功能建模

功能建模（精选6篇）

功能建模 篇1

0 引言

一个产品的概念设计过程包括了许多复杂推理及做出决定的过程[1]。据统计,产品的概念设计能决定约75%的产品成本,因此,概念设计是产品设计中最重要的部分,而功能设计是产品概念设计中极为重要的环节。

在基于功能设计的方法中,产品的功能分解是概念设计活动的一个关键步骤,其分解过程是否结束主要取决于设计者的经验[2]。目前,Collins提出了机械设计中的105种功能;Kirschman提出了机械设计的4组功能;前苏联学者Altshuler提出的TRIZ理论(发明问题解决理论)利用30个功能描述阐明了几乎所有的机械设计;Stone提出了功能基(functio nal base)的概念,功能基是在价值工程基础上并参考以往关于功能研究成果提出来的,功能基中的元素可组成1 000多个功能元(或分功能)。基于以上研究成果,为了建立规范的功能集和功能分解模型且富有语义信息,本文将本体的原则和方法引入机械产品概念设计的功能建模过程中,这样对功能分解具有普遍的指导意义。

1 基于本体的产品知识表达

采用本体作为描述产品知识的基础,其优势在于基于本体的系统应用是对知识表示语言中的建构和约束作普遍的、无歧义的语义解释的一种使用方式,可以保证支持本体的不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.1 流本体

流包含了产品模型的关键的物理信息,而一种非常抽象的、排除自然语言中的派生意义的方式,即基于本体的流的描述也是可能的。本文对流本体的构建主要参考了Pahl[3]和Szykman[4]对流分类的工作,也把流本体分为基本的3类:Material、Energy和Signal。

1.2 功能本体

本文对产品功能的描述采用的主要是Keuneke[5]对产品功能的分类,并参考了Osaka大学的MizLab提出的meta-function概念[6]。本文认为对产品功能的描述需要不同级别的功能本体,即需要定义不同层次的功能本体,越是上层的本体的定义越是抽象和精练。基于此,本文对描述功能的本体的构建从底层的描述开始,然后再考察合适的分类以及不同的子功能部件之间的关系[7]。

将产品涉及的相关的流分离出来,可以把产品功能分为4种基本类型:

ToMake——达到某一特定的局部状态;

ToMaintain——达到并维持一预定的状态;

ToPrevent ——防止系统进入非预定的状态;

ToControl ——控制系统状态在已知关系内的变化。

系统内部不同的子功能之间的关系显得更为重要,因为它构成了知识管理的推理和判断基础。

2 功能本体模型的建模

采用机械产品的功能本体模型对产品的功能语义和功能行为进行描述和表达[8]。本文建立的功能信息本体模型由流本体、功能/行为本体、功能分解模型以及功能/流模型组成。图1为基于本体的产品功能信息模型。功能信息本体模型是对产品功能信息的完整描述,使得不同设计者对同一产品进行设计时,或者同一设计者设计不同产品时,都能够有一个统一的功能信息参考模型。

2.1 功能/流模型

功能模型包括:1个类,即功能;6个基本属性,即功能关系、子功能、功能类型、元功能、目标功能和功能相关输入输出流。其中,功能表示与产品任务需求相联系的功能;功能目标表示功能的预定目标;子功能描述功能间的层次关系;功能类型和元功能提供对功能本体中词汇的引用。目标功能通过元功能与其作用的对象关联;功能相关输入输出流分别将功能与对应流关联起来。

流模型包括2个类:流、输入输出流;5个基本属性:流名称、输入流、输出流、流类型和流相关功能。其中,流表示功能的操作对象;输入输出流表示一对对应的输入流和输出流;流类型提供了对流本体中词汇的引用;流相关功能则将流与对应功能关联起来。

2.2 流本体

产品功能的流包含了产品模型中关键的物理信息,是一种非常抽象的、排除自然语言中的派生意义的方式,即基于本体的流的描述也是可能的。本文以Stone的分类为基础,细化3类基本的流,形成标准化的基础的描绘词汇,采用本体的构建原则添加词汇间的关系,并提出相应的语义信息丰富产品知识表达的语义。

2.3 功能/行为本体

对产品功能的描述需要定义功能概念模式,功能概念是具体功能模型(实例)的概念化分类,采用自上向下的方法将领域概念(类)逐步细化,是一个蕴涵继承关系的层次网状结构。在功能模型中,功能概念是以独立的方式执行的,在产品的功能本体空间中功能概念采用概念化词汇可以缩小从行为到功能映射的推理空间,并可描述功能分解模型等功能知识。

