设计与仿真集成（共7篇）
设计与仿真集成 篇1
0 引言
压电电机是一种利用压电材料的逆压电效应使压电体变形产生往复振动,通过传动机构将振动位移转换为直线或旋转运动的新型复合电机[1]。与电磁电机相比,压电电机具有结构简单、响应速度快、定位精度高等优点[2]。Toyama[3]设计了一种球形压电超声电机,并将该种电机作为相机作动器安装在管状探测机器人上;Tomoa-ki[4]研制了一台定子体积只有1mm3的微型压电超声电机,该电机成为最小的压电电机之一;朱鹏举等[5]设计了一种大推力直线压电电机,当驱动频率为100Hz时,该电机最大输出力为130N;张海峰等[6]设计了一种高效压电旋转驱动器,解决了压电双晶片旋转驱动器能量利用效率低的问题;Chen等[7]利用20个压电堆和20个块状弹簧产生的行波,研制了一台利用径向弯曲模态的行波压电超声电机。
传统压电电机主要靠摩擦传动,其缺点是接触面磨损严重、寿命短,非接触式压电电机虽避免了定转子间的摩擦,但其承载能力较低,而压电谐波电机却能克服上述缺陷。2000 年,德国学者Barth[8]提出利用谐波齿轮箱和压电堆传动的谐波压电电机,利用齿轮箱的柔轮代替了传统的行波发生器。2004年,辛洪兵等[9]设计了一台利用位移放大机构的压电谐波电机。以上谐波电机采用了谐波齿轮传动,造成柔轮承受较大的交变载荷,且谐波齿轮传动比下限值较高[10]。
基于上述原因,许立忠等[11,12]提出了一种既降低摩擦损耗、延长电机寿命,同时又增大电机输出力矩的机电集成压电谐波电机,该种电机利用活齿啮合取代定转子间的摩擦力来驱动转子,具有低速、大转矩等特性。为了增大电机的输出转矩,本文对机电集成压电谐波电机进行了改进,设计出单级放大机电集成压电谐波电机。经过理论计算,机电集成压电谐波电机的输出力矩为0.11N·m,而单级放大机电集成压电谐波电机的输出转矩为3N·m,故单级放大电机更具优势。本文给出了单级放大机电集成压电谐波电机的设计过程,并进行了电机关键零部件的有限元仿真。
1 电机工作原理
单级放大机电集成压电谐波电机如图1 所示,该电机由驱动部分和传动部分组成,驱动部分主要包括压电叠堆(2个)、下压盘、摆杆和弹簧(2个),传动部分主要包括波发生器、中心轮、活齿(30个)、活齿架和输出轴。电机中,下压盘和摆杆共同构成单级放大机构,下压盘相当于杠杆,支点位于底座轴承的中心处。电机中2个压电叠堆以相位差90°分布于摆杆外侧(图1中只显示出一个压电叠堆,另一个在摆杆后面未显示出来)。工作时,分别给2个压电叠堆通入相位差90°、带正偏置的余弦信号,压电叠堆在激励信号作用下发生伸缩变形,压电叠堆带动下压板发生左右和前后摆动,同时由于摆杆和下压板固连,故摆杆能够同时发生左右和前后摆动,在连续信号作用下,波发生器边缘处就形成了连续谐波。这种通过摆杆摆动形成谐波与传统圆周转动形成谐波在形式上不同,但谐波效果相同。谐波力推着活齿沿齿廓方向滑动,活齿架在活齿带动下转动一定角度。以此类推,在输出轴端获得连续转动。
电机设计指标如下:传动比为30,单级放大倍数大于6,偏心距0.1mm,输出转矩3N·m,转速小于等于6r/min。
2 电机参数设计
电机传动部分活齿系统如图2所示。本文设计活齿个数Zp=30,中心轮波齿数Zc=29,则电机活齿系统传动比为
设计电机活齿系统偏心距a= 0.1mm。中心轮齿廓是活齿传动的关键部位,中心轮齿廓方程为
式中,θ为活齿架转角;ψ为活齿中心运动轨迹上该点法线与x轴的夹角;rs、rp分别为波发生器和活齿的半径;X、Y为中心轮齿廓坐标。
图3是活齿位于中心轮齿廓上两个极限位置时的几何关系图,由图3a几何关系及活齿连续传动条件、不干涉条件可得活齿架外圆半径最大值rmax=r1=b -a +rp,最小值,则活齿架外圆半径rrw的尺寸范围为
