半物理仿真平台（精选7篇）
半物理仿真平台 篇1
0 引言
装载机是工程机械中重要的机种,广泛用于铁路、公路、港口、建筑等工程中。目前,由于城市化和高速铁路的飞速发展,以及拉动内需刺激经济政策的落实,我国已成为装载机的生产和使用大国,但是我国目前生产的装载机的质量与世界知名品牌相比还有很大差距。液压系统的整体性能是影响装载机质量的关键因素之一,建立各种良好的装载机液压试验平台可为装载机的改进和优化设计提供参考。
半物理仿真技术也叫半实物仿真技术,在仿真过程中将无法用数学表达式准确描述的对象用实物的方式接入仿真回路,通过测控模块将实时计算的仿真对象和实时控制的实物对象连接成一个整体。半物理仿真技术在国内外的航空航天、武器、液压系统等领域得到很好的应用[1,2,3,4,5]。在半物理仿真系统中有的采用Simulink建立数学模型,通过MATLAB的实时工作间(RTW)将模型转换成嵌入式代码的方式实现实时半物理仿真控制[6];有的通过编写C-MEX文件与S-函数扩展MATLAB/Simulink功能调用系统多媒体定时器并用共享内存实现了一定精度的交互式的实时仿真[7];还有的利用C语言S-函数,共享内存的程序代码收发数据,以及利用Windows消息机制直接在MATLAB/Simulink环境中实现仿真模型与外部程序数据实时交互,达到了精度较高的实时仿真[8]等。
EASY5软件是Boeing公司各领域的工程师和数值计算专家根据实际工程问题和需求合作开发的多学科动态系统的仿真软件,它的专业库中包含了液压领域常用的元部件的数学模型,建模时,可直接调用以快速建立液压系统模型,是当今世界上主要的液压仿真软件之一,但是到目前它还不支持实时仿真,这为采用EASY5设计的仿真模型进行半物理仿真系统的设计带来了困难。
本文在开发工程机械液压试验平台和基于EASY5的装载机仿真平台设计的基础上,设计开发出装载机的半物理仿真平台,使装载机在实验室条件下的各种半物理仿真试验成为可能。
1 半物理仿真平台总体设计
以动臂缸工作系统部分、装载机转斗缸工作系统部分和装载机转向缸工作系统部分作为物理对象,以液压试验平台的泵站系统作为支撑,通过测控系统实现半物理仿真实验。半物理仿真液压系统如图1所示。
该系统主要工作过程如下:测控系统根据试验要求发出相应的命令,泵站仿真模型实时计算和修改相应的流量、压力、温度等参数,测控系统根据这些仿真模型计算的数据实时控制液压试验系统的泵站,完成相关的试验。仿真计算由一台计算机(简称仿真机)完成,测控系统上位机用工控机(简称测控机)、仿真机与测控机通过TCP/IP网络通信实现数据交互。
2 装载机液压试验系统仿真平台设计
根据实际工程机械液压试验平台的泵站系统、某装载机的动臂缸工作系统、转斗缸工作系统和转向缸工作系统,运用液压仿真软件EASY5逐个建立其仿真模型,将各个部分连接成完整的液压系统,并利用试验数据进行系统模型验证与参数修正。所建立的仿真模型如图2所示。其中:①为液压泵站部分;②为装载机动臂缸工作系统部分;③为装载机转斗缸工作系统部分;④为装载机转向缸工作系统部分。该仿真模型的建立为半物理仿真平台提供了符合实际系统响应的泵站系统仿真模型。
由于EASY5目前不支持实时仿真,因此采用EASY5和MATLAB/Simulink的联合仿真,进而通过MATLAB/Simulink实现计算机仿真模型与实物系统的对接。
将泵站系统作为仿真对象,通过EASY5的EZ元件与MATLAB/Simulink进行数据交互,数据如图3所示。
(b)MATLAB/Simulink中控制部分联合仿真模型
在EASY5环境中,将液压模型编译成可被MATLAB/Simulink的S函数调用的模型代码。图中“MATLAB-easy5”为S函数,它调用EASY5模型,进行联合仿真时传递给EASY5模型10个参数,从EASY5模型传递给S函数6个参数,这些参数分别存储在工作空间中。S函数需设置数据交互周期时间、输入向量维数和输出向量维数,在本系统设置为“0.01,10,6”。
由MATLAB/Simulink送到液压泵站仿真模型的10个(IN1~IN10)数据,分别是两个泵的转速、总合流管处和转向机构的压力和压力变化率、系统温度、三个两位三通阀的控制指令。仿真模型通过MATLAB/Simulink可送出的数据有6个(OUT1~OUT6),分别是2个液压泵流量、温度和管路标识。在MATLAB/Simulink模块中使用2个嵌入式函数根据EASY5中的液压仿真模型将送出的液压油的质量流量转换成体积流量。
3 系统半物理仿真的连接实现
计算机仿真模型、实物对象和控制系统的连接是半物理仿真系统的关键技术之一,主要涉及系统运行的实时问题、参数传递以及试验工况的设置等。
3.1 仿真模块的实时控制
MATLAB/Simulink的RTW(Realtime Workshop)工具箱可将基于Simulink仿真的模型通过配置并使用make工具进行编译和链接生成可执行文件,使其运行于实时仿真环境进行半物理仿真。由于EASY5不支持实时仿真,故EASY5与MATLAB/Simulink联合仿真模型无法生成实时环境的可执行文件。Simulink的C-MEX S函数可调用Windows API里的多媒体定时器,实现仿真模型计算的实时控制,S函数模块见图3中的RTCsim模块。多媒体定时器用函数产生独立线程,用定时中断直接调用回调函数进行处理,不用等待程序消息队列为空,使定时中断能实时响应,定时精度可达毫秒级。启动和停止多媒体定时器的语句如下:
MMRESULT timeSetEvent(UNIT uDelay,UNIT uResolution, LPTIMECALLBACK lptimeproc, WORD dwUser,UNIT fuEvent);开启多媒体定时器,定时执行回调函数
