基于虛擬儀器的運行環(huán)境仿真系統的開(kāi)發(fā)研究

摘要：
本文主要關(guān)注于運行環(huán)境仿真系統的開(kāi)發(fā)研究，介紹了基于案例的動(dòng)態(tài)仿真模型庫和基于虛擬儀器技術(shù)的硬件在環(huán)測試系統的開(kāi)發(fā)方法。最后給出了一個(gè)洗衣機主控板測試系統的具體例子。
關(guān)鍵詞：
仿真，虛擬儀器，測控，硬件在環(huán)

前言
現代工業(yè)面對了越來(lái)越多的挑戰：激烈的市場(chǎng)競爭和環(huán)境保護方面政府的嚴格約束。針對這些挑戰的主要策略是減少新產(chǎn)品的設計和測試時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)費用，減少產(chǎn)品投入市場(chǎng)的周期。解決這些問(wèn)題的方法主要是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和過(guò)程設計中CAD/CAE/CAM技術(shù)的有效利用。在兩個(gè)最困擾機電產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)人員的主要問(wèn)題中，第一是如何合理選擇部件和子系統以滿(mǎn)足系統需求，第二是如何在低成本條件下測試系統性能。仿真技術(shù)則成為了解決上述問(wèn)題的答案。仿真實(shí)驗分析技術(shù)對于利用實(shí)際部件和系統的實(shí)驗數據獲得深入的知識和了解非常有幫助。計算機仿真為在變條件和不同參數的情況下描述和分析系統行為提供了可能。同時(shí)，可以獲得足夠數量和質(zhì)量的分析數據。它具有不需要實(shí)際工作環(huán)境，不需要復雜加載系統等許多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)給技術(shù)開(kāi)發(fā)人員指出了一條非常具有吸引力的方向。
過(guò)去，仿真技術(shù)的研究主要集中于仿真工具方面，而對于現代機電系統，則相對忽略了仿真模型的精度和功能準確度。不管仿真工具如何先進(jìn)，不合適的仿真模型肯定會(huì )導致錯誤的仿真結果。這是現代仿真技術(shù)面對的主要問(wèn)題。
虛擬儀器技術(shù)使用主流計算機技術(shù)，并結合了創(chuàng )新、靈活的軟件模塊，高性能的硬件技術(shù)創(chuàng )造了強大的以計算機為基礎的儀器解決方法。虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導者，國家儀器，發(fā)布了一整套軟、硬件工具用于建立測控應用。他們?yōu)榉抡嫦到y和仿真模型的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)良好的基礎。
運行環(huán)境仿真系統的研究首先集中于仿真模型，精確建立一個(gè)針對機電部件和系統的動(dòng)態(tài)案例仿真模型庫。這個(gè)動(dòng)態(tài)仿真模型庫具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：a）它提供了一個(gè)基于案例推理技術(shù)的仿真模型分類(lèi)結構，它可以動(dòng)態(tài)調整模型數據庫結構以滿(mǎn)足實(shí)際系統需求；b）它具有測試仿真模型和真實(shí)系統匹配度的功能；c）它具有一個(gè)系統辯識工具，可以從實(shí)際的實(shí)驗結果中提取精確模型，并重構動(dòng)態(tài)模型庫。這些優(yōu)點(diǎn)可以有效解決以前靜態(tài)模型庫帶給仿真實(shí)驗的問(wèn)題：動(dòng)態(tài)仿真模型庫具有動(dòng)態(tài)和自適應的能力，可以滿(mǎn)足更加廣泛的需求。運行環(huán)境仿真系統另一個(gè)關(guān)注的是建立硬件在環(huán)測試系統。以虛擬儀器技術(shù)為基礎，這項工作變的更加容易。具體的結構和開(kāi)發(fā)方法將在后面介紹。

運行環(huán)境仿真系統的結構和開(kāi)發(fā)方法
運行環(huán)境仿真系統包含兩個(gè)部分：一是動(dòng)態(tài)案例模型庫，二是硬件在環(huán)測試系統。具體結構見(jiàn)圖1。

圖1 運行環(huán)境仿真系統結構圖
動(dòng)態(tài)案例模型庫主要包括幾個(gè)模塊，索引引擎，數學(xué)模型庫，數據描述庫，其它數據庫，動(dòng)態(tài)辯識模塊，模型測試和評價(jià)模塊。
硬件在環(huán)測試系統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，如PXI總線(xiàn)系統，PCI總線(xiàn)系統，Compact-RIO系統等。

