控制仿真平台（共12篇）
控制仿真平台 篇1
0 引言
近年来,随着我国国民经济的发展和高新产业的进步,电力用户对供电质量的要求逐年提高。但大功率工业负荷如交直流电弧炉等都给电力系统造成很大污染。作为新兴的FACTS装置,DSTATCOM能够有效解决电弧炉、轧钢机等大型工业负荷对电网的污染,逐渐成为研究的热点和配电系统负荷补偿的重要发展方向[1,2,3,4,5,6]。但由于电弧炉运行的复杂性和随机性,传统建模方法难于对负荷模型、补偿设备、控制策略和补偿效果进行有效的模拟和评估。
为保证实际装置的可靠性,大功率电力电子装置在实际投运前需建立与实际系统结构相同、容量缩小的物理样机模型进行控制器测试,设计周期长、经济成本昂贵。文献[7]给出了一种基于硬件在线闭环测试系统(HIL)的实时数字仿真平台的设计方案。该平台主要采用了高速微处理器技术和并行计算等技术,不受实际系统规模和结构复杂性的限制,保证了研究对象和实验系统的安全性,与物理仿真环节相比,能够加快设计周期,并有效降低开发成本。
根据某炼钢厂交直流电弧炉在炼钢熔化期的三相负荷实际电流,提出了采用现场录波数据的电弧炉负荷实时数字仿真模型,对电弧炉运行时产生的电能质量问题进行全面研究。针对电弧炉所存在的功率冲击、高次谐波、三相不平衡等问题,文中提出了DSTATCOM综合治理方案,并利用DSP、FPGA等微处理器,完成了DSTATCOM实际物理控制器的硬件设计。最后,利用在线测试平台,实现了DSTATCOM物理控制器与实时数字仿真控制平台的闭环工作,验证了所设计补偿方案对电弧炉电能质量问题进行治理的有效性。
1 采用现场录波数据的电弧炉系统实时数字仿真模型
1.1 实时数字仿真控制平台
实时数字仿真平台主要用于实现硬件装置的在线闭环测试(hardware-in-the-loop)。这里通过该平台搭建配电系统电弧炉实时仿真模型。实时仿真平台由控制和仿真2个部分组成,整体结构如图1所示。
图中,仿真器主要模拟实现电弧炉供配电系统模型,包括DSTATCOM装置。其硬件组成与各部分功能见文献[7]。通过A/D,可以对供配电系统中各电量进行采集,以便于计算和分析。系统中电弧炉基于现场录波数据进行建模,以达到对其电气特性的准确描述。
控制器部分由DSTATCOM实际物理控制器构成,完成基于瞬时电流分相补偿方案的脉冲计算。其基本原理是利用参考电流生成PWM脉冲信号驱动开关装置产生补偿电流。补偿电流与负荷电流叠加,使系统三相电流与三相电压垂直,从而实现对功率冲击、谐波电流以及不平衡的补偿[8,9,10,11]。控制器补偿方案具体设计见第2节。
1.2 电弧炉实时数字仿真模型
配电系统电能质量问题,主要由负荷的非线性、不平衡性及动态特性等决定。所以,如何搭建精确模拟实际状况的负荷模型,成为配电系统电能质量问题研究的前提和关键。
而电弧炉作为目前世界各国炼钢的主要设备,它在运行时由于电弧电流受电磁力作用、电极移动以及对流气体的影响而变化剧烈,进而产生剧烈的无功、有功冲击,还造成系统电压的剧烈变化,这些都使得电弧炉对配电系统电能质量影响尤其突出。因此这里将根据交直流电弧炉负荷特点,进行电能质量问题综合治理的研究。
图2所示为电弧炉供配电系统仿真结构图。
交直流电弧炉直接与10 k V配电系统相连接,同时并联接入链式逆变器DSTATCOM,忽略线路阻抗及其他负荷影响。
仿真系统主要参数:10 k V配电系统母线短路容量S=740 MV·A;DSTATCOM容量SDS=50 MV·A;系统等效电抗L2=0.43 m H;STATCOM连接电感L1=2.86 m H;STATCOM等效电阻(损耗)R=0.078Ω;链接直流电容容量Cdc=8 000μF。
采用现场录波数据的电弧炉系统仿真模型是把从冶金工业中实际采集到的三相电流信息作为可控电流源的控制信号,通过合理设置参数,就可以充分反映电弧炉的实际运行工况,达到精确模拟电弧炉电气特性及其对供电系统所带来的影响。
该建模方法简便易行,省去了繁杂的数学推导与工程近似的过程。如图3所示,为交直电弧炉在熔化期三相电流波形。
电弧炉熔化期,由于钢渣熔化、钢液流动等导致电极与炉料之间电弧的极不规则变化,甚至发生两相和三相短路,严重污染了配电系统。此外,直流电弧炉由于整流环节的影响,其谐波含量更加丰富。根据以上负荷电流的不同特点,对于以交/直流电弧炉为主要负荷的配电系统电能质量问题的综合治理,主要集中在4个方面:无功补偿和功率因数校正;不平衡度补偿;消除谐波电流;实时动态补偿。
2 DSTATCOM补偿方案设计
针对电弧炉负荷电能质量问题,DSTATCOM控制器采用瞬时电流分相控制的方案对无功冲击、谐波电流等进行综合治理。瞬时电流分相控制具有动态响应速度快、补偿效果好的特点。其基本原理就是根据负荷电流的特点,计算产生动态补偿参考电压,并以此作为功率开关器件的控制信号,生成实际补偿电流对配电系统负荷进行补偿。由于DSP等微处理芯片的高速运算性能,瞬时电流分相控制方案能够实时响应电弧炉负荷的暂态变化,并实现三相分立控制。系统电流方程见式(1),其中isx为DSTATCOM补偿后系统电流;iLx是电弧炉负荷电流;istax为DSTATCOM补偿电流。而瞬时电流分相控制就是针对负荷电流中的基波和谐波补偿电流进行实时计算并补偿,从而有效抑制污染[12]。
所设计的DSTATCOM补偿方案主要包括由补偿参考电流的检测(包括基波和谐波)、直接电流控制及PWM控制3个部分组成。下面分别进行介绍。
基波补偿电流的检测主要针对无功冲击和三相不平衡进行补偿。基波补偿电流检测环节的工作原理为:通过对三相负荷电流iLa、iLb、iLc进行双d-q变换,得到负荷电流的正负序d、q轴分量:iL,P d、iL,Pq、iL,Nd、iL,Nq。其中,仅iL,Pd为负荷电流中的对称有功分量,其余3个分量都将引起负荷的无功需求及三相不对称。通过电纳补偿原理可以计算得到基波补偿参考电流,计算公式如下[12,13,14]:
谐波补偿电流的检测分为2个过程:谐波幅值、相位信息的提取、谐波补偿参考电流的生成。对于需要补偿的n次负荷谐波,设其为Icos(nωt+α),通过乘法器得到其幅值、相位信息以及倍频分量,如式(3)所示。
经过低通滤波得到n次谐波幅值A=Icosα/2,B=I sinα/2,再通过乘法器即可生成n次谐波补偿参考电流,如式(4)所示。
通过需要补偿的特定次谐波参考电流irn与基波补偿参考电流irq,就可以计算产生瞬时参考电流。通过直接电流控制的方法,可以计算得到瞬时参考电压信号ucar、ubcr、uabr。
文中PWM控制方案采用基于载波移相的空间矢量PWM调制方法(SVM-PWM)。它具有便于实时控制和电压利用率高的优点,通过载波移相后可以更好地消除低次谐波,是一种优越的PWM方案[3,4,5]。通过参考电压信号ucar、ubcr、uabr,可利用SVM-PWM控制方法计算生成功率开关器件的驱动信号,对系统进行补偿[14]。
3 基于现场录波数据的电弧炉补偿系统仿真分析
3.1 交流电弧炉仿真
根据交流电弧炉负荷电流的特点,主要研究其引起的无功冲击和三相严重不平衡的问题。利用实时数字仿真控制平台,可以实现控制器对DSTATCOM装置进行控制的数字模拟。图4所示为链式DSTATCOM补偿后系统三相电流。
从图中可以看出,经过DSTATCOM补偿,负荷电流的不平衡分量得到改善。图5为DSTATCOM环内电流in及其向系统注入的有功Pin、无功Qin示意图。可以看出,DSTATCOM的核心功能之一,即是跟踪负荷电流的瞬时变化特性,实时进行无功补偿,提高系统功率因数。
图6为经过DSTATCOM补偿后,p点(见图2)的功率分布与交流电弧炉本身的功率需求。从图中可以看出,负荷本身的无功功率QL需求在电弧炉熔化期变化剧烈,最大无功需求接近15 Mvar。经过DSTATCOM补偿后,系统发出的无功功率Qs始终接近0,功率因数λ也从0.6提高到接近1.0。
如第3节所述,负荷电流的严重不平衡主要是由正序无功分量(q轴分量)iL,Pq、负序d、q轴分量iL,Nd、iL,Nq引起的。负荷电流及系统电流的序分量结果如图7所示。
从负荷电流(实线)可以看出,除正序无功分量外(幅值约1.8 k A),其负序无功分量较大(幅值约为±0.8 k A)。这就成为负荷三相电流严重畸变的关键所在。而通过DSTATCOM的补偿,系统电流中除正序有功以外的其他序分量(虚线)都几乎补偿到0。从而大幅度降低了系统电流的不平衡度。
3.2 直流电弧炉仿真
对于直流电弧炉负荷,在无功补偿方面与交流电弧炉类似,图8给出了DSTATCOM补偿后系统三相电压与三相电流的相位关系,从电压与电流相位的同步可以看出,由负荷引起的无功冲击已被很好的补偿。因为直流电弧炉的结构特点,不存在不平衡补偿的问题。
图3(b)中给出的直流电弧炉三相电流,其300~380 ms的局部放大如图9所示。可见由于整流电路的影响,三相电流中具有丰富的高次谐波分量。表1给出了负荷电流中主要谐波分量的幅值及含量。从表中可知,应主要针对直流电弧炉中的5、7、11、13次谐波电流进行补偿。
图10给出了DSTATCOM补偿后从实时数字仿真控制平台AD模块所采集到的系统电流波形。
从图中可以看出,除高次谐波外,波形质量得到明显改善。对直流电弧炉负荷电流和系统电流分别进行频谱分析,可以看出相应的5、7、11、13次谐波得到了很好的抑制。补偿后系统电流与负荷电流的谐波分量对比如图11所示(n为谐波次数)。
以上DSTATCOM控制器采用了瞬时电流分相控制,具有很快的动态响应速度,对负荷突变的响应速度约10 ms。
4 结论
提出了采用现场录波数据的交/直电弧炉负荷实时数字仿真模型。通过详细研究交直流电弧炉引入配电系统的各类电能质量问题,设计了链式DSTAT-COM的综合控制方案。然后利用在线测试平台,将DSATCOM实际物理控制器与电弧炉配电系统实时数字仿真控制平台相连接。通过对仿真平台输出的各电气指标进行计算和分析,验证了控制器的设计方案对交直流电弧炉所引入的无功冲击、不平衡以及高次谐波等污染进行补偿的有效性。同时,也从侧面证实了实时数字仿真技术能够有效模拟配电系统物理样机模型,从而缩短了DSTATCOM物理控制器的设计周期,并能显著降低工程项目的开发成本。
摘要：基于实时数字仿真技术和交直流电弧炉现场录波数据建模方法,搭建了配电系统电能质量问题仿真控制平台。通过该平台对电弧炉负荷进行了详细研究,对其产生的电能质量问题进行分析。针对电弧炉负荷所引入的功率冲击、谐波电流、三相严重不平衡等问题,以电能质量综合治理为目标,设计了DSTATCOM控制方案,达到对电弧炉电能质量问题进行补偿的目的,并利用DSP、FPGA等微处理芯片,完成了DSTATCOM物理控制器的硬件设计。通过实时数字仿真平台与DSTATCOM物理控制器的闭环工作,对电弧炉系统补偿后各电量指标进行了对比和分析,验证了所提控制方案的有效性。
关键词：电能质量,静止同步补偿器,电弧炉,实时数字仿真
控制仿真平台 篇2
单片机课程是电子信息类专业的核心课程。单片机芯片中包含微处理器、存储器和外部接口。单片机系统是以单片机芯片为核心开发的应用系统，单片机系统的应用的领域非常广泛，几乎涉及到我们能够想到的各个领域，如生产、生活、军事、教育等各个方面。
单片机芯片的性能直接决定单片机系统的功能，所以单片芯片在高速发展以适应单片机系统功能不断发展的新要求。单片机课程的特点是应用性非常强，使用的芯片发展非常快，整个课程的开发应该围绕使用什么芯片使课程保持先进性，课程有哪些应用项目使课程提高理论结合实践的应用性两个核心，以教学为主题展开。围绕着两个核心，我们做了做了大量研究工作，结合课程的应用项目开发了单片机实验平台。在以教学为主题的研究中将单片机实验平台和PROTUES构建的仿真平台相结合，形成立体化的教学模式，提高教学的效率和效果。
一、单片机实验平台的开发
(一)、使用什么芯片
单片机实验平台开发的第一个要确定的是使用什么样的芯片。在当前流行的众多单片机芯片中，我们选择了AVR单片机芯片ATmega16。AVR单片机芯片是ATMEL公司的`产品，发展非常快，正在逐步成为主流单片机芯片。其优点是它是新型的高速8位单片机，运行速度高，AVR单片机的片上资源非常丰富，具有极高的性价比。因此AVR最小系统构成简单，程序下载方便，只需要一条ISP下载线，进入AVR单片机开发的门槛较低，费用低廉，基于以上出发点，我们选择了AVR单片机芯片。
(二)、实验平台的功能模块和课程项目
实验平台的功能模块来源于实际应用，我们对单片机的应用领域进行了分析，提取了一些公共的应用和特殊应用，做为实验平台的功能模块。在实验平台的开发过程中课程项目开发和实验平台功能模块的开发是相辅相成的。这些模块直接支持课程开发中的具体项目。
1.8-12V电源模块：为电路板提供电源。
2.ATmega16L最小系统模块：是整个实验板的核心，它提供系统的复位、系统所使用的时钟电路和并口下载的接口。
3.16路开关：用于对各功能模块的开关控制。
4.8位发光二极管：可实现LED的指示、流水灯和学习C语言基础等项目。
5.8位数码管：可实现数码的显示功能，如数码的静态显示，动态显示，时钟显示等项目;
6.8*8LED显示：可实现字符点阵的显示项目。
7.液晶1602：可实现16*2液晶显示功能项目
8.74HC595芯片：可实现数字I/O口的串行扩展项目。
9.键盘：可实现4个按键的输入和外部中断源实验项目。
10.4*3矩阵键盘：可实现12个按键的输入项目。
11.频率发生器MC4060：实现单片机定时/计数器的外部时钟及时钟分频等项目。
12.EEPROM存储器：可实现ATmega16外部存储器的的扩展项目。
13.时钟芯片DS1302：是一个时钟功能芯片，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。利用它可构成一个时间可调的实时时钟。
14.I2C总线24C01：
15.AD转换器：可实现数/模转换和模/数转换项目。
16.MX232串口通信：可实现ATmega16单片机的异步串行通讯项目。
17.温度传感器DS18B20：可实现ATmega16单片机的温度控制项目。
18蜂鸣器：发声的执行部件，可实现报警和音乐播放等的执行项目。
19.红外接收头：红外信号的接收部件，可实现遥控等项目。
20.放大电路LM358：可实现电流信号的放大功能。
(三)、软件开发工具
在编程语言中我们选择了C语言，在软件平台的选择上，我们使用了CodeVisionAVR作为C语言程序的编辑和编译工具，使用SLISP作为程序的下载工具。
二、仿真平台的应用