MMRESULT timeKillEvent();关闭定时器
3.2 仿真系统与实物系统通信实现
仿真机与测控机通过TCP/IP网络进行数据交互。测控机采用LabVIEW作为软件开发平台。NI公司开发的SIT(simulation interface toolkit)仿真工具包,能通过配置测控系统与模型参数、数据记录及其他任务实现仿真机的仿真模型与测控系统的实时运行和数据交互。
将SIT工具包在测控机和仿真机上进行安装。NI SIT Blocks包含信号探针(signal probe)、SIT输入输出口(SIT In, SIT Out)模块。将信号探针置于仿真模型的顶层,用于探测模型在Simulink环境中运行时的信号,SIT输入输出口用于连接与仿真模型的交互数据。SIT工具利用基于TCP/IP协议网络连接两台计算机,两台计算机以网线和路由器连接,设置同一网段的32位IP地址。
在本半物理仿真系统中,将图3中工作泵的压力IN3和转向泵的压力IN5设置为SIT的输入口,可根据试验不同的需要选择OUT1~OUT6中的流量和温度参量设置为SIT的输出口。仿真机将仿真模型计算的有关参数(已设置为SIT输出口)送到测控机作为液压试验平台系统的控制参量(如泵的流量、温度),测控机将泵的压力反馈给仿真机进行相关的仿真计算。
3.3 系统运行管理
半物理仿真试验的准备工作需要有硬件连接、仿真软件、模型准备、测试系统准备以及工况设置等步骤。为了更好地指导半物理仿真试验,在仿真机上用Viusual Basic 6.0开发装载机液压系统半物理仿真平台操作界面,用于整个半物理仿真试验的准备,以及进行各仿真软件调用和仿真模型交互数据显示等,操作界面如图4所示。
“液压系统准备”和“测控系统准备”控件为试验准备操作指南,若操作不符合操作要求,将出现警告提示。“仿真系统启动”控件用于自动启动EASY5仿真软件并开启液压仿真模型。“仿真数据显示”具有数据和图形显示2种方式。
4 装载机半物理仿真试验
为了满足装载机液压系统动态性能试验的要求,利用半物理仿真平台可进行装载机动臂机构、转斗机构及转向机构的空载、重物加载和背压模拟加载的各种试验。试验时将仿真机、实际的液压试验平台(包括测控机和液压站)、动臂系统、转斗系统操控手柄以及转向方向盘组成半物理试验系统。部分试验效果如图5所示。
图5a~图5c是合流状态下动臂系统在10MPa加载下的部分试验曲线。试验时,先启动各泵使转速为500r/min(可设置为怠速),并使其怠速稳定运行,转斗控制阀杆不动,转斗多路阀处于中位,液压油全部直接流回油箱,系统运行至流量稳定后进行半物理仿真试验。
图5a所示是动臂系统加载状态下动臂油缸2次伸缩位移变化曲线,图5b所示是动臂油缸2次伸缩时无杆腔压力变化曲线,图5c所示是动臂油缸2次伸缩时有杆腔压力变化曲线。从图中可以看出,在动臂柱塞两个伸出行程(15.92s~24.6s和36.45s~45.15s)中,无杆腔进油和有杆腔回油的压力稳定,无杆腔的进油压力平均为7.32MPa,回油压力平均为10.1MPa;在动臂柱塞缩回行程(5s~13.06s和27.45s~34.15s)中,有杆腔进油压力和无杆腔回油压力都发生了较大的波动,有杆腔平均进油压力为19.8MPa,无杆腔回油压力平均为13.46MPa。
半物理仿真试验平台进行加载试验时,比例加载控制阀是通过调整阀口开度的大小来调节回油压力的,动臂柱塞在缩回过程(有杆腔进油、无杆腔回油)时,其回油流量大,比例加载压力闭环控制环节对压力的调节出现较大波动,且与期望值(10MPa)偏差较大。当动臂柱塞在伸出过程(无杆腔进油、有杆腔回油)时,
(e)转向系统柱塞伸出无杆腔压力随时间变化曲线
回油流量较小,比例加载控制阀对加载压力的控制能够稳定在10MPa左右,控制效果良好。可见,在较高的加载压力下,对于流量变化较大的系统,比例加载控制阀加载压力控制易出现振荡偏差,加载压力控制器算法需要进一步改进。
图5d和图5e是转向泵单独供油,工作泵停止工作,供油合流阀处于分流状态时,半物理仿真系统和全仿真系统进行试验时的部分试验数据比较。
从图5d可以看出试验过程和仿真过程都在1s时刻开启转向控制阀使转向柱塞开始伸出,经11.3s柱塞发生了84cm的位移。试验过程转向平稳,柱塞运行接近匀速,无杆腔压力稳定,半物理仿真试验过程采集的数据与仿真数据基本吻合,表明半物理仿真试验结果与预期结果一致。
5 结论
(1)使用EASY5和MATLAB/Simulink联合仿真模型,在MATLAB/Simulink模型中调用多媒体定时器,实现实时仿真,解决了EASY5不支持半物理仿真的不足。
(2)通过TCP/IP实现测控计算机和仿真计算机的数据交互。
(3)用Visual Basic开发仿真机的人机界面,使用Microsoft的ActiveX技术实现对联合仿真模型的参数设定和仿真计算启动。
(4)试验表明本半物理仿真系统效果良好。半物理仿真试验平台的建成可以使装载机从原理设计、仿真试验、半物理仿真试验、样机试验到产品生产的改进和优化设计得以实现。
参考文献
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半物理仿真平台 篇2
航天器主动热控制系统辐射散热的半物理仿真
该文提出在主动式热控制系统的地面动态实验中用半物理仿真的`方法模拟在轨热辐射环境和辐射散热器.文中给出了半物理仿真系统的设计方案,用伪组件代替辐射散热器连接在真实回路中,用虚拟组件在计算机中模拟真实的在轨热辐射环境和辐射散热器的运行,并通过测控系统控制伪组件的运行状态.文中给出了虚拟组件和伪组件的设计与实现.实验结果表明这种方案能够准确地模拟出热辐射环境对热控制系统运行的影响.