产品知识中,功能的表示在学术界尚待完善。功能要素采用分类的方法,但没有提供描述功能之间联系的机制;本文在功能要素的基础上参考Osaka大学元功能概念,构建了功能/行为本体,进一步明确了语义信息。限于篇幅,本文未展示功能/行为本体图。

2.4 功能分解模型

功能分解模型表示功能可以由若干个子功能按一定的功能关系进行组合来实现,功能之间的关系主要包括合取关系(表达功能的可分解性,即由低层次的几个功能的交集来实现较高一级功能)、析取关系(表达功能的可选择性,即由低层次的几个功能的并集来实现较高一级功能)、时序关系(表达功能存在的时间关系)、因果关系(表达功能间的相互依赖或组合关系,在功能结构中又称为侧向关系)、信息关系(表达功能存在的信息互补性或依赖性)及更新关系(表达功能分解中功能的产生、变异、退化或消失等特性)。

3 小结

概念设计在产品全生命周期开发过程中的重要地位和作用愈来愈受到人们的重视,而概念设计阶段的核心是功能的研究,本文主要对基于本体的概念设计功能建模作了初步探讨,望能对计算机辅助概念设计的研究起到一定的促进作用。

摘要：概念设计是产品设计中最重要的部分。根据本体构建原则与方法,建立了基于本体的产品功能信息表达模型,并探讨了以功能本体为基础建立产品功能结构的方法。

关键词：概念设计,功能模型,本体

参考文献

[1]李彦,王杰,李翔龙,等.创造性思维及计算机辅助产品创新设计研究[J].计算机集成制造系统-CIMS,2003,9(12):1092-1096.

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[4]Szykman S,Racz J W,Sriram R D.The representationof function in computer-based design[G]//Proceedingsof the 11th International Conference on Design Theoryand Methodology.Las Vegas:[s.n.],1999:DETC99/DTM-8742.

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[8]Johnson A L.Designing by function[J].Computer-AidedDesign,1994,26(7):505-520.

功能建模 篇2

制定IEC61850标准的出发点是“同一世界,同一技术,同一标准”,实现互操作是其最终目标之一。但当前变电站自动化和通信技术的发展日新月异,各个国家和地区间的技术发展也不均衡,为了使IEC61850标准有良好的扩展性和广泛的兼容性,标准采用了面向对象的建模技术,实现了功能和具体通信协议的解耦,面向对象的建模技术是IEC61850标准的核心。本文在分析理解IEC61850面向对象建模思想和特点的基础上,以一台典型的线路保护装置为建模对象,详细阐述符合IEC61850标准的保护设备建模过程和结果。

1 IEC61850建模步骤和特点

面向对象的思想就是将每一个对象都封装成相应的属性和服务,属性描述了对象的外部可视性,服务则提供了访问对象属性的方法。具体来讲,要实现对目标对象的IEC61850标准建模,需要遵循以下几个步骤[1,2]。

步骤1:按照“服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据—数据属性”的思路建立起目标对象的信息模型,该模型描述了对象的成员和信息结构。

步骤2:根据已定义的14类抽象通信服务接口(Abstract Communication Service Interface,ACSI)确定目标对象的模型服务功能,即外部的操作、访问、控制等信息交换方法。

步骤3:最后通过特定通信服务映射(Specific Communication Service Mapping,SCSM)映射到具体通信协议上,实现具体的通信功能。

步骤4:工程应用中,还需要根据IEC61850-6部分定义的变电站配置语言(Substation Configuration Description Language,SCL)描述装置的信息模型和模型服务功能,以满足不同装置间的配合。以上4个步骤介绍的四个基本部分:信息模型、模型服务、特定通信服务映射和SCL配置文件的关系如图1所示[1]。

这四个基本部分相互关联但又彼此独立,信息模型和模型服务相互分离,符合面向对象属性和服务分离的思想。模型服务和具体通信协议集也相互分离,这样ACSI就完全独立于具体通信协议,只需要修改相应的SCSM就可以适应不同的通信协议,具有良好的扩展性和可移植性。SCL文件完成对信息模型和模型服务标准化定义的配置功能。可以总结出,信息模型和模型服务共同组成了建模的“内核”,这一内核至关重要,它完整地阐述了目标对象的内涵和功能,是实现互操作的两个基础。

逻辑节点是信息建模的重要概念,它被定义为将应用功能分解得到的最小实体,是具有数据交换功能的最小部分。建模采用逻辑节点作为主要的基本构件去合成变电站自动化系统的功能,IEC61850-7-4部分定义了共13组约90个逻辑节点,其中关于保护和保护相关功能的有2组共38个逻辑节点。数量之多足能反映出保护对于变电站自动化和电力系统安全可靠运行的重要性。

