时序模拟

时序模拟（精选3篇）

时序模拟 篇1

随着红外成像技术的不断发展和红外焦平面阵列IRFPA(Infrared Focal Plane Array)固体图像传感器的日益成熟,IRFPA被广泛应用于导弹制导、红外前视、红外搜索跟踪、海关缉私、海上救援和森林消防等领域的多种成像系统中。以数字信号处理器为核心的红外焦平面图像处理系统架构被广泛采用[1][2]。

红外焦平面图像预处理系统中,除需要将预处理之后的数字信号传输到后面图像处理系统外,经常还需要输出一个标准的模拟视频信号。但由于红外焦平面输出的信号是非标准的视频信号,其中不包含同步信号,所以不能用通常的同步方法来保证模拟输出的同步,需要采用特殊的同步方式。本文利用红外焦平面的积分信号,基于FPGA实现了一种红外图像预处理系统模拟视频输出的同步方案。

1 红外焦平面及其构成的视频图像处理系统

一种以数字信号处理器为核心的红外焦平面视频图像数字预处理系统的总体框图如图1所示。

1.1 基于DSP的视频图像处理系统[1][2]

本系统从功能上可以分为四个部分:DSP数据处理与存储模块,数据采集模块,数字与模拟数据输出模块及时序控制模块。DSP数据处理与存储模块完成图像的非均匀校正、坏元替代、自动增益控制、图像冻结、极性变换、直方图统计以及电子变焦等数据处理;数据采集模块包括高速A/D转换电路、输入数字信号的同步FI-FO缓冲电路等;输出模块包括缓冲输出视频数据的同步FIFO存储器电路、视频D/A转换器以及RS422电平格式的数据发送电路,该模块完成模拟视频信号的显示和向下一级处理系统送数字信号;时序控制模块的主要任务是在DSP的协调下控制所有模块的时序和工作状态,从而保证系统正常工作。

时序控制模块由FPGA芯片及外围电路构成,其顶层信号配置如图2所示[3]该FPGA为系统提供主要的时序控制,包括各器件所需的时钟、中断信号、同步信号等。

图1所示系统的工作过程为:来自FPA探测器的两路输入视频信号经视频A/D变换为数字信号后进入先进先出(FIFO)存储器,并经由DSP的DMA通道存入DSP片内RAM中,进行非均匀性校正、坏元替代等处理,并将处理后的图像数据通过DMA通道搬至数字视频输出FIFO后送至下一级图像处理系统。同时,处理后的数据经由另一个输出FIFO进入视频D/A转换器,在复合同步信号和复合消隐信号的控制下,转换为标准的PAL制模拟视频信号。

1.2 红外焦平面阵列的工作原理

红外焦平面阵列的工作原理是[4]:焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐射后,在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷,通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件中来读出这些电荷。当探测器将入射光子转换成电荷后,所产生的信号必须被注入读出电路,以便进行多路传输,读出电路的输出信号再进入放大电路进行放大,然后进入后续电路进行处理。

为使IRFPA正常工作,IRFPA的读出电路一般需要外部提供5个信号:相位时钟PH1与PH2、周期及积分时间均可变的积分时间时钟INT、IRFPA,工作模式设置控制字COMI与模式设置使能控制字COML。这5个信号由外部输入IRFPA。其中INT用来控制红外探测器产生的光电流在积分电容上的累积时间。PH1、PH2作为读出电路中移位寄存器行和列扫描的时钟和复位时钟。此外,通过控制积分时间时钟的周期可以改变IRFPA输出图像的帧频。

由以上的叙述可以看出,系统前端IRFPA输出的图像信号不包含标准视频信号的同步信号、消隐信号等。所以无法从中分离出这些信息,需要系统自己生成符合PAL制标准的同步信号等,然后合成标准PAL制视频信号。下面介绍模拟视频信号的原理及实现方法。

2 模拟视频信号的生成

本系统采用Bt121作为视频编码器芯片[5],由其合成PAL制标准视频信号。图3是生成全电视信号所需各种信号的FPGA模块框图。该模块有4个输入信号:CLK,REN4,CLK8M,RESET。其中:CLK是主时钟信号;REN4是DSP送给FPGA的控制信号,REN4为低时开始产生模拟视频信号输出;CLK8M是8MHz的时钟信号;RESET是复位信号。输出5个信号:SCLOCK、BLANK、SYNC、RCLK4和PRS4。其中SCLOCK是视频编码芯片BT121的时钟信号;BLACK和SYNC分别是送给BT121的消隐信号和同步信号;RCLK4是模拟口FIFO的读时钟信号;PRS4是模拟口FIFO的清空信号。

2.1 SYNC和BLANK信号设计[6]

要产生符合PAL制标准的电视信号,需要产生满足如图4所示的复合同步信号和场消隐信号。图中阴影部分就是产生的有效图像区域:320(列)×256(行),视场的其他部分不送图像信号。产生SYNC和BLANK信号时设计了四个模块:pix、vcnt、sync_gene和blank_gene模块。