由图3b几何关系及活齿连续传动条件、不干涉条件可得活齿架内圆半径最大值,最小值rmin=rr=a+b-rp,则活齿架内圆半径rrn的尺寸范围为
取波发生器半径rs=14.5mm,活齿半径rp=1mm,由式(1)和式(2)可得15.6mm<rrw<16.4mm,14.6mm <rrn<15.4mm,故取rrw=15.8mm,rrn=15mm。
本文选用结构尺寸为10 mm ×10 mm ×50mm的压电叠堆作驱动源。图4为驱动部分计算图,其中δnp、Fnp分别为压电叠堆最大变形量和最大输出力,l1为压电叠堆作用力臂,l2为下底板与摆杆铰支点间的距离,l3为波发生器边缘与摆杆铰支点间的距离。由位移关系可得
式中,δB、δC分别为图4中B、C点的位移。
则波发生器边缘处的位移为
对O点取矩,可得C点垂直于摆杆的力为
已知压电叠堆最大位移δnp=0.05mm,最大输出力Fnp=3600N,l1=13mm,l3=95mm,则波发生器边缘处C点的位移为δC=0.365mm,受力为FC=492.6N。 故单级放大机构的放大倍数为δC/δnp=7.3。当偏心距a=0.1mm时,波发生器位移大于等于0.2mm时才能够使活齿系统发生连续转动,δC>0.2mm满足连续转动条件。
3 电机静力学分析
3.1 电机传动力学模型
活齿受力如图5所示,活齿分别受波发生器作用的力FHj、活齿架作用的力FSj和中心轮作用的力FKj。 假设活齿架的转角为θ,则βj=[θ0+icpθ+2π(j -1)/icp]/icp,θ0为初始位置活齿架角度。波发生器的转角β1j=icpβj,由βj和β1j可得β2j=(icp-1)βj,β3j=arcsin(asinβ2j/b),j表示第j个活齿。前文中已得出波发生器受力FC,该力等于各参与啮合活齿受力FHj的合力,即
分别在x、y方向上对活齿列平衡方程,得
式中,αj为活齿中心运动轨迹切线与x轴夹角,αj=-dy/dx。
活齿的中心运动轨迹方程为
联立式(3)~式(5)即可求得活齿受力FHj、FSj和FKj。
当两弹性体接触时,假设两弹性体沿接触点切平面法线方向受到的分布压力的合力为F(FHj、FSj或FKj),接触点处应力为σ,如图6所示,则两弹性体曲面方程和接触点附近应力分别为
式中,S为两弹性体接触面在切平面上投影的面积,mm2。
两弹性体接触点附近表面上与切平面垂线相交的两点之间的直线距离为z1+z2,则
式中,k11、k12、k21、k22分别为两弹性体在接触点处的主曲率;η1和η2分别为在切平面内进行坐标变换时坐标轴间的夹角。
由式(4)知,接触面在切平面上的投影为椭圆,F在椭圆内部某点引起的垂直位移W为
式中,E、μ分别为材料的弹性模量和泊松比;a1、b1分别为两弹性体接触面投影的长半轴和短半轴;e为椭圆率;K(e)、E(e)为系数。
根据弹性体理论,假设接触点附近两点变形后位移为W1+W2,δ 为接触变形量,则接触面内在平行于接触点切平面法线方向上任意两点的位移方程为
由式(8)~式(10)可得
联立式(7)、式(11),可得应力方程为
将式(12)中的F替换为FHj、FSj和FKj即可得到活齿受到的应力。
3.2 应力求解与分析
活齿系统是单级放大机电集成压电谐波电机中传递运动最为核心的部分,由于活齿在工作过程中与构件间是点接触,故活齿是整个电机较为薄弱的受力点,因此对活齿进行应力分析是非常有必要的。图7是由式(12)通过理论计算得到的活齿应力随活齿架转角的变化曲线,图8是对电机进行有限元仿真得到的活齿应力云图。
由图7、图8可知:
(1)活齿架每转过π/29时,活齿所受各应力又回到最小值;在活齿架每转过奇数个 π/58时,活齿所受各应力达到最大值。
(2)活齿所受应力随活齿架转角变化而出现突变现象,且每经过 π/435时应力突变一次。 这是由于当系统有30个活齿工作时,只有一半左右的活齿处于啮合状态,且啮合活齿数始终在15齿和16齿之间跳跃变化,同时啮合齿数变化周期为π/435,故活齿应力会在π/435时发生突变。
(3)在活齿应力云图中,只有一半左右的活齿所受应力较大,且处于中间的几个啮合活齿的应力值达到最大值,这与图7中应力曲线的规律是一致的。
(4)理论计算活齿最大应力处于活齿与活齿架啮合处,为45.54MPa,有限元得到的最大应力为47.38MPa,误差为4.04%。
4 电机动力学分析
4.1 模态分析
单级放大机电集成压电谐波电机结构较复杂,其形状变化多样且材料特性各异,目前很难用解析法获得精确的动力学解,且模型简化求解得到的误差较大,无法满足电机性能要求。 而有限单元法可以较准确地模拟电机的动态特性。
用单元节点位移场表示单元应变场如下:
其中,Lm为微分算子矩阵;Nm为力学形函数矩阵;δme为节点位移向量;上标e表示单元体;下标m表示力学量。
假设压电片上下面各存在一个电势自由度qu和qd,等势面上的节点共用此一对电势自由度,即
假设压电堆内电场均匀分布,电场强度表示为
式中,Be为系数矩阵;lp为压电片厚度。
则单元体动能表示为
弹性单元体势能为
压电单元体势能为
式中,D为电位移;σ 为压电堆应力;Ve为单元体体积。
由Hamilton原理可得,电机机电耦合方程为
式中,Mmm、Kmm、Kme、Kee分别为质量矩阵、刚度矩阵、压电耦合矩阵和介电传导矩阵;Qq为压电片电荷量;Ff为广义力列向量。
电机自由振动方程可简化为
式中,ω0为系统的固有频率。
应用上述有限元法对单级放大机电集成压电谐波电机进行模态求解,得到电机部分固有频率及振型,如表1所示。由表1可知:
(1)当频率较低时对应的振型多数是驱动部分的振动,频率较高时对应的振型多数是传动部分的振动。 故当频率较低时,驱动部分容易发生共振。
(2)各构件的振动中,摆杆由于是细长结构最容易发生弯曲振动,压电堆同样容易发生弯曲振动;活齿架由于具有复杂结构,故其振型既有弯曲振动又有旋转振动;活齿振型主要以轴向振动为主;中心轮振型主要是弯曲振动。
4.2 谐响应分析
当对压电堆所加的电压激励频率接近电机固有频率时,电机各构件会被激发出各种振动模态。假设单位节点向量满足
式中,Φ 为n个振动模态特征向量矩阵;q为n个正交模态对应的模态坐标。
将式(14)代入式(13)并归一化,可得到谐响应矩阵方程如下:
对单级放大机电集成压电谐波电机进行谐响应分析,设定激励频率最大值和最小值分别为fmax=22 000Hz、fmin=1600Hz,由激励频率范围确定求解步长 ΔΩ =2π[(fmax-fmin)/n],取n=100。 图9和图10分别给出了电机部分构件的振动位移响应和应力响应曲线。 由图9、图10可知:
(1)各构件在x轴、y轴和z轴三个方向均有比较明显的振动位移,其中活齿、活齿架、中心轮的最大振动位移发生在沿x轴方向,摆杆最大振动位移发生在沿z轴方向。
(2)各构件发生明显共振的频率点主要分布在8272Hz、14 512Hz和19 088Hz附近;不同构件最大振动位移对应的频率不同,活齿、活齿架、中心轮发生在19 088Hz处,摆杆发生在8272Hz处,这与前文模态振型分析是一致的,驱动部分在低频处容易共振,传动部分共振发生在高频处。
(3)随着频率的变化,不同构件最大共振位移及其方向是不相同的;在8272Hz频率点处,活齿架、活齿、摆杆的最大共振位移出现在沿z轴方向,中心轮最大共振位移出现在x轴方向;在19 088Hz频率点处,各构件最大共振位移均发生在沿x轴方向。
