謝 寬，吳杰長，陳國鈞，全 鋼，吳雄學(xué)

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

0 引 言

隨著自動控制技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用，海軍艦船機艙自動化已經(jīng)發(fā)展到集成平臺管理系統(tǒng)（Integrated Platform Management System，IPMS），IPMS綜合了計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)、自動控制等技術(shù)，將目前艦船相互獨立的推進監(jiān)控系統(tǒng)、輔機監(jiān)控系統(tǒng)、損管控制系統(tǒng)、綜合船橋系統(tǒng)、實船訓(xùn)練系統(tǒng)、全船維護保障系統(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)，集中進行自動監(jiān)測、操縱控制，為艦船的操作管理人員提供了一個信息采集、顯示的自動路徑和對這些系統(tǒng)及設(shè)備實現(xiàn)自動監(jiān)控、遠距離操縱及智能化管理的優(yōu)良平臺［1］。

實船訓(xùn)練系統(tǒng)（OBTS）作為IPMS的一項重要內(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，是嵌入到艦船實船環(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)練是在實時、逼真的仿真環(huán)境下進行的，且不影響平臺各裝置和系統(tǒng)的實際監(jiān)控功能，具有經(jīng)常性、及時性、逼真性、效果好、經(jīng)濟等優(yōu)點［2-3］。

歐美發(fā)達國家對實船訓(xùn)練系統(tǒng)進行了卓有成效的研究并已能提供成熟的產(chǎn)品，如美國的AAI為90多條美國艦艇安裝了400多套實船訓(xùn)練系統(tǒng)，加拿大的CAE公司為十幾個國家的海軍提供了包含實船訓(xùn)練系統(tǒng)的IPMS，根據(jù)德國BV3700-1結(jié)構(gòu)化條例的規(guī)定，德國后續(xù)的水面艦艇和潛艇必須安裝實船訓(xùn)練系統(tǒng)，并且主要采用了德國西門子公司的實船訓(xùn)練系統(tǒng)方案，而芬蘭的ABB、英國的BAE以及以色列的BVR公司等把實船訓(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)的實船訓(xùn)練系統(tǒng)［4］。國內(nèi)陸上模擬器仍是機電人員主要的訓(xùn)練工具，實船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究沒有得到應(yīng)有的重視，上海船舶運輸科學(xué)研究所以STI-VC2100機艙監(jiān)控系統(tǒng)為對象進行了實船訓(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平臺的實船訓(xùn)練系統(tǒng)，將實船訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到實驗室柴油機雙機并車試驗裝置監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)利用原監(jiān)控系統(tǒng)人機界面進行訓(xùn)練的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 柴油機雙機并車試驗裝置

本研究以實驗室CODAD雙機并車試驗裝置為研究對象，該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙機并車試驗裝置的構(gòu)成與布置

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

1.2 LabVIEW與CompactRIO平臺

根據(jù)實驗平臺監(jiān)測和控制的需求分析，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)控的同步性和實時性，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機強大的運算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性能的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，實現(xiàn)完全由用戶自己定義、適合不同應(yīng)用環(huán)境和對象的各種功能［6］。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入/輸出問題的方法和軟件賴以生存、運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構(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)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實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)實現(xiàn)超高性能和可自定義功能［7-8］。NI CompactRIO包含一個實時處理器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨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

該試驗裝置需要監(jiān)測的信號有溫度、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。

柴油機雙機并車實驗平臺的監(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作為編程語言，上位計算機采用NI公司的PXIe-8108工控計算機，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cRIO 9024實時嵌入式處理器、帶有可編程FPGA的8槽cRIO 9114機箱和熱插拔工業(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個模塊，充分滿足了實驗平臺監(jiān)控信號的輸入/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模塊進行配置，實現(xiàn)信號的輸入/輸出。FPGA程序的開發(fā)時首先在上位計算機中創(chuàng)建信號接口程序FPGA VI，然后通過FPGA仿真器對程序進行調(diào)試，調(diào)試成功后編譯下載到FPGA中，最后創(chuàng)建HOST VI，即可實現(xiàn)實時可靠的傳感器信號輸入和控制信號輸出。

2 實船訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 實船訓(xùn)練系統(tǒng)功能分析

本研究在柴油機雙機并車實驗裝置監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上嵌入實船訓(xùn)練系統(tǒng)，為了不啟動實際設(shè)備而進行訓(xùn)練，必須在監(jiān)控系統(tǒng)的某一層次上，以仿真模型的信號替代實際系統(tǒng)的響應(yīng)信號。實船訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循兩個原則:一是實船訓(xùn)練系統(tǒng)的人機界面使用原監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面，降低訓(xùn)練操作和實際操作之間的差異性；二是仿真模型的響應(yīng)必須要準確而實時。

2.2 實船訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實驗裝置的實際情況，本研究將實船訓(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實時模塊和LabVIEW FPGA模塊開發(fā)實船訓(xùn)練系統(tǒng)。實船訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。原監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面為上位計算機，所有的監(jiān)測和控制都在軟件界面上進行。因此實船訓(xùn)練系統(tǒng)的人機界面采用原監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面，在CompactRIO系統(tǒng)中切入柴油機雙機并車系統(tǒng)仿真模型信號，屏蔽了監(jiān)控系統(tǒng)與雙機并車試驗裝置之間的傳感器信號和控制信號。上位機的控制命令發(fā)送給仿真模型，仿真模型的仿真結(jié)果輸出到上位機。