2.1.1 pix模块

pix模块卞要用来产生半行计数器B、整行计数器Q和半行标志Tcrm,以便为其他三个模块所用。标准的PAL制电视信号,一行64μs,由于像素时钟8MHz,即125ns,64μs/125ns=512个像素,这样半行计数器B,记8MHz时钟的个数,当B=255时,B值复位为0,而D则是计数半行个数的计数器,因为一帧图像分成奇偶两场,每场312.5行,总共625行,这样D的值就从0～1249。同样Q用来计数整行,Q=511时,Q的值复位为0。当计数器每次计数到255时,也就是B值变化时,Term变为1,其他情况下Term为0。

2.1.2 vcnt模块

vcnt模块主要产生F和H标志,用F和H两个标志标示SYNC信号的产生.。在该模块中,用一个计数器赋D的值,当D值不同时,产生不同的F和H值。当D为619或1244或629或4时,F和H都为1;当D为624或1249时,F和H分别为0和1;当D为634或9时,F和H分别为1和0。

2.1.3 sync＿gene模块

通过前面产生的F和H值的不同组合加上B和Q的不同值,就可以确定SYNC信号发生跳变的时刻。只要记录下这些时刻,就可以生成符合要求的SYNC同步信号了。F和H以及B和Q的组合所代表的时刻如表1所示。

2.1.4 blank＿gene模块设计

消隐信号的产生,主要是齿脉冲信号的产生,同样可以通过齿脉冲的不同,区分奇偶场信号。通过D和B的值就可以知道何时在场消隐期间,何时不在场消隐期间,场消隐信号的产生逻辑如表2所示。

2.2 RCLK4信号的设计

RCLK4信号是模拟口FIFO的读时钟,当有读时钟时就有数据被送到BT121。因此在一场期间,只在图中阴影部分才产生RCLK4。

通过两个标志信号flag_256和flag_320v控制RCLK4的产生。flag_320v信号用来记每一行像素点的位置,由于一行64μs,相当于512个像素,除去行逆程12μs,96个像素,正常能显示的像素个数是512-96=416,因此让图像显示在屏幕的中央部分:416/2=208,208-160(半行像素的个数)+96(逆程)-12(前肩宽度)=132,因此选图像开始的第一个像素的位置为132,而最后一个像素的位置也就确定了:132+319=451,于是在计数器值大于132并且小于451时,令信号flag_320v=1,否则为0。

注:表中VB代表场消隐。

在确定了每一行的位置后,还要确定从哪一行开始显示图像。由于一帧图像分成奇偶两场,所以每场都显示256行,而PAL制中每场312.5行,312.5-256-25 (场消隐期)=31.5,所以让图像上面空出16.5行,下面空出15行,中间区域显示图像。考虑到奇偶场问题,用D来计数,当77

最后得到flag_256和flag_320v两个信号后,在两个信号都为1时,让RCLK4输出8MHz时钟,相当于在这些时刻显示FIFO中的数据,而其他情况输出0,不显示数据。

SCLOCK信号是Btl21的工作时钟,其设计较简单,这里不再详述。

上述的同步信号、消隐信号、时钟信号以及从输出FIFO读出的数据信号经Bt121芯片合成后,成为符合PAL制标准的全电视信号,可以直接在监视器上显示输出。

本文实现了一种红外图像预处理系统的模拟视频信号输出。实际实现中还解决了系统输入输出冲突、输入输出FIFO的误读、FPGA信号的驱动等具体问题。经过对所设计的FPGA时序在红外预处理系统中的实际测试表明,其实现了预期功能,使红外图像预处理系统的模拟视频输出达到了实时、稳定的要求。

参考文献

[1] 李锵,郭继昌.基于通用 DSP 的红外焦平面视频图像数字预处理系统[J].天津大学学报,2005,38(10) :904-908．

[2] 陈志华,张洪涛,陈坤.基于 TI DSP 的红外图像采集预处理系统的软硬件实现[J].红外,2006,27(7) :16-19．

[3] 刘志杨.基于 FPGA 的红外图像预处理系统的时序设计[硕士学位论文].天津:天津大学,2006．

[4] 韩建忠,吴景生.国外红外焦平面相关技术发展[J].激光与红外,1998,28(5) :273～275．

[5] Rockwell Bt121KPJ80 Datasheet.1998．

[6] Altera.ACEX1K Programmable Logic Device Family Datasheet.2003,(5) .

时序模拟 篇2

数字物理混合仿真,也称为数模混合仿真(以下简称混合仿真),是一种先进的仿真技术[1]。它将数字仿真和物理模拟联合起来,结合了数字仿真和物理仿真的优点:利用数字仿真模拟各种不同工作条件,为设备的研究和测试带来极大灵活性;避免了对复杂设备建模的困难,提高了仿真的可信度。

混合仿真是系统仿真学科的一个重要领域,国内一般称为“半物理仿真”,国际通用的称法是HILS(hardware-in-the-loop simulation),即硬件在环仿真,指在仿真系统的仿真回路中接入部分实物进行试验的仿真方法。目前,混合仿真已被广泛应用到航天、航空、汽车、自动控制等工业领域[2]。