(4)发生较大应力响应的频率点主要分布在8272Hz、14 512Hz和19 088Hz附近,这与位移响应是一致的;且在8272Hz频率点时,活齿架和摆杆的应力都达到最大值,在19 088Hz时,中心轮和活齿的应力出现最大值。
(5)各构件最大应力在8272Hz时发生在活齿架接触面处,这是由于活齿架上的孔较大而容易发生应力集中现象。
5 实验验证
对波发生器输出位移进行实验验证,如图11所示,激光测振仪采用德国OptoMET公司生产的Vector系统,是一种能够同时输出位移、速度及加速度的激光测试装置。压电驱动电源是一种采用XMT的多通道驱动设备,信号发生器是一种自制的可调控多信号发生装置,控制器能够将激光测振仪采集的信号进行处理,然后显示在计算机上。分别对压电叠堆施加3Hz和50Hz的正弦信号,得到波发生器的摆动波形如图12所示。
将图12中测试位移的电压单位按照每2V对应0.5mm转换成长度单位,可得输入信号为3Hz和50 Hz时对应的输出位移分别为0.333mm和0.349 mm,与第2 节中理论位移0.365mm分别相差8.9%和4.4%。
对样机的输出转矩也进行了实验测试,但是输出转矩只达到0.5N·m,与目标转矩差距较大,目前正在对电机进行调试。造成输出转矩较小的原因主要有:①各零件的加工精度没有达到要求,造成装配误差较大;②由于摆杆所受的前后和左右两方向的力存在相互影响,使得波发生器输出力减小。针对出现的问题,目前正在寻求高精度数控机床进行关键零件的加工制造;对于两方向力相互影响的问题,目前正在寻找最优改进策略。
6 结论
设计了一种单级放大机电集成压电谐波电机,阐述了该种电机的工作原理,给出了其设计方法及尺寸选择。推导了电机最大应力公式,并通过仿真验证了理论值。分析了电机的固有频率和振型以及电机在简谐激励下的位移和应力响应。结果表明:①活齿所受最大应力理论值与仿真值相差4.04%;②驱动构件在低频时容易共振,传动构件在高频时容易共振;③在激励作用下,活齿振动位移最大,活齿架应力集中最为严重。研究结果为单级放大机电集成压电谐波电机的改进和实验提供了理论基础。
摘要：设计了一种单级放大机电集成压电谐波电机,阐述了该种电机的工作原理,给出了其设计方法、连续传动条件及参数选择原则。针对电机中容易发生失效的区域,推导了最大应力公式,通过有限元仿真对比验证了理论公式的正确性。分析了电机的固有频率和振型以及电机在简谐激励下的位移和应力响应。结果表明:电机理论最大应力为45.54MPa,与仿真最大应力相差4.04%;激励作用下,活齿振动位移最大,活齿架应力集中最严重。
关键词：单级放大,压电谐波电机,最大应力,有限元仿真
参考文献
[1]鹿存跃,赵淳生.采用耦合机构驱动的压电电机的研究进展[J].中国机械工程,2003,14(7):626-629.Lu Cunyue,Zhao Chunsheng.New Development of Piezoelectric Motor with Coupling Mechanism[J].China Mechanical Engineering,2003,14(7):626-629.
[2]邢继春,许立忠.旋转惯性压电电机最优驱动方案分析[J].中国机械工程,2014,25(18):2451-2455.Xing Jichun,Xu Lizhong.Analysis of Optimal Driving of Rotary Intertial Piezoelectric Motor[J].China Mechanical Engineering,2014,25(18):2451-2455.
