NI CompactRIO和LabVIEW开发最先进的控制系统

"我们在短短几个月内设计、开发、部署、验证了这个新的控制系统，并完成了文档编写。CompactRIO和LabVIEW给所需的全驱测功机控制系统提供了一个成功且性能卓越的解决方案。"- Shahzad Sarwar, Innosiv Engineering 

挑战:

针对全驱底盘测功机的前后转鼓开发一个复杂的控制系统，用于给所有车轮模拟路面阻力、保持恒定的加速度、速度和距离。该控制系统不仅对驾驶员的生命安全至关重要，而且反映了测功机性能的精度和易用性。

解决方案:

应用NI CompactRIO工业控制平台和NI LabVIEW FPGA和LabVIEW实时模块与超过100种现有信号互连，并提供一个先进的多回路比例积分微分（Proportional integral derivative, PID）控制系统。控制系统中信号每秒测量100万次，控制动作每秒迭代250次，从而提供低延迟、有效和高性能系统控制。

作者:

Shahzad Sarwar - Innosiv Engineering

在实验室环境下，可以通过模拟路面阻力来对行驶中的汽车进行各种测量，包括汽车的功率、燃料消耗和尾气排放效率。被测汽车的车轮被放置于测功机的前后转鼓上。随着操作人员启动汽车，控制系统检测汽车速度、加速度和扭矩，同时控制两个直流电功率吸收系统（电动机和发电机）以控制转鼓，并对汽车施加的载荷。如果要模拟车辆在道路上行驶的情况，可以控制主动减震器来准确模拟路面阻力和空气阻力。系统中配备了先进的采样和分析设备，我们可以测试车辆的废气排放，并在其它研究应用中研究替代燃料的效果。

全驱汽车的出现，增加了测功机控制系统的复杂性。除了要实现实时、低延迟和关键任务的控制性能以外，还需要控制硬件来管理多变量系统，同时保持前后转鼓具有相同的速度和加速度。开发这样的系统已经被证明是需要大量的开发时间和成本的。

当我们的客户—Environment Canada公司，与我们接洽以开发一个自动全驱测功机系统时，我们使用CompactRIO作为该应用的数据采集和控制平台，基于可编程门阵列（Field-programmable gate array, FPGA）底板和高性能实时控制器的CompactRIO提供了经济的且技术领先的自动化控制系统。结合LabVIEW软件所具有的强大的分析和控制能力，我们的目标是尽量减少技术风险和开发时间。

应对工程挑战的创新方案

针对全驱测功机的自动控制系统工程面临几个挑战。作为一个灵活的编程环境，CompactRIO和LabVIEW跨越了Windows操作系统、实时系统和FPGA三种开发平台，是我们的解决方案成功实施的关键因素。

快速实时响应

对快速移动汽车的动力学特性的迅速响应需要在几分之一秒内完成控制循环。在我们的解决方案中，运行于CompactRIO的FPGA循环，执行了所有的测量和安全检查，每秒运行一百万次。实时嵌入式处理器的控制循环为每秒迭代250次，这提供了一个极佳的动态响应。

革新性的测量方法

所有测量信号的质量，特别是速度和加速度信号，直接反映测功机控制和模拟的能力和高保真度。在我们的解决方案中，CompactRIO平台提供了几个独一无二且新颖的测量方法，如下所示：
FPGA代码实现数字输入的自定义防抖动。
一种创新且准确的测量动态加速度值方法，基于编码器的脉冲定时，而不是传统的脉冲计数，在使用了1MHz的循环频率后变得可行。
响应速度快、动态范围大、线性度良好和工业级可靠性的模块化I/O通道。
分布式软件

除了小尺寸封装和低成本，基于CompactRIO和Windows操作系统的控制系统有分布式系统强大的可编程性能，包括三大计算机平台：FPGA、CompactRIO实时控制器和Windows操作系统。我们使用LabVIEW在这些平台之间实现了无缝的集成和编程。图3显示了物理控制器上的任务分配。

基于以太网的自定义消息传递协议将控制室内的Windows主机和位于I/O柜内的CompactRIO实时控制器连接起来。我们使用CompactRIO进行所有的测量和控制，而Windows操作系统用于显示所有的用户界面和进行数据记录。

验证模拟性能

汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers, SAE）的行业法规已经详细地描述了，验证测功机的模拟精度的过程。我们遵循标准中的滑行测量方法，将汽车加至达100公里/小时的最高时速，并在空档模式下滑行。然后，我们微调模拟参数以重现车辆在实际道路上运行时的速度与时间曲线，直至车辆逐步滑行停止。模拟过程能否快速收敛，以及观测到的数据与车辆在不同速度下的滑行时间数据之间的接近程度，即为考量一个控制系统模拟精度的标准。

我们利用新型控制系统和不同汽车模型进行了多组测试。系统都可以成功地快速重现预期的高精度滑行性能。

结论

我们在短短几个月内设计、开发、部署、验证了这个新的控制系统，并完成了文档编写。CompactRIO和LabVIEW给所需的全驱测功机控制系统提供了一个成功且性能卓越的解决方案。汽车滑行测试程序按行业标准在几次迭代后收敛。我们在零点几秒内重现了滑行时间，且实现了小于10N的加载误差。同时，在全驱模式中，前后轮之间速度的差异保持最低的0.07ppm。系统能运行至最高时速为140km/h，且速度差异仅有0.01m/s。运行几公里的后，前后轮前进所产生的距离差只有几厘米。基于CompactRIO和LabVIEW的系统的灵活性比最终结论更令人印象深刻。针对实施过程中的所有测量和控制挑战，我们快速找到令人满意且新颖的解决方案。