混合仿真在电力系统中的应用主要分为2类。一类应用于交直流混联电网的仿真研究,对交流系统采用成熟的实时数字仿真,对直流系统(或柔性交流输电系统设备)则采用原型模拟器进行物理模拟[3,4,5]。这类混合仿真主要是由于直流系统的电力电子设备含有高频开关动作,难以建立与交流系统数字模型相适应的合适计算模型,故采用物理模拟的方法避开这一难题。另一类应用于电力系统二次设备(如继电保护、控制器等)的实时测试[6,7],它将电力系统的一次、二次设备分别建立数字、物理模型(或真实设备)。一般将这类仿真视为实时数字仿真的扩展,也属于混合仿真的范畴。

当前,电力系统正处在新能源革命的新形势下,可再生能源开发、电动汽车、微电网、柔性输配电等各种电力新技术、新装置不断涌现,对电力系统仿真测试技术提出了新的要求。传统的混合仿真技术,接口交互的是信号量,无法适应这种需求。近年来,一种以测试功率型电力设备为目标的混合仿真新技术逐渐得到人们的重视和关注[8],并在风电[9,10]、分布式发电技术[11]、全电船[12]等领域得到初步应用。这种新的混合仿真技术能够灵活而全面地测试真实电力设备,不仅可以适应新能源革命下对电力新设备的研发需求,还可以扩展混合仿真在电力系统研究中的传统应用,具有重要的研究价值和应用前景,成为电力系统仿真技术发展的一个新方向。

这一类新的混合仿真可以称为电力一次系统数字物理混合仿真,国外一般称为PHILS(power hardware-in-the-loop simulation)[13],即功率硬件在环仿真。本文研究的混合仿真主要是指这一类。

目前,混合仿真已经有不少实际应用,但在其本身的理论研究方面取得的进展还十分有限[1]:虚拟时空与真实时空之间交互工作的基本原理还没有得到细致的讨论;准确性、稳定性等重要性能的分析和评估还缺乏系统的方法和通用的结论;接口算法研究起步较早,也取得了较多成果,但研究结论不尽相同。因此,对混合仿真方法本身进行深入研究具有重要的理论和实际意义。

建立混合仿真的数学模型是研究混合仿真理论问题的基础和前提。文献[14,15]对电阻电感一阶电路的混合仿真建立了离散动态模型,并在此模型基础上进行了理论和实验研究。文献[16]提出利用二端口网络对混合仿真进行建模的思路。文献[17]基于离散状态空间方程和椭圆集合理论,提出了一种混合仿真误差边界收敛和评估的方法。文献[18]基于传递函数模型建立了一种评估混合仿真系统准确性的方法。文献[19]提出了能量系统混合仿真(PSHS),通过分析时序对接口延时进行了补偿,并针对接口直流偏置设计了一种控制方法,改进了功率接口的稳定性。总体来说,讨论这个问题的文献还不多,现有研究的系统性和深度还不够,这影响了对混合仿真理论分析的深入。

本文从混合仿真的结构出发,详细分析了混合仿真的工作时序,并基于文献[15]的建模方法,推导出适用于一般混合仿真系统的离散动态模型,为进一步的研究提供理论基础。

1 混合仿真的结构

混合仿真将作为研究对象的原系统从一个端口分成2个部分:数字子系统,用数学模型描述;物理子系统,用物理模型模拟(或实际设备),中间则通过接口相连接。也可以从多个端口进行拆分,即多个物理模型通过多个接口与唯一的数字子系统相连接。本文主要讨论单接口的混合仿真。

数字子系统在仿真设备中进行数字计算,是时间离散的数字系统;物理子系统实际运行,是时间连续的功率系统。因此,接口的功能就是实现两侧子系统不同类型数据的转换和匹配。接口由2个通道组成:①从数字子系统到物理子系统的前向通道(或放大通道),将数字信号量转换放大为模拟功率量;②从物理子系统到数字子系统的后向通道(或反馈通道),将模拟强电量采样转换为数字信号量。混合仿真的结构如图 1所示。图中,A/D为模拟数字转换,D/A为数字模拟转换。

混合仿真中数字子系统是数学模型,无法吞吐真实功率,原来2个子系统之间的功率流动将反映在接口前向通道与物理子系统之间。数字子系统在前向通道仅仅输出信息,而通过后向通道接收物理子系统的反馈信息,建立虚拟的功率联系。因此,接口前向通道等效为一个能发出/吸收功率的受控电源/负荷;接口后向通道则等效为虚拟的物理子系统信息反馈源。

接口的设计与实现是混合仿真的关键,分为接口变量选择、物理实现和接口算法3个部分。接口变量选择,需要考虑物理实现的安全、方便以及仿真算法的特点。一般的选择是:前向通道放大接口电压,后向通道反馈接口电流。物理实现上,如果物理模型功率不高(如10 kW级),可以采用功率放大器[19];如果物理模型功率较大(100 kW～10 MW),则采用四象限电力电子功率变换器[12],并用滤波电路消除脉宽调制(PWM)波形中谐波的影响。无论是功率放大器还是四象限电力电子功率变换器,都以实际电网作为支持,以提供或吸收物理模型所需要的功率和能量。接口算法主要是为了补偿接口延时和误差的影响,合适的补偿算法可以提高接口的性能,从而提高混合仿真的稳定性和准确性[20]。