在课程的开发中仅研究教什么还远远不够，还应该研究怎样教。使用自己开发实验平台是一个好的解决方法，但还存在效率不高，灵活性不够的缺点。因此，我们在研究怎样教时，使用了单片机的仿真平台Protues。Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
使用实验平台和仿真平台配合进行单片机教学和学习的过程如下
1. 分析项目要求;
2. 在Protues中画出电路原理图;
3. 根据原理图在CodeVisionAVR中编写、编辑、编译C语言程序;
4. 在Protues中将编译好的目标程序加载到Mega16芯片中;
5. 在Protues中仿真;
6. 在单片机实验平台中连接电路;
7. 使用SLISP软件通过下载线将目标程序下载到实验平台，完成一个学习过程。
三、基于实验平台和仿真平台的单片机实验室建设
从上面的讨论可知，硬件的实验平台和软件的仿真平台的结合，使单片机的课程即保证了实践第一的特色，又做到了灵活多变，事半功倍。在单片机实验室的建设上也就自然将实验平台和仿真平台有机地结合。下面是以上课规模50人，一人一机的单片机实验室建设方案。
1.奔腾及以上的PC电脑50台;
2.并口下载线，50根;
3.5V高稳定专用稳压电源50台;
4.AVR单片机JTAG仿真器个;
5.自行开发的单片机嵌入式开放实验平台50台;
6.C语言程序的编辑和编译环境CodeVisionAVR
7.SLISP单片机程序下载软件
8.PROTUES单片机仿真软件
9.Multisim电子仿真软件
四、课程的考核体系的建立
考核中结合实验平台和仿真平台的项目应用情况，采用过程化考核，注重平时考核，建立日常考核、测验和期末考核三级考核体系，均采用项目考核，以培养学生的实际应用能力。将平时随堂小项目的完成做为日常考核，如流水灯、数码管、LED点阵、LCD液晶显示、按键控制、定时计数器等、将具有典型代表性的项目作为测验如矩阵键盘、音乐播放器、串行通信等，将综合项目做为期末考核如数字时钟、温度测量等。在三级考核体系中日常占30%，测验占30%，期末占40%。
控制仿真平台 篇3
电子电力仿真设计研究中针对复杂电路的分析设计是在所难免的，计算机仿真软件则是重要的方法与手段。随着社会电子信息技术的不断发展，计算机仿真软件也在不断地更新换代。电子电路仿真设计研究中，应与现代计算机仿真软件相结合，充分利用计算机仿真软件优势，完善电子电路仿真设计研究，从而为电子电路设计研究开拓新的平台。
当今社会电子信息技术不断地发展更新，各种电子设备与计算机的联系愈加紧密，计算机仿真软件的不断发展也使得实际电子电路设计的成本大幅降低，从而实现了电路设计低成本的转变。计算机仿真软件已经成为了电子电路设计的一个不可分割的重要组成部分，计算机仿真技术的出现也是传统的设计方法发生了极大的改变，不在像从前依靠人工计算以及实物试验和调整的方式，从而大幅提高了电子电路仿真设计的效率。在计算机仿真软件的不断发展之下，计算机仿真软件的有点越来越明显，界面更加的直观，操作也变得更加的方便，通过与计算机仿真软件相联系，电子电路仿真设计的效率与质量得到了质的提升，而且为设计者增添了更多的乐趣。
计算机仿真软件简要举例
EWB软件。EWB电子工作平台的器件库中集成电路、门电路等电路芯片等原件的收录非常的丰富，能够满足实验者的正常需求，如果器件库中没有所需原件，还可以进行外部传输，丰富器件库以满足实验者需求。它也能够较为真实的还原实验室桌面的内容，信号发生器、示波器等等的仪表工具在EWB中都可以予以提供。EWB电子工作平台易于掌握，学习方式十分直观，由于是计算机仿真软件，EWB的效率是传统试验方式无法比拟的，若想进行元件的变动，只需在计算机上进行，而不需进行实际操作，这也避免了实际操作中的失误可能对是实验结果产生影响，从而使试验更加准确。在EWB中，加入了虚拟仪器的技术，电子电路仿真设计在实验中与实验室的操作极为相似，实验人员在使用过程中不必更改原有的操作习惯，对使用人员来说极为方便。使用计算机仿真软件也减轻了使用者的体力负担，能够让使用者可以更多的进行设计，从而在正体上促进我国电子电路仿真设计研究发展。
Saber软件。Saber软件的主要面向对象是混合信号，其在于混合信号、混合技术和层次的处理能力极为优秀，Saber软件可仿真的领域也更为宽泛，数字和模拟信号器件、机械、热学、电磁学等诸多领域的器件Saber软件都可以进行仿真设计。在用户使用Saber软件时，可以建立不同的模型库，其模块化的特征，决定了它的灵活性丰富，可以组成特定的设计工具供用户使用，其高度的灵活性也就为使用者提供了更多的可能性，对于复杂任务的完成也就变得更加的高效和流畅。Saber有着极为开放的软件环境，它能够与计算机软件相接口，在一个单一软件无法满足用户需求的情况下依旧可以使用Saber软件进行操作，便可免去到实验室进行低效率的工作，从而使电子电路仿真设计研究的效率极大的加强了，也使使用者的使用体验的到了极大的提升，趣味性更加的丰富，创造力也就随之而来。
计算机仿真软件对于电子电路仿真设计的意义
提升电子电路仿真设计效率。在传统的电路设计中，實验人员需要在实验室中进行操作，将实验台上的仪器进行一一链接，而在计算机仿真软件上，这种麻烦便可以得到避免，计算机仿真软件可以将这些试验中较为耗时但是对实验结果影响极小的因素自行完成，节约了用户花费在此上的大量时间。而且当下计算机仿真软件的准确性极高，不会对实验结果产生影响，不必担心使用计算机仿真软件的准确性。在传统的操作中，一旦出现原件的错误需要更换或是改正时，极为麻烦，耽误了实验人员的大量不必要的时间，而在使用计算机仿真软件时，这种时间便可以得到节省。使用计算机仿真软件时，对于实验人员的体力也得到了节省，能够让用户有着更多的精力投入研究之中，也就可以使电子电路仿真设计效率的到提升。
教学意义。在电子电路仿真设计上，后续力量的发展也是极为有现实意义的，对提升我国电子电路仿真设计可持续性发展有着深远的影响。在电子电路的课程上，理论教学和实验课程是密不可分的，单有理论教育是远远不足的，而在完成了理论教学一段时间之后再进行实验的安排，这时学生对知识的记忆已经开始减少，对所学内容的感性认识也渐渐下降，甚至学习兴趣也渐渐淡化，这对学生的学习是极为不理的。但是使用计算机仿真软件，可以再理论教学的同时引入实验，二者互相不会产生影响，在理论知识传授的同时进行计算机仿真软件实验，这样提升了学生对内容的理解能力，强化了学生的记忆，也对学生的课下学习创造了方便，让学生自学实验成为了可能。在学生对实验有着一定的了解之后再进行实际实验，也不会让学生的动手能力下降，反而提升了学生对于知识的掌握程度，加深了理论理解。
设计研究中计算机仿真软件的应用
在电子电路方面的设计研究之中，更为重要的是理论思路的可行性，而不是实际操作。针对研究人员而言，在有了新的想法和思路的时候，结果只是一个可能，需要实验进行验证，因为想法只是一个雏形，所以在验证的过程中需要不断地更正，往往在一次次的失败和实验之后才能完成研究，可是传统方式将这一过程无限期的拉长了，对于研究人员来说，动手操作能力不是问题，实验结果是更为重要的，可是真正一次次进行实验和更换元件极为费时费力，有的误差甚至会影响实验结果。此时计算机仿真软件的应用很好的解决了这一问题，它的使用能够让用户从繁琐的实验中抽身出来，将更多的精力放在理论研究上，提高了研究效率，在宏观上来说，推动了电子电路仿真设计研究的发展。
控制仿真平台 篇4
未来电网能源的利用是可持续的，主要表现为分布式电源（distributed generator,DG），尤其是可再生能源的大规模并网[1]。传统配电网“被动”的能量管理方式无法对DG规模化接入带来的双向潮流进行有效管控，因此具备组合控制各种分布式能源（可控负荷、储能和需求侧管理等）能力的主动配电网（active distribution network,ADN）应运而生[2,3],ADN的应用大幅提高了配电网对分布式电源的接纳能力[4,5]。
国内外就主动配电网有功控制和无功控制进行了相关研究。文献[6]提出了基于多代理技术的配电网多层控制框架以协调控制多个DG。文献[7]提出了基于三相模型的DG和无功补偿设备的优化控制模型，应对不对称主动配电网的运行要求。完善的监控系统是实现这些控制方法的基础，但系统在设计阶段需要对其逻辑进行验证，在投运前需要对其功能进行测试，因此需要一个测试平台对其进行全面、有效地测试，完善控制策略以及参数设置。
目前，国内外关于测试平台的研究主要集中在配电自动化系统[8]、风机光伏的并网研究[9]和交直流高压输电[10]等方面。文献[11]提出了一种主站和二次同步注入的测试方法，仅在与拟模拟故障有关的配电终端轮换接入少量二次同步注入设备，减少了测试所需测试人员和工作量。文献[12]利用实时数字仿真系统（RTDS）的数模接口建立与外部数字信号处理器（DSP）的通信，实现对最大功率跟踪控制器和并网逆变器控制器的硬件在环测试。实现测试平台的关键在于仿真环境和物理环境的接口设计。文献[13]建立了功率连接型混合仿真系统的接口特性，给出了各种情况下选择接口算法的原则。文献[14]提出了智能电网物理信息安全测试平台的接口实现方式，测试在数据收集、通信和信息共享中的风险。上述文献对配电自动化系统测试的研究主要集中在故障处理方面，而硬件在环仿真的实现大多基于RTDS，由于主动配电网的规模一般较大，如用RTDS实现测试价格十分昂贵。另外，在RTDS中实现各种新能源或柔性负荷的建模工作也较为复杂。在实际应用中主动配电网主站和控制设备的信号多来自配电自动化终端（distribution terminal unit,DTU），但设备间协议种类较多，RTDS自带的输入输出接口进行测试比较困难。所以需要建立一个方便有效、价格较低且可扩展性强的测试平台。
本文主要以主动配电网协调控制技术为例，分析DIgSILENT仿真环境、实际控制设备和主站系统的通信需求，研究主动配电网测试平台的整体架构，提出其接口的实现方式，在不同测试时序和各种典型场景下测试控制设备、主站系统的实际运行性能，并与仿真结果进行对比，验证测试平台的有效性。
1 主动配电网协调控制及其测试需求
主动配电网协调控制在控制区域划分的基础上实现主站系统和终端的信息交互，利用全局优化和区域自治的协调控制，消纳间歇式能源[15]。
主动配电网协调控制方法（见附录A图A1）中，主站是整个配电控制区域的控制中心，全面监测配电网的状态，通过全局优化算法提高长时间运行经济性。分层分布控制器是一个自治区域管理者，接收区域内RTU测量值，利用合理的实时控制策略在2次全局优化的间隙给源网协调控制器发送功率目标值，对区域进行自治管理。源网协调控制器管理同一配电节点（配电房/开闭所/环网柜等）下所有的可控DG以及柔性负荷，接收分层分布控制器的功率目标，并将功率合理分配给可控资源。
单纯的数字仿真仅能对上述控制器的逻辑进行验证，无法完成主站全局优化、负荷预测等高级应用测试以及主站、控制器的联调测试。针对主动配电网协调控制方法，测试平台的需求如下。
1）全面模拟自底向上和自顶向下的信息流。信息流不仅包括开关位置、馈线功率、分布式能源出力等遥信、遥测信息，还包括对可控DG的控制指令和对联络开关的遥控指令，保证数据的多元化。
2）长时间为主站、控制器提供准确稳定的数据，并将控制结果实时反馈。这样能够验证负荷预测、优化程序等高级应用结果的合理性，完善控制器的控制逻辑，对从主站到控制器的整个协调控制过程进行测试。
3）不同的控制器、主站所需信息类型和信息量不同，因此要建立多通道的信息传递路径。每个通道拥有自己的通信协议、信息类型以及数据对应关系，而且控制器和主站的通信配置要与实际现场一致，保证测试可信度。
2 测试平台整体结构设计
结合上述需求，本文建立了基于DIgSILENT的仿真测试平台，整体方案设计如图1所示。测试平台通过接口将仿真信号转换成物理信号，利用以太网传递给主站数据采集与监控（SCADA）系统、分层分布控制器以及源网协调控制器，此过程模拟将DTU、电能质量采集装置和分布式能源通信模块的遥测信息上送，实现对配电网整体运行状态的监视。源网协调控制器、主站的物理控制信息通过接口转换成仿真信号传递给DIgSILENT仿真环境中的可控DG和开关，此过程模拟被控单元的控制过程。
仿真环境、源网协调控制器、分层分布控制器和主站系统构成了一个完整的闭环测试环境，各个组成部分如下。
1)DIgSILENT仿真环境作为实际配电网的替代者，拥有准确的线路和变压器等模型，同时还提供仿真语言（DIgSILENT simulation language,DSL）用于用户自身模型的扩展。对于光伏、储能等分布式能源模型，需要将实际装置抽象成数学模型，利用DSL建立其仿真模型，系统模型参数根据实际系统进行设定，以得到与实际接近的动态响应效果。仿真环境与实际设备通过接口交互量测和控制信息，仿真中的储能根据控制目标进行调节，实现闭环控制，并将储能有功功率、荷电状态（SOC）变化等动态过程绘成曲线供修改完善控制器和主站高级应用。
2）主站系统和控制器是实现主动控制的核心，也是测试平台的主要被测试对象。接口接收遥测信息和发送控制指令，是实现测试平台的关键点，也是连接仿真环境和实际装置的纽带，因此接口的设计尤为重要。
3 测试平台接口设计
从测试平台的整体设计中可以看出，接口是实现DIgSILENT仿真软件、控制器单元和主站系统间的信息交互的关键。DIgSILENT软件提供了过程控制标准（object linking and embedding for process control,OPC）接口用于实时仿真，此时其作为OPC Client与OPC Server相连，因此可设计的接口方式有以下3种。
1）在控制器中建立OPC Server,DIgSILENT作为OPC Client可以直接与其相连，数据交互过程也可直接完成，通信延时为DIgSILENT软件延时、网络延时和OPC Server刷新数据延时。
2）在控制器中建立OPC Client，控制器和DIgSILENT同时作为OPC Client通过第三方的OPC Server进行信息交互。这种方式下DIgSILENT和OPC Server运行在同一台计算机上，他们的通信延时可以忽略。总通信延时即为DIgSILENT软件延时、OPC Server刷新数据延时、网络延时和控制器刷新OPC Client数据延时。
3）在计算机上根据OPC规则，建立一个自定义OPC Client，其与DIgSILENT之间通过OPC Server进行信息交互。通过协议转换将OPC Client数据转换成其他协议类型，实现与控制器通信。这种方式下控制器的通信并没有被OPC接口所束缚，可采用其他通用类型的协议，如IEC 60870-5-104协议（以下简称104协议）和Modbus协议。
