"我們?cè)诙潭處讉€(gè)月內(nèi)設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署、驗(yàn)證了這個(gè)新的控制系統(tǒng)，并完成了文檔編寫。CompactRIO和LabVIEW給所需的全驅(qū)測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)成功且性能卓越的解決方案。"- Shahzad Sarwar, Innosiv Engineering 

挑戰(zhàn):

針對(duì)全驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)的前后轉(zhuǎn)鼓開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，用于給所有車輪模擬路面阻力、保持恒定的加速度、速度和距離。該控制系統(tǒng)不僅對(duì)駕駛員的生命安全至關(guān)重要，而且反映了測(cè)功機(jī)性能的精度和易用性。

解決方案:

應(yīng)用NI CompactRIO工業(yè)控制平臺(tái)和NI LabVIEW FPGA和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊與超過100種現(xiàn)有信號(hào)互連，并提供一個(gè)先進(jìn)的多回路比例積分微分（Proportional integral derivative, PID）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中信號(hào)每秒測(cè)量100萬次，控制動(dòng)作每秒迭代250次，從而提供低延遲、有效和高性能系統(tǒng)控制。

作者:

Shahzad Sarwar - Innosiv Engineering

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，可以通過模擬路面阻力來對(duì)行駛中的汽車進(jìn)行各種測(cè)量，包括汽車的功率、燃料消耗和尾氣排放效率。被測(cè)汽車的車輪被放置于測(cè)功機(jī)的前后轉(zhuǎn)鼓上。隨著操作人員啟動(dòng)汽車，控制系統(tǒng)檢測(cè)汽車速度、加速度和扭矩，同時(shí)控制兩個(gè)直流電功率吸收系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）以控制轉(zhuǎn)鼓，并對(duì)汽車施加的載荷。如果要模擬車輛在道路上行駛的情況，可以控制主動(dòng)減震器來準(zhǔn)確模擬路面阻力和空氣阻力。系統(tǒng)中配備了先進(jìn)的采樣和分析設(shè)備，我們可以測(cè)試車輛的廢氣排放，并在其它研究應(yīng)用中研究替代燃料的效果。

全驅(qū)汽車的出現(xiàn)，增加了測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。除了要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、低延遲和關(guān)鍵任務(wù)的控制性能以外，還需要控制硬件來管理多變量系統(tǒng)，同時(shí)保持前后轉(zhuǎn)鼓具有相同的速度和加速度。開發(fā)這樣的系統(tǒng)已經(jīng)被證明是需要大量的開發(fā)時(shí)間和成本的。

當(dāng)我們的客戶—Environment Canada公司，與我們接洽以開發(fā)一個(gè)自動(dòng)全驅(qū)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)時(shí)，我們使用CompactRIO作為該應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和控制平臺(tái)，基于可編程門陣列（Field-programmable gate array, FPGA）底板和高性能實(shí)時(shí)控制器的CompactRIO提供了經(jīng)濟(jì)的且技術(shù)領(lǐng)先的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。結(jié)合LabVIEW軟件所具有的強(qiáng)大的分析和控制能力，我們的目標(biāo)是盡量減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)時(shí)間。

應(yīng)對(duì)工程挑戰(zhàn)的創(chuàng)新方案

針對(duì)全驅(qū)測(cè)功機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)工程面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)。作為一個(gè)靈活的編程環(huán)境，CompactRIO和LabVIEW跨越了Windows操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)和FPGA三種開發(fā)平臺(tái)，是我們的解決方案成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。

快速實(shí)時(shí)響應(yīng)

對(duì)快速移動(dòng)汽車的動(dòng)力學(xué)特性的迅速響應(yīng)需要在幾分之一秒內(nèi)完成控制循環(huán)。在我們的解決方案中，運(yùn)行于CompactRIO的FPGA循環(huán)，執(zhí)行了所有的測(cè)量和安全檢查，每秒運(yùn)行一百萬次。實(shí)時(shí)嵌入式處理器的控制循環(huán)為每秒迭代250次，這提供了一個(gè)極佳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