作 者：徐向华 梁新刚 陈泽敬 任健勋 XU Xiang-hua LIANG Xin-gang CHEN Ze-jing REN Jian-xun 作者单位：清华大学航天航空学院,北京,100084刊 名：计算机仿真 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：23(8)分类号：V416.5关键词：主动式热控制 半物理仿真 辐射散热 地面实验
半物理仿真平台 篇3
近年来, 随着风电市场的扩大和变速变桨风力机的发展, 风力机控制系统的设计开发越来越重要。但是, 由于风力机工作的风速具有随机性、间歇性特点, 加上能量传递链的柔性结构及随转速变化的机械阻尼的影响, 风力机的控制成为一个难题。在真实风力机上进行控制研究, 因工作量大、风速不稳及较难对外界影响因素进行控制, 难以实现。文献[1]建立了风速的四分量时域模型, 在不同的风速下对风力机性能进行了仿真分析。文献[2]采用PD方法对风力机组进行控制仿真研究。上述研究均建立在Matlab/Simulink仿真的基础上, 与真实风力机控制有一定差距, 不能很好地体现出风力机的机械特性。因此, 本文研究了基于风力机半物理仿真平台, 考虑机械特性的PID控制方法, 并进行了实验验证。
1 风速模型
在风力机控制研究中, 首要任务是建立合适的风速模型。风速模型的选用直接影响到整个风力机性能的检测。好的模型, 能反映自然风的随机性及间歇性的特点。文献[3]阐述了组合风速模型。该模型计算简单, 容易实现, 且能较好的反应自然风的主要特征。模型分为4个部分:基本风速, 反映风场平均风速的变化;阵风, 反映风速突然变化的特性;渐变风, 反映风速的渐变变化特性;噪声风, 反映风速在相对某高度上的随机变化特性。
使用Matlab/Simulink建立组合风速的数学模型, 得到风速的曲线如图1所示。
2 控制方法
2.1 风电机组的运行区域
实际运行中的风力发电机可以划分为以下几个阶段[4]:
(1) 启动区。风速在切入风速以下时, 发电机与电网相脱离, 发电机不发电, 机组只在风力作用下做机械转动。风速达到切入风速, 一般为3~3.5 m/s左右, 持续5~10 min左右, 风力机启动, 发电机并入电网。
(2) Cp恒定区。发电机并入电网, 风速在额定风速以下的区域。风力机开始发电。根据风速, 发电机的转速发生变化, 机组始终保持在最佳叶尖速比 (Cp恒定) , 最大限度捕获风能。
(3) 转速恒定区。由于风速的持续增大, 发电机转速增加到机组允许的最大转速。保持这一转速不变, 随着风速的持续增大, 叶尖速比λ略有减小, 风能利用系数Cp也减小, 但是机组的功率仍在增大。
(4) 功率恒定区。随着机组功率的持续增大, 发电机及变流器达到功率极限。机组控制桨叶开始变桨, Cp进一步变小, 从而维持整个机组的功率恒定。
2.2 控制方法设计
本文实验基于风力机半物理仿真平台, 分为风轮模拟转矩输入模块及模拟风力机控制模块, 两个模块配合同时进行。
2.2.1 风力机半物理仿真平台
如图2所示, 实验用风力机半物理仿真平台主要包括三个部分:
(1) 计算机模拟系统。主要是将风力机的建模参数、模拟风速、叶片参数、变桨角度及主轴实测转速等输入到风轮输入模拟程序中, 从而得到相应的风轮转矩。
(2) 风轮转矩模拟系统。根据计算得到的风轮转矩对驱动电机部分进行直接转矩控制, 通过减速机, 对模拟风力机系统部分提供相应的转矩。
(3) 模拟风力机控制系统。主要根据发电机转速, 基于某种控制策略, 得到相应的发电机控制转矩, 从而对发电机的转矩进行控制, 达到风力机最大功率的风能捕获。
2.2.2 风轮模拟转矩输入模块
风力机风轮从风中获得的转矩为[5]:
式中:TT为风轮转矩, 单位:N·m;CT为转矩系数;λ=RΩ/v, 为叶尖速比;β为风力机桨距角, 单位: (°) ;ρ为空气密度, 单位:kg/m3;v为风速, 单位:m/s;R为叶片半径, 单位:m;
转矩系数CT, 可由式CT=Cp/λ计算得到。其中, Cp为风能转换效率系数, 与叶尖速比λ、桨距角β成非线性关系[6]:
根据文献[7], 风力机风轮从空气中获得的转矩, 可用多项式进行拟合。本文以某型风力机为原型, 经比较, 6次多项式拟合函数误差较小, 可以满足仿真模拟需求。
式中:a0, a1, …, a6为多项式系数。拟合曲线如图3所示, 多项式系数见表1。
当风速位于启动区转速恒定区之间时 (3~11.14 m/s) , 叶尖速比始终保持设计叶尖速比λD;当风速位于转速恒定区与功率恒定区之间时 (11.14~12 m/s) , 转速不变, 叶尖速比随着风速而变化。由式 (4) 计算可得启动区到功率恒定区之间的理论转矩。当风速处于功率恒定区 (12~25 m/s) , 由于研究用的半物理平台没有变桨模块, 风轮转矩设定为理论最大值保持不变, 为理想值, 与真实情况有所差异。最后, 上位机通过RS 232串口, 将计算得到的理论转矩, 传送给变频器作为给定值, 变频器的内部处理器通过矢量控制算法进行处理, 提供给异步电动机电源信号, 使电动机按照指定方式提供转矩[8]。
2.2.3 风力机控制模块
