基于虛擬儀器技術(shù)的運行環(huán)境仿真系統(tǒng)的開發(fā)研究

1、本文主要關(guān)注于運行環(huán)境仿真系統(tǒng)的開發(fā)研究,介紹了基于案例的動態(tài)仿真模型庫和基于虛擬儀器技術(shù)的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的開發(fā)方法。最后給出了一個洗衣機主控板測試系統(tǒng)的具體例子前言現(xiàn)代工業(yè)要面對激烈的市場競爭和環(huán)境保護方面政府的嚴(yán)格約束。針對這些挑戰(zhàn)的主要策略是減少新產(chǎn)品的設(shè)計和測試時間,減少開發(fā)費用,減少產(chǎn)品投入市場的周期。解決這些問題的方法主要是在產(chǎn)品開發(fā)和過程設(shè)計過程中有效利用CAD/CAE/CAM技術(shù)。在兩個最困擾機電產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)人員的主要問題中,第一是如何合理選擇部件和子系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)需求,第二是如何在低成本條件下測試系統(tǒng)性能。仿真技術(shù)是解決這兩個問題的答案。計算機仿真為在變條件和不同參數(shù)的情

2、況下描述和分析系統(tǒng)行為提供了可能,同時可獲得足夠數(shù)量和質(zhì)量的分析數(shù)據(jù)。它具有不需要實際工作環(huán)境,不需要復(fù)雜加載系統(tǒng)等許多優(yōu)點。過去,仿真技術(shù)的研究主要集中于仿真工具方面,而對于現(xiàn)代機電系統(tǒng),則相對忽略了仿真模型的精度和功能準(zhǔn)確度。不管仿真工具如何先進,不合適的仿真模型肯定會導(dǎo)致錯誤的仿真結(jié)果。這是現(xiàn)代仿真技術(shù)面對的重要問題。美國國家儀器公司發(fā)布了一整套軟、硬件工具用于建立測控應(yīng)用,為仿真系統(tǒng)和仿真模型的開發(fā)提供了一個良好的基礎(chǔ)。運行環(huán)境仿真系統(tǒng)的研究首先集中于仿真模型,精確建立一個針對機電部件和系統(tǒng)的動態(tài)案例仿真模型庫。這個動態(tài)仿真模型庫具有三個優(yōu)點：1. 它提供了一個基于案例推理技術(shù)的仿真模

3、型分類結(jié)構(gòu),可以動態(tài)調(diào)整模型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)以滿足實際系統(tǒng)需求;2. 它具有測試仿真模型和真實系統(tǒng)匹配度的功能;3. 它具有一個系統(tǒng)辨識工具,可以從實際的實驗結(jié)果中提取精確模型,并重構(gòu)動態(tài)模型庫。這些優(yōu)點可以有效解決以前靜態(tài)模型庫帶給仿真實驗的問題。運行環(huán)境仿真系統(tǒng)另一個關(guān)注的是建立硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ),這項工作變得更加容易。運行環(huán)境仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和開發(fā)方法運行環(huán)境仿真系統(tǒng)包含兩個部分：一是動態(tài)案例模型庫,二是硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)見圖1。圖1 運行環(huán)境仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖動態(tài)案例模型庫主要包括幾個模塊：索引引擎、數(shù)學(xué)模型庫、數(shù)據(jù)描述庫、其他數(shù)據(jù)庫、動態(tài)辨識模塊、模型測試和評價模塊。

4、硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可以分為軟件和硬件部分。軟件部分主要是測控軟件模塊;硬件部分包括全部硬件系統(tǒng),如PXI總線系統(tǒng),PCI總線系統(tǒng),Compact-RIO系統(tǒng)等。· 動態(tài)案例模型庫動態(tài)案例模型庫的開發(fā)主要以NI LabVIEW仿真模塊、Matlab和其他仿真工具包為基礎(chǔ)進行。動態(tài)案例模型庫包含以下幾個主要部分：案例模型庫(索引引擎、數(shù)學(xué)模型庫、數(shù)據(jù)描述庫、其他數(shù)據(jù)庫),系統(tǒng)辨識軟件模塊,模型測試和評價模塊,模型傳輸和修改模塊。主要結(jié)構(gòu)見圖2。圖2 動態(tài)案例模型庫的結(jié)構(gòu)圖1. 案例模型庫模型庫采用案例推理技術(shù)實現(xiàn),這項技術(shù)在20世紀(jì)80年代后期逐漸被越來越多的人工智能研究人員關(guān)注,它是一種

