基于CompactRIO平臺(tái)的艦船實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)

謝 寬，吳杰長(zhǎng)，陳國(guó)鈞，全 鋼，吳雄學(xué)

（海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用，海軍艦船機(jī)艙自動(dòng)化已經(jīng)發(fā)展到集成平臺(tái)管理系統(tǒng)（Integrated Platform Management System，IPMS），IPMS綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等技術(shù)，將目前艦船相互獨(dú)立的推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)、輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、損管控制系統(tǒng)、綜合船橋系統(tǒng)、實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)、全船維護(hù)保障系統(tǒng)、數(shù)字閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)等分系統(tǒng)聯(lián)接到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，集中進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、操縱控制，為艦船的操作管理人員提供了一個(gè)信息采集、顯示的自動(dòng)路徑和對(duì)這些系統(tǒng)及設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控、遠(yuǎn)距離操縱及智能化管理的優(yōu)良平臺(tái)［1］。

實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)（OBTS）作為IPMS的一項(xiàng)重要內(nèi)容，綜合了陸上模擬器訓(xùn)練和海上航行演習(xí)訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)，是嵌入到艦船實(shí)船環(huán)境之中的嵌入式仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用IPMS的人機(jī)界面、仿真軟件和監(jiān)控軟件可邊航行邊訓(xùn)練（邊執(zhí)行任務(wù)邊訓(xùn)練）。這種模擬訓(xùn)練是在實(shí)時(shí)、逼真的仿真環(huán)境下進(jìn)行的，且不影響平臺(tái)各裝置和系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)控功能，具有經(jīng)常性、及時(shí)性、逼真性、效果好、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)［2-3］。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了卓有成效的研究并已能提供成熟的產(chǎn)品，如美國(guó)的AAI為90多條美國(guó)艦艇安裝了400多套實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，加拿大的CAE公司為十幾個(gè)國(guó)家的海軍提供了包含實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的IPMS，根據(jù)德國(guó)BV3700-1結(jié)構(gòu)化條例的規(guī)定，德國(guó)后續(xù)的水面艦艇和潛艇必須安裝實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，并且主要采用了德國(guó)西門子公司的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)方案，而芬蘭的ABB、英國(guó)的BAE以及以色列的BVR公司等把實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)作為IPMS的重要組成部分，研究并構(gòu)建了相應(yīng)的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)［4］。國(guó)內(nèi)陸上模擬器仍是機(jī)電人員主要的訓(xùn)練工具，實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究沒(méi)有得到應(yīng)有的重視，上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所以STI-VC2100機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究，提出了基本的結(jié)構(gòu)［5］。

本研究提出一種基于NI-CompactRIO平臺(tái)的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，將實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到實(shí)驗(yàn)室柴油機(jī)雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)利用原監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行訓(xùn)練的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 柴油機(jī)雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置

本研究以實(shí)驗(yàn)室CODAD雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置為研究對(duì)象，該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置的構(gòu)成與布置

該裝置由一臺(tái)6135D非增壓柴油機(jī)、一臺(tái)WD615增壓柴油機(jī)和一臺(tái)雙輸入、單輸出并車齒輪箱組成。各部分性能參數(shù)為:6135D柴油機(jī)，額定功率90 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min；WD615柴油機(jī)，額定功率170 kW，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min；并車齒輪箱BC1323，雙輸入單輸出形式，WD615柴油機(jī)單機(jī)輸入時(shí)，具有順車、倒車和空車功能；6135D柴油機(jī)單機(jī)輸入時(shí)，只有順車和空車功能；WD615和6135D雙機(jī)輸入時(shí)，只有順車和空車功能；D1000型水力測(cè)功器，最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min，功率1 000馬力。

1.2 LabVIEW與CompactRIO平臺(tái)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)和控制的需求分析，考慮在惡劣工作環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，以及數(shù)據(jù)監(jiān)控的同步性和實(shí)時(shí)性，本研究選用以虛擬儀器為基礎(chǔ)的軟、硬件構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)。虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機(jī)交互性能的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，實(shí)現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象的各種功能［6］。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號(hào)的輸入/輸出問(wèn)題的方法和軟件賴以生存、運(yùn)行的物理環(huán)境，軟件才是整個(gè)儀器的核心構(gòu)件，可以根據(jù)應(yīng)用要求方便地更換儀器的功能和性質(zhì)。

本研究選用NI公司的LabVIEW和CompactRIO系統(tǒng)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)。LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源代碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

NI CompactRIO是一種小巧而堅(jiān)固的工業(yè)化控制與采集系統(tǒng)，利用可重新配置I/O（RIO）FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高性能和可自定義功能［7-8］。NI CompactRIO包含一個(gè)實(shí)時(shí)處理器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨(dú)立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)；還包含熱插拔工業(yè)I/O模塊，內(nèi)置可與傳感器/調(diào)節(jié)器直接連接的信號(hào)調(diào)理，嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。CompactRIO嵌入式系統(tǒng)可以使用高效的LabVIEW圖形化編程工具進(jìn)行快速開發(fā)［9］。

