"我們在短短幾個月內(nèi)設(shè)計、開發(fā)、部署、驗證了這個新的控制系統(tǒng)，并完成了文檔編寫。CompactRIO和LabVIEW給所需的全驅(qū)測功機控制系統(tǒng)提供了一個成功且性能卓越的解決方案。"- Shahzad Sarwar, Innosiv Engineering 

挑戰(zhàn):

針對全驅(qū)底盤測功機的前后轉(zhuǎn)鼓開發(fā)一個復(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)不僅對駕駛員的生命安全至關(guān)重要，而且反映了測功機性能的精度和易用性。

解決方案:

應(yīng)用NI CompactRIO工業(yè)控制平臺和NI LabVIEW FPGA和LabVIEW實時模塊與超過100種現(xiàn)有信號互連，并提供一個先進的多回路比例積分微分（Proportional integral derivative, PID）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中信號每秒測量100萬次，控制動作每秒迭代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

在實驗室環(huán)境下，可以通過模擬路面阻力來對行駛中的汽車進行各種測量，包括汽車的功率、燃料消耗和尾氣排放效率。被測汽車的車輪被放置于測功機的前后轉(zhuǎn)鼓上。隨著操作人員啟動汽車，控制系統(tǒng)檢測汽車速度、加速度和扭矩，同時控制兩個直流電功率吸收系統(tǒng)（電動機和發(fā)電機）以控制轉(zhuǎn)鼓，并對汽車施加的載荷。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)中配備了先進的采樣和分析設(shè)備，我們可以測試車輛的廢氣排放，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)，增加了測功機控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。除了要實現(xiàn)實時、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)一個自動全驅(qū)測功機系統(tǒng)時，我們使用CompactRIO作為該應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和控制平臺，基于可編程門陣列（Field-programmable gate array, FPGA）底板和高性能實時控制器的CompactRIO提供了經(jīng)濟的且技術(shù)領(lǐng)先的自動化控制系統(tǒng)。結(jié)合LabVIEW軟件所具有的強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)險和開發(fā)時間。

應(yīng)對工程挑戰(zhàn)的創(chuàng)新方案

針對全驅(qū)測功機的自動控制系統(tǒng)工程面臨幾個挑戰(zhàn)。作為一個靈活的編程環(huán)境，CompactRIO和LabVIEW跨越了Windows操作系統(tǒng)、實時系統(tǒng)和FPGA三種開發(fā)平臺，是我們的解決方案成功實施的關(guān)鍵因素。

快速實時響應(yīng)

對快速移動汽車的動力學(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，運行于CompactRIO的FPGA循環(huán)，執(zhí)行了所有的測量和安全檢查，每秒運行一百萬次。實時嵌入式處理器的控制循環(huán)為每秒迭代250次，這提供了一個極佳的動態(tài)響應(yīng)。

革新性的測量方法

所有測量信號的質(zhì)量，特別是速度和加速度信號，直接反映測功機控制和模擬的能力和高保真度。在我們的解決方案中，CompactRIO平臺提供了幾個獨一無二且新穎的測量方法，如下所示：
FPGA代碼實現(xiàn)數(shù)字輸入的自定義防抖動。
一種創(chuàng)新且準(zhǔn)確的測量動態(tài)加速度值方法，基于編碼器的脈沖定時，而不是傳統(tǒng)的脈沖計數(shù)，在使用了1MHz的循環(huán)頻率后變得可行。
響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大、線性度良好和工業(yè)級可靠性的模塊化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)強大的可編程性能，包括三大計算機平臺：FPGA、CompactRIO實時控制器和Windows操作系統(tǒng)。我們使用LabVIEW在這些平臺之間實現(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主機和位于I/O柜內(nèi)的CompactRIO實時控制器連接起來。我們使用CompactRIO進行所有的測量和控制，而Windows操作系統(tǒng)用于顯示所有的用戶界面和進行數(shù)據(jù)記錄。

驗證模擬性能

汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers, SAE）的行業(yè)法規(guī)已經(jīng)詳細(xì)地描述了，驗證測功機的模擬精度的過程。我們遵循標(biāo)準(zhǔn)中的滑行測量方法，將汽車加至達100公里/小時的最高時速，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)車輛在實際道路上運行時的速度與時間曲線，直至車輛逐步滑行停止。模擬過程能否快速收斂，以及觀測到的數(shù)據(jù)與車輛在不同速度下的滑行時間數(shù)據(jù)之間的接近程度，即為考量一個控制系統(tǒng)模擬精度的標(biāo)準(zhǔn)。

我們利用新型控制系統(tǒng)和不同汽車模型進行了多組測試。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

我們在短短幾個月內(nèi)設(shè)計、開發(fā)、部署、驗證了這個新的控制系統(tǒng)，并完成了文檔編寫。CompactRIO和LabVIEW給所需的全驅(qū)測功機控制系統(tǒng)提供了一個成功且性能卓越的解決方案。汽車滑行測試程序按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在幾次迭代后收斂。我們在零點幾秒內(nèi)重現(xiàn)了滑行時間，且實現(xiàn)了小于10N的加載誤差。同時，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)能運行至最高時速為140km/h，且速度差異僅有0.01m/s。運行幾公里的后，前后輪前進所產(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。針對實施過程中的所有測量和控制挑戰(zhàn)，我們快速找到令人滿意且新穎的解決方案。