5、利用過去案例和經(jīng)驗解決問題的類推方法。總的來說,案例推理技術(shù)采用以下的推理步驟：(a)確認(rèn)問題：輸入需求,初始化條件和問題相關(guān)信息;(b)獲取案例：根據(jù)需求和初始條件,尋找與實際問題類似的案例;(c)修改案例：從最類似的案例或案例組中提取目標(biāo)解決方案,通過修改目標(biāo)方案滿足實際需求;(d)存儲案例：解決完問題后,將最新的解決方案存儲到案例庫中。案例推理技術(shù)最重要的部分是建立案例的索引引擎和設(shè)計索引算法,可以利用這個技術(shù)建立案例數(shù)據(jù)庫。整個數(shù)據(jù)庫將來可以建立成具有可重構(gòu)特性的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),它最主要的優(yōu)勢在于能夠根據(jù)用戶需求重構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò),并快速引導(dǎo)到合適的案例。這項技術(shù)具有很強的自適應(yīng)能力。在這

6、個模型庫中,機電系統(tǒng)和部件的模型可以分為幾個主要部分,如機械、電子電氣、液壓等。這些分類組建成一個樹型結(jié)構(gòu)。例如,電子電氣組件可以分為微處理器、執(zhí)行器、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器等。進一步,執(zhí)行器還可按照不同的類型,如功率、最大轉(zhuǎn)速、驅(qū)動方式等再進行分類。圖3給出了一個簡化的電機分類的例子。其中案例i代表模型庫中的一個原始模型。圖3 簡化電機模型分類根據(jù)以上的分類,就可以對不同的模型獲得多種快速、有效的索引方法。例如,如圖3所示,現(xiàn)在在這個模型庫中具有三個案例,每個代表一種類型的電機模型。如果現(xiàn)在需要得到功率大于1kW,最大速度大于3000rpm的交流電機模型,但目前在圖3所示的庫中沒有匹配的模型。案例

7、模型庫將自動建立一個新的案例,并重構(gòu)模型庫,重構(gòu)的模型庫結(jié)構(gòu)如圖4所示,以上的例子解釋了模型庫重構(gòu)的方法。上述方法對于動態(tài)案例模型庫非常關(guān)鍵,因為它提供了一個辦法來自適應(yīng)調(diào)整模型測試,評價和辨識的索引和重構(gòu)過程。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯,或其他人工智能理論可以應(yīng)用于重構(gòu)工作,從而進一步提高模型庫的自適應(yīng)能力。圖4 重構(gòu)的簡化電機模型庫結(jié)構(gòu)2. 模型測試和評價模塊模型測試和評價模塊主要包括兩個部分,參見圖2。第一部分完成仿真實驗結(jié)果和實際實驗結(jié)果的對比,判定兩者之間的差異;第二部分測試和評價仿真模型是否對應(yīng)實際的部件和系統(tǒng)。在獲得實驗結(jié)果后,案例模型數(shù)據(jù)庫會自動選擇相關(guān)的模型和仿真實驗結(jié)果提供給測