動(dòng)態(tài)案例模型庫
動(dòng)態(tài)案例模型庫的開(kāi)發(fā)主要以NI LabVIEW 仿真模塊，Matlab，和其它仿真工具包為基礎進(jìn)行。這些工具為建立機電系統的模型庫提供了一個(gè)完整的平臺。動(dòng)態(tài)案例模型庫包含三個(gè)主要部分：案例模型庫（索引引擎，數學(xué)模型庫，數據描述庫，其它數據庫），系統辯識軟件模塊，模型測試和評價(jià)模塊，模型傳輸和修改模塊。主要結構見(jiàn)圖2。
圖2 動(dòng)態(tài)案例模型庫的結構圖

案例模型庫
模型庫采用案例推理技術(shù)實(shí)現，這項技術(shù)在80年代后期逐漸被越來(lái)越多的人工智能研究人員關(guān)注，它是一種利用過(guò)去案例和經(jīng)驗解決問(wèn)題的類(lèi)推方法?？偟膩?lái)說(shuō)，案例推理技術(shù)采用以下的推理步驟：
確認問(wèn)題：輸入需求，初始化條件和問(wèn)題相關(guān)信息；
獲取案例：根據需求和初始條件，尋找與實(shí)際問(wèn)題類(lèi)似的案例；
修改案例：從最類(lèi)似的案例或案例組中提取目標解決方案，通過(guò)修改目標方案滿(mǎn)足實(shí)際需求；
存儲案例：解決完問(wèn)題后，將最新的解決方案存貯到案例庫中。
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計索引算法。我們可以利用這個(gè)技術(shù)建立案例數據庫。整個(gè)數據庫將來(lái)可以建立成具有可重構特性的分布式網(wǎng)絡(luò )結構。它最主要的優(yōu)勢在于能夠根據用戶(hù)需求重構分布式網(wǎng)絡(luò )，并快速引導到合適的案例。這項技術(shù)具有很強的自適應能力。
在這個(gè)模型庫中，機電系統和部件的模型可以分為幾個(gè)主要部分，如機械，電子電氣，液壓等。這些分類(lèi)組建成一個(gè)樹(shù)型結構。例如，電子電氣組件可以分為微處理器，執行器，驅動(dòng)系統，傳感器等。進(jìn)一步，執行器還可按照不同的類(lèi)型，功率，最大轉速，驅動(dòng)方式等再進(jìn)行分類(lèi)。圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的電機分類(lèi)的例子。其中案例i代表模型庫中的一個(gè)原始模型。
圖3 簡(jiǎn)化電機模型分類(lèi)

根據以上的分類(lèi)，我們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，現在在這個(gè)模型庫中具有三個(gè)案例，每個(gè)代表一種類(lèi)型的電機模型。如果現在我們需要得到功率大于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(méi)有匹配的模型。案例模型庫將自動(dòng)建立一個(gè)新的案例，并重構模型庫，重構的模型庫結構如圖4所示，以上的例子解釋了模型庫重構的方法。上述方法對于動(dòng)態(tài)案例模型庫非常關(guān)鍵，因為它提供了一個(gè)辦法來(lái)自適應調整模型測試，評價(jià)和辯識的索引和重構過(guò)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用于重構工作，從而進(jìn)一步提高模型庫的自適應能力。
圖4 重構的簡(jiǎn)化電機模型庫結構

模型測試和評價(jià)模塊
模型測試和評價(jià)模塊主要包括兩個(gè)部分（見(jiàn)圖2）。第一部分完成仿真實(shí)驗結果和實(shí)際實(shí)驗結果的對比，判定兩者之間的差異；第二部分測試和評價(jià)仿真模型是否對應實(shí)際的部件和系統。在獲得實(shí)驗結果后，案例模型數據庫會(huì )自動(dòng)選擇相關(guān)的模型和仿真實(shí)驗結果提供給測試過(guò)程。模型測試和評價(jià)的兩個(gè)功能描述如下：
對比功能：對比仿真實(shí)驗結果和真實(shí)實(shí)驗結果的有效辦法是計算兩者輸出數據的差異。我們同樣可以對比兩者系統參數，性能指標，動(dòng)態(tài)特征圖等方面的誤差。經(jīng)過(guò)對比，這些誤差將提供到模型測試和評價(jià)模塊；
模型測試和評價(jià)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(shí)際系統非常接近，模型不需要修改或者重構。否則，必須修改仿真模型或重構來(lái)提高匹配精度。