图 2给出了混合仿真系统的详细结构,物理子系统以单台动模发电机组为例。

2 混合仿真的工作时序

2.1 基本单元——帧

混合仿真工作过程可分为4个阶段[16]。

1)测量采样:接口通过传感测量装置获得物理模型的运行参数,将测量结果通过A/D转换为数字信号,输入到数字仿真器。

2)数字计算:计算程序根据输入的采样参数作为边界条件,对数字子系统进行数值计算,得到下一步数字子系统的状态和待输出到物理模型的接口边界参数。

3)信号放大:接口将计算得到的接口边界参数,经D/A转换为模拟量,再通过功率放大器转变为高电压(或大电流)的功率信号,形成物理子系统运行的新边界条件。

4)物理运行:物理模型在新的接口边界条件下实际运行。随后进入新的测量采样阶段。

定义1:有数据关联的4个阶段依次完成一次的过程定义为“帧”,即从测量采样开始,到物理运行结束(新的测量采样开始)为止。一帧的时长称为“帧周期”,记为Δt。

定义2:相邻帧开始时刻的时间间隔定义为“帧间隔”,记为T。

定义3:一帧中测量采样、数字计算和信号放大等3个阶段的时间之和定义为“帧延时”,表示每一帧中物理侧通过接口看到数字侧响应的延时,记为Δtd。

帧是混合仿真的基本单元,一帧内数字和物理两侧实现一次数据交互。设4个阶段的耗时分别为Δt1,Δt2,Δt3,Δt4,则

$\{\begin{array}{l}\text{Δ}t=\text{Δ}t{}_1+\text{Δ}t{}_2+\text{Δ}t{}_3+\text{Δ}t{}_4\\ \text{Δ}t{}_{\text{d}}=\text{Δ}t{}_1+\text{Δ}t{}_2+\text{Δ}t{}_3\end{array}(1)$

设采样间隔为hs,且不考虑过采样的情况。由帧的定义可知,帧间隔等于采样间隔,即

T=hs (2)

由于帧开始于采样,结束于物理运行的下一次采样,故帧周期是采样间隔的整数倍,即

Δt=mhs=mT m∈Z+ (3)

一帧中,Δt1由接口后向通道硬件决定;Δt2由仿真设备的计算性能以及数字侧子系统的规模决定;Δt3由数字仿真的同步程序和接口前向通道硬件决定;而Δt4则被动地由下一次采样决定,即

0<Δt4≤hs (4)

所以帧延时Δtd一般是由硬件决定的。

一帧的过程见图3。图中,t为真实时间。

2.2 串行时序与非串行时序

根据式(3)中Δt与T的关系,可分为2类时序。当m=1,即Δt=T时,一帧结束时下一帧开始,相邻帧之间没有交叠,在任意时刻4个工作阶段中都只有1个工作阶段在进行,这种时序称为串行时序,如图4所示。当m≥2,即Δt>T时,相邻帧之间存在(m-1)T的交叠,这种时序称为非串行时序,如图5所示。

由于接口硬件的延时(主要影响Δt3),一般情况下混合仿真都工作在非串行时序,串行时序则是理想情况。但由2.1小节关于“帧”的分析框架,这2类时序在数学上是一致的。

2.3 仿真步长的限制

设数值计算中仿真步长为h。从计算精度考虑,h不能太大,故h有上限要求。由于混合仿真中数值计算需要与物理侧交互数据,因此相邻2次计算之间的间隔应等于步长h。而单步计算的耗时为Δt2,故有

h≥Δt2 (5)

即数值计算具有实时性。数值仿真的计算速度受模型规模、计算能力等因素制约,所以实时性就要求h不能太小,这就限制了h的下限。

2.4 帧—步长时序

考查混合仿真数字侧与物理侧交互的协调和同步。设数字计算结果放大输出的间隔为hz。考虑h,hs,hz三者在混合仿真中的意义:h反映了数字仿真中的虚拟时间递进速度;hs反映了数字侧通过接口看物理侧参数变化的真实时间(即自然时间)递进速度;hz与hs相对应,反映了物理侧通过接口看数字侧参数变化的真实时间递进速度。显然,只有在混合仿真数字侧虚拟时间与物理侧真实时间的递进速度相等的同步情况下,混合仿真才能正常工作。故应有

hs=h=hz (6)

一般hs和h的设置比较方便,故式(6)中前一个等号容易实现。而hz则受单步数值计算的耗时Δt2限制,需要数字仿真的输出同步程序进行控制,即hz=Δt2+Δtsync,其中Δtsync为同步控制时间。混合仿真中的实时仿真系统必须按式(6)设计交互接口,一般以h为主要参数,hs和hz自动与h相匹配。

由式(2)和式(6)可知帧间隔T由h决定,即

T=h (7)