2 线路保护的信息模型

2.1 逻辑节点名的实例化

IEC61850-7-2对逻辑节点类进行了通用性定义。IEC61850-7-4定义了兼容性逻辑节点,它是逻辑节点类的特例,继承了类的通用性定义,根据具体应用功能定义了相应的数据和逻辑节点名。如距离保护逻辑节点名为PDIS,瞬时过流逻辑节点名为PIOC,带时限过流逻辑节点名为PTOC等,直接使用这些逻辑节点名在许多场合下可能会造成误解,这些误解主要来自两个方面。

误解一:保护区段的误解,即N段式保护就会对应N个相同的逻辑节点名。

误解二:保护原理的误解,即可能出现两种或多种不同保护原理共用同一逻辑节点的情况。如工频故障分量距离保护也可以使用距离保护逻辑节点PDIS。因此有必要在基本逻辑节点名的基础上进行实例化,IEC61850-6对其进行了定义,如图2所示。

图2中,前缀名是一串英文字母,表示逻辑节点所属于的逻辑设备信息,或逻辑节点自身的功能信息,建模时就能避免误解二的情况;引用号是数字,可以用来标示保护区段,如用数字1、2、3分别表示Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。对逻辑节点名的实例化应根据一些常规的表述习惯,且一定要在SCL配置文件中进行说明[3]。

对逻辑节点名的实例化只是修改标识名,没有对逻辑节点本身进行修改。根据实际需要还可以创造新的逻辑节点,或者增加已有逻辑节点所包含的数据,但这都是基于现有逻辑节点,或逻辑节点的现有数据不能满足需求的前提下进行的。对逻辑节点或数据的扩展也一定要进行说明。

2.2 服务器和逻辑设备

信息模型的主要承载者是逻辑节点和数据。服务器和逻辑设备在建模过程中只是用于代表一定的结构信息,不代表应用信息[4]。它们按照一定的要求对逻辑节点进行划分,使建立起来的信息模型更具层次感。文献[5]将保护装置看成一台服务器,按功能划分了4个逻辑设备:保护、数据采集、I/O、人机接口。为了方便说明建模思路,本文只对核心的保护功能逻辑设备进行阐述。

2.3 逻辑节点

所选线路保护装置的主保护为纵联距离方向保护和纵联零序方向保护;后备保护为工频故障分量距离保护、三段式距离保护和两段式零序电流延时保护;另外具备自动重合闸功能。

对照保护功能及相关功能逻辑节点组,选取需要的逻辑节点并实例化,建立如图3所示的逻辑节点描述的功能图。

图3中,距离方向元件逻辑节点Dir PDIS、工频故障分量距离保护逻辑节点FFCPDIS、三段式距离保护逻辑节点PDIS1(2、3)是从PDIS扩展定义而来;零序方向元件逻辑节点Dir Zero PIOS是从PIOS扩展定义而来;两个延时段零序电流保护逻辑节点Zero PTOS1(2)从PTOS扩展定义而来;保护配置逻辑节点PSCH实现对两端量的综合判断,确定故障点位置;电网振荡检测/闭锁逻辑节点RPSB用于检测系统振荡并闭锁距离保护Ⅰ、Ⅱ段;自动重合闸逻辑节点RREC对应于重合闸功能;保护跳闸逻辑节点PTRC连接多个跳闸输入,形成一个传递给断路器逻辑节点XCBR的公用跳闸信号;物理装置信息逻辑节点LPHD和逻辑节点零LLN0是所有逻辑设备必备的两个逻辑节点,前者表示物理设备的公共信息,如铭牌、设备健康等,后者表示逻辑设备的公共数据,不仅包括逻辑设备的运行模式和行为等信息,还包括逻辑设备数据集,如定值、压板信息等,此外还包括五类可选的控制块信息[6]。

2.4 数据对象

IEC61850-7-1中将逻辑节点的数据按照其信息含义分为了五类:公共逻辑节点信息类、状态信息类、定值类、测量值类、控制类。保护功能逻辑节点组中的逻辑节点都不包含“控制类”数据,个别包含“测量值类”数据,都包含余下三类数据,这三类数据的逻辑关系可用图4来表示。

图中,虚线框内的算法是不可视,不属于建模的内容,工频故障分量距离保护能使用距离保护逻辑节点PDIS正是源于算法的不同。算法直接关系保护性能的优劣,是微机保护的核心。