8、試過程。模型測試和評價的兩個功能描述如下。(a)對比功能：對比仿真實驗結(jié)果和真實實驗結(jié)果的有效辦法是計算兩者輸出數(shù)據(jù)的差異,同樣也可以對比兩者系統(tǒng)參數(shù)、性能指標(biāo)、動態(tài)特征圖等方面的誤差。經(jīng)過對比,這些誤差將提供到模型測試和評價模塊。(b)模型測試和評價功能：如果誤差序列是具有零均值和非常小的方差的白噪聲序列,可以判定仿真模型和實際系統(tǒng)非常接近,模型不需要修改或者重構(gòu)。否則,必須修改仿真模型或重構(gòu)來提高匹配精度。3. 動態(tài)辨識模塊如果模型測試和評價結(jié)果說明相關(guān)的模型必須進行修改或者重構(gòu),動態(tài)辨識模塊就要進入工作。動態(tài)辨識模塊將利用真實實驗結(jié)果獲得新的模型,并進行模型校準(zhǔn)和修改?，F(xiàn)代系統(tǒng)辨識理論在

9、這個模塊中擔(dān)負(fù)著重要的責(zé)任。系統(tǒng)辨識主要根據(jù)被辨識系統(tǒng)的輸入和輸出獲取等效的系統(tǒng)(數(shù)學(xué)模型)。通用的模型描述方法包括傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程和微分方程等。傳遞函數(shù)的辨識方法分為時域和頻域方法。狀態(tài)方程的辨識方法比較復(fù)雜,可以從微分方程或傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化過來。微分方程的辨識主要是采用統(tǒng)計分析和參數(shù)預(yù)估,如最小二乘、最大似然等方法。非線性系統(tǒng)可以采用非線性微分方程、Volterra級數(shù)、雙線性模型等來描述。對于不同的部件和系統(tǒng),需要選擇不同的模型來描述。甚至對于同一個部件,都需要建立不同的描述方法以滿足不同的需要。在系統(tǒng)辨識的開始階段,首先要根據(jù)實際需求正確合適的數(shù)學(xué)模型的類型。然后,下一步是選擇合適的辨識

10、方法通過實際實驗數(shù)據(jù)獲得模型參數(shù)。舉例說明,一個電機可以描述成一個線性模型,也可以描述成一個非線性模型。根據(jù)所需的仿真精度和功能,可以選擇一個單入單出的傳遞函數(shù),也可以使用最小二乘方法構(gòu)建Volterra級數(shù)模型。在這里,許多現(xiàn)代人工智能理論可以采用進行辨識,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、H、遺傳算法等。系統(tǒng)辨識模塊主要完成以下功能：(a)根據(jù)所需的仿真精度和仿真器功能,選擇合適的數(shù)學(xué)模型來描述實際系統(tǒng);(b)選擇合適的系統(tǒng)辨識方法,以獲得所需的模型參數(shù)和其他描述;(c)測試數(shù)學(xué)模型的精度。經(jīng)過以上的辨識工作,改進的或新的數(shù)學(xué)模型將進入案例模型庫。案例模型庫、模型測試和評價模塊、動態(tài)辨識模塊這三個

11、部分的工作形成了一個閉環(huán),從而保證了整個模型庫的自適應(yīng)性能,并組成了整個動態(tài)案例模型庫。· 硬件在環(huán)測試系統(tǒng)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)最初是被構(gòu)思成一個單一功能的測試系統(tǒng),在汽車行業(yè)中的應(yīng)用最主要是用于發(fā)動機控制元件的測試?，F(xiàn)在,越來越多的電子控制元件和其他通用的測試應(yīng)用都逐漸采用了硬件在環(huán)技術(shù)來實現(xiàn)。工程技術(shù)人員面對的建立硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的主要問題是如何將仿真系統(tǒng)和實際系統(tǒng)通過大量高速的I/O通道和信號調(diào)理通道同步運行起來,并保證功能和性能。隨著現(xiàn)在計算機的功能和靈活性越來越強,工程師和科研人員更傾向于使用虛擬儀器來實現(xiàn)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。通過使用虛擬儀器技術(shù),硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的實現(xiàn)變得越來越