革新性的測(cè)量方法

所有測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量，特別是速度和加速度信號(hào)，直接反映測(cè)功機(jī)控制和模擬的能力和高保真度。在我們的解決方案中，CompactRIO平臺(tái)提供了幾個(gè)獨(dú)一無二且新穎的測(cè)量方法，如下所示：
FPGA代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸入的自定義防抖動(dòng)。
一種創(chuàng)新且準(zhǔn)確的測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度值方法，基于編碼器的脈沖定時(shí)，而不是傳統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)，在使用了1MHz的循環(huán)頻率后變得可行。
響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、線性度良好和工業(yè)級(jí)可靠性的模塊化I/O通道。
分布式軟件

除了小尺寸封裝和低成本，基于CompactRIO和Windows操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)有分布式系統(tǒng)強(qiáng)大的可編程性能，包括三大計(jì)算機(jī)平臺(tái)：FPGA、CompactRIO實(shí)時(shí)控制器和Windows操作系統(tǒng)。我們使用LabVIEW在這些平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)了無縫的集成和編程。圖3顯示了物理控制器上的任務(wù)分配。

基于以太網(wǎng)的自定義消息傳遞協(xié)議將控制室內(nèi)的Windows主機(jī)和位于I/O柜內(nèi)的CompactRIO實(shí)時(shí)控制器連接起來。我們使用CompactRIO進(jìn)行所有的測(cè)量和控制，而Windows操作系統(tǒng)用于顯示所有的用戶界面和進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

驗(yàn)證模擬性能

汽車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers, SAE）的行業(yè)法規(guī)已經(jīng)詳細(xì)地描述了，驗(yàn)證測(cè)功機(jī)的模擬精度的過程。我們遵循標(biāo)準(zhǔn)中的滑行測(cè)量方法，將汽車加至達(dá)100公里/小時(shí)的最高時(shí)速，并在空檔模式下滑行。然后，我們微調(diào)模擬參數(shù)以重現(xiàn)車輛在實(shí)際道路上運(yùn)行時(shí)的速度與時(shí)間曲線，直至車輛逐步滑行停止。模擬過程能否快速收斂，以及觀測(cè)到的數(shù)據(jù)與車輛在不同速度下的滑行時(shí)間數(shù)據(jù)之間的接近程度，即為考量一個(gè)控制系統(tǒng)模擬精度的標(biāo)準(zhǔn)。

我們利用新型控制系統(tǒng)和不同汽車模型進(jìn)行了多組測(cè)試。系統(tǒng)都可以成功地快速重現(xiàn)預(yù)期的高精度滑行性能。

結(jié)論

我們?cè)诙潭處讉€(gè)月內(nèi)設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署、驗(yàn)證了這個(gè)新的控制系統(tǒng)，并完成了文檔編寫。CompactRIO和LabVIEW給所需的全驅(qū)測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)成功且性能卓越的解決方案。汽車滑行測(cè)試程序按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在幾次迭代后收斂。我們?cè)诹泓c(diǎn)幾秒內(nèi)重現(xiàn)了滑行時(shí)間，且實(shí)現(xiàn)了小于10N的加載誤差。同時(shí)，在全驅(qū)模式中，前后輪之間速度的差異保持最低的0.07ppm。系統(tǒng)能運(yùn)行至最高時(shí)速為140km/h，且速度差異僅有0.01m/s。運(yùn)行幾公里的后，前后輪前進(jìn)所產(chǎn)生的距離差只有幾厘米?；贑ompactRIO和LabVIEW的系統(tǒng)的靈活性比最終結(jié)論更令人印象深刻。針對(duì)實(shí)施過程中的所有測(cè)量和控制挑戰(zhàn)，我們快速找到令人滿意且新穎的解決方案。