式(7)反映了数值计算在混合仿真交互过程中的作用和意义:计算步长即为帧间隔。

由式(3)和式(4)可知,帧周期Δt或m由帧延时Δtd与计算步长h的关系决定,即

m=$\frac{\text{Δ}t{}_{\text{d}}}{h}$+1 (8)

式中:·表示向下取整。

综合上述分析,混合仿真的工作时序是以帧为单位、计算步长为间隔,一帧接着一帧的推进仿真交互过程。其中,帧延时Δtd和计算步长h是基本参数,帧间隔T和帧周期Δt可分别由式(7)和式(8)得到。将混合仿真的这一工作时序称为“帧—步长时序”。

由于物理模型在真实时间中实时运行,所以混合仿真的工作时序无法像电磁—机电全数字混合仿真那样可以灵活设计,数字、物理两侧的交互只能按帧—步长时序进行。

3 混合仿真的离散动态模型

3.1 接口的建模

接口中A/D采用零阶保持器模型,D/A采用采样保持器模型。功率放大环节,虽然电力电子变换器和电力功率放大器基于不同的放大原理,但从基波分量的输出效果来看,都是带有延时的线性关系。故对功率放大和测量反馈2个环节,都采用含延时的线性模型。模型中延时的确定,需要分析数字侧虚拟时间和物理侧真实时间的对应关系。

考虑一般的时序,以m=3为例,虚拟时间与真实时间的对应关系如图6所示。图中,1,2,3,4分别表示2.1节中一帧的4个阶段。

先不考虑接口算法的设计。设α是前向通道放大的量,β是后向通道反馈的量,下标1表示数字侧,2表示物理侧。考查第k帧,tk时刻第k次采样得到物理侧变量值β2(tk),开始进行第k步计算(从sk-1到sk),由于电磁暂态计算程序采用隐式梯形积分法,采样值被送入仿真程序后一般作为虚拟时间sk的值,即

β1(sk)=kBβ2(tk)+εB (9)

式中:kB和εB分别为接口反馈的比例系数和传递误差,理想情况下有kB=1,εB=0。

然后,将第k步计算结果α1(sk)放大到物理侧,并保持到下一次更新的时刻tk+Δtd+h,即

α2(tk+Δtd)=kFα1(sk)+εF (10)

式中:kF和εF分别为放大通道的比例系数和传递误差,理想情况下有kF=1,εF=0。

由于物理侧变量是时间连续的,而数字侧变量则是时间离散的,考虑到所采样变量取的是{tk}时间序列,因此对物理侧变量也都取{tk}的值作为离散量处理。有

tk+Δtd<tk+m≤tk+Δtd+h (11)

故前向通道功率放大有:

α2(tk+m)=kFα1(sk)+εF (12)

真实时间为tk=t0+kh,而虚拟时间为sk=kh。所以只需令t0=0,即取第0次采样(实际并没有发生)发生时刻为真实时间的起点,就建立起了虚拟时间和真实时间的对应关系,即

sk=tk (13)

因此,延时参数为τF=mh=Δt,τB=0。即由于虚拟时间和真实时间的协调关系,混合仿真交互过程的延时将集中反映在接口前向通道的功率放大过程中,而反馈通道则没有延时。将这一延时称为等效延时,等效延时恰好等于帧—步长时序中的帧周期。

所以功率放大、测量反馈的模型如下:

$\{\begin{array}{l}\alpha {}_2(t+\text{Δ}t)=k{}_{\text{F}}\alpha {}_1(t)+\epsilon {}_{\text{F}}\\ \beta {}_1(t)=k{}_{\text{B}}\beta {}_2(t)+\epsilon {}_{\text{B}}\end{array}(14)$

3.2 混合仿真系统的建模

原系统一般用微分代数方程组描述,混合仿真系统则由数字、物理、接口3个部分模型组成。

数字子系统:

$\{\begin{array}{l}\dot{\mathit{x}}{}_1=\mathit{f}{}_1(\mathit{x}{}_1,\mathit{y}{}_1,\beta {}_1)\\ 0=\mathit{g}{}_1(\mathit{x}{}_1,\mathit{y}{}_1,\beta {}_1)\\ \alpha {}_1=h{}_1(\mathit{x}{}_1,\mathit{y}{}_1,\beta {}_1)\end{array}(15)$

物理子系统:

$\{\begin{array}{l}\dot{\mathit{x}}{}_2=\mathit{f}{}_2(\mathit{x}{}_2,\mathit{y}{}_2,\alpha {}_2)\\ 0=\mathit{g}{}_2(\mathit{x}{}_2,\mathit{y}{}_2,\alpha {}_2)\\ \beta {}_2=h{}_2(\mathit{x}{}_2,\mathit{y}{}_2,\alpha {}_2)\end{array}(16)$

接口模型如式(14)所示。

下面根据工作时序,推导第k帧状态变量的变化模型。为了方便起见,假设代数方程都被消去。采样、放大2个阶段的模型如式(9)和式(12)所示,只需将式(13)代入。数字计算阶段的模型为:

x${}_1^{(k)}$=x${}_1^{(k-1)}$+∫${}_0^h$f1(x1(sk-1+s),β${}_1^{(k)}$)ds (17)