圖4 實船訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位計算機是開發(fā)系統(tǒng)仿真模型的平臺，通過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實時處理器與FP?GA里。CompactRIO系統(tǒng)主要功能是模擬設(shè)備運行時的傳感器信號，傳送給上位計算機，并接收上位計算機的控制命令，為訓(xùn)練系統(tǒng)提供人機互動的數(shù)據(jù)。上位計算機既能在正常監(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，上位機監(jiān)控軟件需要做一些改動，正常監(jiān)控模式下CompactRIO嵌入式系統(tǒng)里的FPGA通過I/O模塊接收實際傳感器的信號并把控制信號發(fā)送到執(zhí)行器，而訓(xùn)練模式下上位機的控制命令發(fā)送到FPGA的仿真模型中，仿真模型通過運算再把反饋信號傳送給上位機，因此上位機軟件通過選擇不同的FPGA節(jié)點實現(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)是實船訓(xùn)練系統(tǒng)的重要方面，本研究對柴油機的轉(zhuǎn)速模型進行了仿真，為了獲得逼真的訓(xùn)練效果，筆者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實驗裝置進行建模，柴油機是融合熱力、機械、電子等眾多子系統(tǒng)的復(fù)雜耦合非線性系統(tǒng)，在其運行過程中有不確定的外部環(huán)境干擾和內(nèi)部參數(shù)攝動，對其建模十分困難。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新興起的技術(shù)方法，具有很強的非線性映射能力，可用來有效處理復(fù)雜的非線性問題［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)簡單、全局最佳逼近能力和計算量少等特點，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)用于模式識別、非線性時間序列的預(yù)測等方面，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)的個數(shù)。

隱含層由I個神經(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個高斯函數(shù)的寬度。

輸出層對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，而實際系統(tǒng)隨著服役時間的增加，運行狀態(tài)必然會發(fā)生改變，實船訓(xùn)練系統(tǒng)要求仿真模型跟實際設(shè)備有一致的響應(yīng)，如果仿真模型不變的話，必然會與實際設(shè)備有較大差異，失去實船訓(xùn)練的意義。因此，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)處于實際操作時，主動力實船訓(xùn)練系統(tǒng)可以實時采集系統(tǒng)的運行參數(shù)用于在線建模，及時修正系統(tǒng)的仿真模型，當(dāng)處于實船訓(xùn)練模式時，本研究利用修正過的系統(tǒng)模型模擬系統(tǒng)運行信號，獲得精確真實的訓(xùn)練效果。

3 實驗分析與驗證

3.1 實時性分析

傳統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)的操作時間為毫秒級，并且為非實時操作系統(tǒng)，在任務(wù)很多的情況下會陷入癱瘓，而CompactRIO實時處理器操作時間為微秒級，F(xiàn)PGA中的操作時間為納秒級，并且采用了并行運算的硬件實時方案，因此本研究將實驗平臺仿真模型下載到CompactRIO實時處理器中和FPGA中能夠有效地保證仿真模型的實時性。

3.2 實裝驗證

本研究啟動柴油機雙機并車試驗裝置中的6135D非增壓柴油機，監(jiān)控系統(tǒng)對其進行監(jiān)測和控制，6135D柴油機的監(jiān)控界面如圖5所示。系統(tǒng)記錄控制信號和傳感器信號，作為試驗裝置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，柴油機轉(zhuǎn)速動態(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)動慣量，n—柴油機轉(zhuǎn)速，MD—主機的輸出轉(zhuǎn)矩，Mf—軸系的摩擦力矩，MP—螺旋槳的阻力矩。

圖5 6135D柴油機監(jiān)控界面

本研究建立柴油機轉(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、前一個采樣時刻的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，輸出為下一個采樣時刻轉(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)練樣本進行訓(xùn)練，得到一個逼真的柴油機轉(zhuǎn)速控制模型。當(dāng)上位計算機由監(jiān)控模式切換為訓(xùn)練模式時，上位計算機發(fā)送控制信號到CompactRIO系統(tǒng)中的柴油機轉(zhuǎn)速控制模型中，仿真模型則向上位機轉(zhuǎn)速仿真信號。

柴油機實測轉(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)了實船訓(xùn)練的優(yōu)點，達到了實船訓(xùn)練的效果。

圖6 實船訓(xùn)練系統(tǒng)模擬結(jié)果

4 結(jié)束語

實船訓(xùn)練系統(tǒng)具有訓(xùn)練效率高、費用低和實施方便的特點，本研究利用CompactRIO系統(tǒng)設(shè)計了柴油機雙機并車試驗裝置的監(jiān)控系統(tǒng)，并在監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入了實船訓(xùn)練系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了柴油機轉(zhuǎn)速控制模型代替了柴油機實物，在原監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面進行了訓(xùn)練。實驗結(jié)果表明了該系統(tǒng)達到了實船訓(xùn)練的要求，對今后的實船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究具有借鑒意義。

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