一个OPC Server不能直接与另一个OPC Server通信，但一个OPC Server可以与多个OPC Client通信。因此在对多个控制器同时进行测试时，第1种方式无法达到目标。第2种方式可以实现平台对多个控制器的测试，是建立测试平台初期采用的方法。虽然一般主站系统支持OPC采集数据，但控制器是基于嵌入式系统的，在里面建立一个OPC Client的难度很大，且实际现场的控制器并不通过OPC接口进行信息交互，会降低测试可信度。第3种方式具有第2种方式对多个控制器进行测试的优势，且协议转换器可以满足用户对协议进行扩展和修改的需求，其适用性和可扩展性大大提高。值得一提的是，第3种方式可以保证控制器通信模块完全和实际一致，测试的准确度和可信度有了很大提升，因此测试平台采用这种方式。
DIgSILENT,OPC Server,OPC Client以及协议转换器都在同一台计算机上，所以它们之间的通信延时可以忽略。DIgSILENT和OPC Server都可以根据需要定义数据更新速率，这样便可以模拟储能、DTU等实际现场设备的数据更新速率，使平台的测试效果更贴近于实际。
OPC Client与其他协议的转换通过配置文件实现，配置文件要保存OPC Item与104协议信息体地址的对应关系。以104协议和OPC Client间的数据转化为例，配置文件的实现方式如图2所示。
4 测试平台测试实例
4.1 测试算例
将测试平台应用于佛山主动配电网间歇式能源消纳示范工程的萧海线和塘溪线，其中包含峰值功率为2.85MW的光伏发电系统以及由额定容量为0.1MW·h，额定功率为0.5 MW的锂电池（功率型储能）和额定容量为0.75 MW·h，额定功率为0.2MW的铅酸电池（能量型储能）组成的储能系统。算例可以划分为2个自治区域，如图3所示。图中，区域Ⅱ内2个50kW·h的电池定义为功率型1和2,500kW·h的电池定义为能量型。
示范工程中，主站采用智能单粒子优化算法完成全局优化求解[16]，实现全局集中控制。分层分布控制器的区域控制策略采用馈线控制误差（feeder control error,FCE)[17]实现。
式中：Ei为自治区域i的馈线控制误差；ΔPf为变电站母线向馈线注入功率的实际值Pf与全局优化目标值Pf*的偏差；ΔPi为自治区域i等效分布式电源向馈线注入的实际功率值Pi与全局优化目标值Pi*的偏差；ki为自治区域i参与区域自治控制的功率分配系数；j为平衡母线参与协调控制的功率分配系数，一般取0或1。
FCE经过比例—积分（PI）环节得到区域功率调节的目标值，并将这个目标值下发到源网协调控制器。
4.2 测试平台测试时序
主站系统的优化程序每15min滚动优化一次，优化周期可以分为全局优化目标下发阶段和区域自治控制2个阶段，得到的测试平台测试时序如下。
步骤1：主站系统根据当前时刻采集的储能SOC和开关位置信息，结合负荷预测和分布式能源预测结果，计算得到各储能功率的优化目标值，并向控制器下发目标值，此过程所用时间为t1，实际测试发现该过程需要2min。
步骤2：分层分布控制器接收到主站的优化目标后，需先闭锁区域自治控制策略。如不闭锁，新的优化目标与旧的优化目标之间的差异会造成储能功率的振荡，不利于实际运行。闭锁的过程中，分层分布控制器向源网协调控制器下发储能功率目标值，并等待储能调节到目标值。t2为转发目标值的延时。
步骤3：源网协调控制器接收到分层分布控制器的目标值后，下发到被控的储能，储能调节到目标值所用时间为t3。t2+t3即为分层分布控制器需要闭锁的时间长度，测试过程中发现这个值大约为20s。
步骤4:20s闭锁时间到，将区域自治控制策略解锁，分层分布控制器根据实际功率和目标功率之间的偏差进行增量型PI控制，增量的上下限为源网协调控制传回的最大可充放电能力。
步骤5：源网协调控制器根据增量控制储能，并计算储能最大可充放电能力，将其上传。
步骤6：直到下次优化计算启动前，不断重复步骤4和步骤5，实现区域自治闭环调节过程。
测试平台的整体时序如附录A图A2所示。
4.3 单独控制器测试
根据4.1节中FCE的定义，针对馈线协调模式[15]进行测试，Pf*,Pi*以及ki的值如表1所示。
场景1：区域外部负荷和光伏波动。10s时塘溪线其他负荷增大0.15MW,70s时其他负荷减小0.15MW，得到的测试结果和相应的仿真结果如图4所示。
图4中，测试结果和仿真结果的趋势大致相同。10s时负荷突变使萧海线和塘溪线的FCE值都有一个突变，通过FCE进行PI调节各储能出力，使FCE的值降为0，完成一次闭环调节过程。70s时的波动过程正好与之相反。以仿真结果为例，10s时萧海线的储能总出力升高0.055 MW，塘溪线的储能升高0.021 MW，而负荷波动了0.15 MW，所以平衡母线承担了0.074 MW，区域外部的负荷平衡母线承担一半，各区域按功率分配系数承担功率波动，满足FCE的控制逻辑。
从测试结果和仿真结果的对比可得：(1)由于测试平台存在通信延时，闭环控制的时间常数大于仿真，所以测试的曲线滞后于仿真曲线；(2)测试中发现如果协议程序发送控制指令太快，会导致平台丢包率升高，影响平台的正常运作，实际运行中也会出现这种情况，故限制了发送控制指令的频率，而且由于通信的延时，测试的曲线会呈现阶梯式变化；(3)实际控制中设置了±0.01的FCE的调节死区，避免过于频繁地调节储能设备，以此提高储能的使用寿命，因此塘溪线的FCE值、储能值和仿真结果都存在一定的差距。
场景2：不同通信延时下的测试对比。通信延时模拟数字环境和控制器之间的信息交换速率对控制效果的影响，分别对通信延时0.1s,1s和5s做了测试。测试中PI控制环节的参数保持不变。10s时萧海线负荷增大0.225 MW,70s时萧海线负荷减小0.225 MW，得到的测试结果和相应的仿真结果对比如附录A图A3所示。
从不同通信延时对控制效果影响的结果对比可知：(1)随着通信延时加长，曲线的滞后程度越大，每个阶梯的停留时间也相应变长，FCE调整所需的时间就更长；(2)通信延时越长，调整过程中的波动就越大。如果5s通信延时用相同的PI参数，则调节过程不收敛，储能振荡严重，不利于系统稳定和储能寿命。
通过调节测试的通信延时，可以得到一个与实际系统运行环境相近的环境，再根据需要调整PI参数，优化被测设备的运行特性，为设备的投运提供良好条件。修改5s通信延时PI环节参数，令比例系数为0.5，积分常数为0.07，则可以得到一个稳定的调节过程，但储能出力的波动在较短通信延时更大，调整时间更长，如附录A图A4所示。
4.4 主站和控制器联合测试
场景1：测试时序影响对比。
在利用测试平台联合测试的过程中发现控制时序的重要性，并做了相应改进。此场景针对优化目标下发时有无闭锁分层分布控制器的区域自治控制逻辑在测试平台中分别做了测试，测试结果如附录A图A5所示。图中，优化目标下发时，虽然闭锁控制和无闭锁控制控制误差的稳态值基本一致，但闭锁控制的控制误差波动明显小于无闭锁控制。从储能出力来看，无闭锁控制导致了储能充放电状态的改变，而闭锁控制使储能保持充电状态，说明闭锁控制可以大幅度减小储能的出力波动，有效提高储能电池寿命。
场景2：通道障碍测试。
通道障碍测试主要用于分析当主站和分层分布控制器之间、2个控制器之间以及源网协调控制器与仿真环境之间通道出现障碍时协调控制结果受到的影响。由于后2种通道障碍对协调控制影响类似，故本文选取源网协调控制器与仿真环境通信障碍的场景进行测试。测试场景中的负荷、光伏和优化目标的变化均一致，第2次优化结果在第15min下发，令通道在第10min发生障碍，在第16min恢复正常。3种情况的测试结果如图5所示。
将通道障碍测试结果对比可知：(1)源网协调控制器与仿真通道障碍带来的影响最大，导致储能出力在通信恢复后产生一个阶跃变化，接近其最大出力，这是由于通道障碍之后控制器中的PI环节依旧在运行，导致误差不断积累，使PI输出不断增大，故通信恢复时产生较大的波动，在实际运行中可以采用闭锁PI控制的方法避免这种情况发生；(2)主站和分层分布控制器之间通道障碍导致全局优化结果无法下发，在第2个优化目标到来之后，系统依旧按照原优化目标进行控制，当通信恢复后，由于第2个优化目标已存入协议实时库，故该目标能够通过协议正常下发，但当前状态与此优化目标之间存在一定的差距，故引起了一个较小的功率波动；(3)从通信恢复到遥测、遥调指令的正常发送需要一定时间，测试中约为1min，受协议和协议底层协议重新建立连接所需时间影响。
场景3：长时间运行测试。
主站和控制器的长时间运行测试主要针对从主站优化到区域自治的全过程，即负荷长时间变化时，基于预测数据，主站的优化程序计算出相应的计划曲线，下发优化目标值给下层的控制器，在2次优化的间隙，由控制器实现区域的自治控制。
测试场景时长4h，仿真环境的负荷变化采用实际中的某一天负荷变化值。2次优化的间隙为15min，馈线出口功率和区域功率的目标值均由优化计算得到，协调系数由优化前各储能的SOC值决定，调节能力越强的区域相应的协调系数也越大。测试4h的结果如图6所示。
分析图6可得：(1)从FCE曲线可以看出，长时间运行主站和控制器能把FCE控制在-0.01到0.01的死区之间，与控制逻辑相符，而且由于采用4.2节中的控制时序，控制器和主站之间有较好的时序配合，每次功率目标的变化没有引起FCE大的波动；(2)从储能出力来看，每当FCE不在死区内，则通过功率型储能进行调节，所以功率型储能的波动性较大。能量型储能的出力与负荷变化很接近，这是由于算例中负荷线性变化，通过滤波算法，长时间的负荷变化都转移到能量型储能上；(3)无控制的净负荷采自图3中A7点，即负荷和光伏的净负荷变化，控制后的净负荷采自A5点，即负荷、光伏和储能的净负荷变化，对比发现控制之后负荷的波动性降低，4h内的负荷峰谷差也相应减小，验证了分层控制方法是有效的；(4)从储能的SOC来看，SOC值均没有越上下限，说明优化程序对储能的利用是合理的。
5 结语
主动配电网的发展依赖于完善的主动控制系统。为了对主站和控制器进行联合测试，本文从主动配电网协调控制的测试需求出发，提出了一种基于DIgSILENT的测试平台设计方案，详细论述了仿真环境和物理环境的接口实现方法，确定了测试系统的测试时序，有效减小了优化目标切换时的功率波动。基于协议转换的接口设计令测试平台可以适应不同场合的测试需求。
与目前常用的基于RTDS的测试方法相比，本文提出的测试平台以低价格实现了对拥有较多元件的主动配电网的联调测试，并在测试过程中优化了控制器参数，完善了控制策略，为主站和控制器的实际投运做了充分准备。
控制仿真平台 篇5
网络练习一
一、单选题(共 20 题,合计 10 分)1.当BGP路由器从EBGP邻居收到一条新路由时，下列说法正确的是()的。
(分值：0.5)A、查看路由表中有无该路由的记录，如果没有，则向BGP邻居发送该路由
B、立即发送给BGP邻居
C、与保存的已发送的路由信息比较，如果已发送过，则不发送
D、与保存的已发送的路由信息比较，如果未发送过，则向BGP邻居发送
2.局域网需要MPLS VPN的主要原因是()。
(分值：0.5)A、实现基于网络层的访问控制隔离
B、为提高交换速度
C、降低网络管理复杂度
D、实现VPN加密
3.TFTP服务默认端口号()A、48
B、23
C、69
D、53 4.在TCP/IP协议中，A类地址第一个字节的范围是()。
(分值：0.5)A、0——127 B、0——126 C、1——127 D、1——126 5.RIP协议是基于()的。
(分值：0.5)A、TCP B、UDP C、RawIP D、ICMP 6.目前使用最广泛的IGP协议是()。
(分值：0.5)A、BGP B、RIP C、OSPF D、IS-IS 7.根据MAC地址划分VLAN的方法属于()。
(分值：0.5)A、动态划分
B、静态划分
C、垂直划分 D、水平划分
8.SNMPV2弥补了SNMPV1的()弱点。
(分值：0.5)。
A、数据组织 B、安全性
C、安全性和数据组织 D、性能管理9.VLAN在现代组网技术中占有重要地位，同一个VLAN中的两台主机()。
A、可以跨越多台交换机 B、必须连接在同一交换机上 C、可以跨越多台路由器
D、必须连接在同一集线器上
10.决定网络中根桥（root bridge）的是（）。
(分值：0.5)A、接入交换机的链路成本 B、优先权 C、桥ID D、MAC地址
11、在STP协议中，当网桥的优先级一致时，以下（）将被选取为根桥。（分值：0.5）A、拥有最大MAC地址的网桥 B、拥有最小MAC地址的网桥 C、端口优先级数值最低的网桥
D、端口优先级数值最高的网桥
12.在以下网络协议中，()协议属于数据链路层协议。
(分值：0.5)A、UDP(无连接的协议，是Internet在传输层两种主要协议之一)B、TCP(面向连接的协议，是Internet在传输层两种主要协议之一)C、VTP（中继协议，思科专用协议）
D、IP（网络层协议）
13.以下协议中支技可变长子网掩码（VLSM）和路由汇聚功能（Route ummarization）的是（）。
(分值：0.5)A、OSPF B、IGRP C、RIPv1
D、VTP 14.某企业只有一个公网地址，内部有Email、DNS、Web等主机需要对外提供服务，应该如何解决（）。
(分值：0.5)A、静态端口NAT B、静态NAT C、基于端口的动态NAT D、基于IP的动态NAT 15.在RIP中metric等于（）为不可达。
(分值：0.5)A、10
B、8
C、16
D、15 16.在MPLSVPN技术中，下列关于CE说法不正确的有()。
(分值：0.5)A、CE可以是路由器或交换机，也可以是一台主机
B、用户网络边缘设备，有接口直接与服务提供商SP（ServicePrivider）网络相连 C、需要支持MPLS D、CE“感知”不到VPN的存在
17、从整个Internet的观点出发，如何有效的减省路由表的规模（）。（分值：0.5）A、使用路由过滤策略
B、增加动态路由的更新频率 C、路由聚合 D、划分VLAN
18.在以太网交换机中哪种转发方法延迟较小（）。（分值：0.5）A、Cut-through B、全双工
C、半双工
D、Store-and-forward（储存并转发）
19.在TCP/IP协议栈中，下面哪一个能够唯一地确定一个TCP连接()。A、源IP地址和目的端口号 B、源IP地址和源端口号
C、源地址、目的地址、源端口号和目的端口号 D、目的地址和源端口号
20.两台设备之间通过多条PPP链路互边的组网中，应该使用何种技术（0.5)A、Trunk B、Multilink PPP C、等价路由转发