不同的数值算法将影响式(17)的计算精度。α的计算结果为:

α${}_1^{(k)}$=h1(x${}_1^{(k)}$,β${}_1^{(k)}$) (18)

物理运行阶段的模型为:

x${}_2^{(k+m)}$=x${}_2^{(k+m-1)}$+∫${}_{t{}_{k+m-1}}^{t{}_{k+m}-\text{Δ}t{}_4}$f2(x2(t),α${}_2^{(k+m-1)}$)dt+

∫${}_{t{}_{k+m}-\text{Δ}t{}_4}^{t{}_{k+m}}$f2(x2(t),α${}_2^{(k+m)}$)dt (19)

新的β值为:

β${}_2^{(k+m)}$=h2(x${}_2^{(k+m)}$,α${}_2^{(k+m)}$) (20)

将式(9)、式(12)、式(17)—式(20)联立就得到了混合仿真一帧变化的模型,即为混合仿真的离散动态模型。

由时序分析和接口建模的一般性可知,离散动态模型适用于一般的混合仿真系统,包括基于不同技术的接口功率放大环节。

另外,本文建立离散动态模型的思路和方法也可以类似地应用到全数字的电磁—机电混合仿真的建模中去。

4 结语

本文对电力一次系统混合仿真的基本原理进行了研究。在研究混合仿真系统结构的基础上,详细分析了混合仿真的工作时序,提出了帧—步长时序的概念。研究了混合仿真接口建模的时间协调关系,进而建立了基于帧—步长时序的适用于一般混合仿真系统的离散动态模型。以该模型为基础可以对混合仿真进行深入理论分析。

摘要：电力一次系统数字物理混合仿真是传统混合仿真技术的新发展,可以对功率设备进行仿真测试,是一种先进的仿真技术。这种新技术能充分发挥混合仿真的优点,不仅可以适应新能源革命下对各种新电力设备进行测试和研究的需求,还可以扩展混合仿真在电力系统研究中的传统应用,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。从混合仿真的结构出发,研究了数字、物理两侧交互工作的特点和规律,提出了“帧—步长时序”的原理和框架。基于该时序,研究了混合仿真接口建模中的时间协调关系,并建立了适用于一般混合仿真系统的离散动态模型。

《惊马奔逃》的时序解读 篇3

关键词：马丁·瓦尔泽,《惊马奔逃》,叙事艺术,时序

《惊马奔逃》作为马丁·瓦尔泽 (M artinW alser, 1927-) 的成名作一经出版便轰动德国文坛, 甚至跻入当年十大畅销书之列。《法兰克福汇报》 (FA Z) 最具影响的评论家拉尼茨基 (M archel R eich-R anicki) 把它称作瓦尔泽的“夺目之作”, 并认为:“[这]是他最成熟、最出色的书。这个描写两对夫妇的故事是这些年来德语散文的一部杰作。”鲍姆加特 (R einhart Baum gart) 也在《明镜》上热情洋溢地写道:“这是瓦尔泽第一部无与伦比、举世无双的小说, 它远远超越了艺术的成就。”

一.小说作为时间艺术

小说讲述的是分别二十多年的老同学赫尔穆特·哈尔姆和克劳斯·布赫在博登湖畔不期而遇, 矛盾激化, 最后分道扬镳的故事。瓦尔泽用150页创造了文坛奇迹, 因此拉尼茨基称他为“驾驭语言的能手”。笔者在此从叙事学角度浅析这位语言舵手的叙事技巧。叙事文属于时间艺术, 是一个具有双重时间序列的转换系统, 它由被叙述故事的编年时间与文本中的叙事时间组成, 即故事时间与叙述时间。法国叙事学家热奈特根据这种双重时间的相互关系, 引出时间的一系列理论问题, 如构成叙述时间的三方面——时序、时限、叙述频率。本文仅从时序角度分析作品。

时序简言之就是指叙事时间顺序, 是相对于故事时间顺序而言的。用热奈特的话说:“研究叙事的时间顺序, 就是对照事件或时间在叙述话语中的排列顺序和这些事件或时间在故事中的接续顺序。”[热奈特把时序的变形现象叫做“时间倒错”], 这种手法是作家打乱事物发展的客观时间次序, 颠倒因果关系的一种文学手法, 是现代主义作家经常使用的写作技巧。热奈特将时间倒错大致分为两种类型:倒叙 (flashback) 和预叙 (flashforward) , Flashback直译是“闪回”, 因此“倒叙”又被称为“闪回”;flashforward则是“闪前”, 与“预叙”同义。

二.闪回:拓展时空, 弥补遗漏

“闪回”即回头叙述先前发生的事, 它包括各种追叙和回忆。作为一种传统的叙述技巧, 它受到现当代作家的极度青睐。根据闪回与开端时间的关系, 可以将它分为外部闪回、内部闪回和混合闪回。“外部闪回”叙述的是开端时间之前的故事;“内部闪回”, 它的时间起点发生在第一叙事的时间起点之内, 它的整个时间幅度也包含在第一叙事时间之内;“混合闪回”则是外部闪回与内部闪回的结合, 幅度从开端时间之前一直延续到开端时间之后。