实线框内的三类数据是可读的,“公共逻辑节点信息类”数据表示对逻辑节点的整体描述;“定值类”数据表示算法的输入变量;“状态类”数据表示算法的输出结果,它就地产生不能远方改变。逻辑节点的数据都有必选和可选之分,以PDIS为例,选取必要的数据列于图5中,图中括弧内的字母表示数据所属的公共数据类(Common Data Class,CDC)。每个数据都是所属CDC的特例,查找IEC61850-7-3中的CDC列表就能找出对应的数据属性。

对保护用逻辑节点数据的选择主要集中在“定值类”,它与保护算法实现的性能直接有关。如根据图5选择的数据就可以确定出距离保护用的特性圆,如图6所示。

Po RCh为特性圆的直径长度,表示整定阻抗的幅值;Lin Ang表示整定(线路)阻抗角;Pct Rch、Pct Ofs分别为图中所示直径在第一、三象限的百分比,即距离保护正、反向保护范围。需要说明的是从PDIS选取另外的定值类数据,还可以确定出距离保护的多边形特性曲线,由此也从细节上反映出IEC61850的广泛兼容性,在定值设置时必须按照上述规定进行。其他逻辑节点的数据也可做类似地分析。

3 线路保护的模型服务

抽象通信服务接口(ACSI)用来规范信息模型对外信息交换的接口和过程,每类ACSI又对应若干个通信控制块。ACSI有两种分类方法:一是根据服务的模式分为客户机/服务器模式、发布者/订阅者模式。前者主要针对控制、读写数据值等服务,后者针对快速和可靠的数据传输服务;二是根据IEC61850-5部分定义的传输时间要求,分成了7个等级:快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文、访问控制命令报文[7]。参考上述分类方法,与线路保护功能相关的ACSI可以分为以下四类:

(1)服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据的操作

这类ACSI服务采用的是客户机/服务器模式,对传输时间的要求不高,属低速报文类型,传输延时要求≤500 ms。这类ACSI服务对线路保护装置的服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据的操作如图7所示[8,9],图中左边第一列即为ACSI服务名,所有的操作需要客户机事先发出请求,服务器做出相应的响应,响应有正确响应和错误响应之分,IEC61850-7-2部分对各种请求和响应的格式都做了具体的规定。由于保护装置的数据多为状态值或定值,对应数据属性的功能约束一般不可写,因此对数据的操作没有“Set Data Value”(设置数据值)项。

(2)GOOSE服务

GOOSE服务主要针对跳闸、断路器位置等信号的传递,采用的是发布者/订阅者模式,对传输时间的要求高,属高速报文类型,在配电间隔的传输延时要求≤10 ms,在输电间隔的传输延时要求≤3 ms。跳闸信号的GOOSE服务示意图如图8所示,在逻辑节点LLN0中需要定义跳闸信息的GOOSE控制块(GOOSE Control-Block,Go CB),以区别其他GOOSE服务。图中,“Send GOOSEMessage”(发送GOOSE报文)服务最为重要,它由事件触发发送,不需要订阅者事先请求,保证了跳闸等重要信息的实时传输,IEC61850还规定了数据重传机制,保证订阅者能可靠的接收到此类重要数据;“Get Go Reference”(读GOOSE引用)、“Get GOOSEElement Number”(读GOOSE元素数目)服务是对数据集DATASET的读操作;“Get Go CBValue”(读GOOSE控制块值)、“Set Go CBValue”(设置GOOSE控制块值)是对Go CB的读写操作。

(3)报告和日志服务

这两类服务采用的是客户机/服务器模式,属于低速报文类型。报告服务定义了服务器立即或经若干缓存时间后将组合的数据集传输给客户的机能。报告有缓存报告和非缓存报告两种,其主要区别是缓存报告能够保证传输过程数据的完整性。日志服务定义了将事件顺序地存储在服务器日志中,以备查询的功能。日志记录又可以分为周期记录和时间触发记录两类。

(4)其他服务

包括时间同步、文件传输、定值组控制等服务,它们均采用客户机/服务器模式。保护用的时间同步报文的时间精度至少要求达到±1ms;文件传输报文的传输时间不重要,无具体限制;定值组控制实现对定值组的读取、修改、切换,属低速报文。

以上介绍的所有服务除了时间要求外,标准还规定了数据完整性的要求,此处不再详述。

4 线路保护模型的实现和SCL配置

在线路保护装置的信息模型已建立和模型服务已确定的基础上,通过特殊通信服务映射SCSM将抽象的服务映射到具体通信协议上,符合IEC61850标准的通信就得以实现。线路保护功能的SCSM可以将其分成两个部分[2]:

(1)上行数据的映射,实现报告、监测、控制等操作。该通信网络基于OSI七层模型,上三层使用MMS协议,下四层通常采用TCP/IP协议集。

(2)下行数据的映射,实现跳闸命令、断路器位置等信息的传递,如GOOSE网。为了减少协议解析的开销,GOOSE网采用应用层数据经表示层ASN.1编码后就直接映射到数据链路层的模式,有效的提高了数据传递的实时性。

按照IEC61850的规定,信息模型和模型服务都是通过基于XML语法结构的SCL配置文件来实现的,以实现装置间的无缝连接。以图8中的跳闸信息数据集DATASET的SCL配置为例:

可以看出配置文件描述了DATASET中所含的成员数据,以及这些数据所属的逻辑节点及其实例名、功能约束信息。

除信息模型和模型服务使用SCL配置以外,变电站的拓扑结构以及逻辑节点与变电站功能的关系也是通过SCL配置文件来实现的,以实现装置与系统的无缝连接。

5 结语

IEC61850标准是一个严密复杂的体系,信息模型和建模方法是其核心。只有严格按照标准规定的概念、语法语义和步骤,建立起目标对象完善的信息模型和模型服务,才能保证互操作的实现。本文对一台典型的线路保护装置进行了建模实践,对逻辑节点和数据建模、分层信息交换模型、GOOSE服务模型及映射实现等相关内容进行了详细的分析,以求对学习和实践IEC61850标准有一定的借鉴意义。

参考文献

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功能建模 篇3

关键词：图书管理系统,功能需求,过程模型,对象转换模型,交互模型

0 引言

系统开发由需求分析、设计、实现和测试等一系列活动组成,而需求分析在项目开发中的地位也越来越高,起着至关重要的作用,如果需求分析不当,整个系统开发可能会出现各种意想不到的结果。尤其是系统功能需求的获取更是重中之重,功能需求的获取不但非常困难、极易出错,而且要和用户经常沟通交流,如何准确的从系统功能需求描述中获取系统的需求是项目获取成功的至关重要的前提条件。在系统开发中,一般采用面对面沟通来获取需求,这样往往会因为个人理解不一样而出现偏差,为了能够准确获取系统需求,我们希望将系统需求描述从不同角度转换成各种模型,形成一种多视觉的需求模型,从中抽象出系统真正的功能需求。

从系统需求描述所包含的信息中,我们可以从三个角度来将其转换为过程模型、对象转换模型、交互模型,来全方位描述系统功能需求信息。因此,本文通过图书管理系统将该管理系统的需求描述先转换为过程模型,再基于过程模型,将需求描述转换为其他需求模型,最终建立一种多视觉的图书管理系统功能需求模型。从中抽象出图书管理系统真正的功能需求。

1 系统功能需求描述

对于图书管理系统,系统主要的功能需求描述如下 :

(1)登录者根据身份不同可进入不同页面,可以提供不同的服务。

(2)可实现书籍信息的录入、修改、查询。

(3)可实现学生信息的录入、修改、查询。

(4)可实现借书,还书,预订书籍,续借,查询书籍,过期处理和书籍丢失后的处理。

(5)可实现用户权限管理和自动借还书功能的实现。

2 系统功能需求建模过程

为了从需求描述中准确获取系统的功能需求,主要从过程模型、对象转换模型和交互模型三个角度来分别对系统的需求描述进行建模,通过这三种角度模型的建立,从中得到图书管理系统确切的功能需求。

2.1 过程模型的建立

我们通过对图书管理系统功能需求描述的理解,对整个图书管理系统的功能需求描述有了全局的把握,再将其转换为过程模型,在转换过程中,利用UML建模中的活动图来将需求描述转换为过程模型,与过程模型相关的有活动状态、活动,在整个需求描述中先找到活动起点,活动终点,从起点到终点间再识别出活动。对于简单的需求描述,可以使用单个过程模型,如果需求描述过于复杂,可分层,采用逐步细化的方式,一层一层的构建其过程模型。根据图书管理系统功能需求的描述,可构建其还书功能过程模型如图1所示。

2.2 对象转换模型的建立

在系统需求描述中,存在着对象的一些动态变化,可以通过构建对象转换模型来描述这种动态变化。对象转换模型可以利用UML中的状态图来建模,与对象转换模型相关的有状态、状态迁移和事件这几个关键要素,对象转换模型的构建可从需求描述中先找到起始状态和结束状态,再通过事件的激发慢慢从一个状态转换到另外一个状态。根据图书管理系统功能需求描述,我们可构建其还书功能对象转换模型如图2所示。

