基于虛擬儀器的分布式實時在線半實物船舶仿真系統(tǒng)的開發(fā)

1、基于虛擬儀器的分布式實時在線半實物船舶仿真系統(tǒng)的開發(fā)    應用領域：研究和開發(fā)挑戰(zhàn)：應用虛擬儀器技術，實時在線仿真船舶磁場的特征，為現(xiàn)代船舶設計提供科學的理論依據(jù)，并且縮短了船舶設計的周期、降低了研制經(jīng)費，具有較大的經(jīng)濟和社會效應。應用方案：應用NI公司的虛擬儀器技術，采用PXI體系結構和CANBUS作現(xiàn)場總線，以LabVIEW6i為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了一套基于PC的分布式實時在線半實物船舶仿真系統(tǒng)。使用的產(chǎn)品：PXILabViewCANBUS介紹：船舶的特性曲線是現(xiàn)代船舶設計的依據(jù)，為了實應用領域：研究和開發(fā)挑戰(zhàn)：   

2、 應用虛擬儀器技術，實時在線仿真船舶磁場的特征，為現(xiàn)代船舶設計提供科學的理論依據(jù)，并且縮短了船舶設計的周期、降低了研制經(jīng)費，具有較大的經(jīng)濟和社會效應。應用方案：應用NI 公司的虛擬儀器技術，采用PXI 體系結構和CANBUS 作現(xiàn)場總線，以LabVIEW 6i 為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了一套基于PC的分布式實時在線半實物船舶仿真系統(tǒng)。使用的產(chǎn)品：PXI LabView CANBUS介紹：    船舶的特性曲線是現(xiàn)代船舶設計的依據(jù)，為了實時在線仿真其特性，在分析船舶設計理論的基礎上

3、，應用NI 公司的虛擬儀器技術，采用PXI體系結構和CANBUS 作為現(xiàn)場總線組成現(xiàn)場網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡，以LabVIEW 6i 為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了一套基于PC的分布式實時半實物在線船舶仿真裝置。該裝置的研制，不僅為船舶設計提供了科學理論依據(jù)，而且縮短了船舶設計周期、降低了研制經(jīng)費，具有較大的經(jīng)濟和社會效應。1 開發(fā)的背景與意義    現(xiàn)代大型遠洋船舶均采用重型鋼材制造，由于地球磁場的影響，導致船舶被磁化，極大影響遠洋船舶的正常航行和船舶內(nèi)儀器儀表的正常工作，因此要定期到專業(yè)消磁站進行必要的消磁，不僅耗時、

4、耗力，而且由于各種船舶的特性不同。不僅給消磁工作帶來了極大的困難，而且船舶有時還得不到有效地消磁。假如能實時在線仿真該種船舶的磁場特性，在船舶上安裝必要的消磁裝置，便可以隨時按需、有的放矢地進行正確的消磁工作。針對此特殊情況，在充分進行市場調(diào)研的基礎上，結合船舶磁場的特性以及船舶設計原理，應用NI 公司的虛擬儀器技術，采用PXI體系結構，并通過CANBUS 作為現(xiàn)場總線傳輸各個分布式單元的控制參數(shù)， 同時以LabVIEW 6i為軟件開發(fā)平臺用以實時分析采集到的三維磁場信號，開發(fā)了一套基于PC 的分布式實時半實物在線船舶仿真裝置。該裝置的研制，不

5、僅為船舶設計提供了科學理論依據(jù)，而且縮短了船舶設計周期、降低了研制經(jīng)費，具有較大的經(jīng)濟和社會效應。2 系統(tǒng)結構設計與解決方案    要掌握某型船舶的磁場特性，必須要掌握其三維磁場分布特性，因此測量其三維磁場分布是關鍵。如要對其進行消磁，則可以利用測試的磁場分布特性，在適當?shù)拇安课话惭b與船舶磁極相反的消磁磁極，并根據(jù)不同的部位，施加不同的消磁磁場，從而到達消磁的目的。    一艘船舶通?？煞譃榕烎?、建中和艦艉三個部位，并且不同部位的磁場分布特性以及強弱不同，為了真實模擬出船舶的磁場特性，在三個部位分別放置

6、三個三維磁極（X、Y、Z 三個方向），磁極通過不同的磁極電流，可以產(chǎn)生不同的三維磁場，三個磁極的三維磁場進行疊加，就可在不同地位置產(chǎn)生不同地磁場。這樣在每個部位，通過調(diào)整三個磁極安放的位置，并改變每個磁極通過的電流便可較為真實地仿真出不同部位地磁場特性。然后三個部位的磁極磁場疊加，便又可較為真實仿真出整個船舶的磁場特性，從而構成了一個分布式的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)結構示意圖見圖1 所示。圖1：系統(tǒng)結構示意圖2.1 系統(tǒng)的工作原理    第一步：每種船舶的磁場均有不同的磁場特性，這種特性可以通過測量手段獲得。假如要仿真某種船舶的磁場，