风力机工作在Cp恒定区, 载荷通常比较小, 可以通过控制器调节发电机转速, 进而控制风轮转速, 使风力机始终工作在最佳叶尖速比, 从而实现最大功率的风能捕获。广泛采用的一种控制率为T=Kω2, 其中T为发电机转矩控制值;K为常数, 可以通过风力机工作在设计叶尖速比获得;ω为发电机转速[9]。风力机工作在转速恒定区, 控制器调节发电机转速保持不变。风力机工作在功率恒定区, 变桨机构开始工作, 发电机转速始终保持在额定转速附近。
发电机转速PID控制器框图[10], 如图4所示。
PID控制器使用增量式的PID控制方法, 相比于位置式PID, 具有计算量小、不容易累计误差、易于实现手动到自动的无扰动切换等特点, 予以采用。由于实验用的半物理仿真平台没有变桨机构, 当风力机从转速恒定区过渡到功率恒定区, 发电机转速始终保持不变, 为理论设计值。实际中, 根据采用不同的变桨控制策略, 发电机转速会有所变化。
3 实验验证
本文研究的主要内容是, 通过风力机半物理仿真平台上的PID控制, 模拟某型风力机PID控制的可能性。某型风力机的相关技术参数如表2所示。
在PID控制中, 使用的采样周期为2 s, 控制周期为0.5 s, 也就是每2 s采集一次风速并进行4次PID控制。这样做的目的是尽量在模拟真实风力机控制的前提下, 防止搭建的仿真平台操作频繁, 出现冲击, 从而毁坏设备。采用图1的模拟风速曲线, 实验结果如图5~图9所示。
由上述的数据以及仿真曲线, 可知:
(1) 通过PID控制, 低风速情况下, 风力机叶尖速比始终持在最大叶尖速比附近。高风速情况下, 风力机通过变桨以及减小叶尖速比, 保持了功率的基本恒定。从而保证了风力机最大功率的风能捕获。
(2) 由于风力机的功率及风轮转矩与风速的立方, 平方成正比。所以在风速出现扰动的情况下, 风机也会出现较大扰动。
(3) 图5及图7的0~250 s时间内, 输入的转矩以及发电机的转速都需要从0调节到一个固定的值, 在风速大于切入风速以后再重新调节。是因为搭建的风力机仿真模拟平台, 启动的时候, 电动机部分需要给定一个较小的转矩, 发电机部分需要给定一个较小的转速。不然平台由于机械故障, 会出现强烈的振动, 从而影响实验的进行。实际中的风力机切入风速以下的时候, 风轮转矩以及发电机转速随着风速变化, 发电机不接入电网。
(4) 图6及图7为仿真过程中发电机转速的设定值与实际值。除0~250 s发电机实际转速从0到达一定的设定值, 其他时间内设定值与实际值非常接近, 误差控制在很小的范围, 证明所采用的PID转速控制方法有效。
(5) 风机发电机部分转矩出现的扰动较大, 是因为在真实的风力机中, 始终存在机械故障, 如不对中、齿轮箱问题等, 从而影响到发电机的转矩。
4 结论
本文针对变速变桨风力机的特点, 研究了考虑风力机机械特性的PID控制方法, 并进行了实验验证, 得出如下结论:
(1) 真实的物理平台实验与Matlab/Simulink仿真实验存在着一定的差异性, 由于物理仿真平台的机械特性, 仿真过程中往往需要根据实际情况, 完善控制策略, 即风力机控制策略中必须考虑机械特性。
(2) PID控制方法具有易于实现、可靠性高及适应性强等特点。通过实验验证可以看出, 其具有良好的控制效果。本文的实验结果给风力机的PID控制提供了参考。
参考文献
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半物理仿真平台 篇4
随着半实物仿真技术被应用到风机控制系统的测试中,仿真模型与控制器实物数据交互的实时性、稳定性成为整个仿真系统性能的重要指标。如何保障系统的上述两个特性是构建半实物仿真平台首先要解决的问题。CANopen协议是基于CAN总线的应用层协议[1],具有可靠性高、实时性强、价格低廉的特点。本文利用CANopen协议实现PLC与风电机组仿真模型之间的通信,并在此基础上构建半实物仿真平台[2,3]。
1 风电机组半实物仿真系统总体架构
整个风电机组半实物仿真系统由Simulink模拟风电机组、USB-CAN工具、PLC、Codesys上位机软件、风机HMI操作界面、PC、轮毂CAN总线以及变频器CAN总线构成[4,5]。CANopen通信部分采用DS301协议,应用层采用DS405协议。PLC上设计了风机轮毂CANopen主站、变频器CANopen主站。模拟风电机组模型中包括一号、二号、三号叶片三个CANopen从站,此外,还包括一个变频器CANopen从站。
模拟风电机组负责模拟风机系统中的风速、风力机转速、发电机功率、变桨机构桨距角等,通过CAN总线传输到CANopen主站。控制器处理相应的仿真量后通过USB-CAN设备将控制量发送到模拟风电机组中,实现对模拟风电机组的控制。风电机组半实物仿真系统总体架构如图1所示。
2 CANopen协议设计
CANopen协议中通信设备模型包括通信子层、对象字典、应用过程3部分。其中通信子层用于底层数据的传输,包括网络管理报文对象(NMT)、过程数据对象(PDO)、服务数据对象(SDO)和特殊功能对象4种。对象字典是CANopen协议的实现内容,由16位主索引加8位子索引构成,包括所有影响通信的接口、应用数据、状态机行为等信息。
2.1 NMT节点设计
NMT采用面向节点的主从通信方式,拥有一个主节点和若干从节点,包括节点初始化、预操作、操作和停止4种状态。NMT主节点的对象字典条目处于索引1F80H~1F90H之间。依据模拟风电机组的系统总体架构,PLC控制系统中共有2个主站,所以需要分别设计节点ID。轮毂和变频器的NMT节点ID设计如表1、表2所示。