D、Link Aggregation
二、多选题(共 20 题,合计 40 分)1.关于802.1x 端口的有关描述中，正确的是()。
(分值：2)A、所有接入控制单元端口均分为受控端口与非受控端口 B、802.1x认证公能基于物理端口方式 C、受控端口只允许传输EAPOL协议报文
D、非受控端口无论认证通过与否，始终双向连通
2.RIP协议相比静态路由的优点有()。
(分值：2)A、维护方便 B、配置简单
C、消耗网络资源少
D、收敛速度快
3.在一个运行OSPF的自治系统之内()。
(分值：2)A、非骨干区域自身也必须连通的 B、骨干区域自身也必须连通的
C、非骨干区域与骨干区域必须直接相连或逻辑上相连 D、必须存在一个骨干区域（区域号为0）4.使用 D-V算法的路由协议是()。
(分值：2)A、BGP B、RIP C、OSPF D、IS-IS（中间系统到中间系统的路由选择协议）
5.部署一个大型网络，选择路由协议，需要考虑的有()。
(分值：2)A、路由协议的成熟度，各厂商的支持程度 B、路由协议对网络的可扩展性的支持
(分值：0.5)）。
(分值：
C、收敛速度和是否会产生路由环路
D、协议报文的开销
6.VLAN与传统的LAN相比，具有以下哪些优势()。
(分值：2)A、增强了网络的安全性
B、有效限制广播风暴，分割广播域 C、虚拟工作组
D、减少移动和改变的代价
7、网络分层模型由三部分组成（）。
(分值：2)A、汇聚层 B、核心层 C、网络层 D、接入访问层
8.生成树算法根据配置消息提供的信息，通过如下措施避免环路()。
(分值：2)A、为每个非根桥选择一个根端口
B、从参加计算的所有网桥中，至少选出一个作为根桥 C、既不是指定端口又不是根端口的端口置于阻塞状态
D、为每个物理网段选出离根桥最近的那个网桥作为指定网桥
9.下列地址中，和10.110.53.233在同一网段的地址有()。
(分值：2)A、10.110.43.10mask255.255.0.0 B、10.110.48.10mask255.255.248 C、10.110.48.10mask255.255.0.0 D、10.110.43.10mask255.255.248.0
10.以下关于BGP路由协议说法正确的是()。
(分值：2)A、BGP采用增量方式进行路由更新 B、BGP路由可以采用MD5进行认证
C、BGP在更新路由时，将所有路由全部重新发送 D、BGP邻居会周期性发送协议消息来维持邻居信息
11、流量控制的三种方式是()。
(分值：2)A、源抑制技术 B、缓存技术
C、窗口机制
D、端口速率自协商机制
12.关于QoS 说法正确的是()。
(分值：2)A、流量整形功能可以应用在入接口方向，也可以应用在出接口方向 B、流量监管功能可以用在入接口方向，也可以应用在出接口方向 C、RED与WRED是为了解决TCP全局同步，导致流量异常问题的 D、拥塞管理与队列调度可以应用在入接口方向，也可以应用在出接口方向
13.关于BGP路由协议说法正确的是()。
(分值：2)A、BGP的域内仍然要求运行IGP B、BGP可以使用的AS号是从1-65500 C、BGP在更新路由时，将所有路由全部重新发送
D、BGP是一种距离矢量路由协议
14.在路由器中，如果去往同一目的地有多条路由，则决定最佳路由的因素有()。A、路由的发布者 B、路由的优先级
C、路由的生存时间 D、路由的metric值
15.下列所述的哪些协议属于网络层协议()。
(分值：2)A、IPX B、IP C、RARP
D、ARP
16、OSPF路由协议支持哪几种链路类型（）。（分值：2）A、Point-to-multipoint链路类型（点对多点）B、Point-to-Point链路类型（点对点）C、NBMA链路类型（广播）
D、Broadcast链路类型（非广播多路访问网络）
17.在以下的协议、技术中，采用面向连接的方式进行通信的有()。
(分值：2)A、X.25 B、IP C、Frame-relay D、Ethemdt
18.当接口运行在RIP-2广播方式时，它可以接受的报文有()。
(分值：2)A、RIP-1组播报文 B、RIP-1广播报文
C、RIP-2组播报文 D、RIP-2广播报文
19.衡量网络性能的主要指标是（）(分值：2)A、延迟 B、带宽 C、价格
D、拥塞
20.属于点到点连接的链路层协议有()。
(分值：2)A、HDLC B、X.25 C、PPP D、ATM
三、判断题(共 20 题,合计 20 分)1.多模光缆主要用于高速度、长距离的传输；单模光缆主要用于低速度、短距离的传输。
(分值：1)2.广播式网络的重要特点之一是采用分组存储转发与路由选择技术。
(分值：1)3.IPv6 中，两个 IP 包若有相同的流标号，则表示走同一条路径。
(分值：1)4.路由器只应用于广域网,不应用于局域网。
(分值：1)5.虚电路方法传输数据，其健壮性优于数据报方法。
(分值：1)6.一个IP地址可同时对应多个域名地址。
(分值：1)7.令牌环网的环路上只有拥有令牌的结点才可以访问网络。
(分值：1)8.IP地址10.0.255.255/8是主机地址，不是网络广播地址。
(分值：1)9.IGMP 通常用于由路由问题引起的差错报告和控制。(分值：1)10.对于双绞线来说，随着线缆长度的增加，信号衰减也增加。
(分值：1)11.对于普通的 HUB 来讲，所有端口共享一个 MAC 地址。
(分值：1)12.在共享介质的总线型局域网中，无论采用什么样的介质访问控制方法，“冲突”现象都是不可避免的。
(分值：1)13.交换局域网的主要特性之一是它的低交换传输延迟。局域网交换机的传输延迟时间仅高于网桥，而低于路由器。
(分值：1)14.STP通过阻断网络中存在的冗余链路来消除网络可能存在的路径回环。
(分值：1)15.域名与IP地址是多对多的关系。
(分值：1)16.ARP 表的作用是提供常用目标地址的快捷方式来减少网络流量。(分值：1)17.IP地址中主机部分如果全为1，则表示广播地址。
(分值：1)18.以太网的最大帧长为1518 字节，每个数据帧前面有 8 个字节的前导字段，帧间隔为9.6μs，对于 10BAS-5 网络来说，发送这样的帧需要 12.3ms。
(分值：1)19.面向连接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。
(分值：1)20.IPV4版本的因特网总共有126介A类地址网络。
(分值：1)
四、仿真操作题(共 2 题,合计 30 分)1.根据下图所示，以下为 CISCO 路由器，请进行默认路由的配置
(分值：15)
一、点击【开始答题】按钮，打开思科模拟器Packet tracer5.0，并在模拟器上完成仿真题操作。
二、操作完成后，请将完成结果另存为.pkt文件，并点击【答案上传】按钮，将文件上传至服务器。注意：
在开始答题之前，请确认答题环境是否已经安装完成，如果没有，请按照下列步骤完成。
1、点击屏幕左下方【仿真模拟器:Cisco Packet Tracer5.3.rar】，下载仿真模拟器到本机（文件较大，下载大约需要5分钟，请耐心等候）。
下载完成后，解压到本机任意位置。
2、点击屏幕左下方【仿真试题:pkt.rar】，保存到本机，并解压到C盘根目录下。
3、请将解压后的.pkt文件的打开方式指定为操作步骤1所下载的仿真模拟器（解压目录Cisco Packet Tracer 5.3binPacketTracer5.exe）。
4、请选择 IE浏览器=>Internet选项=>【安全】选项卡=>【自定义级别】，请将ActiveX相关的选项选择为【启用】，如图所示: 6
R1配置
1>en 1#conf t Enter configuration commands, one per line.End with CNTL/Z.1(config)#hostname R1 R1(config)#no ip domain-lookup R1(config)#line console 0 R1(config-line)#logging synchronous R1(config-line)#exec-timeout 0 R1(config-line)#exit R1(config)#interface loopback 0
%LINK-5-CHANGED: Interface Loopback0, changed state to up
%LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Loopback0, changed state to up
R1(config-if)#ip address 1.1.1.1 255.0.0.0 R1(config-if)#no shutdown R1(config-if)#exit R1(config)#interface serial 1/1 R1(config-if)#no shutdown
%LINK-5-CHANGED: Interface Serial1/1, changed state to down R1(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 R1(config-if)#exit R1(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.2 R1(config)#exit
%SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console R1#copy running-config startup-config Destination filename [startup-config]? Building configuration...[OK] R1#
R2配置 2>en 2#conf t Enter configuration commands, one per line.End with CNTL/Z.2(config)#hostname R2 R2(config)#no ip domain-lookup R2(config)#line console 0 R2(config-line)#logging synchronous R2(config-line)#exec-timeout 0 R2(config-line)#exit R2(config)#interface serial 1/0 R2(config-if)#no shutdown
%LINK-5-CHANGED: Interface Serial1/0, changed state to up
R2(config-if)#ip address 192.168.1.2 255.255.255.0 R2(config-if)#exit R2(config)#interface serial 1/1 R2(config-if)#no shutdown
%LINK-5-CHANGED: Interface Serial1/1, changed state to down R2(config-if)#ip address 172.16.1.1 255.255.0.0 R2(config-if)#exit R2(config)#interface serial 1/0 R2(config-if)#clock rate 64000 %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Serial1/0, changed state to up
R2(config-if)#end
%SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console R2#copy running-config startup-config Destination filename [startup-config]? Building configuration...[OK] R2#conf t Enter configuration commands, one per line.End with CNTL/Z.R2(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.1 R2(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.1.2 R2(config)#
R3配置
3>en 3#conf t Enter configuration commands, one per line.End with CNTL/Z.3(config)#hostname R3 R3(config)#no ip domain-lookup R3(config)#line console 0 R3(config-line)#logging synchronous R3(config-line)#exec-timeout 0 R3(config-line)#exit R3(config)#interface serial 1/0 R3(config-if)#no shutdown
%LINK-5-CHANGED: Interface Serial1/0, changed state to up
R3(config-if)#ip address 172.16.1.2 255.255.0.0 R3(config-if)#clock rate 64000 R3(config-if)#exit R3(config)#interface serial 1/1 R3(config-if)#ip address 10.1.1.1 255.0.0.0 R3(config-if)#no shutdown
%LINK-5-CHANGED: Interface Serial1/1, changed state to down R3(config-if)#exit
R3(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.1.2 R3(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.1.1 R3(config)#end
%SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console R3#copy running-config startup-config Destination filename [startup-config]? Building configuration...[OK] R3#
R4配置
4>en 4#conf t Enter configuration commands, one per line.End with CNTL/Z.4(config)#hostname R4 R4(config)#no ip domain-lookup R4(config)#line console 0 R4(config-line)#logging synchronous R4(config-line)#exec-timeout 0 R4(config-line)#exit R4(config)#interface serial 1/0 R4(config-if)#no shutdown
%LINK-5-CHANGED: Interface Serial1/0, changed state to up
R4(config-if)#ip address 10.1.1.2 255.0.0.0 R4(config-if)#exit R4(config)#interface loopback 0
%LINK-5-CHANGED: Interface Loopback0, changed state to up
%LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Loopback0, changed state to up
R4(config-if)#no shutdown
R4(config-if)#ip address 3.3.3.3 255.0.0.0 R4(config-if)#exit R4(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.1.1 R4(config)#end
%SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console R4#copy running-config startup-config Destination filename [startup-config]? Building configuration...[OK] R4#conf t Enter configuration commands, one per line.End with CNTL/Z.R4(config)#interface serial 1/0 R4(config-if)#clock rate 64000 R4(config-if)#end
%SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
查看路由信息：
R1#show ip route
Codes: Cstatic, IRIP, MBGP
DEIGRP external, OOSPF inter area
Gateway of last resort is 192.168.1.2 to network 0.0.0.0
C
1.0.0.0/8 is directly connected, Loopback0 C
192.168.1.0/24 is directly connected, Serial1/1 S*
0.0.0.0/0 [1/0] via 192.168.1.2
R2#show ip route
Codes: Cstatic, IRIP, MBGP
DEIGRP external, OOSPF inter area
N1OSPF NSSA external type 2
E1OSPF external type 2, EIS-IS, L1IS-IS level-2, iacandidate default, UODR
Pconnected, SIGRP, Rmobile, BEIGRP, EXOSPF, IAOSPF NSSA external type 1, N2OSPF external type 1, E2EGP
iIS-IS level-1, L2IS-IS inter area
*per-user static route, operiodic downloaded static route Gateway of last resort is 10.1.1.2 to network 0.0.0.0 C
10.0.0.0/8 is directly connected, Serial1/1 C
172.16.0.0/16 is directly connected, Serial1/0 S*
0.0.0.0/0 [1/0] via 10.1.1.2
[1/0] via 172.16.1.1 R4#show ip route
Codes: Cstatic, IRIP, MBGP
DEIGRP external, OOSPF inter area
N1OSPF NSSA external type 2
E1OSPF external type 2, EOSPF NSSA external type 1, N2OSPF external type 1, E2EGP iIS-IS level-1, L2IS-IS inter area *per-user static route, operiodic downloaded static route
iIS-IS level-1, L2IS-IS inter area
*per-user static route, operiodic downloaded static route Gateway of last resort is 10.1.1.1 to network 0.0.0.0 C
3.0.0.0/8 is directly connected, Loopback0 C
10.0.0.0/8 is directly connected, Serial1/0 S*
0.0.0.0/0 [1/0] via 10.1.1.1
验证配置 R4>en R4#ping 1.1.1.1
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 1.1.1.1, timeout is 2 seconds:!.!.!Success rate is 60 percent(3/5), round-trip min/avg/max = 94/94/94 ms
R4#ping 192.168.1.1
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.1.1, timeout is 2 seconds:...!.Success rate is 20 percent(1/5), round-trip min/avg/max = 94/94/94 ms
R4#ping 192.168.1.2
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.1.2, timeout is 2 seconds:..!..Success rate is 20 percent(1/5), round-trip min/avg/max = 62/62/62 ms
R4#ping 172.16.1.1
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 172.16.1.1, timeout is 2 seconds:!.!.!Success rate is 60 percent(3/5), round-trip min/avg/max = 62/62/63 ms
R4#ping 172.16.1.2
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 172.16.1.2, timeout is 2 seconds:！！!Success rate is 100 percent(5/5), round-trip min/avg/max = 31/31/32 ms
R4#ping 10.1.1.1
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 10.1.1.1, timeout is 2 seconds:！！!Success rate is 100 percent(5/5), round-trip min/avg/max = 31/31/32 ms
R4#ping 3.3.3.3
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 3.3.3.3, timeout is 2 seconds:！！!Success rate is 100 percent(5/5), round-trip min/avg/max = 0/9/16 ms
R4#ping 10.1.1.2
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 10.1.1.2, timeout is 2 seconds:！！!Success rate is 100 percent(5/5), round-trip min/avg/max = 62/62/63 ms
R4#ping 1.1.1.1
Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 1.1.1.1, timeout is 2 seconds:.!.!.Success rate is 40 percent(2/5), round-trip min/avg/max = 62/77/93 ms R4#
学习体会：
1、一定要配置时钟频率；
焊接虚拟仿真实训平台建设的研究 篇6
关键词：虚拟焊接仿真技术 实践教学 焊接虚拟仿真实训平台
1.虚拟焊接仿真技术应用的必要性
随着社会在日益进步、经济在飞速发展。焊接技术工人日益紧缺、环境资源日益贫乏，这已经是摆在我们面前的实际问题，如何能够以最经济、最环保、最高效的教学方式培训焊接技术人员，是刻不容缓的大问题。
传统的焊接实训模式，要求学校提供充足的资金来保障设备、工位和实训耗材，但是焊接耗材是一次性的，烧完就完，不能重复利用， 而过硬的技术又需要充足的耗材来保证训练，大家都戏称“焊接技术是烧钱烧出来的”。如此庞大的消耗，仅靠学生的学费是根本满足不的，那么将虚拟焊接仿真技术引入焊接实践教学就显得尤为重要。虚拟焊接仿真技术不但可以进一步提高和完善焊接实训教学，而且可以节约成本、绿色环保，在一定程度上可緩解实训工位和材料的不足。同时仿真训练在观察与操练上有绝对的安全性。通过仿真设备学习尽管也有触电、燃烧、爆炸等惊险的场面，但那只是模拟的景像，绝对不会发生人身的灾祸，而且不会有因错误操作所造成的损失。有了虚拟仿真实训系统，学生不仅变得愿意学、主动学，而且在实际操作前能做到心中有数，能有效节约耗材和减少事故发生率。因此，无论是焊接新手还是行家，每个人都能更快、更好、低耗地学习焊接技巧。
2.虚拟焊接仿真实训系统现状分析
2.1虚拟焊接仿真系统现状
由于物理本质的复杂性，焊接过程仿真技术的发展一直比较缓慢，远远落后于实际生产需要和制造业其它领域仿真技术的发展。
JVR-W37Ⅱ型虚拟焊接综合仿真实训系统是由郑州捷安高科股份有限公司研发的新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。本产品采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。该系统为网络化模式，采用无线网络将系统内各套设备进行连接以便进行信息的交换。
每套设备标准配置包含：虚拟焊接设备若干台、数据服务器1台、教师管理机1台、无线网络设备1套、观摩投影设备1套、劳保手套若干双。在标准配置的基础上，可以增加虚拟焊接演练设备，数量没有限制。
2.2虚拟焊接仿真系统存在的问题
该系统最大的缺点是一台主机只带一个工位，而每台设备价格高达二十多万，对于一个30人的标准班来说，如果用这样的仿真设备，投资就要一百多万，成本太高。而且该仿真设备也只能模拟三种焊接方法，效果如何还无法做结论。但这种仿真设备已经是现有仿真设备中价格较便宜的了，所以，就目前的形势来看，要想大规模的引进教学并使之普及是不现实的。要解决这个问题，必须从技术上改革和创新。
3.焊接虚拟仿真实训平台建设研究方向
3.1焊接虚拟仿真软件的研发
未来的焊接虚拟仿真实训平台建设不但只是虚拟仿真设备的研究，同时应研究设计出能模拟真实工作环境的仿真软件，能将参观工厂、技能实训、技能考核等融与一体，实现从工厂的认识实习、常规焊接技能实训仿真训练，到模拟中级、高级焊工技能考核。
3.2焊接虚拟仿真系统的研发
开发焊接虚拟仿真系统，使该系统能具备常规焊工操作模拟和焊接工艺模拟，并且一套系统满足50电脑（工位）同时工作。主要功能如下 ：
①本模拟焊机系统定位在“焊接学生实训入门教学使用”。
②一个主机能代五十个终端工位同时工作。
③可用于模拟焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊三种常用的焊接操作过程，模拟器要实现不同焊接接头、不同焊缝（平、角）、不同焊接位置、不同焊接方法的模拟。
④理论知识测试部分能自动组成试卷并支持打印。能支持联机，像驾驶证考试一样让学员在不同计算机上完成理论考试。
⑤系统中集成一些常用焊接资料，支持常用资料的查询。例如常见钢材的化学成份、焊接标准等等。
⑥理论学习建成一个自主学习系统，学员可以根据自己所需进行不同内容的学习。系统要能支持内容更新，能根据用户需要自由导入、更新内容。
⑦能仿真显示在操作过程中缺陷的产生情况，并能自动计分显示。如操作不当，造成焊缝成形不良，咬边、夹渣、未熔合等缺陷。
总之，焊接虚拟仿真实训平台建设是一项综合而复杂的工程，只有在解决了上述难题后，才能真正的将虚拟焊接仿真技术应用到实际教学中去，否则都只能是纸上谈兵，即使研发出仿真设备，那也只能是昙花一现。
参考文献：
[1]数字化焊接技术的发展趋势判断和需求分析.中国工业网，2006（5）.
[2]在培训和鉴定领域推广应用仿真模拟技术的情况综述.劳动和社会保障部职业技能鉴定中心，2002（8）.