12、容易。圖5是一個硬件在環(huán)測試實現(xiàn)的具體例子。這個程序采用LabVIEW實現(xiàn),一個采用傳遞函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型嵌入了測試的過程,從而實現(xiàn)了實際系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型混合的硬件在環(huán)測試流程。圖5 硬件在環(huán)測試示例這種實現(xiàn)方法可以把許多機電產(chǎn)品通過不同的描述方式引入到測控系統(tǒng)中,這些不同的描述方式包括數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)圖,等等。通過與動態(tài)案例仿真模型庫的有機結(jié)合,這些模型將加入仿真模型庫中。這樣硬件在環(huán)測試系統(tǒng)就具有了堅實的模型庫作為資源中心了。洗衣機主控板測試系統(tǒng)簡介主控板是全自動洗衣機的核心控制單元。在裝配結(jié)束后,必須對主控板的功能和輸入/輸出接口進行測試。主要的測試目標(biāo)包括門開關(guān)信號、關(guān)斷信號、水位

13、信號、進水閥控制信號、驅(qū)動控制信號、電機控制信號等。為了完成上述工作,開發(fā)了基于運行環(huán)境仿真系統(tǒng)的洗衣機主控板測試系統(tǒng)。這套系統(tǒng)采用NI公司多功能板卡和LabVIEW軟件平臺實現(xiàn)了模擬洗衣機正常工作狀態(tài)和全自動測試的工作。下面介紹這個具有一定代表性的運行環(huán)境仿真系統(tǒng)的開發(fā)方法。首先,提取與主控板緊密聯(lián)系的部件的仿真模型,如鑒頻式水位傳感器、電機、入水閥等。其中,鑒頻式水位傳感器很具有代表性。下面先簡要介紹如何建立鑒頻式水位傳感器的仿真模型。圖6 鑒頻式水位傳感器的結(jié)構(gòu)圖鑒頻式水位傳感器的結(jié)構(gòu)見圖6。它采用LC電磁諧振電路作為敏感元件,將水位信號轉(zhuǎn)變成LC參數(shù)變化,最后輸出頻率信號。原理可以簡單

14、描述如下：水位首先影響在氣腔內(nèi)的氣壓,氣壓的改變使導(dǎo)板運動,磁芯也就在線圈中移動,這就改變了線圈的電感,最終LC電路產(chǎn)生了不同的頻率信號。鑒頻式水位傳感器的等效電路見圖7。圖7 鑒頻式水位傳感器的等效電路圖一般來說,在鑒頻式水位傳感器安裝固定后,它的線圈匝數(shù)、空氣導(dǎo)磁率、磁芯導(dǎo)磁率、線圈平均半徑、磁芯有效半徑和線圈長度都是不變的,唯一改變的是磁芯在線圈中移動的位置。這個運動是線性的,也就導(dǎo)致電感的改變是連續(xù)的。通過理論分析和實驗驗證,水位信號和鑒頻式水位傳感器的輸出頻率是成反比關(guān)系。下面給出了兩種比較常用的鑒頻式水位傳感器產(chǎn)品的特性表,描述了水位和輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系,第一個是SW-4型,第二個

15、是XQB52-108G型。表1 SW-4型的水位和輸出頻率對應(yīng)關(guān)系表表2 XQB52-108G型水位和輸出頻率對應(yīng)關(guān)系表通過實驗結(jié)果和數(shù)學(xué)分析,便獲得了不同鑒頻式水位傳感器的數(shù)學(xué)描述方法。這個方法同樣應(yīng)用于其他部件的仿真數(shù)學(xué)描述,并將這些數(shù)學(xué)描述加入動態(tài)案例仿真模型庫,以便下一步建立全自動洗衣機主控板測試系統(tǒng)。在整套硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中,選擇了NI公司M系列多功能卡作為數(shù)據(jù)采集模塊,NI的LabVIEW軟件平臺開發(fā)了整套測試軟件。根據(jù)硬件輸出模擬了主要的傳感器和執(zhí)行元件的信號,如門開關(guān)信號、關(guān)斷信號、水位信號、進水閥控制信號、驅(qū)動器控制信號、電機控制信號等,最終完成了全自動洗衣機漂洗、洗滌、甩干等狀態(tài)的全自動測試工作。結(jié)論運行環(huán)境仿真系統(tǒng)具有兩個重要的組成部分：動態(tài)案例仿真模型庫和基于虛擬儀器的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。前者主要用于擴展真