動(dòng)態(tài)辯識模塊
如果模型測試和評價(jià)結果說(shuō)明相關(guān)的模型必須進(jìn)行修改或者重構，動(dòng)態(tài)辯識模塊就要進(jìn)入工作。動(dòng)態(tài)辯識模塊將利用真實(shí)實(shí)驗結果獲得新的模型，并進(jìn)行模型校準和修改。
現代系統辯識理論在這個(gè)模塊中擔負著(zhù)重要的責任。系統辯識主要根據被辯識系統的輸入輸出獲取等效的系統（數學(xué)模型）。通用的模型描述方法包括傳遞函數，狀態(tài)方程和微分方程等。傳遞函數的辯識方法分為時(shí)域和頻域方法。狀態(tài)方程的辯識方法比較復雜，可以從微分方程或傳遞函數轉化過(guò)來(lái)。微分方程的辯識主要是采用統計分析和參數預估，如最小二乘，最大似然等方法。非線(xiàn)性系統可以采用非線(xiàn)性微分方程，Volterra級數，雙線(xiàn)性模型等來(lái)描述。
對于不同的部件和系統，我們需要選擇不同的模型來(lái)描述。甚至對于同一個(gè)部件，都需要建立不同的描述方法以滿(mǎn)足不同的需要。在系統辯識的開(kāi)始階段，首先要根據實(shí)際需求正確合適的數學(xué)模型的類(lèi)型。然后，下一步是選擇合適的辯識方法通過(guò)實(shí)際實(shí)驗數據獲得模型參數。舉例說(shuō)明，一個(gè)電機可以描述成一個(gè)線(xiàn)性模型，也可以描述成一個(gè)非線(xiàn)性模型。根據所需的仿真精度和功能，我們可以選擇一個(gè)單入單出的傳遞函數，也可以使用最小二乘方法構建Volterra級數模型。在這里，許多現代人工智能理論可以采用進(jìn)行辯識，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，模糊邏輯，H∞ ，遺傳算法等。
系統辯識模塊主要完成以下功能：
根據所需的仿真精度和仿真器功能，選擇合適的數學(xué)模型來(lái)描述實(shí)際系統；
選擇合適的系統辯識方法以獲得所需的模型參數和其它描述；
測試數學(xué)模型的精度。
經(jīng)過(guò)以上的辯識工作，改進(jìn)的或新的數學(xué)模型將進(jìn)入案例模型庫。案例模型庫，模型測試和評價(jià)模塊，動(dòng)態(tài)辯識模塊這三個(gè)部分的工作形成了一個(gè)閉環(huán)，從而保證了整個(gè)模型庫的自適應性能，并組成了整個(gè)動(dòng)態(tài)案例模型庫。

硬件在環(huán)測試系統
硬件在環(huán)測試系統最初是被構思成一個(gè)單一功能的測試系統，在汽車(chē)行業(yè)中的應用最主要是用于發(fā)動(dòng)機控制元件的測試?，F在，越來(lái)越多的電子控制元件和其他通用的測試應用都逐漸采用了硬件在環(huán)技術(shù)來(lái)實(shí)現。工程技術(shù)人員面對的建立硬件在環(huán)測試系統的主要問(wèn)題是如何將仿真系統和實(shí)際系統通過(guò)大量高速的I/O通道和信號調理通道同步運行起來(lái)，并保證功能和性能。隨著(zhù)現在計算機的功能和靈活性越來(lái)越強，工程師和科研人員更傾向于使用虛擬儀器來(lái)實(shí)現硬件在環(huán)測試系統。
通過(guò)使用虛擬儀器技術(shù)，硬件在環(huán)測試系統的實(shí)現變的越來(lái)越容易。圖5是一個(gè)硬件在環(huán)測試實(shí)現的具體例子。這個(gè)程序采用LabVIEW實(shí)現，一個(gè)采用傳遞函數描述的數學(xué)模型嵌入了測試的過(guò)程，從而實(shí)現了實(shí)際系統和數學(xué)模型混合的硬件在環(huán)測試流程。
這種實(shí)現方法可以把許多機電產(chǎn)品通過(guò)不同的描述方式引入到測控系統中，這些不同的描述方式包括數學(xué)模型，數據表，數據圖等等。通過(guò)與動(dòng)態(tài)案例仿真模型庫的有機結合，這些模型將加入仿真模型庫中。這樣硬件在環(huán)測試系統就具有了堅實(shí)的模型庫作為資源中心了。
圖5 硬件在環(huán)測試示例