2.2 过程数据对象PDO设计
通过定义对象字典中的通信参数、映射参数、应用对象来实现过程数据对象(PDO)的传输。PDO包括TPDO和RPDO两种,用于传输实时数据。其中TPDO用于发送数据,RPDO用于接收数据,每个PDO可以搭载的最大数据量为8Byte。RPDO的通信参数区间为1400H~14FFH,映射参数区间为1600H~16FFH;TPDO的通信参数区间为1800H~18FFH,映射参数区间为1A00H~1AFFH。应用对象定义区间6000H~9FFFH。
模拟风电机组中轮毂CANopen从站设计了3个RPDO和4个TPDO。其中,RPDO1包括变桨系统主控制字、变桨电机目标位置值;RPDO2包括变桨电机目标速度、错误控制字;RPDO3包括辅助控制字、变桨电机电流设定值;TPDO1包括变桨系统状态字;TPDO2包括错误状态字,TPDO3包括变桨系统变频器电容电压、直流侧电压、变桨电机温度,TPDO4包括变桨系统变频器温度。
主变频器CANopen从站设计了2个RPDO和4个TPDO。其中,RPDO1包括变频器主控制字、辅助控制字;RPDO2包括发电机转矩设定值、发电机无功功率设定值;TPDO1包括主变频器状态字、发电机转矩;TPDO2包括发电机频率、主变频器网侧有功功率和无功功率;TPDO3包括网侧电压、网侧电流、机侧电流值;TPDO4包括机侧电压值、变频器温度、电网频率。PDO报文传送关系如图2所示。
2.3 服务数据对象SDO与特殊功能对象设计
CANopen网络上的参数通过SDO进行配置。SDO中含有两类不同的COBID。其中,主站作为SDO通信的服务器,发送请求SDO,ID号为0x600+NodID;从站作为客户端,回复ID号为0x580+NodeID的数据帧。本文中SDO复用以传递风机模型中部分温度信号,特殊功能对象采用缺省配置。
3 风电机组半实物仿真系统CAN接口设计
模拟风电机组采用Simulink实现,包括变桨系统、风力机、发电机、变频器、风速模型等仿真风机模块以及CAN接口等模块。其中CAN接口模块负责传递仿真模型模拟的仿真数据以及控制系统发送的控制变量到USB-CAN设备上,CANopen接口模块由S-function实现。其部分代码如下:
4 应用实例
依据以上方法构建的风电机组半实物仿真平台如图3所示。
半实物仿真平台中风机仿真模型由Simulink搭建,仿真时间设置为inf。图4为风机控制系统HMI界面,该界面可以对模拟风电机组的启动、停机等进行操作。
在PLC的上位机Codesys中配置写好的对象字典EDS文件,打开风机HMI控制界面,启动仿真模型与风机控制系统。在第50s时操作启机按钮,在450s时操作停机按钮,仿真结果见图5。由图5可知,风速在12m/s~19m/s之间波动;在第50s时启机,模拟风机接收到PLC发送的启机指令,桨距角从待机位置开始下降;在160s~450s之间,风机处于恒功率运行阶段,控制器依据接收到的桨距角位置数据报文来调节变桨速率并发送控制报文改变桨距角;450s时发送停机指令,模拟风机开始收浆,功率随之下降,回到待机位置。
5 结语
本文采用CANopen协议来实现模拟风电机组模型和风机控制器实物的通信,在此基础上组建半实物仿真平台来完成风机控制器的系统级测试。通过对风机发电过程的模拟可以看出:仿真模型可以很快地响应PLC发送的控制命令,同时能够及时传递数据信息到PLC,实时性高,稳定性好。CANopen协议可以很好地满足Simulink与PLC实物的通信需求并控制过程。
参考文献
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半物理仿真平台 篇5
1 传统驱动机构驱动特性考核方案
1.1 惯量轮模拟负载考核方案
采用惯量轮模拟驱动机构负载, 对驱动机构的运行过程进行数据采集。该方案测试数据比较少, 如不能测试对星体的干扰力矩、不能模拟空间环境干扰力矩等, 而且如果太阳电池阵的构形、大小发生变化, 模拟负载和扭转弹簧需重新设计计算, 适用性不强。
1.2 离线仿真在线加载方案
该试验系统驱动机构负载力矩采用加载电机加载, 加载电机的加载曲线由试验前通过仿真软件计算出的仿真数据构成。该方案的不足之处在于, 不能实时反映出驱动机构的负载力矩变化与驱动机构运行特性的耦合作用。Windows环境下的扭矩加载方式, 其控制精度和实时性均未取得满意效果。
2 闭环半物理仿真方案
本文提出闭环仿真方案中, 驱动机构及驱动器为真实产品, 太阳电池阵作为其负载采用数学模型代替, 系统实时解算出帆板对驱动机构反作用力矩, 并通过加载设备, 实时地加载到驱动机构输出轴上。在考虑帆板质量惯量特性以及柔性特性后, 真实地反映出帆板的柔性及振动对驱动机构的反作用特性。
3 硬件方案
该试验台核心是模拟出帆板对驱动机构的干扰力矩, 以及测量驱动机构在干扰力矩下的工作特性。驱动系统半物理仿真试验台是一个标准的半实物仿真系统, 包含真实产品、测控单元、仿真单元、加载单元和任务管理单元。真实产品包括驱动机构及驱动器, 是卫星型号真实产品;测控单元测量驱动机构电机电流电压、输出转速和力矩以及对卫星壳体的干扰力矩, 并且控制加载单元施加对机构的负载力矩;任务管理计算机选用HP个人工作站;两台实时控制器选用NI公司PXI控制器、信号调理和采集卡;加载电机选用力士乐高精度伺服电机, 扭矩输出精度为±0.01Nm, 满足驱动机构干扰力矩加载要求;角速度测量仪选用海德汉无内置轴承高精度角度编码器, 测量精度±2〞满足角度测量要求, 通过换算获取驱动轴转速。