[3]Toyama S.Spherical Ultrasonic Motor for Pipe Inspection Robot[C]//7th International Conference on Optimization of the Mechanical Engineering,Manufacturing Systems,Robotics and Aerospace,OPTIROB 2012.Mamaia,Romania,2012:3-11.
[4]Tomoaki M.Micro Ultrasonic Motor Using a One Cubic Millimeter Stator[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,213:102-107.
[5]朱鹏举,时运来,赵淳生.一种新型大推力直线压电作动器[J].振动、测试与诊断,2015,35(1):163-169.Zhu Pengju,Shi Yunlai,Zhao Chunsheng.A New Type of Large-thrust Linear Piezoelectric Actuator[J].Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis,2015,35(1):163-169.
[6]张海峰,赵爱玲,李立.一种高效压电旋转驱动器的设计和研究[J].压电与声光,2014,36(6):991-998.Zhang Haifeng,Zhao Ailing,Li Li.Design and Research of a Highly Efficient Piezoelectric Rotary Actuator[J].Piezoelectrics&Acoustooptics,2014,36(6):991-998.
[7]Chen W,Liu Y,Yang X,et al.Ring-type Traveling Wave Ultrasonic Motor Using a Radial Bending Mode[J].IEEE Transactions on Ultrasonics.Ferroelectrics,and Frequency Control,2014,61(1):197-202.
[8]Barth O.Harmonic Piezodrive-miniaturized Servo Motor[J].Mechatronics,2000,10(4):545-554.
[9]辛洪兵,郑伟智.压电谐波电机的研究[J].压电与声光,2004,26(2):122-125.Xin Hongbing,Zheng Weizhi.Study on Harmonic Piezomotor[J].Piezoelectrics&Acoustooptics,2004,26(2):122-125.
[10]王长明,阳培,张立勇.谐波齿轮传动概述[J].机械传动,2006,30(4):86-88.Wang Changming,Yang Pei,Zhang Liyong.Summary of Status on the Harmonic Gear Driving Technology[J].Journal of Mechanical Transmission,2006,30(4):86-88.
[11]Xu Lizhong,Li Huaiyong.An Electromechanical Integrated Harmonic Piezodrive System[J].Journal of Mechanical Design,ASME,2014,136(3):034502.
[12]Xu Lizhong,Li Chong.Coupled Dynamics for an Electromechanical Integrated Harmonic Piezodrive System[J].Arabian Journal for Science and Engineering,2014,39(2):9137-9159.
设计与仿真集成 篇2
为了克服上述困难,加拿大Interactive Image Technologies公司推出的基于Windows95/98/NT操作系统的EDA软件(Electronics Workbench“电子工作台”,EWB)。他可以将不同类型的电路组合成混合电路进行仿真。EWB是用在计算机上作为电子线路设计模拟和仿真的新的软件包,是一个具有很高实用价值的计算机辅助设计工具。目前已在电子工程设计等领域得到了广泛地应用。与目前流行的电路仿真软件相比较,EWB具有界面直观、操作方便等优点。他改变了有些电路仿真软件输入电路采用文本方式的不便之处,该软件在创建电路、选用元器件的测试仪器等均可以直接从屏幕图形中选取,而且测试仪器的图形与实物外形基本相似,从而大大提高了电子设计工作的效率。此外,从另一角度来看,随着计算机技术和集成电路技术的发展,现代电子与电工设计,已经步入了电子设计自动化(EDA)的时代,采用虚拟仿真的手段对电子产品进行前期工作的调试,已成为一种发展的必然趋势。通过对实际电子线路的仿真分析,从而提高对电路的分析、设计和创新能力。
