硬件在環(huán)仿真技術(shù)

硬件在環(huán)仿真建模技術(shù)

任何系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真研究，對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)字部分都要建立合適的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。隨著仿真應(yīng)用范圍的不斷拓寬，近年來(lái)，系統(tǒng)建模理論與方法的研究范圍逐漸從定量系統(tǒng)向定性系統(tǒng)拓寬。從建模的方法來(lái)看，除了典型的機(jī)理建模及系統(tǒng)辨識(shí)方法外，近年來(lái)正積極發(fā)展模糊優(yōu)化法、人工智能輔助建模方法學(xué)及混合模式(multi—paradigm)的建模方法學(xué)等。

硬件在環(huán)仿真仿真算法

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一般可用微分方程或微分方程組來(lái)描述。因此，要在計(jì)算機(jī)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，首先就要確定采用何種求解常微分方程的仿真算法。仿真算法是將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成仿真模型的一類算法。連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)串行算法已相當(dāng)完善，其成果包括處理線性、非線性、剛性等連續(xù)系統(tǒng)算法，各類分布參數(shù)系統(tǒng)算法，各種隨機(jī)統(tǒng)計(jì)算法及基于系統(tǒng)分割、方法分割和時(shí)間分割的部分并行算法。

硬件在環(huán)仿真仿真計(jì)算機(jī)

近10年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通用高性能微機(jī)、工作站及并行機(jī)已成為仿真機(jī)的主流。超大規(guī)模的并行計(jì)算機(jī)、工作站以及高性能微機(jī)的運(yùn)算速度已有很大提高。高性能仿真計(jì)算機(jī)研究的主要課題包括處理機(jī)技術(shù)、并行程序設(shè)計(jì)模型與并行化編譯器、支持自動(dòng)并行化的新的框架與概念、軟硬件接口的實(shí)時(shí)處理能力等。接口系統(tǒng)是硬件在環(huán)仿真中數(shù)字部分與物理部分之間信息傳輸?shù)慕涌?，接口要具有可靠的?shí)時(shí)性。

硬件在環(huán)仿真，又稱半實(shí)物仿真，是將需要仿真的部分系統(tǒng)硬件直接放到仿真回路中的仿真系統(tǒng)，它不僅彌補(bǔ)了純數(shù)字仿真中的許多缺陷，提高了整個(gè)模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它實(shí)現(xiàn)了仿真模型和實(shí)際系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，使仿真結(jié)果的驗(yàn)證過(guò)程非常直觀，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。仿真時(shí)，電腦與實(shí)際硬件通過(guò)各種信息通道相連，電腦與實(shí)際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結(jié)果在電腦中進(jìn)行分析，從而判斷硬件的運(yùn)行情況。

硬件在環(huán)仿真是在物理仿真和數(shù)學(xué)仿真的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它將實(shí)際系統(tǒng)的一部分設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連，用軟件模型對(duì)其中不存在或者不便于試驗(yàn)的部分進(jìn)行仿真，同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。它充分利用計(jì)算機(jī)建模的簡(jiǎn)易性，減少了費(fèi)用；便于對(duì)系統(tǒng)的輸入進(jìn)行靈活快捷的變更，在改變參數(shù)的同時(shí)可以詳細(xì)觀察系統(tǒng)性能的變化；對(duì)系統(tǒng)中非重點(diǎn)考察的復(fù)雜環(huán)節(jié)，可直接將其硬件連入仿真系統(tǒng)。

硬件在環(huán)仿真的逼真度較高，所以常用來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)方案的正確性和可行性，進(jìn)行故障模式的仿真以及對(duì)研制階段的控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收試驗(yàn)。應(yīng)用硬件在環(huán)仿真使仿真條件更接近于實(shí)際情況，更能正確地對(duì)設(shè)計(jì)出的控制器性能進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)試，有利于開(kāi)發(fā)新型控制系統(tǒng)和算法，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試次數(shù)。

由于受計(jì)算機(jī)性能的限制，最初硬件在環(huán)仿真技術(shù)主要應(yīng)用集中在軍事領(lǐng)域，通常需要專用的仿真計(jì)算機(jī)和接口板。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高，硬件在環(huán)仿真逐步在各個(gè)領(lǐng)域里都得到了應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛、船舶、飛行器等。對(duì)于硬件在環(huán)仿真中的許多關(guān)鍵性問(wèn)題，如建模技術(shù)和方法、實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)性分析等，許多人都進(jìn)行了深入的研究，促進(jìn)了硬件在環(huán)仿真的發(fā)展。