4 软件架构与数学模型
软件开发基于快速原型设计思想。该系统含两层软件设计, 第一层是任务管理软件, 采用Lab View虚拟仪器技术开发。包含试验管理、状态监视、姿轨控计算机模拟等;第二层是控制模型, 采用MatlabSimulink建模, 可选择第三方原型开发系统进行编译, 生成实时控制程序。本试验台选用了加拿大opal-RT公司开发的RT-LAB分布式实时仿真系统。
柔性太阳电池阵在轨运行对星体的反作用力矩求解, 实际上涉及到作大范围运动柔性结构的耦合动力学问题。变形运动与刚体运动的同时出现及其相互耦合作用是这类作大范围运动柔性结构耦合动力学的主要特征, 这使得其动力学行为与一般简单动力系统有所不同。
在驱动机构半物理仿真试验系统中采用混合坐标法和有限元法对太阳电池阵进行模化, 并用Lagrange方程建立太阳电池阵柔性动力学模型。其中惯性坐标系{B}固定在驱动机构上, 随动坐标系{F}固定在太阳电池阵上。{F}系的原点P在太阳电池阵与驱动机构的法兰面上。
该模型的输入为驱动机构输出轴的角度变化率, 输出为柔性太阳电池阵对驱动机构输出轴的反作用力矩。该项目采用18万线非接触式高精度角度码盘实现角度信号测量, 既保证了角度测量的精度, 又避免了传统轴承式传感器带来的附加扭矩。
5 结语
(1) 驱动机构半物理仿真试验系统动态加载与驱动机构实现闭环控制, 能够实现驱动够驱动柔性负载完成快速捕获、正常跟踪、停转保持和正常归零等典型工况的试验和分析, 并且可以直接在后处理数据库中形成试验报告, 提供驱动机构上升时间、调整时间、超调量、过程角、制动时间、速度稳定度等相关参数。试验系统可用于驱动控制器研制和驱动机构考核。
(2) 试验系统所选用的传感器都较为灵敏、采样频率高、保存数据全面, 可以较为准确的捕获试验全过程各个信号的微小波动。可较为准确的给出总体及GNC分系统关心的驱动机构运动过程对安装形体的动态干扰在和及频谱特性。
(3) 通过对力矩信号的频谱分析, 确认试验系统的动力学解算单元和力矩加载能够实现模拟柔性太阳电池阵的动力学响应。
(4) 可涵盖传统动量轮考核方案和离线仿真在线加载方案。系统可设置为固定加载力矩, 或者调用离线仿真数据文件实现力矩加载。
摘要：卫星帆板驱动系统半物理仿真试验台, 是一套闭环、实时、硬件在回路仿真系统, 用于模拟空间环境下太阳电池阵动力学特性对驱动机构的影响。与传统的惯量轮考核以及离线数据在线加载的考核方式相比, 该系统能够反应驱动机构与太阳电池阵的耦合特性, 该闭环仿真思想在卫星驱动机构试验台上属首次实现。本文给出系统原理、组成、方案以及动力学模型。
关键词：半物理,实时仿真,硬件在回路,卫星太阳电池阵
参考文献
半物理仿真平台 篇6
关键词：物理化学实验,仿真平台,模拟实验
在大学化学实验中,物理化学实验是难度较大的一门实验课程,要顺利完成实验,之前的预习显得非常重要,并且随着招生规模的扩大班级的增多,实验室和教师的紧缺的矛盾已经日益突出, 同时由于实验学时压缩而带来课时不足的问题也已显现,学生实验能动性差,依赖性强,实验往往应付了事[1,2]。目前国内物理化学实验主要通过物理化学实验教材的预习和在物理化学实验室完成实验操作。针对这些问题,配合我校主编的江苏省精品教材,我们开发建设了物理化学实验仿真平台,该平台应用在教学中取得了良好的效果。
1 物理化学实验仿真平台的建设
1.1 物理化学实验仿真平台建设的必要性[3,4]
(1)改变传统实验教学中存在的教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离的不足。传统的物理化学实验教学模式中,学生在预习阶段对实验仪器和用品缺乏直观认识,仪器的使用过程和实验步骤完全靠想象,而想像和具体操作又存在很大偏差。因此,学生对实验的操作流程并不明确,概念不清,理论不明,常常是糊里糊涂地做完实验,结果是收获甚少。仿真平台的应用有助于提高学生学习主动性和创造性。全面体现“自主性”与“探究性”的实践教学模式。
(2)在实践教学中有益于拓宽实验渠道,有助于增加学生动手实践机会,可以进行实验前的预习和实验后的复习巩固,是现有实验教学的有益补充。
现有实验教学中学生操作仪器时间较少。物化实验的特点是使用电子仪器多,而前几门化学实验课大多用玻璃仪器,所以学生对所使用仪器陌生,在预习实验中,学生仅在教材中看到仪器的示意图,对仪器的整体构造,只有大致了解,而且相当大部分的仪器只在一个实验中使用,在反复压缩课时的情况下,使学生在有限的实验时间内,熟练掌握所用的各种仪器仍是难题。因此物化实验普遍存在学生不能熟练掌握所用仪器,即使对选拔出来参加物理化学实验竞赛的学生,情况也不乐观。
(3)可减少实验设备的维护强度,缓解当前实验设备不足,学时紧张等矛盾,实现理论教学和实践教学的有机融合,在现有师生比情况下,更好地保证实验教学环节的效果。
目前,随着招生规模的扩大班级的增多,实验室和教师的紧缺的矛盾已经日益突出,实验室满负荷运转,我校每年都有一千多学生进入物理化学实验室,而且由于实验学时压缩而带来课时不足的问题也已显现。实验如预习不充分,会导致仪器的损坏或实验的失败,仪器的损坏使得学生缩手缩脚,实验的失败挫伤了学生学习的积极性。这些在使用了仿真平台后大为改观,同时使药品等的损耗降至极低。