《惊马奔逃》是人物对几天前所发生事情的回忆, 属于闪回, 而且故事整个幅度皆没有超出叙事时间, 因而可以归入内部闪回。在整部作品中, 主人公及其他人物又不断地追忆往事, 这样就构成了闪回中的闪回。如:“曾经有一次, 他不是妒忌过一个在爱丁堡获得教师职位的人吗?……那房子的窗户象教堂彩色窗户那么高, 那是克劳斯家的房子;……因为害怕, 他从未进去过。只有一次, 当他得知, 这家人全去了北海时, 他翻过围墙, 从灌木丛边上, 观赏着花园和那幢高大的建筑。”倒叙中插入的追忆不仅能扩展故事的空间, 省掉不必要的叙述, 而且可以毫无遗漏地交待过去的事情, 自然而然地向读者交代克劳斯的家境以及好胜心极强的小赫尔穆特。而如今的赫尔穆特早已不是“斗士”, 前后形成鲜明的对比。

根据闪回与故事时间的关系, 可将闪回细分为整体闪回和局部闪回, 它可以告诉我们闪回在情节中所占的比重。“整体闪回”, 指闪回构成情节的中心或主干;“局部闪回”, 又称“偶然闪回”, 是对故事中某一时刻的回顾或交待, 它是时序发展过程中的洄流。小说显然采用了整体闪回, 结尾的现在时清楚地告诉我们整个故事是赫尔穆特在火车上讲给妻子萨比娜的, 逆时叙述囊括了整部作品。本文叙述的奇特之处是叙述者采用第三人称讲述自己的故事, 这样做可以拉开叙述者与故事的距离, 用小说家杜波依斯的话说, ‘他’就是一个隔着一段距离的‘我’。此时的叙述者以理性的眼光叙述彼时的“我”。

三.闪前:游丝惹花, 将迎复脱

“时间倒错”的另一种表现是闪前, 也叫预叙。它指叙述者提前叙述以后将要发生的事情。预叙有明言的, 也有暗示的。明言的预叙清楚地说出将要发生的事, 这类叙述常常出现具体的时间;另一类则是暗示的, 如《红楼梦》十二支曲已经隐约暗示了人物的命运。闪前在叙事文中没有闪回出现频率高, 却有独特的效果。小说开头赫尔穆特夫妇坐在湖边的一家咖啡馆观看来往的人群, 赫尔穆特想到自己裸着上身的滑稽样, 自慰道“八天之后, 他对此也许会毫不介意”, 因为“八天之后, 萨比娜和他的皮肤也许会晒成褐色。”此处在当时 (博登湖度假第三天) 预言未来的事情, 而且有明确的时间提示, 因此属于明言的闪前。它通过时间上的指向性引起读者的期待, 读者必定会留意八天后夫妇俩的变化。然而, 赫尔穆特夫妇的假期未能如愿进行, 正好在第八天他们不得不“仓皇出逃”, 这与他的预期形成鲜明的对比。两个数字的叠和是不是作者有意为之?大有可能, 细小之处作者都毫不含糊, 可见瓦尔泽娴熟的创作技巧和策略。

暗示亦在文中出现数次, 但暗示一般含糊其辞, 多为后文作铺垫, 对读者要求也相对较高。如赫尔穆特在没有寄出的信中对克劳斯说:“我知道, 谁阻碍我, 谁……我不想陈述己见了, 隐瞒是我的心愿。”克劳斯则在拦截惊马大显身手后, 自豪地作了一番评论:“当时, 我只想到, 那是一匹脱缰的惊马。那个农民犯了一个大忌, 他从前面向马走去, 并且向它进行说教。你不能拦住一匹惊马的去路。惊马肯定有一种感觉, 它要保持自己道路的畅通无阻, 还有:一匹惊马可不是好说话的。”这两个暗示结合起来, 就可以清楚地看到原文所欲传达之义。赫尔穆特信中的“阻碍”与克劳斯的“拦住”不正是同义词吗, 一个要“隐瞒”, 另一个要“说教”, 赫尔穆特显然成了“惊马”。想想他每年携同妻子度假的原因:“每当证明学校和邻里对他了如指掌, 熟悉他从未承认过的性格特点时, 他都想逃开, 远走高飞, 一走了之。……现在, 他就剩下逃避这一条退路。为此, 每年去度一两次假期。”这段话采用人物内部聚焦, 淋漓尽致地再现人物的内心想法, 让赫尔穆特的真实性格在读者面前暴露无遗, 他要通过度假逃避人群和现实世界, “逃避” (Flucht) 是他存在的方式。不识时务的克劳斯偏要“拦住”、“说教”, 结果在狂风大作之夜被“惊马”踢入博登湖, 生死未卜。赫尔穆特信中暗示的“谁……”, 那个人必定自讨苦吃。暗示用的妙到极致, 虽然着墨不多, 却“该出手时就出手”。正如金圣叹所赞, “每于事前先逗一线, 如游丝惹花, 将迎复脱, 妙不可言”。

“惊马”扫清障碍后, 成功出逃了吗?克劳斯身落咆哮的狂澜后, 赫尔穆特有何反应?