控制仿真平台 篇7
这样的实验方式存在一些弊端:
1.实验设备高度集成学生在开始进行实验的时候, 只是依据给定的电路来连接;对于控制系统的参数, 只是盲目调节电位器值和电容值, 更不知调整的参数对应系统的哪些具体参数, 不能对课堂学习的内容加深理解。
2.实验设备可扩展性差可改变参数有限, 使得综合性实验难以开展。
3.实验分组过大学生参与性差, 自动控制原理实验学时有限, 要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容, 是很困难的。
4.自动控制原理课程中有大量繁琐的计算与曲线绘制任务, 实验室里应用示波器, 如频率特性等实验效果不好。
目前高校仿真实验的开发日益增多, 如文献[2]和文献[3]中都对MATLAB软件在课程实验中的应用做了介绍, 本文中根据我校《自动控制原理》课程及实验的要求和实验的条件, 利用MATLAB中的具有可视化编程能力的图形用户界面编程工具、SIMULINK仿真功能和控制系统工具箱中丰富的库函数等, 开发了“自动控制原理”仿真实验平台。
该平台充分考虑了本课程的特点, 基本上覆盖了所要求的实验内容, 用户界面良好, 具有一定的交互功能和仿真运行功能。通过人机对话, 用户可以设置系统的模型, 根据要求该软件可进行图形分析和系统性能指标分析。该实验仿真平台作为课后实验和验证的虚拟仿真环境, 可以辅助教学, 用于课堂演示, 与电子线路模拟实验互相补充, 有效地提高了该课程的教学质量。
一、《自动控制原理》实验仿真平台
1. 仿真实验平台的设计原则
仿真实验平台整体设计采用Windows风格、面向对象的软件开发技术。为了操作简单易懂, 使软件具有可扩展性, 平台的设计过程中遵循了以下原则:
(1) 简单性和一致性设计中保证用户界面使用简单, 易于掌握, 界面元素保持一致性, 这样学生可以很快的掌握实验操作。
(2) 灵活性和可靠性用户能够根据需要进行扩展和补充课件的内容, 保证用户能够正确、可靠地使用并保证有关程序和数据的安全性。
2.《自动控制原理》仿真实验平台的内容
根据《自动控制原理》课程的内容及特点, 结合本人在该课程授课过程中的经验, 如图1所示, 本实验平台所包括的实验分为五大实验模块。
二、实验平台的设计
图形用户界面 (Graphical User Interface, 简称为GUI) 是用户与计算机进行信息交流的窗口, 本文中利用GUIDE创建图形用户界面。在算法上, 充分利用MATLAB控制系统工具箱[4,5], 调用各种控制系统的M函数, 配合编制的用户界面, 用户可以通过某种方式来选择或者激活用户界面上的菜单、对话框以及控件等图形对象来运行一些特定的M文件, 方便地对实现各个实验, 得到期望的实验结果和图形。
软件设计上主要包括界面的创建、数学模型的输入、实验结果的实时显示等。根据实验内容安排, 将实验分为若干小部分, 使得整个软件的层次分明、界面友好。
1. 仿真实验平台的主界面
利用MATLAB6.5版中的图形用户界面设计向导编辑器GUIDE完全进行可视化编程, 即可完成实验操作主界面的创建。在图形的设计过程中, GUIDE提供了下面一些工具:菜单编辑器、对象浏览器、属性编辑器、控件布置编辑器、网格标尺设置编辑器和GUIDE应用属性设置编辑器等。用户将它提供的工具与编程经验结合起来, 可以方便地创建友好的图形用户界面。
实验仿真平台的主界面如图2所示。
实验系统的五个实验模块, 可以通过两种方式来进入各个实验窗口:单击主界面上相应的按钮和通过菜单栏相应的命令, 我们将重点介绍其中的两个实验。
2. 线性系统的时域分析实验
线性系统的时域分析实验过程如下:建立系统的数学模型后, 给定系统输入, 分析系统响应曲线从而了解系统的稳定性、动态特性及稳态特性, 具有直观、物理概念清晰、比较准确以及能提供系统时间响应的全部信息的特点。
以二阶系统的单位阶跃响应为例, 典型二阶系统的传递函数为
进行拉氏反变换就可以得到系统输出随时间变化的表达式y (t) , 当阻尼比取不同的值时, 输出y (t) 不同, 系统的特性也不同, 可以分为无阻尼、欠阻尼、临界阻尼及过阻尼。
根据上述分析, 所设计的实验平台要求能实现下面两个功能:
(1) 可以随时改变值, 得到对应的y (t) 曲线并显示, 所完成的实验操作界面如图3所示, 可以在界面上输入阻尼比的值, 如图3中给定=0.5, 要求绘出系统在欠阻尼情况时的阶跃响应曲线。按下窗体上的“绘图”按钮, 然后按下“确定”按钮, 系统的阶跃响应曲线就会显示在窗口中的坐标系上。
按下窗口中的“grid on”按钮可以在坐标轴上添加网格, 按下“grid off”按钮, 取消网格显示。实验完成后按下“退出”按钮, 关闭该窗口, 返回主菜单, 再次选择要完成的实验。
(2) 可以将几组不同阻尼比时的输出曲线显示于一个坐标系下, 这样学生可以很方便的比较不同阻尼值时系统的阶跃响应特性有什么变化。
在输入阻尼比值时输入多个值, 即阻尼比数组, 就将不同阻尼比对应的一组阶跃响应曲线显示于一个坐标系上, 便于比较分析, 如图4, 在输入阻尼比的窗口中输入一组阻尼比值:0, 0.5, 1.0, 2.0, 则将系统分别在四个阻尼比时对应的单位阶跃响应曲线绘制于一个坐标系内, 四条响应曲线分别代表无阻尼、欠阻尼、临界阻尼及过阻尼的情况, 学生可以很清楚地了解到四种情况时的系统输出情况。
3. 线性系统的根轨迹实验
线性系统的根轨迹实验过程如下:建立系统的开环传递函数数学模型, 绘出系统的根轨迹图, 了解系统某个参数变化时闭环极点的变化过程, 从而分析系统的性能。
给定系统的开环传递函数为, 系统有两个开环极点, 两个开环零点, 根据根轨迹的绘制法则, 系统有两条根轨迹分支。
所完成的实验操作界面如图5所示, 首先在界面上“输入分子系数”和“输入分母系数”窗口内输入建立系统的开环传递函数数学模型, 按下“加载示例”按钮及“确定”按钮, 就可以在窗口上的坐标系内绘出系统的根轨迹图, 两条根轨迹分支以不同的颜色显示。同样可以根据需要选择给根轨迹图加上网格显示或者去掉网格显示。
图6至图8分别给出了控制系统的Bode图实验、控制系统的Nyquist实验、离散系统的脉冲响应实验的操作界面, 实验界面的操作方法与线性系统的时域分析试验及线性系统的根轨迹实验界面的操作方法相同。
三、结论
《自动控制原理》实验仿真平台的开发对学生学好该课程具有很好的辅助作用。与硬件实验相比, 该实验平台不仅具有显示的直观性、实时性与逼真性, 而且操作灵活, 节省了大量的人力、物力和时间, 提高了教学效率。该实验仿真平台通过在我校《自动控制原理》课程教学过程中使用, 效果良好。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理 (第5版) [M].北京:科学出版社, 2007
[2]李文磊, 柳士荣.MATLAB在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理, 2006, 2
[3]袁晓梅.Matlab环境下《信号与系统》虚拟实验的开发[J].高等职业教育天津职业学报, 2005, 2
[4]魏克新, 王云亮, 陈志敏, 等.MATLAB语言与自动控制系统设计 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2004
控制仿真平台 篇8
在电力系统低频振荡研究中,时域仿真法通常和其他分析方法(如平衡点特征值法和基于辨识(信号处理)的方法等)结合起来运用,从受扰轨迹中提取振荡特性[1]或辨识模型[2],或在非线性模型和大扰动条件下对基于线性化模型设计的阻尼控制器进行时域仿真校验。显然,前者属于开环情况,可以在仿真结束后离线进行;后者在每个积分时步内按照预设的控制策略计算控制量并实施反馈,属于闭环情况。
然而,在闭环情况下,复杂的阻尼控制策略往往难以嵌入仿真程序进行校验。按照所采用的数值仿真工具进行划分,主要有2种方法模拟阻尼控制策略:
a.部分商业软件为了增加软件的开放性和使用的灵活性而提供的接口功能,如电力系统分析综合程序(PSASP)和PSCAD/EMTDC的用户程序接口(UPI)[3,4],PSS/E的IPLAN[5]等;
b.Matlab Simulink的s函数(s-function)[6],和基于Matlab且代码完全开放的电力系统工具箱,如PST(1)和PSAT[7]。
方法a通过接口变量与用户程序UP(User’s Program)进行交互,形成“分别求解、交换变量、迭代收敛”的方式。在方法b中,UP可方便灵活地与原有程序和模型实现联立或交替求解。对于中等及以上规模的电力系统,方法b可能会面临计算速度和可靠性方面的问题。
基于商业电力系统分析软件,本文为电力系统的低频振荡分析和控制研究建立了仿真平台。该平台可进行大规模电力系统的低频振荡分析、阻尼控制器设计和闭环校验仿真。基于PSASP/UPI,结合C++矩阵数学库,介绍了仿真平台的技术架构。最后用新英格兰10机39节点算例系统验证了仿真平台的可用性和正确性。
1 仿真平台设计
1.1 平台的基本功能模块
整个平台包含2个主要的功能模块:基于辨识方法的低频振荡分析(特征提取/模型辨识)和阻尼控制器设计。
基于辨识的低频振荡分析,是将受扰轨迹视为某些频率、振幅(或阻尼)按特定规律变化的信号组合,然后从中提取及识别各振荡分量的频率、振幅(或阻尼)。实测(或仿真)的时间响应曲线完整地反映了物理系统(或数学模型)及实际扰动(或仿真场景)中所有非自治和非线性因素对动态行为的影响[8],因此,基于辨识的低频振荡分析成为传统的对系统在平衡点处进行特征值分析之外的另一种有效方法。根据不同的视角,如采样信号类型(扰动信号/运行数据/平稳/非平稳)、算法对数据的处理方式(块处理/递推)、辨识所得模型的类型(非参数模型/传递函数/状态空间)以及算法的应用环境(开环/闭环),可以将目前电力系统低频振荡分析和监控研究中常用的辨识算法进行分类[9]。其中,对平台设计影响最大的是辨识算法的应用环境。如果算法应用在闭环情况下,在提取得到振荡特征和系统模型后,还可以运用一定的策略更新控制器参数,以获得更好的适应性。
控制器设计模块主要是利用离线辨识或降阶,以及在线辨识得到的系统模型,设计基于各种策略的阻尼控制器,并进行反馈控制,改善系统的动态性能。
1.2 平台的技术架构
图1展示了平台的技术架构。由图可知,平台包含了3个模块和4个接口。其中,电力系统仿真分析软件用来实现潮流计算和暂态仿真,是整个平台的基础。下面主要介绍UPI、矩阵数学库和用户程序。
UPI指仿真分析软件和用户程序之间的接口,实现两者间的交替运行,以共同完成一个计算任务。图2展示了PSASP暂态稳定计算程序(ST)和UP在1个积分时段内的计算过程(1)。图中,F(·)、G(·)和H(·)分别表示描述系统中动态元件特性的微分方程组、描述电力网络及各元件电压和电流关系的代数方程组、用户方程;X、Y和U分别表示系统的状态变量、运行参量和用户变量;M为ST对UP的计算指示标记,其值为1、-1时分别表示迭代收敛和未收敛;Nt为积分时段数;K为1个积分时段内迭代的次数;ε为收敛常数。
矩阵数学库是指一组执行向量和矩阵运算的子程序集合。常见的数值计算库都含有矩阵数学库,如LAPACK、BLAS和Intel MKL等。C++矩阵数学库Matrix
UP用来实现仿真平台的2个基本功能模块。将图2所示的1个积分时段内UP的计算进行具体实现,可得如图3所示的主要流程。图中数组F1和F2分别存储ST传递给UP和UP传递给ST的数据。
当M=0(即对应仿真时刻为0)时,UP主要完成以下操作:
a.根据参数组号从参数文件中读取相应参数;
b.表1列出了几种仿真模式(Smode)和所实现的功能,当Smode取4～7时,生成激励信号和测量噪声序列;
c.由数组F1计算初始值,并初始化用户变量。
当M=-1时,UP主要完成以下操作:
a.对采样信号进行去直处理;
b.进行隐式梯形积分,计算电力系统稳定器(PSS)的输出Usl;
c.根据控制器类型(Ctype,固定参数或自适应控制器)以及是否考虑反馈信号时滞的影响,计算附加阻尼控制量Usg;
d.根据Smode形成总的控制输入Us,如表1所示。
当M≥0时,UP主要完成以下操作:
a.保存上一时段用户状态变量,供下一时段积分计算使用;
b.将采样信号和控制器输出保存至结构体数组,用于基于滑动时间窗方式的振荡模式提取或模型辨识,或用于考虑时滞影响的广域阻尼控制器的控制量计算;
c.当Smode取4～7时,提取振荡模式,或辨识模型后调整和更新控制器参数;
d.随机形成下一积分时段内反馈回路的时滞;
e.当达到仿真时限时,可以基于整个受扰轨迹提取振荡模式,或辨识系统模型并设计控制器,或绘制曲线。
由以上分析可知,该仿真平台具有如下特点:a.可以方便地实现低频振荡模式的提取、模型辨识、考虑时滞影响的固定参数和自适应阻尼控制器的设计与性能验证;
b.UPI使得可以充分利用商用软件提供的数学模型和功能,从而整个程序模块(分析软件+用户程序)的收敛性、准确性和可靠性都能得到保证;
c.采用矩阵数学库Matrix
2 仿真算例
针对新英格兰10机39节点系统,基于仿真平台设计了2种控制器,即基于开环辨识设计的线性二次最优部分输出反馈控制器OFC(Output Feedback Controller)[11]和基于闭环辨识设计的模型预测控制器MPC(Model Predictive Controller)[12],用以验证平台的可用性与正确性。系统单线图如图4所示。发电机采用双轴模型,励磁系统采用IEEE DC1A型模型,参数详见其用户手册(1)。所有发电机都装设PSS,其参数见文献[13]。系统的基准容量为100 MV·A。