2.3 交互模型的建立

在系统需求描述中,除了对象的一些动态变化外,还存在着很多的参与对象,对象与对象之间往往有很多交互,为了将对象间的交互关系体现出来,可以建立对象间的交互模型。对象间的交互模型可以通过UML中的时序图来建模。与交互模型相关的要素有对象、生命线和消息。在构建交互模型时,先要找到模型中相关的对象,再识别对象与对象间所存在的通信消息,最后再标识出消息所发生的先后顺序。根据图书管理系统功能需求描述,可构建其还书功能交互模型如图3所示。

3 系统需求建模评价

我们从不同的角度对图书管理系统进行了功能需求模型设计,为了验证多视觉图书管理系统需求建模的效果,我们从实际应用的角度通过调查的方式来客观评价这种多视觉需求建模的可用性和满意度。

我们从抽取10名计算机相关专业的教师,在限定时间内要求其将图书管理系统某一方面的需求描述转化为三个角度的功能需求模型,并在最后要求填写一份问卷调查表。调查结果显示如表1所示。

从调查结果可以看出,这种多视觉图书管理系统功能需求建模是确实可行的,可以帮助我们从需求描述中准确获取系统的功能需求。

4 结束语

功能建模 篇4

随着传统能源的日趋枯竭, 环境污染等问题日益凸显, 太阳能作为一种替代能源的重要地位已不可忽视[1]。而如何有效的利用太阳能则成为了当今的热门研究课题。对于光伏发电系统的仿真, 通常采用的方法是按照准稳态理论来对系统各部件进行建模。但在光伏并网发电系统动态性能的研究中, 光伏发电站运行时, 对于太阳光照强度、环境温度的变化, 常规模型很难反映其对电网的影响。这就需要建立光伏阵列的动态仿真模型[2]。光伏阵列是分布式光伏并网电站系统的关键部件, 其I-U特性是太阳辐射强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数, 由于该模型不能实时反映上述参数变化对整个系统性能的影响。鉴于MATLAB/Simulink仿真工具可用于复杂系统的仿真, 利用光伏模块直流物理模型, 建立光伏阵列通用仿真模型。将上述光伏阵列的通用仿真模型用于单相光伏并网系统的动态仿真, 进而解决光伏阵列模块建模通用性问题。

1 MPPT通用模型

1.1光伏电池原理

太阳能是一种辐射能, 可以利用能量转换设备将其转换为电能, 这种把光能转换为电能的装置主要是光伏电池。光伏电池是一种基于光伏效应特性的可以把光能直接转换成电能的半导体器件。所谓的光伏效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体, 液体和固体中均可产生这种效应。在固体, 特别是半导体中, 光能转换成电能的效率相对较高。

光伏电池实际上是一个PN结。通常用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质。为了在光伏发电系统的设计中, 更好的分析光伏阵列的电性能, 使其与光伏控制系统匹配, 进而达到最佳的发电效果, 需要建立光伏电池数学模型[3], 来反映光伏电池各项参数的变化规律。

经过简化之后的电路为:

通过化简后得到的光伏电池输出特性方程如下式所示:

其中, IL表示输出电流, UOC表示开路电压, I0表示反向饱和电流, TC表示光伏电池温度, Iph表示光生电流, q表示电子电量, A表示理想因子, Rs表示串联电阻。

1.2光照强度和环境温度对光伏电池的影响

光伏电池是一种将太阳能直接转化为电能的器件, 是半导体光电二极管按照一定的规律组装而成, 其发电量受光照强度和环境温度等因素影响。

在25℃时, 不同太阳光照强度对太阳能电池电压和电流的影响曲线如图3所示。在光照强度分别为0.6W/m2、0.8k W/m2和1k W/m2的阳光照射下, 随着太阳辐射的增强, 短路电流、开路电压和输出功率都随之变大, 但开路电压变化不明显。

外界温度的变化会对太阳能电池的性能产生一定影响。根据太阳能电池的数学模型并通过仿真验证, 分析在光照强度为1k W/m2的情况下, 温度的变化对太阳能电池的性能影响如图4所示。

考虑太阳辐射和温度影响时, 可得到下式:

其中, ISC表示短路电流, Umax表示峰值点电压, Imax表示峰值点电流, α表示电流变化温度系数, λref表示太阳辐射的参考值 (1k W/m2) , Tref表示电池温度参考值 (25℃) , λ表示太阳辐射强度