洗衣機主控板測試系統簡(jiǎn)介
主控板是全自動(dòng)洗衣機的核心控制單元。在裝配結束后，必須對主控板的功能和輸入/輸出接口進(jìn)行測試。主要的測試目標包括門(mén)開(kāi)關(guān)信號，關(guān)斷信號，水位信號，進(jìn)水閥控制信號，驅動(dòng)控制信號，電機控制信號等等。為了完成上述工作，需要通過(guò)測試系統自行產(chǎn)生仿真信號，因此我們基于運行環(huán)境仿真系統開(kāi)發(fā)了洗衣機主控板測試系統。這套系統采用NI公司多功能板卡和LabVIEW軟件平臺實(shí)現了模擬洗衣機正常工作狀態(tài)和全自動(dòng)測試的工作。下面我們將介紹這個(gè)具有一定代表性的運行環(huán)境仿真系統的開(kāi)發(fā)方法。
首先，我們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(jiǎn)要介紹如何建立鑒頻式水位傳感器的仿真模型。
鑒頻式水位傳感器的結構見(jiàn)圖6。它采用LC電磁諧振電路作為敏感元件，將水位信號轉變成LC參數變化，最后輸出頻率信號。原理可以簡(jiǎn)單描述如下：水位首先影響在氣腔內的氣壓，氣壓的改變使導板運動(dòng)，磁芯也就在線(xiàn)圈中移動(dòng)，這就改變了線(xiàn)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(jiàn)圖7。
 圖6 鑒頻式水位傳感器的結構圖
圖7 鑒頻式水位傳感器的等效電路圖
一般來(lái)說(shuō)，在鑒頻式水位傳感器安裝固定后，它的線(xiàn)圈匝數，空氣導磁率，磁芯導磁率，線(xiàn)圈平均半徑，磁芯有效半徑，和線(xiàn)圈長(cháng)度都是不變的，唯一改變的是磁芯在線(xiàn)圈中移動(dòng)的位置。這個(gè)運動(dòng)是線(xiàn)性的，也就導致電感的改變是連續的。通過(guò)理論分析和實(shí)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關(guān)系，第一個(gè)是SW-4型，第二個(gè)是XQB52-108G型。
表1  SW-4型的水位和輸出頻率對應關(guān)系表
水位 (mm)    0    110    210    250    295    320    400
頻率(KHz)    42.2    41.55    40.37    39.87    39.31    39.00    38.00
表2  XQB52-108G型水位和輸出頻率對應關(guān)系表
水位(mm)    0    90    223    290    350    395    425
頻率(KHz)    26.7    25.92    23.56    22.62    21.98    21.52    21.4
通過(guò)實(shí)驗結果和數學(xué)分析，我們獲得了不同鑒頻式水位傳感器的數學(xué)描述方法。這個(gè)方法同樣應用于其他部件的仿真數學(xué)描述， 并將這些數學(xué)描述加入動(dòng)態(tài)案例仿真模型庫以便下一步建立全自動(dòng)洗衣機主控板測試系統。
隨后，我們采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)了整套硬件在環(huán)測試系統。選擇了NI公司M系列多功能卡作為數據采集模塊，NI的LabVIEW軟件平臺開(kāi)發(fā)了整套測試軟件。根據硬件輸出模擬了主要的傳感器和執行元件的信號，如門(mén)開(kāi)關(guān)信號，關(guān)斷信號，水位信號，進(jìn)水閥控制信號，驅動(dòng)器控制信號，電機控制信號等，最終完成了全自動(dòng)洗衣機漂洗，洗滌，甩干等狀態(tài)的全自動(dòng)測試工作。

結語(yǔ)
運行環(huán)境仿真系統具有兩個(gè)重要的組成部分：動(dòng)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。前者主要用于擴展真實(shí)部件和系統的數學(xué)描述范圍，采用案例推理方式合理分類(lèi)；后者主要針對如何通過(guò)使用數學(xué)描述方法實(shí)現實(shí)際的測控系統，以減少開(kāi)發(fā)難度、費用和其他投資。這兩部分具有非常密切的關(guān)系，但兩者是相對獨立的系統。運行環(huán)境仿真系統為這兩者搭建了一座橋梁，從而使真實(shí)對象與虛擬運行環(huán)境中的仿真對象緊密結合形成更高層次的測控系統。
今后的工作主要在下面介紹的兩方面開(kāi)展：首先是提高模型建立和索引引擎的質(zhì)量，擴展仿真模型的類(lèi)型，簡(jiǎn)化數學(xué)描述形式；其次是在硬件在環(huán)仿真技術(shù)，實(shí)時(shí)測控環(huán)境，分布式通訊技術(shù)等方面進(jìn)一步提高。這兩方面的工作必將會(huì )使運行環(huán)境仿真技術(shù)提升到一個(gè)更高的技術(shù)層次，為現代工業(yè)提供更好、更實(shí)用的開(kāi)發(fā)和測試工具。