该系统存在3个同调机群,即(G2,G3),(G8,G9,G10)和(G4,G5,G6,G7)。其中,机群(G4,G5,G6,G7)所在的电网被联络线16-15和16-17与系统其他部分分开,因此将这2条线路定义为一个断面。在基本方式下,断面上的有功功率为494 MW。经特征值分析可知,系统存在G1相对于G2～G10的区间振荡模式,频率为0.55 Hz,阻尼比为6.68%。因此,考虑在装设PSS的基础上,首先选择在第3个机群中G7的励磁系统上附加OFC或MPC以进一步提升系统阻尼。
通过可观和可控性分析[14],发电机相对转速ω7-1和联络线有功功率偏差ΔP4-5、ΔP16-17和ΔP15-162类信号被选为反馈信号。2类信号的尺度变换因子分别为100和1。PSS、OFC和MPC的限幅分别为±0.1 p.u.、±0.2 p.u.和±0.2 p.u.。在闭环辨识算法[15]中,带通激励信号的周期为10 s,频带为[0.1,2]Hz,最大幅值为0.1 p.u.,辨识模型阶数取为3,Hankel矩阵的块行数和列数分别为20和300。在MPC的目标函数中,2类输入信号和控制输出的权重分别为1、5和100。信号采样频率为20 Hz。通过开环辨识得到系统的降阶模型,然后求解矩阵方程组,得到OFC的反馈增益阵K=[-1.226 2,-0.443 3,0.3355,0.0]。
2.1 系统主导低频振荡模式的辨识
下面以MPC中的在线递推闭环辨识算法[15]为例,验证平台的低频振荡模式辨识、提取功能。
基本方式下,t=28 s时,线路3-18中间发生三相接地短路,0.06 s后故障消失(记为扰动1)。图5给出了系统矩阵A的特征值对应的频率(f)和阻尼比(ξ)。由图可知,闭环辨识算法能够较准确地辨识出系统的主导低频振荡模式对应的频率,而辨识得到的阻尼比与特征值分析存在一定的差异。ω7-1和ΔP16-17的测量值和估计值如图6所示。尽管在振荡模式的辨识上存在一定的误差,但辨识算法通过对输入、输出数据进行最小二乘意义下的拟合来求得矩阵B,使得辨识估计值和真实测量值之间的拟合误差较小。
2.2 控制器性能仿真
为了进行对比,考虑如下几种情况:
a.所有发电机仅装设PSS;
b.在G7上附加OFC;
c.在G7上附加MPC;
d.在G7上附加MPC基础上,在同调机群(G8,G9,G10)的G9上附加类似的MPC,反馈信号为Δω9-1、ΔP16-24、ΔP13-14和ΔP15-16。
基本方式下,系统发生扰动1。图7给出了a、b、c 3种情况下线路9-39上的有功功率曲线。由图可知,附加MPC的效果最好,其次是附加OFC。考虑到闭环辨识算法需要一定长度的数据才能启动,故图中横轴从t=28 s开始。
当断面潮流为885 MW时(记为方式2),t=28 s母线17发生三相接地短路,0.06 s后故障消失后(记为扰动2),图8给出了b、c、d 3种情况下线路9-39上的有功功率曲线。
由图可知:
a.在G7和G9上装设MPC的效果要优于仅在G7上装设MPC,这也验证了MPC之间具有的相互协调的能力;
b.MPC通过在线辨识模型和更新控制器参数,使得控制器对运行方式具有较好的适应性。
3 结论
基于电力系统分析软件,本文提出了一种大规模电力系统的低频振荡模式提取、模型辨识、阻尼控制器设计和闭环校验的仿真平台构建方法。基于PSASP/UPI,结合矩阵数学库Matrix
摘要：提出一种大规模电力系统的低频振荡分析与控制仿真平台的构建方法。利用C++矩阵数学库,编写实现低频振荡特征提取、模型辨识和控制器设计等功能的用户程序。基于电力系统分析软件提供的用户程序接口功能模块,实现用户程序与分析软件暂态稳定仿真模块的交互。用户程序和分析软件共同完成电力系统低频振荡分析与控制的仿真。仿真平台具有较好的收敛性、准确性、可靠性和较快的计算速度。新英格兰10机39节点系统的仿真结果验证了平台的可用性和正确性。
控制仿真平台 篇9
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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控制仿真平台 篇10
关键词：风力发电机,控制系统,控制模型,仿真平台,MATLAB Simulink
0引言
随着气候问题日益受到关注,风力发电技术作为可操作性最强的可再生能源技术,引起了越来越多的重视。然而和很多其他产业类似,井喷式发展更加关注生产制造而相对忽略了技术发展,这也导致了目前绝大多数的核心技术还是掌握在国外厂家的手中,风机控制系统就是其中之一。
控制系统作为整个风力发电机组运行的大脑,优秀的控制策略和控制参数能够在很大程度上降低机组的载荷,提高机组的效率和寿命。因此国外风电厂家对于控制技术都是采取封闭的措施。国内厂家也慢慢地开始开展控制系统方面的研究工作,但是和国外厂家的差距依然非常明显。因此早日掌握风机控制技术也显得越来越迫切。而对于这点,一套能够确切反映控制系统实际运行情况的仿真平台就显得尤为重要了。通过这个平台,技术人员能够设计和优化风机的控制系统,并通过该平台了解这些设计和改动对于实际机组所产生的影响,对于掌握控制的核心技术有着非常重要的意义。
1仿真平台结构
根据风机控制系统的主要工作原理［1］,仿真平台可以分成4个模块,其结构如图1所示。风速模块用来模拟实际的风速和风向信号,叶片气动模块根据风速模块的输出,模拟叶片从风中获取能量的过程。驱动链模块主要包含了齿轮箱、发电机等主要驱动链部件。控制系统模块从其他模块获取机组仿真的数据,并通过执行机构调节机组的运行［2］。下面就根据不同的模块对整个仿真平台进行介绍。
1. 1风速模块
风速是风力发电系统最主要的输入条件。正确的风速模型不仅能更真实的反应实际风速变化情况,而且能够给整机的设计研究提供正确的依据。而在风速中,最重要的一个模型就是湍流。
湍流的常用模型有很多种,目前主流的载荷计算平台中,使用最多的还是Kaimal模型。参考GL和IEC的注释［3］,Kaimal模型下,湍流的谱密度函数可通过公式( 1) 表示:
其中,f为频率,Sk( f) 为湍流的普密度函数,Vhub为轮毂中心高度处的风速,σk为位于轮毂中心高度处的风速的标准差; Lk为湍流尺度参数。
图2所示的图形为根据Kaimal模型所仿真出的风速波形, 其中设置平均风速Vhub= 15m / s,Iref= 0. 14。
1. 2叶片气动模型
叶片是风力发电机的核心部件,从风中获取能量并传递给驱动链。设定机组叶片的扫风面积为A,风速为V,空气密度为 ρ, 则叶片可以获取的机械能量如公式( 2) 所示:
公式( 2) 中,Cp称之为风能利用系数,它用以描述叶片能够从风轮中获取到能量的多少。根据贝兹理论,理论上Cp可以达到16 /27,不过对于目前的技术而言,在实际中通常只能达到0. 47左右。Cp是风机设计中最重要的参数之一。对于变桨距的风机而言,Cp和叶尖速比 λ 和桨距角 β 有关系,即Cp= f( λ,β) 。一个标准的Cp( λ,β) 关系曲线如图3所示。
从图3中可以看出,对于不同的 λ 和 β,Cp的值都有所不同。 对于每一个固定的桨距角 β 值,在不同的叶尖速比下,都能对应找到一个最大值Cpmax。风机控制系统的主要工作之一,就是在最大程度上保证机组能够工作在Cpmax,从而使得机组的发电效率达到最高。
1. 3驱动链模型
驱动链包括了齿轮箱、发电机等等核心部件。主要起到传递转速和转矩的作用。在研究控制系统的响应时,只考虑其控制意义上的传递模型,一个常规的齿轮箱模型如公式( 3) 所示:
其中nin,nout为输入和输出转速,Tin,Tout为输入和输出转矩, i为传动比。ηG为传动效率。
发电机是驱动链中最重要的一个部件,控制系统通过变流器对发电机的电磁转矩进行控制,实现对发电机转速的控制。其控制模型可以通过公式( 4) 表示:
其中Tm为发电机的输入转矩; Te为发电机制动转矩; J为系统的转动惯量; ωGen为发电机转速。
1. 4控制系统模型
对于变速变桨式的风力发电机组,控制系统从功能角度区分,可以分为: 数据采集、控制器、执行机构这3个主要部分。其结构如图4所示。
1. 4. 1数据采集
除了常规的滤波器外,风力发电机组增加了一个特殊的滤波器,称之为驱动链阻尼器。它的主要功能是为驱动链提供额外的阻尼,用于降低驱动链的振动。驱动链阻尼器［4］的模型如公式( 5) 所示,其中 ω 为驱动链共振频率,ξ 为驱动链阻尼,τ 为时间常数
1. 4. 2控制器
控制器是控制系统的主体,要实现一个风机控制器,明确其控制需求是必不可少的,一般主要包括控制策略和控制算法两个主要部分。
( 1) 控制策略
对于变速变桨式机组,根据发电机转速的不同,其控制策略可分成3个控制区间,如图5所示。
区间Ⅰ: 在这个区间,变桨系统不启动。通过转矩控制使风机工作在最佳Cp值之下。
区间Ⅱ: 在这个区间,当发电机转速低于额定转速时,通过转矩控制维持最佳Cp值的工作状态。当转速达到额定转矩之后, 就需要通过控制转矩来维持转速的恒定,必要的时候需要启动变桨系统。
区间Ⅲ: 在这个区间,通过变桨控制维持机组的转速,通过转矩控制维持发电机的额定功率输出。
( 2) 控制算法
风机的控制对象和控制目标都比较明确,因此在仿真平台中选用了相对最适合的增量式PID算法［5 － 6］,其优点就在于每次计算的结果只是一个变化量 Δy( n) ,即使计算出现失误,也不会对于整体的y( n) 造成严重的影响。其标准如公式( 6) 所示。
1. 4. 3执行机构
执行结构主要指的就是变流器和变桨系统。对于仿真系统来说,为了简化计算过程,这两个系统可以通过一个二阶传递函数来表示,如公式( 7) 所示。
2仿真结果比对
为了分析仿真平台的运行结果及其可行性,将仿真平台的运行结果和Bladed软件进行比较。Bladed软件是目前风电行业是使用最为广泛的设计软件之一［7］,因此具有很强的参考意义。比对结果如图6和图7所示。Bladed软件所考虑的内容更全面,采用的数学模型更加复杂,因此两者在计算结果方面不可能做到完全一致。但是对比结果分析,可以看到计算结果非常接近。表明仿真平台能够很好的反映出风机控制系统的特性。
3结束语
控制仿真平台 篇11
关键词：轨道交通；综合调度；分散自律调度集中系统；实验教学仿真平台
摘要：随着计算机等技术在交通运输领域的应用，要求交通运输专业人才必须掌握综合调度的技术。为了方便学生实际操作，西南交通大学建设了数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台。它以分散自律调度集中系统为核心，由调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成。并以教学平台框架结构为基础。将教学、科研与社会服务集成为一体，构建了数字化轨道交通列车调度员、助理调度员、综合维修调度员、车站值班员等综合调度指挥系统的仿真平台。实践表明，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台分散自律调度集中系统方便了学生的现场实际演练，提高了学生动手能力，具有完善的教学、科研功能和良好的社会效益，对于培养交通运输创新型、工程型专业人才具有重要作用。
中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1009－4474(2009)02－0035－04
一、综合调度实验教学仿真平台建设的意义
综合调度是轨道交通日常管理和行车指挥的核心。但在日常生活中，运输生产过程由于受各种不确定因素的影响，列车运行及铁路运输生产活动经常偏离运输计划。为了使运输生产运行状态正常化，我们必须经常分析运输生产指标的完成情况，进行车流分布预测，并根据具体的运输工作条件，调整车辆分布及列车运行。通过制定日、班计划贯彻运输调整措施，预防或消除运输生产过程中可能或已经发生的一些问题，保证车流正常分布，运输设备使用经济合理，从而使铁路运输部门按时完成或超额完成运输生产任务。
由于综合调度在轨道交通中具有重要地位和作用，使得调度指挥专业技能成为交通运输专业特色人才实践动手能力的重要组成部分。因此，在竞争日益激烈的市场中，轨道交通企业需要高校培养具有调度指挥能力的人员，这就给交通运输专业特色人才培养提出了新的要求，即要求培养的特色人才能对综合调度各方面的内容及具体实施细节有全面、深刻的认识，而要实现这一目标，仅靠课堂教学是难以完成的。这是因为综合调度过程与生产实际联系紧密，只有通过日常调度指挥训练，才能增强学生对综合调度的认识，使学生掌握调度指挥的本领。然而，在现实中运输生产单位出于安全和作业效率的考虑，学生即使在现场实习也很难有机会参与调度指挥方面的实际操作。为了解决上述问题，我们认为构建数字化综合调度实验教学仿真平台将是一种较为理想的选择。因为，数字化综合调度实验教学仿真平台不仅成本较低，所占空间较小，更为重要的是可以方便地仿真综合调度的全部过程，能为学生提供一个实践综合调度指挥的场所；它不仅可以帮助学生理解和领悟综合调度的相关理论知识，还可以满足学生动手的需求，适应了交通运输专业特色人才培养的需要。
同时，随着信息技术的发展，计算机、网络、多媒体等技术在交通运输领域的应用也越来越广泛，它将逐渐改变传统的铁路运输生产模式。这就要求交通运输专业人才应适应科技的发展，熟练地掌握先进的科学技术，特别是在运输生产中处于核心地位的综合调度指挥系统的相关信息技术，在此基础上熟练操作调度指挥系统。而综合调度实验教学仿真平台的建设为学生掌握、应用这些信息化技术提供了有利条件。同时，也为交通运输专业实验教学条件的改善和教师科学研究提供了技术保障。
二、综合调度实验教学仿真平台的基本原理与框架结构
1实验教学仿真平台的基本原理