“赫尔穆特小心地站起身来, 在白色的浪尖和黑色的浪谷里搜寻着。他……声音越来越大地叫喊着:克劳斯!克劳斯!当他觉得, 现在这样喊叫是为了安慰自己时, 便停止了喊叫。”赫尔穆特的大声呼唤实际是自由的呼喊, 是解脱的喜悦。惊马在小说第六章被拦截回来, 这意味着惊恐万分、要逃离人群的惊马最终还是被牵回人群中。“惊马”逃而未果, 逃避社会, 终究还得回到社会中, 因为个人、社会以及人类生存的状况没有改变。正如小说呼应的开头结尾“突然, 萨比娜从散步的人流中挤出来, 朝一张空桌子走去”把小说结实地封闭起来, 围成一个“圆环” (Zirkel) 。福尔克尔 (V olker Bonn) 把这种社会现象称为“指环运动” (Zirkelbewegung) , 赫尔穆特和布赫正生活在其中, 过着没有止境的重复生活。赫尔穆特从始自终说着一样的话, 克劳斯同样也做着重复的事, 他们作为小市民的典型代表在这个永无止尽的指环中重复。

至此, 克劳斯仍生死未卜, 读者心中的弦还在紧绷着接着, 接着有一段描写赫尔穆特与漂亮蝗虫较劲的场面:

昨天晚上, 当他终于回到度假公寓并只想尽快钻进被窝时, 在他床前的小地毯上爬着一只漂亮的绿色蝗虫。赫尔穆特要是立即踩上一脚就好了。……他只好稍稍用点力把它扯开。一根长触角垂下来, 除此之外, 这只漂亮的绿色蝗虫安然无恙。它的半球状眼睛显然无法闭合。赫尔穆特想:使劲闭上眼睛!他想, 蝗虫……绿色的颈甲……如同克劳斯·布赫搭在衣领上的金黄色鬈发。突然, 这只蝗虫……又爬行起来……长长的身体直哆嗦。他目不忍睹……自己钻进被窝里等待着颤抖的发生……今天早晨蝗虫不见了。”

他想尽快“钻入被窝”, 却有一只漂亮的“蝗虫挡道”影射着小说的情节:赫尔穆特要逃离熟人, 偏偏一个“健美”的男子克劳斯阻碍他。蝗虫显然是克劳斯的隐喻, 后文把蝗虫颈甲与克劳斯鬈发相比, 而且用“漂亮”、“绿色”[绿色 (grün) 在德语中有“年轻、未成熟、幼稚”的意思]形容蝗虫, 那不正是“健美”、“年轻”的克劳斯。“踩上一脚”暗示他潜意识中想置克劳斯于死地, 原文中使用了第二虚拟式, 德语第二虚拟式表示不真实的愿望]。不听劝阻的克劳斯被他踹入水中, 也即蝗虫不配合, 他只好“稍稍用力点”扯开它。蝗虫损失一根触角, 此外无大碍, 这一描写暗示克劳斯将安然无恙地生还, 只是设想的一条道路“巴哈马之行”成为泡影。赫尔穆特不敢看蝗虫的眼睛, 克劳斯落水前的眼神他永远不会忘记, 他只想让它快闭上眼睛或干脆死去算了。蝗虫又开始爬行, 克劳斯回到他们中间, 只是它还在不住地哆嗦, 克劳斯有惊无险, 看清楚了老同学的真面目, 想起过去的几天就不寒而栗。赫尔穆特“哆嗦了好一阵子”, 一天前发生的事自己也难料, 更害怕, “这个看透他的人”偏偏还活着。蝗虫一声不吭离开他的公寓, 结局两对夫妇不欢而散, 分道扬镳。

若将暗示部分串起来小说的基本内容及人物结局已轮廓清晰:

↓赫尔穆特信中的警告→开头框架, 警告克劳斯悬崖肋马, 否则后果自负

克劳斯拦住惊马→不识时务的克劳斯坚持阻拦赫尔穆特

惊马可不是好说话的→克劳斯必自食其果

赫尔穆特的无意识说念→克劳斯也许葬身海底

赫尔穆特与蝗虫较劲场面→结尾框架, 影射事件开头、经过、高潮及结局

四.结语

小说艺术是时间的艺术, 它不仅以时间符号 (语言) 为表达媒介, 而且以时间文本 (故事) 为内涵。光从叙事时间的一个小点——时序就可以读到如此丰富的内涵, 可见瓦尔泽对小说叙事技巧驾驭自如、游刃有余。他巧妙利用双重时间的差异, 发挥时序特有的功能, 闪回、闪前的交错使用既增强小说的层次性, 又天衣无缝地构造出流畅的文本, 恰到好处地把故事展示给读者。

参考文献

热拉尔·热奈特:《叙事话语·新叙事话语》[M]。王文融译。北京:中国社会科学出版社, 1990年。14页。

罗刚:《叙事学导论》[M]。昆明:云南人民出版社, 1995年。