7、通過已知的船舶磁場特性，分別計算出三個不同部位的三個不同位置的船舶磁極所需產(chǎn)生的磁場，然后根據(jù)計算出每個磁極通過的磁場電流。    第二步：根據(jù)計算的磁場電流，分別由1、2、3PXI 儀器的D/A 模塊給船舶磁場電流擴大機提供一定的勵磁電流，經(jīng)其放大直接輸送個相應的磁場磁極，使其產(chǎn)生規(guī)定大小的三維磁場。    第三步：待每個磁極產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定后，分別由5、6、7PXI 儀器的A/D快速采集船舶模型下方的28 個三維磁場傳感器（共28×384個模擬量），每個PXI&#

8、160;儀器將采集的磁場信號通過CANBUS 傳輸?shù)椒抡娣掌魃?，由仿真服務器格局每個PXI儀器采集的磁場信號擬合出船舶的磁場特性，并與真實船舶的磁場特性進行比較。假如有差別，則由仿真服務器計算出差值通過CANBUS 分別將調(diào)整的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?、2、3PXI 儀器，再由其D/A模塊給船舶磁場電流擴大機提供一定的勵磁電流，以糾正磁場。這樣由1、2、3PXI儀器和5、6、7PXI儀器便構成了分布式的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，從而可以逼真仿真船舶的磁場特性。    第四步：待真實仿真出船舶磁場后，固定船舶的磁場磁極種的電流不變，再由1、2、3P

9、XI 儀器的D/A 模塊的不同通道分別給消磁磁極電流擴大機提供消磁電流。    第五步：再由5、6、7PXI 儀器的A/D 快速采集船舶模型下方的84 個磁場傳感器的值，并將測試結果通過CANBUS 傳輸?shù)椒抡娣掌?，從而又構成了一消磁環(huán)境的閉環(huán)系統(tǒng)。2.2 系統(tǒng)硬件模塊及其功能    PXI6713（ 3 塊）：D/A 模塊，用于給船舶磁場（消磁磁場）電流擴大機提供勵磁電流信號；   

10、 PXI 6527（1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制船舶磁場（ 消磁磁場） 電流擴大機的起、停；    PXI  8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個分布式控制器以及與仿真服務器的信息傳輸；    PXI8170/850MHz：PXI 儀器的主板；    PXI 1000B： PXI儀器的機箱。 

11、60;  PXI 6071E：A/D數(shù)采模塊，用于實時在線快速采集船舶下方的磁場信號；    PXI6527（ 1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制傳感器的供電電源；    PXI  8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個分布式控制器以及與仿真服務器的信息傳輸；    PXI8170/850MHz：PXI 儀器的主板； 

12、0;  PXI 1000B ： PXI儀器的機箱。    PXI7324：伺服電機運動控制卡，用于實時定位船模的位置。    PXI6527（ 1 塊）：光隔離DI/DO 模塊，和繼電器組配合使用，控制伺服電機的起停等；    PXI  8461/2 ：CANBUS 適配器，用于各個分布式控制器以及與仿真服務器的信息傳輸；   

13、 PXI8170/850MHz：PXI儀器的主板；    PXI 1000B： PXI儀器的機箱。2.3 NI CAN    在本系統(tǒng)中， 采用了CANBUS 作為現(xiàn)場總線，參與仿真實時控制， PXI 8461/2 CAN適配器由于板載Intel 80386EX 作為CANBUS控制器的協(xié)處理器，極大減輕了CANBUS 控制器以及系統(tǒng)控制器（CPU）的負擔，提高了系統(tǒng)的可靠性，極大降低了

14、CANBUS 丟失數(shù)據(jù)報的幾率。CANBUS 由于其具有抗干擾能力強、可靠性高、實時性好和易于使用等特點，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)自動化、交通工具、醫(yī)療儀器、樓宇自動化等多個領域，是公認為最有前途的現(xiàn)場總線技術之一，這正是本系統(tǒng)選用CANBUS 的理由。2.4 系統(tǒng)軟件結構    本系統(tǒng)對軟件的要求較為嚴格，根據(jù)每個控制單元的功能不同，選用了不同的操作系統(tǒng)和工具軟件。在13、57控制單元主要任務是數(shù)據(jù)的采集、模擬信號的輸出以及數(shù)據(jù)通信，4控制單元主要控制牽引電機的運行狀態(tài)，因此在17控制單元中，選用了Win98 

15、;作為操作系統(tǒng)，并以Visual C+作為開發(fā)平臺，并內(nèi)嵌NI 的DAQ ActiveX 控件完成數(shù)據(jù)的采集與輸出、數(shù)據(jù)的通信任務。    在仿真服務器上，由于要進行大量的數(shù)據(jù)分析，因此選用了Windows2000 作為操作系統(tǒng)，并以LabVIEW 6i 專業(yè)版的強大數(shù)據(jù)分析、圖象處理、人機交互等功能，完成數(shù)據(jù)的分析。磁場擬合以及仿真評估。系統(tǒng)軟件的整體結構見圖2 所示。圖2：系統(tǒng)軟件框圖3 系統(tǒng)四大功能    1） 仿真已有船型的特征磁場參數(shù)，校正已有船型設計缺陷；    2） 為新研制的船舶設計提供仿真測試平臺；    3） 為船舶的消磁磁場的確定提供較為科學的依據(jù)；