数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台是以国内外最先进的调度指挥系统——分散自律调度集中系统为核心，根据轨道交通调度指挥的基础理论，将轨道交通综合调度指挥系统模块化、数字化，并利用计算机技术、网络技术和多媒体等信息技术建立的。而车站设备、列车运行则采用虚拟仿真技术实现。综合调度实验教学平台主要集成了车站列车接发、调车作业、轨道交通综合调度指挥，其中包括行车调度指挥、综合维修调度指挥、车站作业统计分析等功能。通过综合调度实验教学仿真平台可以让学生参与对轨道运输的组织、协调与决策的模拟仿真实训。
综合调度实验教学仿真平台设置与铁路运输生产现场保持高度一致，以达到对现场运输生产的高质量模拟和仿真。该系统采用了先进的计算机通讯技术、网络通信技术和现代控制技术，利用智能化分散自律设计原则，将同一调度区段内、同一联锁控制范围内所有车站(车场、线路所)的信号、联锁、闭塞设备纳入控制范围，通过计算机网络完成调度计划和调度命令的下达，由车站自律机按照调度计划进行自律执行，并由相应的外围设备采集铁路沿线的各种实时信息，再传送到调度集中的中央服务器，实现了列车跟踪、监督报警、运行图自动绘制、列车编组信息管理、调车作业管理、综合维修管理、列／调车进路人工和计划自动选排、分散自律控制等功能。系统具有较高的智能性，能够自动生成调度计划并依据计划自动选择适当的进路，控制相应的联锁设备动作。它能在列车运行调整计划的基础上，自动解决列车作业与调车作业在时间与空间上的冲突，实现列车和调车作业的统一控制。
2实验教学仿真平台的框架结构
数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台由综合调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成(见图1)。
(1)综合调度中心系统
综合调度中心系统主要由数据库服务器、调度集中服务器、通信前置服务器、大屏显示系统、行车调度员工作站、助理调度员工作站、综合维修工作站以及局域网等设备组成。其主要功能包括：①实时监控管辖范围内列车运行状态，制定、调整和下达列车阶段计划，查阅实际运行图，下达调度命令以及与相邻区段列车调度员交换信息；②编制、调整无人值守车站的调车作业计划以及领导调车工作，根据阶段计划和调度员的口头指令进行车站调车进路的排列；③具有直接遥控车站进路和其他信号设备的按钮操作界面；④掌握线路运营情况，仿真生产和运输指挥过程；⑤具有站场和运行图显示功能，辅助计划调度完成日班计划的生成和下达。
(2)车站仿真系统
车站仿真系统主要设备包括车站自律机、车务终端、综合维修终端、电务维护终端等。其中，车站自律机是分散自律调度集中的关键设备，其主要功能包括：①接收存储调度中心的列车运行计划、调车作业计划等，并自动按计划进行进路排列，驱动联锁系统执行；②接收调度中心和本地值班员(信号员)的直接控制操作指令，经检查确认无冲突后驱动联锁系统执行；③确认进路的完整性和信号的正确性，并能对不正常情况进行处理；④能对列车及调车作业进行跟踪；⑤接收邻站的实际和计划运行图，接收调度中心和本站值班员的人工干预，调整进路及内部处理流程；⑥能对列车车次进行跟踪显示处理，可形成本站的自动报点信息。车站仿真系统不仅在纵向上能与调度中心有信息的交互，而且在横向上能与相邻车站有信息的交互。
(3)网络传输系统
网络传输系统为综合调度中心与各调度台的信息交换、车站与车站的信息交换，以及调度中心与车站之间的信息交换提供通道。因此，在实验教学仿真平台中一般采用局域网来实现。
三、综合调度实验教学仿真平台的设置
根据数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的基本原理和框架结构，实验教学仿真平台分为综合调度指挥中心和基层车站两级调度指挥层。调度指挥中心设置列车调度员仿真平台、助理调度员仿真平台、综合维修调度员仿真平台；车站仿真系统主要设置车站值班员仿真平台及车务终端等。
1列车调度员仿真平台
列车运行是运输生产活动的重要环节。列车调度员负责指挥一个区段内与列车运行有关的生产活动，对列车运行进行指挥调整是其主要的职能，助理调度员和综合维修调度员均受列车调度员指挥。学生通过列车调度员仿真平台可以监控列车运行状况，负责组织和完成列车在车站到开、会让、通过等行车作业；同时，让学生学会合理地使用车站正线、到发线、调车线，实现日班计划。在列车运行紊乱的情况下，学生可通过仿真平台调整列车运行计划，控制列车、调车进路，尽可能使晚点列车恢复正常运行秩序。另外，学生还可以通过仿真平台向助理调度员下达中间站列车摘挂计划，同时指挥综合维修调度员及时、正确地发布调度命令。
2助理调度员仿真平台
助理调度员在列车调度员的领导下，根据列车调度员下达的列车运行计划，随时监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况。必要时助理调度员可以直接操纵车站信号、联锁、闭塞设备。学生可通过助理调度员仿真平台组织指挥调度工作，并根据日班计划、列车编组、车站站存车、装卸车进度等信息，及时编制调车作业计划，然后确认、修改列车编组顺序表、车站站存车等信息，并及时向车站仿真系统传送调车作业计划和列车摘挂计划。
3综合维修调度员仿真平台
综合维修调度员在列车调度员的领导下，加强与施工调度员、电力调度员的联系，按照月度施工方案和“天窗修”计划，及时编写施工、检修等调度命令。学生通过综合维修调度员仿真平台可以根据需要编写并下达施工、检修等调度命令，同时协助助理调度员监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况；遇到需要人工排列的进路时，应与助理调度员执行“二人确认制度”。
4车站值班员仿真平台
车站接发列车的工作，一般由车站值班员统一指挥。在调度集中模式下，综合调度中心是调度指挥的核心，行车调度员仿真平台是指挥行车的主要平台，助理调度员通过助理调度员仿真平台、综合维修调度员通过综合维修调度员仿真平台接收相关命令，并辅助行车调度员完成相应的行车、调车作业。因此，学生通过车站值班员仿真平台可以监控列车的运行。
当调度集中设备出现故障、发生危及行车安全的情况或设备需要维修时，调度指挥脱离分散自律系统控制转为车站传统控制模式，综合调度中心不再办理列车在站的行车作业。此时，学生可通过车站值班员仿真平台办理列车在站到开、会让、通过等行车作业，学会正确合理地使用车站正线、到发线，实现列车运行计划。
四、综合调度实验教学仿真平台效果分析
数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台自建成以来，已经为我校2003级、2004级和2005级的交通运输专业本科生260余人开设了“铁路行车仿真实验”课程。课程围绕该平台开设了8个实验，包括：电气集中条件下的接发列车实验、微机联锁条件下的接发列车实验、CTC设备原理实验、列车运行调整实验、CTC情况下调车作业计划的编制、调度命令的编发实验、车站技术设备运用及作业流程实验和阶段计划编制实验。学生通过开展基于数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的相关实验，不仅掌握了综合调度指挥的基本原理，熟悉了分散自律调度集中指挥系统，而且在实际操作的过程中大大提高了他们的实践动手能力，这对培养学生的创新能力起到了一定的作用。另外，在学生外出进行现场生产实习之前，我们就先利用实验教学仿真平台进行演练，也解决了学生在现场实习时只能观看不能动手的难题，为学生日后走上工作岗位打下了一个良好的基础。
我校数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台不仅为交通运输专业本科生提供实验课教学，还为我国大批铁路相关工作人员、客运专线运营调度人员提供了实训平台，发挥了其强大的社会服务功能。同时，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台还具有科研功能，为交通运输专业的研究生和教师深入科学研究、进一步开发轨道交通综合调度指挥系统提供了良好的研究条件。因此，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台已经成为集教学、科研和社会服务于一体的多用专业平台。
控制仿真平台 篇12
目前, 我院汽车电子技术专业有一门《汽车综合控制系统应用与调试》课程, 该课程的实训教学条件不足, 特别是缺少汽车单片机技术应用实训所需要教学资源, 主要是指汽车单片机应用系统的硬件电路和控制程序。因此, 我们急需开发出一套适合《汽车综合控制系统应用与调试》课程实训教学需要的汽车车身电器系统仿真控制实训平台。汽车车身电器系统仿真控制实训平台设计完成后, 我们可以在本平台上开展转向灯控制、大灯随动调节、雨刮器控制、汽车数字音响控制、汽车防撞倒车雷达测距、汽车平衡测控、GPS汽车定位/测速/防盗、酒驾测量和断电保护等实训项目, 较好地培养学生设计汽车单片机应用系统的能力。同时, 该平台还可用作教师开展单片机应用技术研究的平台, 提升教师的科研能力。
2 汽车车身电器系统仿真控制实训平台电路分析
2.1 硬件系统组成。
该实训平台电路是以汽车单片机系统为核心的仿真汽车车身电器系统的电路。其包含的主要电路功能模块有:单片机扩展单元, 可使用兼容51系列的所有单片机, 引出P0、P1、P2、P3四个口线;8位电平开关输入, 8位发光管输出指示;128×64的带字库蓝光液晶显示, 方便用户在开发中作显示;汽车转向灯仿真控制单元;汽车大灯仿真控制单元、汽车大灯水平位置手动控制模块;汽车大灯随动控制模块;灯光系统自动控制模块;汽车数字音响系统和汽车数字功放系统;带语音播报功能倒车雷达;AD/DA集成开发模块;高精度酒精浓度测量及酒驾控制模块;无线遥控门锁模块;野外温度及海拔高度测量单元;汽车车身平衡测控;汽车雨刮器仿真系统及其仿真控制单元;汽车火灾烟雾报警单元;汽车后视镜电动调节;汽车空调仿真控制测量;汽车GPS定位测量模块;汽车胎压仿真测量;汽车振动防盗模块;汽车尾气CO浓度测量模块等。有了这些可以开展的实训项目的支撑, 学生就能够将学习到的理论知识与教学实践紧密结合起来, 教学过程不再显得空洞, 能切实提高学生的专业技术水平。
2.2 软件系统组成。
汽车车身电器系统仿真控制实训平台的软件系统主要包括汽车转向灯仿真控制、汽车大灯随动控制、汽车数字音响系统与汽车数字功放系统控制、高精度酒精浓度测量与酒驾控制等15个功能模块的控制程序。每个功能模块的控制程序单独设计, 相互之间不出现相互调用问题。本软件系统采用KEILC51开发完成, 包括C语言控制程序和汇编语言控制程序, 即每功能模块的控制程序都有两种编程语言编制而成。在编制程序时, 可以先编制C语言控制程序, 再通过KEILC51工具转换为汇编语言 (往往需要人工修改与调试) 。KEILC51工具支持C语言和汇编源代码调试, 仿真器采用USB接口, 能进行单片机应用软件开发、仿真, 无需另配编程器。在汽车车身电器系统仿真控制实训平台开发过程中, 项目组将陆续开发DJ汽车野外气压与高度检测、GPS定位、大灯自动调节、蜂鸣器播放音乐、蜂鸣器发警车声音、蜂鸣器发救护车声音、蜂鸣器发消防车声音、酒精浓度测量、空调测控、汽车防撞及倒车雷达测距、汽车平衡监测、汽车音响数字收音机、雨量检测及自动雨刮器控制、转向灯控制等的C语言控制程序。后续, 在整机系统开发完成后, 还要将C语言程序转换为汇编语言程序, 以便于学生学习编制汇编语言程序。
3 实训平台技术要求
3.1 电源。
该电源采用高性能大功率电源, 能满足汽车大灯、雨刮器等大功率器件的功率要求, 具有自动控制温度功能, 有效保护电源不受损坏。该电源可以提供+12V、+5V直流电压。
3.2 机箱。
机箱规格为:800×270×420 (单位mm) , 后盖为可拆卸式。机箱采用环保、不易燃的材料加工而成。
3.3 可开展的实训项目。
开发完成后的汽车车身电器系统仿真控制实训平台应能够实现预定的功能目标, 并且性能稳定。本实训平台可以实现实训项目主要包括: (1) 前照大灯亮暗自动控制; (2) 转向灯控制; (3) 大灯随动手动与自动调节; (4) 雨刮器的手动与自动控制; (5) 汽车数字音响控制调节; (6) 汽车防撞倒车雷达测距语音播报; (7) 汽车平衡测控; (8) GPS汽车定位、测速及防盗; (9) 无线遥控门锁; (10) 汽车仿真无钥匙一键启动; (11) 汽车空调仿真控制; (12) 汽车胎压监测; (13) 汽车海拔高度测量; (14) 酒驾测量和酒驾断电保护; (15) 汽车上的多种报警; (16) 汽车后视镜调节。
3.4 功能电路模块化设计。
该实训平台上的16个功能模块电路相互独立, 每个模块电路位于整机电路板的不同区域, 操作方便、易于维修。有些功能电路可以是独立的、可插拔的电路模块, 更换方便。汽车单片机系统单元模块可以很方便地与其他功能模块连接。
3.5 编制实训指导书。
为了更好地适应《汽车综合控制系统应用与调试》课程教学的需要, 在实训平台开发完成后, 编制汽车车身电器系统仿真控制实训指导书。指导书的内容包括3.4部分所述的16个实训项目。每个实训项目包含实训目的、实训原理 (实训电路、电路连接、电路基本工作原理分析) 、实训内容与步骤、实训总结与作业等内容。
结语
在前期调研以及后续开发过程中, 我课题组未发现国内外有与本实训平台功能相同或相近的、在市场上应用的实训教学平台。本实训平台具有较强的实用性和一定的创新性, 是依托电子技术、单片机技术及汽车技术, 实现单片机应用技术开发、仿真及实训功能于一体的教学设备, 是一套利用自己设计的硬件和软件系统来仿真实现汽车车身电器系统的工作过程和控制过程的教学设备。本实训平台将使学生既能开发以单片机为核心的汽车技术类相关实验, 又能动手操作汽车实训类的相关演示, 为学生进行毕业设计、课程设计及工作应用打下良好的基础。
参考文献
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