圖2 CompactRIO嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)裝置需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)有溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、位移、轉(zhuǎn)矩和一些開關(guān)量等，控制量包括供油量和離合器控制等信號(hào)。

柴油機(jī)雙機(jī)并車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)利用NI公司的LabVIEW作為編程語(yǔ)言，上位計(jì)算機(jī)采用NI公司的PXIe-8108工控計(jì)算機(jī)，利用CompactRIO系統(tǒng)作為主要監(jiān)控硬件。

本研究選用的CompactRIO系統(tǒng)包含一個(gè)cRIO 9024實(shí)時(shí)嵌入式處理器、帶有可編程FPGA的8槽cRIO 9114機(jī)箱和熱插拔工業(yè)I/O模塊，包括AO9264電壓模擬輸出、AI9205電壓模擬輸入、AO9265電流模擬輸出、AI9203電流模擬輸入、DI9425數(shù)字輸入、DO9476數(shù)字輸出、DIO9401數(shù)字輸入/輸出7個(gè)模塊，充分滿足了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控信號(hào)的輸入/輸出需求。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究利用LabVIEW編寫FPGA程序?qū)/O模塊進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入/輸出。FPGA程序的開發(fā)時(shí)首先在上位計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建信號(hào)接口程序FPGA VI，然后通過(guò)FPGA仿真器對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功后編譯下載到FPGA中，最后創(chuàng)建HOST VI，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的傳感器信號(hào)輸入和控制信號(hào)輸出。

2 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)功能分析

本研究在柴油機(jī)雙機(jī)并車實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上嵌入實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，為了不啟動(dòng)實(shí)際設(shè)備而進(jìn)行訓(xùn)練，必須在監(jiān)控系統(tǒng)的某一層次上，以仿真模型的信號(hào)替代實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)。實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循兩個(gè)原則:一是實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的人機(jī)界面使用原監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，降低訓(xùn)練操作和實(shí)際操作之間的差異性；二是仿真模型的響應(yīng)必須要準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)。

2.2 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際情況，本研究將實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)完全嵌入到原監(jiān)控系統(tǒng)中，在CompactRIO系統(tǒng)中利用LabVIEW、LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和LabVIEW FPGA模塊開發(fā)實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)。實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。原監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面為上位計(jì)算機(jī)，所有的監(jiān)測(cè)和控制都在軟件界面上進(jìn)行。因此實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的人機(jī)界面采用原監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面，在CompactRIO系統(tǒng)中切入柴油機(jī)雙機(jī)并車系統(tǒng)仿真模型信號(hào)，屏蔽了監(jiān)控系統(tǒng)與雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置之間的傳感器信號(hào)和控制信號(hào)。上位機(jī)的控制命令發(fā)送給仿真模型，仿真模型的仿真結(jié)果輸出到上位機(jī)。

圖4 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位計(jì)算機(jī)是開發(fā)系統(tǒng)仿真模型的平臺(tái)，通過(guò)LabVIEW RT系統(tǒng)與CompactRIO系統(tǒng)連接，并將編譯好的仿真模型下載到CompactRIO實(shí)時(shí)處理器與FP?GA里。CompactRIO系統(tǒng)主要功能是模擬設(shè)備運(yùn)行時(shí)的傳感器信號(hào)，傳送給上位計(jì)算機(jī)，并接收上位計(jì)算機(jī)的控制命令，為訓(xùn)練系統(tǒng)提供人機(jī)互動(dòng)的數(shù)據(jù)。上位計(jì)算機(jī)既能在正常監(jiān)控模式下工作，又能切換到訓(xùn)練模式下工作。為了實(shí)現(xiàn)正常監(jiān)控模式和訓(xùn)練模式之間的安全切換，上位機(jī)監(jiān)控軟件需要做一些改動(dòng)，正常監(jiān)控模式下CompactRIO嵌入式系統(tǒng)里的FPGA通過(guò)I/O模塊接收實(shí)際傳感器的信號(hào)并把控制信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行器，而訓(xùn)練模式下上位機(jī)的控制命令發(fā)送到FPGA的仿真模型中，仿真模型通過(guò)運(yùn)算再把反饋信號(hào)傳送給上位機(jī)，因此上位機(jī)軟件通過(guò)選擇不同的FPGA節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩種模式的切換。