1.3 MPPT通用仿真模型的建立

光伏阵列在任意太阳辐射强度及环境温度下的功率表示为[3]:

为了将最大功率控制编入光伏阵列的模型中, 基于MATLAB Function模块, 将公式 (2) 编写成M函数, 其功能是将M函数与Simulink有机结合起来, 这样不但使仿真模型简单, 而且大大降低了执行时间。至此, 光伏阵列的MPPT通用模型就建立完成。

2 MPPT通用模型在单相光伏并网中的应用

将所设计的光伏阵列MPPT通用仿真模型应用于单相光伏并网系统中。具体过程是将光伏阵列所输出的最大电流送到逆变桥的正端, 通过脉冲触发器触发逆变桥将直流电变为交流电并与单相220V进行并网, 单相并网系统的MATLAB模型[4,5]如图5所示。

3仿真结果与分析

将测量元件检测并网之后输出的单相交流电压与电流及电压基波幅值作为仿真结果, 如图6所示, 当太阳辐射强度分别从1k W/m2降至0.8k W/m2和0.6k W/m2时, 并网电压基波幅值基本不变而并网电流随着太阳辐射强度的减弱而减小, 电流幅值由22A逐渐降至12A。

通过以上仿真结果表明:在单相光伏并网中, 所建立的MPPT通用模型能够构准确快速找到新的工作点并保持系统稳定。

4结束语

通用MPPT仿真模型不仅能实现准稳态下的光伏系统仿真, 而且当太阳光照强度、环境温度变化时, 也能够很好的反映光伏发电站运行状态的瞬态变化以及这种变化对并网的影响。将光伏阵列通用MPPT仿真模型用于单相光伏并网系统的动态仿真, 结果表明:该通用模型能够很好的反映太阳辐射度对发电系统的影响, 进而说明验证了该光伏阵列通用模型能够应用于实际系统仿真研究中。

摘要：为了克服单纯用Simulink元件库建立光伏阵列模型过程复杂的缺点, 利用光伏阵列输出特性方程和MATLAB/Simulink建立了基于M函数的光伏阵列最大功率控制的通用仿真模型。将该通用模型用于单相光伏并网系统MPPT中, 并在不同光照强度下, 对单相并网系统进行仿真实验, 仿真结果表明:该模型能快速找到新的工作点, 并保持稳定, 具有良好的动态特性和强鲁棒性。

关键词：光伏阵列特性,光伏并网,MPPT,MATLAB仿真

参考文献

[1]虞华, 郭宗林, 陈光亚, 等.新能源产业现状及发展趋势[J].中国电力, 2011, 44 (001) :83-85.

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[4]Wang X L, Yang L, Yan P.A New Engineering Model of Solar Array and MPPT Control[J].Advanced Materials Research, 2012, 383:591-597.

功能建模 篇5

1.1 现状

根据咸阳市监测站历年来的常规监测资料, 自2006年至2010年市区交通噪声值从化硫年均值从61.01 d B (A) 上升至65.5d B (A) , 见表1。

1.2 年内时空变化分布规律分析

城市道路交通噪声:2006-2010年年间变化趋势见图1。

从图1可以看出, 2006年-2010年, 2010年城市道路交通噪声年均值最高为65.5d B (A) , 其次是2009年54.3 d B (A) 。咸阳市市区城市道路交通噪声逐年上升。

2 原因分析

社会经济与汽车制造业的迅猛发展, 中低汽车、小轿车大幅降价, 私家车数量迅速增长, 因此城市交通压力增大, 导致道路交通噪声值升高。

3 对策建议

强化交通噪声控制措施。对市区行驶车辆合理分流, 使市区交通干线保持适当的车流水平及顺畅;继续增加城区禁鸣路段或禁止驶入噪声敏感地带, 货运汽车按规定路线行驶, 优化交通信号配时, 机动车密度高的路段, 采用信号灯协调控制技术, 尽量减少汽车由于减速-怠速-起动-加速产生噪声的机率同时限制破、旧车辆进城, 在汽车年检中增加噪声检测。

单位:d B (A)

摘要：简单介绍Proe行为建模功能原理, 及利用该功能解决在实际生产容器中难以用数学公式计算的容积及刻度标注的现实问题。

功能建模 篇6

1 变胞机构变胞部分的构态变换描述

1.1 关联矩阵的描述方法

变胞机构的多个构态形态的变换可以由矩阵演算来描述, 本文通过二进制代码的逻辑运算来描述变胞机构构态的变换, 且给出了构态变换的逻辑运算表达式, 如式 (1) 所示。