(4)有助于提高学生对实验的兴趣和预习的质量,开拓学生的思路,提高学生的计算机应用能力。
由于教材是大量文字配以少量的图片,枯燥、乏味,面对一个个将要进行的实验步骤,学生往往缺乏耐心,不能看完整个实验。而仿真平台,直观、可互动、仿真度高,有助于提高对实验的兴趣,从而在进入实验室前,对实验有整体的了解。
1.2 所建物理化学实验仿真平台的特色
仿真平台的建设是我校2008年教学质量工程立项内容之一,依托我校教师主编的江苏省精品教材《物理化学实验》,软件脚本的编写由教师们完成,软件由专业公司编写,共包括:“温度的控制及液体黏度的测定”、 “液体饱和蒸汽压的测定”、“燃烧焓的测定”、“二元液系气液平衡相图”、“电动势的测定和应用”、“阳极极化曲线的测定”、 “蔗糖水解反应速率常数的测定”、“乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定”、“液体表面张力的测定”及“表面吸附量的测定”[5] 等十个实验(如图1),具有完整的实验教学环节的仿真,包括目的、原理、实验步骤、仪器、数据处理和实验思考,挂在了我校化工学院的网站上,学生们只要上网,可随时随地访问,进行仿真实验,可以反复进行,给学生一个细致观察、独立思考的可能,起到突出教学和实验的主要因素、进而突破难点的作用。
所建仿真平台具有科学性强、设计合理、互动性强、界面友好、仿真程度高及教学辅助效果好等特色。
2 物理化学实验仿真平台的应用
仿真平台自2011年下半年挂上网至今已有近两万次点击量,我们在2009级、2010级两届学生中作了物理化学实验网络仿真平台使用问卷调查,同学们充分肯定仿真平台建设的必要性、有效性和其特色,也指出有待改进的地方。
如液体饱和蒸汽压的测定实验中,等压计的原理学生在预习过程中,一般不容易看懂,从而导致在实验过程中,空气赶得不彻底或漏入过量的空气,导致乙醇气体不纯而使饱和蒸气压偏大。通过仿真平台进行预习后,很容易理解等压计的原理,而使实验顺利进行,其实验结果与文献值相当接近;再如燃烧焓的测定是操作最为复杂的一个实验,以前老师往往要化上一节课进行实验前的讲解,效果仍不理想,经常出现各种误操作:有将应倒入内筒的水倒入绝热层内、有电极插上立即点火、有温度探头未移入测量系统等而导致实验失败,这个实验一般没有时间重做,因而学生倍受挫折。通过仿真平台进行预习后,对该实验的三个步骤:氧弹的准备、水温的调节及仪器的装配和开始实验,每一步骤的关键和注意点都清清楚楚,使该实验的成功率达95%左右,少数班级可达100%。
3 结 语
仿真模拟实验是计算机技术飞速发展的产物,是一种现代化的教学手段,可以弥补传统教学手段的不足,当然仿真实验不能替代实验室的操作。因为仿真实验会降低学生对实验真实的感受,减弱学生的基本操作技能,长期下去会影响他们的实验技能,但作为传统实验的补充手段是行之有效的。
我们所建的物理化学实验仿真平台还存在着一些有待于进一步改进的方面,如目前学生使用仿真平台进行预习和复习完全是出于自觉,如何进行有效地统计学生是否已经进行网上预习以及网上预习质量如何,该软件尚无此方面的功能;以及所设置的实验思考题如何做到千方百计地引导学生思考实验相关的问题等这些都需要我们继续努力。
参考文献
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半物理仿真平台 篇7
随着通信系统规模和复杂度的提高, 为了综合考察系统的性能, 计算机仿真技术得到广泛应用。许多研究者已经对LTE通信系统作过系统级或链路级的仿真[2], 取得的研究成果有一定的指导意义。但是, 大部分的物理层仿真只针对调制部分, 而忽略了信道编码部分, 事实上, LTE采用Coded OFDM技术, 因此将信道编码和调制一起研究, 是十分必要的。本文建立了完善的基于Matlab的LTE上行物理层仿真平台, 介绍了仿真平台的系统结构和实现方法, 并对典型参数下的仿真结果进行了分析。
1 系统结构
本节以发射机为例介绍LTE上行物理层系统结构。接收机除了实现发射机的逆过程, 还要实现同步和信道估计[3]等操作, 这里不再详述。
1.1 信道编码
LTE信道编码方案主要包括附加CRC、码块分段、Turbo编码、速率匹配、码块级联等几个部分[4]。下面以数据信息为例依次介绍这几个部分。
附加CRC:给每个传输块附24比特CRC, 用以检测接收是否正确。传输块CRC多项式为:
码块分段:对传输块分段, 使其匹配相应QPP的填充比特数最少, 对于同一个传输块允许使用两个相邻的QPP大小。在第一个码块中插入填充比特, 在每个码块后附加24比特CRC (码块数大于1时) 。码块级CRC多项式为
信道编码:LTE数据信息编码以Turbo编码为主。Turbo编码器是由两个卷积编码器经过一个交织器并行级联而成。LTE采用的Turbo编码器的两个卷积编码器的生成多项式相同, 为, 其中为了获得并行性, 在Turbo编码中使用了无竞争二次转置多项式 (QPP) 交织器[5]。该Turbo编码器的标称码率为1/3。