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無(wú)縫連接。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。

dSPACE中的處理器運(yùn)算性能強(qiáng)大，并且I/0接口十分豐富，用戶可根據(jù)需要自行組合;軟件環(huán)境功能強(qiáng)大而又靈活，提供自動(dòng)生成代碼及調(diào)試和下載等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方而，dSPACE允許反復(fù)修改模型設(shè)計(jì)，進(jìn)行離線及實(shí)時(shí)仿真，可在設(shè)計(jì)之初就將錯(cuò)誤修正，節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用。使用RCP技術(shù)，可以在費(fèi)用和性能之間進(jìn)行折衷。通過(guò)將快速原型硬件系統(tǒng)和所要控制的實(shí)際設(shè)備相連接，可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)的性能特征。而且，還可以利用旁路技術(shù)將原型控制單元或控制器集成于開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品型控制器的順利轉(zhuǎn)換。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的極限測(cè)試，失效測(cè)試。

RTLAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

RT-LAB是加拿大名為Opal-RT公司推出的一款工業(yè)級(jí)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)軟件包。

該平臺(tái)能在短時(shí)間內(nèi)以較低的成本建立實(shí)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，簡(jiǎn)化工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，具有靈活、高效、可測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。

RT -LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的動(dòng)態(tài)系RT-LAB所用;采用分布式處理的專業(yè)化塊設(shè)計(jì);且該平臺(tái)使用戶能方便地將目標(biāo)模型分割為幾個(gè)子系統(tǒng)，便于并行處理，集成豐富的第三方代碼庫(kù);提供豐富的應(yīng)用程序編程接口，便于用戶開(kāi)發(fā)自定義應(yīng)用;使用LabVIEW等工具可以創(chuàng)建定制的功能和測(cè)試界而;支持1000余種I/0設(shè)備，提供高度優(yōu)化的硬件實(shí)時(shí)調(diào)度程序。

NI硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

NI開(kāi)發(fā)的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)幫助用戶節(jié)省了在汽車研發(fā)到生產(chǎn)各個(gè)階段耗費(fèi)的時(shí)間和成本。憑借業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的I/0、靈活現(xiàn)成的硬件、強(qiáng)大高效的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建各種應(yīng)用的解決方案。

NI開(kāi)發(fā)了基于PXI實(shí)時(shí)控制器的硬件在環(huán)仿真方案。PXI全稱為面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展，結(jié)合了PCI的電氣總線特性和通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和高性價(jià)比，提供了一種高性能、低成本的虛擬儀器測(cè)試方案。

仿真模型建立在PXI實(shí)時(shí)控制器之中，NI提供FPGA模塊以適應(yīng)更高動(dòng)態(tài)性能和更高精度的模型應(yīng)用需求。NI硬件在環(huán)仿真平臺(tái)具有開(kāi)放的軟硬件技術(shù)架構(gòu)，可以減少工程師的開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)。在支持第三方硬件和軟件建模工具的同時(shí)，NI還提供一系列高性能模擬和數(shù)字I/0設(shè)備，CAN,LIN和FlexRay總線接口，故障注入硬件等，便于用戶高效實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。基于開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用戶總能將最新的PC技術(shù)用在自己的HIL測(cè)試系統(tǒng)中。同時(shí)，HIL測(cè)試系統(tǒng)的可擴(kuò)展性滿足了多種快速變化的需求，以適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn)。

硬件在環(huán)仿真器。 2100433B

采樣速率50k/s。

1、仿真參數(shù)

為驗(yàn)證所提控制策略的有效性，基于 dSPACE1005 平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真測(cè)試。該平臺(tái)拓?fù)淙鐖D2，由4 臺(tái)容量為25 kVA 變流器及1臺(tái)90 kVA 可調(diào)模擬負(fù)荷組成。4 臺(tái)變流器中，2 臺(tái)變流器控制于CCM：CCM-VSC1 和CCM-VSC2，分別模擬光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；另外2 臺(tái)控制于VCM：VCM-VSC1 和VCM-VSC2。4 臺(tái)變流器參數(shù)相同，如表1 所示。

