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應用領域
能源/電力
使用的產品
CompactRIO, LabVIEW, LabVIEW FPGA, LabVIEW Real-Time
挑戰
開發一個引擎仿真測試系統以提高Samsung Techwin公司生產的燃氣渦輪引擎的性能。
應用方案
以NI LabVIEW和CompactRIO平臺取代龐大而繁冗的數據采集系統，實現基于PC的仿真和測試環境。燃氣渦輪引擎由于應用了各種不同的復雜技術，對其綜合性能的測試相當困難。通常測試和分析不會在真實的引擎上進行，因此設計并驗證燃氣渦輪引擎控制器的硬件和控制算法便成了一個頗具難度的挑戰。
設計正確的引擎仿真器對于我們的驗證能力相當關鍵，我們借助仿真器檢驗引擎控制器是否安全可靠。為了實現安全而精準的引擎控制，我們必須在集成到真實的引擎之前對控制器硬件和控制算法進行驗證。
我們的目標是設計一個虛擬引擎（引擎仿真器）來提高引擎控制器的性能指標。我們在PC上運行NLabVIEW并使用緊湊而堅固的NI CompactRIO平臺取代傳統的數據采集系統，實現了整個仿真和測試環境。設計出來的虛擬引擎輸入輸出與真實引擎一樣的物理信號，提供了驗證控制器硬件和軟件系統的最優方案。
通過燃氣渦輪引擎的數學模型，我們可以計算出引擎的性能參數。然后將這些性能參數轉變為真實的物理信號，作為引擎控制器的輸入輸出。經過反復測試，我們可以驗證控制器的硬件和算法，提高可靠性，減少調試(校準)事件并且幫助我們防止意外的故障發生。
開發過程
開發控制器算法的過程中，我們使用了 NI LabVIEW，LabVIEW Simulation Interface Toolkit 2.0, The MathWorks, Inc. MATLAB® and Simulink® software, 和 Visual C++。整個開發過程由一個開發者花費9個半月完成。
系統配置
燃氣渦輪引擎的仿真系統包括以下部分：虛擬引擎（仿真器），燃氣渦輪引擎控制器，控制算法（應用程序），仿真服務器。仿真器包括一個數學模型，計算引擎的動態特性參數，執行實時操作和狀態計算，輸出參數。仿真器通過通用的I/O模塊將輸出的參數轉變成壓力／溫度／RPM等物理信號進行輸出。我們在8槽的CompactRIO的平臺上通過FPGA和實時應用編程實現了實時操作，I/O以及對仿真服務器的通信。
引擎控制器是執行引擎控制的硬件，我們為引擎控制器配備了高性能的 CPU并將控制器與引擎通過電纜連接。控制算法是引擎的操作邏輯和控制補償，是引擎控制最重要的部分，我們必須根據具體指標編寫算法程序。最后由仿真服務器管理仿真器的操作，數據存儲以及用戶界面。
我們的仿真器在 NI CompactRIO平臺上結合了 FPGA編程和實時系統編程。用可重配置機箱中的FPGA實現了高速濾波器和 I/O，將基于實時操作系統的控制算法下載到實時控制器上進行實時運算。
我們起初使用cRIO-9102，8槽1百萬門 FPGA的可重配置機箱，開發過程中發現FPGA規模不夠，因此改用 cRIO-9104，8槽3百萬門FPGA的可重配置機箱。在模擬輸出模塊中我們還加入了緩沖電路，因為 cRIO-9263的輸出電流只有幾mA。
運行仿真服務器上的程序，用戶可以進行如下操作：引擎狀態的暫時修改，仿真設置修改，仿真啟動，暫停，退出以及仿真引擎最終狀態的設定等。引擎狀態監測程序需要將應用程序中的各個操作行為都通知用戶，包括引擎改換的顯示和數據存儲等。引擎狀態監測程序在開發和調試中都是最重要的部分。
以前基于PXI的系統在尺寸和重量上給便攜式要求帶來了困難。而 windows操作系統也不適于有確定性要求的應用。CompactRIO平臺在以上兩方面非常有吸引力，非常適合開發者實現新的控制和監測概念。CompactRIO上配備的實時操作系統為我們的系統確保了實時性，而LabVIEW為FPGA的開發大大減少了開發成本。
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