速率匹配:Turbo编码器3个输出流经过子块交织器重新排列。将重新排列的系统位与校验位交错连接形成输出缓冲。根据不同的RV (冗余版本) , 从循环缓冲的不同位置开始串行读出比特, 进行系统比特打孔、去除空位及重复传输等操作[6]。系统比特打孔指RV=0时, 跳过循环缓冲的前两个系统列, 打掉大约6%系统比特, 确保了高码率的性能。重复传输是指如果串行读出到了缓冲的终点, 就再重回缓冲的起点。速率匹配可以满足不同传输速率的要求, 同时在重传时可以发送尽可能多的新比特以最大化IR HARQ增益。
码块级联:将码块按照顺序串联, 经过复用与交织, 输出到扰码器和调制映射器。
1.2 调制
LTE上行生成SC-FDMA信号利用DFT扩展OFDM (DFT-S-OFDM) 实现。首先对包含M个数据符号的数据块作M点DFT, 接着对DFT输出信号补零映射到N个子载波上, 然后作N点IFFT[7]。下面以PUSCH为例, 依次介绍各个模块。
加扰:扰码序列使用31阶Gold码, 由两个m序列模2相加得到, 而m序列可以通过移位寄存器产生。扰码序列生成器在每一个子帧开始时会依照小区标识、子帧数和UE标识重新初始化, 这样小区间和UE间的干扰被随机化。
星座图映射:支持QPSK、16QAM和64QAM。原则上每个子载波可用不同调制方式调制, 这是由于信道频率选择性、子载波信道增益不同, 因此某些子载波传输的数据速率可比其他一些高。
DFT预编码:M点DFT, 其中M是分配给一个用户的子载波数量, M必须由2、3和5的倍数构造。DFT预编码确保了LTE具有足够低峰均比的上行发射波形, 降低了对终端的功率放大器的要求。
子载波映射:将DFT输出补零, 使其大小与N个子载波的OFDM调制器相匹配。补零之后的信号映射到N个子载波上, 补零的位置决定了DFT预编码信号所映射的子载波, 分为集中式子载波映射和分布式子载波映射。实际一般采用集中式子载波映射。
IFFT:N点IFFT, 以10MHz的LTE上行信号为例, N为1024。IFFT后, 生成时域SC-FDMA符号。在LTE中, 用IFFT实现OFDM调制, 频率选择性的宽带信道被划分为重叠但正交的非频率选择性窄带信道, 使得接收机在频域上能够便利地补偿各个子信道的增益。
加循环前缀:在时域SC-FDMA符号前加循环前缀 (CP) , 消除多径传播引起的ISI的残余影响, 利于实现低复杂度的频域均衡。CP长度必须要远大于所支持的信道冲击响应的最大时延。支持两种CP长度, 常规CP和扩展CP。其中扩展CP适用于具有较大信道时延扩展的情况和较大的小区。
2 实现方法
根据以上的系统结构, 对仿真平台作了功能划分, 以PUS-CH为例, 各个子模块的功能定义如下。
发送部分:数据依次经过附加CRC, 码块分段, Turbo编码, 速率匹配, 码块级联, 完成信道编码过程, 然后再经过复用和交织, 被送至加扰器。加扰后, 经过星座图映射, 生成复数信号。复数信号经过DFT扩展, 子载波映射和OFDM调制, 生成SC-FDMA符号。最后将SC-FDMA符号加循环前缀, 并送至RF发射模块。
信道和噪声相关模块:模拟无线传播环境, 可以调节SNR。
接收部分:经RF接收模块得到的信号首先移除循环前缀, 得到SC-FDMA符号。对其做FFT, 在结果中抽取出属于这个UE的M个子载波的时间频率图样。然后根据DMRS做信道估计[8]和频域均衡。对均衡后的信号做IDFT, 再经过星座图逆映射得到实信号。然后经过解扰, 解交织, 解复用, Turbo解码, CRC校验, 得到最终信号。
DFT-S-OFDM作为LTE上行的核心技术, 包含了DFT、子载波映射和IFFT三个模块的内容, 主要实现步骤如下:
IFFTsignal=reshape (IFFTsignal, Nr Of OFDMsymbols*FFTsize, 1) ;MultiCarrierSignal=IFFTsignal.*PhaseRotationVector.';其中, 第一句用FFT实现了DFT扩展, 第二句至第五句实现了子载波映射和补零操作, 第六句至第八句实现了IFFT。
在接收端, 相应的逆过程为FFT, 子载波抽取和IDFT, 具体实现方法如下:
前三行实现了FFT (OFDM解调) , 四至六行抽取UE相关的子载波, 七至八行实现IDFT的操作。
3 仿真结果
选择调制方式为QPSK, 传输带宽20MHz, 噪声类型为AWGN。改变Common_NoiseAdd模块中的SNR, 计算不同SNR下的BER或BLER。采用了两种方法测试, 其一是比较发射端的输入信号和接收端的输出信号是否相同, 测试节点在星座图映射和逆映射, 记为Uncoded BER。其二是根据CRC校验结果判定接收是否正确, 测试节点在传输块CRC校验后, 记为BLER。得到的仿真结果如图3、4所示。
4 结语
本文介绍了LTE上行物理层的关键技术, 实现了基于Matlab的仿真平台, 并得到了LTE典型参数下的仿真数据, 对比了BER和BLER仿真曲线。该仿真平台对于评估LTE信道编码和调制部分的标准和关键技术有一定指导意义。
摘要：首先分析了LTE上行物理层的关键技术, 并且实现了基于Matlab的LTE上行物理层仿真平台。在此平台的基础上, 对典型参数下的LTE系统的性能进行了仿真和分析, 得到了BER和BLER仿真曲线。该仿真平台及其结果对于评估LTE上行信道编码和调制部分的标准和关键技术有一定的指导意义。
关键词：LTE,物理层,仿真,Matlab
参考文献
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