2.3 仿真模型的建立

轉(zhuǎn)速控制及響應(yīng)是實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的重要方面，本研究對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速模型進(jìn)行了仿真，為了獲得逼真的訓(xùn)練效果，筆者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行建模，柴油機(jī)是融合熱力、機(jī)械、電子等眾多子系統(tǒng)的復(fù)雜耦合非線性系統(tǒng)，在其運(yùn)行過(guò)程中有不確定的外部環(huán)境干擾和內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)，對(duì)其建模十分困難。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新興起的技術(shù)方法，具有很強(qiáng)的非線性映射能力，可用來(lái)有效處理復(fù)雜的非線性問(wèn)題［10］。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全局最佳逼近能力和計(jì)算量少等特點(diǎn)，其學(xué)習(xí)能力與學(xué)習(xí)速度都比傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、非線性時(shí)間序列的預(yù)測(cè)等方面，包括輸入層、隱含層和輸出層。

輸入層中輸入向量Xk=(x1k，x2k，...，xmk)T為影響柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變量。式中:m—輸入數(shù)據(jù)的維數(shù)，k=1,2,…,n,n—輸入數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

隱含層由I個(gè)神經(jīng)元組成，本研究選用高斯函數(shù)作為隱含層的徑向基函數(shù)，隱含層輸出由輸入向量與徑向基函數(shù)中心之間的距離確定:

式中:ci—高斯函數(shù)的中心向量，σi—第i個(gè)高斯函數(shù)的寬度。

輸出層對(duì)輸入模式的作用作出響應(yīng)，從隱含層的輸出R(xi)到輸出層y是線性映射，即:

式中:wi—隱含層與輸出層之間的連接權(quán)值。

傳統(tǒng)的陸上模擬器中系統(tǒng)模型一經(jīng)建好，就很難再改變，而實(shí)際系統(tǒng)隨著服役時(shí)間的增加，運(yùn)行狀態(tài)必然會(huì)發(fā)生改變，實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)要求仿真模型跟實(shí)際設(shè)備有一致的響應(yīng)，如果仿真模型不變的話，必然會(huì)與實(shí)際設(shè)備有較大差異，失去實(shí)船訓(xùn)練的意義。因此，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)處于實(shí)際操作時(shí)，主動(dòng)力實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)用于在線建模，及時(shí)修正系統(tǒng)的仿真模型，當(dāng)處于實(shí)船訓(xùn)練模式時(shí)，本研究利用修正過(guò)的系統(tǒng)模型模擬系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)，獲得精確真實(shí)的訓(xùn)練效果。

3 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

3.1 實(shí)時(shí)性分析

傳統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)的操作時(shí)間為毫秒級(jí)，并且為非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在任務(wù)很多的情況下會(huì)陷入癱瘓，而CompactRIO實(shí)時(shí)處理器操作時(shí)間為微秒級(jí)，F(xiàn)PGA中的操作時(shí)間為納秒級(jí)，并且采用了并行運(yùn)算的硬件實(shí)時(shí)方案，因此本研究將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真模型下載到CompactRIO實(shí)時(shí)處理器中和FPGA中能夠有效地保證仿真模型的實(shí)時(shí)性。

3.2 實(shí)裝驗(yàn)證

本研究啟動(dòng)柴油機(jī)雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置中的6135D非增壓柴油機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，6135D柴油機(jī)的監(jiān)控界面如圖5所示。系統(tǒng)記錄控制信號(hào)和傳感器信號(hào)，作為試驗(yàn)裝置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性可以用下列微分方程表示:

式中:J—軸系系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，n—柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，MD—主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，Mf—軸系的摩擦力矩，MP—螺旋槳的阻力矩。

圖5 6135D柴油機(jī)監(jiān)控界面

本研究建立柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為設(shè)定轉(zhuǎn)速、當(dāng)前轉(zhuǎn)速、前一個(gè)采樣時(shí)刻的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，輸出為下一個(gè)采樣時(shí)刻轉(zhuǎn)速，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不斷利用監(jiān)控系統(tǒng)記錄的訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到一個(gè)逼真的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型。當(dāng)上位計(jì)算機(jī)由監(jiān)控模式切換為訓(xùn)練模式時(shí)，上位計(jì)算機(jī)發(fā)送控制信號(hào)到CompactRIO系統(tǒng)中的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型中，仿真模型則向上位機(jī)轉(zhuǎn)速仿真信號(hào)。

柴油機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速和仿真模型輸出轉(zhuǎn)速如圖6所示。由此可知仿真模型的精度較高，體現(xiàn)了實(shí)船訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了實(shí)船訓(xùn)練的效果。

圖6 實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)模擬結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)具有訓(xùn)練效率高、費(fèi)用低和實(shí)施方便的特點(diǎn)，本研究利用CompactRIO系統(tǒng)設(shè)計(jì)了柴油機(jī)雙機(jī)并車試驗(yàn)裝置的監(jiān)控系統(tǒng)，并在監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入了實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型代替了柴油機(jī)實(shí)物，在原監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行了訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該系統(tǒng)達(dá)到了實(shí)船訓(xùn)練的要求，對(duì)今后的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究具有借鑒意義。

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