式中, A (knk+1) ×mk是描述构态k的矩阵表达式, 有nk个构件, mk个运动副;B (k, k+1) 是构态k到k+1 的变换矩阵, 具体形式与构态变换方式有关;⊕表示矩阵对应元素进行异或运算, 未对应元素与0 进行异或运算 (0+0=0, 0+1=1, 1+1=0) 。

由关联矩阵的特性可知:矩阵行运算表示构件变化, 矩阵列运算表示运动副变化。

此文研究的变胞焊接机器人结构是基于构件数目的变化达到根据不同工作环境采用不同的拓型结构, 使用力变胞和几何变胞的方式使机构变胞过程得以实施。构件数目的变化分为构件数目减少和构件数目增加两种。

1.2 机构的构型

该机构的构型图如图1、图2、图3、图4 所示。

1.3 变胞部分构件数目变化

此机构以构件数目的减少来说明。变胞是通过构件的合并来实现的, 通过吴艳荣等提出的一个折纸机构可以看出比较简单的构件数目减少的拓扑变化过程, 如图5 (a) 所示, 含闭环子链的开环七杆机构, 先将构件6 与7 合并, 之后把4 合并到构件6 和7 形成的新构件中, 形成闭环五杆机构, 再将构件3 合并到构件2 (利用构件1和5 之间的P副把构件2 和3 连接在一起, 使之与P副平行) , 形成闭环四杆机构。

将构件i2合并到构件i1 (1≤i1, i2≤nk, i1≠i2) 的构态变换就是将中li2行的连接关系转移到li1行, 再将li2行元素全变为0, 表示构件消失。该变换矩阵可写为公式 (2) 。

根据式 (1) 和式 (2) , 图5 所表示的构态变化过程可由矩阵演算描述为以下公式。

从图5 (a) 到图5 (b) 的变换过程如式 (3) 所示。

从图5 (b) 到图5 (c) 的变换过程如式 (4) 所示。

通过利用关联矩阵法描述变胞焊接机器人的构态变换过程可以看出, 提出的矩阵逻辑演算可以清楚描述在构态变换过程中构件数目变化所引起的拓扑结构的变化, 从而为下一步的运动学建模及以后的动力学运算提供依据。

2 工作空间仿真分析

在Solidworks里建立变胞焊接机器人三维各零部件模型, 并进行装配, 然后通过Solidworks与Matlab之间的无缝连接, 将模型导入Sim Mechanics, 系统自动生成由各刚体、关节阻尼传感器等组成的仿真模型, 在各关节增加驱动模块, 并编写工作空间的M文件, 建立观察仿真模型工作空间的模块, 变胞前后的工作空间的变化如图8、图9 所示。

通过变胞机构工作的变化可以看出, 变胞焊接机器人变胞前的工作空间呈现圆形规律, 可达最大空间是类圆面;变胞焊接机器人变胞后的工作空间呈现椭圆形规律, 可达空间是椭圆环面;机构的整个工作是两者的叠加, 比一般机构工作空间更大, 也更灵活。

3 结论

(1) 将变胞机构应用于机器人领域研究, 发明一种可控机构式变胞焊接机器人, 可按不同阶段的工作需求改变完成。适用于多种场合, 且电动机安装在机架上, 避免在铰链处, 导致刚性差、惯量大的问题。

(2) 运用关联矩阵法描述变胞焊接机器人在三种构态变换下的变换矩阵, 有利于分析结构的工作原理和构态转化的具体特点。通过关联矩阵中行列二进制代码的运算 (异或运算) , 能准确表达机构运动前后构件与运动副的变化, 并且在过程中不需要对构件和运动副进行重新编号, 有利于变胞机构运动学和动力学的计算机分析。

(3) 针对这种新型变胞焊接机器人机构的结构和连接特点, 采用李群李代数旋量对整个系统进行运动学方程建模分析, 得出机构的闭环约束方程。

(4) 通过工作空间仿真分析, 其工作空间比一般的机构工作空间更大, 也更灵活。

摘要：此文使用了关联矩阵及逻辑运算, 对变胞过程进行描述, 该方法能直观地描述出构态变换的过程和目的, 变胞矩阵构造简便。同时, 结合李群、李代数的旋量理论, 给出机器人系统的运动学建模方程, 并用Matlab/Sim Mechanics进行工作空间仿真, 为后面进行运动学仿真和动力学仿真奠定基础。

关键词：机器人,变胞机构,关联矩阵,旋量理论,Matlab/SimMechanics工作空间

参考文献

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