硬件在环仿真在轮机模拟器的应用探讨与其关键技术

摘要：介绍了一种硬件在环仿真在中央冷却系统的假想设计，阐述了硬件在环仿真的基本概念，并对其关键技术从软硬件两个方面进行了探讨，为硬件在回路仿真在轮机模拟器的运用提供参考。

关键词：硬件在回路仿真；中央冷却系统；关键技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2012.07.027

引言

轮机模拟器是在国际公约的要求下应运而生，为广大的船员培训建立了一个模拟平台，使其在陆地上获得一定的类实船的工作经验。它的原理是利用预先建立的数学模型模拟机舱实物设备和系统，最终将信息以类实物的信息反馈形式通过多种媒介显示在人机交互的界面上。轮机模拟器不同于其他训练模拟器的地方在于，它的工作环境不需要借助太多的外部景象，毕竟实际机舱中只有固定的机械设备。所以轮机模拟器的好坏很大程度上依赖于其内部的数学模型是否能最大程度上与实船运行的效果相一致。实际上，数学模型的建立是依靠人根据实际事物来完成的，而在某些情况下，一些实物的特殊性可能导致函数过于复杂或者是模型仿真度相对较低。硬件在回路仿真在一些层面上可以减少这种弊端。本文以船舶中央冷却水系统为对象，运用硬件在回路仿真技术，设计了一套仿真系统。并对硬件在环仿真的关键技术做了讨论。

1.硬件在环仿真

在某些系统中，常把数学模型、实体模型（物理效应模型）和系统的实际设备（实物）联系在一起运转，组成仿真系统这种仿真方法称为硬件在回路环仿真（Hardware-in-the-loop simulation）。硬件在回路仿真可使无法建立模型的部件迅速进入仿真回路，进一步校验模型。硬件在环仿真一般由仿真设备、参试设备、接口设备、实验控制台、支持服务系统所组成。

1.1中央冷却水系统图

冷却水系统模型参考一般船舶的中央冷却系统，并做了适当的简化。中央冷却系统由海水系统、低温淡水系统、高温淡水系统所组成。低温淡水在中央冷却器中被海水冷却，低温淡水通过三通阀，流经滑油冷却器、高温淡水冷却器再回到中央冷却器。高温淡水在高温淡水冷却器被低温淡水冷却，流经主机、造水机，最后通过三通阀回到高温淡水冷却器。

1.2仿真系统结构框图

这个系统由仿真计算机（输入输出设备）、I/O接口设备、温度变送器、PID调节器、伺服马达、阀门检测装置组成，通信连接通过CAN总线。

原理如图2所示。

仿真计算机中有设定温度和实时温度，当实时温度偏离设定温度时，温度变送器把计算机的信号转换并传送传至PID调节器，改变伺服马达的转向，从而改变三通阀的调节开度。而计算机再根据反馈回来的阀门开度信号，计算出冷却水量，通过内置的数学模型，计算出冷却水实时温度。在计算机上利用Matlab/Simulink软件建立中央冷却系统的数学模型，并设计模拟操作界面。用实时视窗目标（Real-Time WindowsTarget）来起到对仿真系统的实时监控功能。

2.硬件在环仿真关键技术

对于一个仿真系统来讲，一般都由硬件系统与软件系统所组成，虽然每个硬件在环仿真系统设计目的和开发用途不大相同，但是在系统的硬件构成技术和软件技术上却有着很多的相似特点，这些相似之处就是硬件在环仿真应用中的关键技术。

2.1硬件部分

硬件在环仿真系统硬件由仿真设备如仿真计算机、工控台与接口设备组成，仿真设备中包含数学仿真模型与实时监控系统。硬件设备是一个系统的基础部分，也是软件部分的支持。对仿真系统来讲硬件设备的优劣会影响最终的仿真效果。系统中的仿真模型主要是负责模拟真实的设备运行参数和工况，把运行的结果输出到监控系统中，以便实时系统监控设备运行。由于仿真模型的计算量巨大，因此需要仿真设备拥有高速的数据处理能力。对于计算机本身来讲也需要足够的内外存容量。并且为了和接口系统有良好的配合，计算机需要有强大的接口处理能力。接口系统的功能主要是负责仿真模型的输出信号的传递工作，一般来讲，这些信号主要是数字信号和模拟信号，所以接口系统的工作是进行A/D，D/A转换。实时监控系统的功能主要有两个，一个是负责把仿真模型的输出结果显示在电脑或设备上，另一个一个是让用户能与系统进行人机交互。

2.2软件部分

2.2.1仿真模型建立

一个仿真系统的优劣，很大程度上依赖于仿真模型的建立，所以仿真模型必须具备足够的仿真度与实时性。仿真度即模型能最大程度模拟出真实系统的工作状态与参数，提供准确的数据以便系统进行调整。实时性是指仿真系统能正确地描述系统信息的组织、处理和行为随时间的变化规律，保证了仿真模型能正确地描述系统动态过程与内部状态参数变化的因果关系，可以及时地反映仿真模型在控制系统的作用下运行状态的变化情况。

2.2.2控制方法

在硬件在回路仿真系统中，所选用的控制方法必须和数学模型能够很好地结合，从而让系统更准确高效地运作。比较传统的控制方法为PID控制。PID控制的算法容易编写，易修改，应用范围广，适用于单输入、单输出的控制系统，尤其是在线性定常系统中它的控制效果比较理想。但是对于一些非线性、复杂难以建立精确模型的系统来讲，PID控制难以达到令人满意的效果。一些系统中可能包含线性与非线性系统，定常与时变系统，单变量与多变量系统，对于这种系统现代控制理论更适用，比较常用的控制方法有模糊控制、神经网络控制、分布式控制。模糊控制的优点在于不需要精确的数学模型，鲁棒性强，控制效果好，容易克服非线性因素影响，方法容易掌握。神经网络控制可以描述非线性系统，对其辨识和估计，对于与复杂和不确定性问题具有自适应能力，快速优化计算，并且分布式存贮数据。分布式控制具有高度的灵活性与拓展性，数据通信能力好，并且可以建立良好的人机联系。

2.3Matlab

2.3.1Simulink

Simulink是Matlab的一种可视化仿真工具，它提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，用户可以很方便地对模型进行组合或修改。对于数学模型和工作过程比较复杂的对象，可以运用Matlab/Simulink的模块化图形来代替繁琐的程序编写。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化。

2.3.2实时视窗目标

实时视窗目标是基于RTW（Real Time Workshop）的功能，RTW是对Matlab的Simulink的一个重要补充部分，可以直接借用Simulink的源代码为目标生成程序，是一种用于产品的原型开发、硬件在回路仿真的PC机解决方案。在一般的电脑操作系统下运行Simulink模型，并通过所支持的I/O办卡组成一个实时系统。

3.结论

本文通过硬件在环仿真在中央冷却系统的应用，从软硬件角度做了探讨得出了以下结论：（1）硬件系统需要保证系统的仿真度与实时性（2）模型需要尽可能模拟出真实设备的工作情况，并且仿真系统的控制方法需要能应对非线性、时变性与多变量的情况（3）Matlab/simulink仿真软件能够很好地完成系统仿真的任务。