设置循环的周期，还可以指定处理该循环所使用的处理器以及优先级。通过这一设置，可以优先保证高优先级工作的实时性不受低优先级工作的影响，从而在本设计中，保证了模型的实时迭代这一关键工作的实时性能够符合试验与开发工作的要求。

4 结论

经过现场调试，调速实时仿真系统在系统功能上以及实时性、可靠性等性能上，都能够满足该研究所在相关开发及试验过程中的要求，并且，友好的人机交互与开放的设置平台都为试验工作带来一个灵活、便捷的环境。

[1]阮奇桢.我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:126-127。

[2]丰伟伟，杨世文，南金瑞等。LabVIEW 中TDMS 文件和SQLSQL 数据库数据处理速度的研究。[j]仪器仪表与分析监测，2011（1）。

[3]刘鹏，郭智威，基于LabVIEWLabVIEW的振动信号采集与分析系系统的开发，[j]科技信息2010，（18）。