2、VCM-VSC 與CCM-VSC 間均載

實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分別如圖4 和表2所示。初始階段S0：微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行于孤島模式，VCM-VSC1 和VCM-VSC2 采用下垂和虛擬阻抗控制， CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運(yùn)行最大功率點(diǎn)、單位功率因數(shù)模式下，其有功功率P_mC1 和P_mC2 均為5 kW，無(wú)功功率Q_mC1 和Q_mC2 均為0。微電網(wǎng)負(fù)荷為阻感負(fù)荷，其中電阻R 為9.65Ω，電感L 為46 mH，額定電壓工況下對(duì)應(yīng)有功負(fù)荷P_L 為15 kW，無(wú)功負(fù)荷Q_L為10kvar。由于下垂控制特性，微電網(wǎng)電壓幅值和角頻率稍偏離額定值U_N 和ω_N，負(fù)載有功功率為12.6kW，無(wú)功功率為8.4kvar。由圖4 和表2 可見(jiàn)，雖然VCM-VSC1 和VCM-VSC2 并網(wǎng)線路阻抗略有差異，但通過(guò)虛擬阻抗可實(shí)現(xiàn)均載，兩者的有功功率P_mV1 和P_mV2 均在1.298 kW，Q_mV1 和Q_mV2分別為在4.233 kvar 和4.153 kvar。2 臺(tái)VCM-VSC之間有功實(shí)現(xiàn)了精確的均分，無(wú)功分配誤差δ_V12 為0.019，可見(jiàn)無(wú)功分配精度也較高。在該階段，負(fù)荷無(wú)功全部由VCM-VSC 提供。

S1 階段：在T1 時(shí)刻，將CCM-VSC1 控制模式轉(zhuǎn)為ω-P、U-Q 倒下垂模式。在此假設(shè)其有功功率與無(wú)功功率可自由調(diào)配，且認(rèn)為與VCM-VSC具有相同的有功與無(wú)功容量。由于CCM-VSC1 對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率的支持作用，系統(tǒng)電壓偏離額定值的差值減小。由圖4 和表2 可見(jiàn)，CCM-VSC1 與2 臺(tái)VCM-VSC 間實(shí)現(xiàn)了較好的有功功率均載，均穩(wěn)定運(yùn)行于2.888kW。然而，由于等效線路阻抗差異的影響，CCM-VSC 與VCM-VSC 并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)較好的無(wú)功均載，CCM-VSC1 與2 臺(tái)VCM-VSC無(wú)功分配誤差δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.683 和0.705。

S2 階段：在T2 時(shí)刻，將CCM-VSC2 轉(zhuǎn)變?yōu)榕cCCM-VSC1 同樣的工作模式。系統(tǒng)電壓偏離額定值的差值進(jìn)一步減小。同時(shí)可見(jiàn)，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于同一頻率，有功功率在4 臺(tái)變流器之間實(shí)現(xiàn)了較好的均載，均穩(wěn)定運(yùn)行于3.514kW。

無(wú)功功率在2 臺(tái)CCM-VSC 之間實(shí)現(xiàn)了較好的均載，均穩(wěn)定運(yùn)行于3.161kvar。但由于等效線路阻抗差異的影響，其并未與VCM-VSC 實(shí)現(xiàn)均載，δ_V1C1 和δ_V2C1分別為0.682 和0.709。

3、功率分配精度改善

實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真結(jié)果如圖5 和表2所示，在本算例中，CCM-VSC 控制中加入自適應(yīng)的空載電壓補(bǔ)償法控制。與上節(jié)相比， 無(wú)功功率在VCM-VSC 與CCM-VSC之間實(shí)現(xiàn)較好的均載性能。由表2 可見(jiàn)，在S2 階段，δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.007 和0.033。

按照 VCM-VSC 有功額定為10 kW，無(wú)功額定為10 kvar，最大電壓偏差為10%額定電壓，最大頻率偏差為± 0.5Hz 設(shè)置下垂系數(shù)。CCM -VSC 按照視在功率為10kVA 計(jì)算。

初始條件S₀ ：CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運(yùn)行最大功率點(diǎn)、單位功率因數(shù)模式下，其有功功率PmC1 和PmC2 分別為5 kW 和9 kW，無(wú)功功率QmC1 和QmC2 均為0。

S1 階段：T1 時(shí)刻，啟動(dòng)CCM-VSC1，按照無(wú)功儲(chǔ)備量，3 臺(tái)變流器按照QmC1:QmV1:QmV2=8.66:10:10共同分擔(dān)負(fù)荷無(wú)功8.8kvar。因此，QmC1、QmV1、QmV2無(wú)功功率將分別承擔(dān)2.6、3.1、3.1kvar。