1 EDA技术与EWB软件的特点
EDA技术是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。它经历了计算机辅助设计(Computer Assist De-sign,CAD)、计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design,CAE)和电子设计自动化(Elec-tronic Design Automation,EDA)三个发展阶段。利用E-DA技术进行电子系统的设计,具有以下几个特点:用软件的方式设计硬件;用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的;对设计电路功能是否正确可进行仿真分析。目前流行的EDA软件有Protel 99SE,EWB,Multisim,PSpice等几种。
而EWB软件最明显的特点是:仿真手段切合实际,选用元器件、仪器与实际情形非常相近。其元件库不仅提供了数千种电路元器件供选用,而且还提供了各种元器件的理想值,如对分析精度有特殊的需要,可以选择具有具体型号的器件模型。作为虚拟的电子工作台,EWB提供了较为详细的电路分析手段,不仅可以完成电路的瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等常规电路分析方法,而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计14种电路分析方法,以帮助设计人员分析置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察到在不同故障情况条件下的电路工作状态。
2 电源电路的仿真分析
2.1 仿真步骤
仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下电路启动/停止开关,仿真分析开始。若再次按下电路启动/停止开关,仿真分析85停止。电路启动后,需要调整示波器的时基和通道控制,使波形显示正常。
2.2 仿真输出结果
2.2.1 整流滤波
可用EWB工作台上提供的万用表、示波器观察实际电路输出结果。
2.2.2 稳压电路
可以模拟一下输出短路时,电网波动10%为242 V时的情况,这在实际分析中不易做到,而用工作台来模拟非常方便。先在输出端加一负载电阻,让其阻值近似为0,如为1~10Ω,然后再模拟电网波动,只需用鼠标对准电网的电压双击,根据屏幕提示将其由220 V调到242 V,选用元器件库中的电流表接在电路中(这种电表的数量是没有限制的,存放在显示元器件库中,可供多次使用),电流表显示调整管的电流为1 A。用示波器观察调整管Vce的波形,平均电压为5.5 V。
3 测试仪电源电路的扩流设计
在进行仿真的同时,还可以存储测试点的所有数据,列出所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和测量数据。EWB的仪器库存放有7台仪器可供使用,他们分别是数字多用表、函数发生器、示波器、波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪。在连接电路时,仪器图标方式存在。此外该软件创建电路图所需的元器件库与目前常见的电子线路分析软件如“SPICE”的元器件库完全兼容,两者之间可以互相转换。同时在该软件下完成的电路文件,可以直接输出至常见的印制线路板排版软件,如PROTEL,ORCAD和TANGO等印制电路板PCB设计软件,从而大大加快了电子产品的开发速度,提高了设计人员的工作效率。
为了节约成本,不能对原来电路进行全新设计,只能在原来电源电路基础上,通过增加部分电路来增强其带负载能力。改进中需要考虑的问题:
a.选择合适的滤波电容。电源输出直流电压要稳定,纹波小。
b.增加了扩流电路,当电源电压不稳定或测试系统负载增大时,电源带负载能力强,输出电压稳定。图1为经过改进的带扩流功能的电路,带负载能力较强,能扩大电路的输出电流。Q1为外接扩流功率三极管,R1为Q1的偏置电阻。该电路带负载能力与Q1的参数有关。C1,C4为滤波电容,C2为0.33μF,可抵消输入接线的电感效应,C3可防止高频自激,消除高频噪声,改善负载的瞬态响应。
电源电路扩展输出电流的工作原理:二极管D1用于消除三极管Q1的发射结Ube对输出电压的影响(相当于发射结的导通电压0.7V),并提供电容C4的放电回路。设三端稳压器78M05的最大输出电流为Imax,则晶体管的最大基极电流Ib=Imax-IRL,因而负载RL上电流的最大值I可表示为(图2)。
一般三极管的基极电流Ib很小,与Imax相比可忽略不计,I比Imax大许多,可见输出电流提高了,从而可提高电源的带负载能力。
4 结论
总而言之,应用EDA仿真技术,使用EWB软件,能方便电路设计,并可验证电路设计的正确性。从而使集成电路测试仪电源电路的仿真设计更加方便快捷,从而得到更加广泛的应用。
摘要：集成电路测试仪可用来测量集成电路的好坏,在电子实验室中应用广泛。本文主要研究了集成电路测试仪电源电路的仿真设计,探讨了EDA技术的应用,EWB软件在集成电路测试仪电源电路的使用。
设计与仿真集成 篇3
采用仿真的手段来开展电子信息系统性能测试和流程验证是目前军事信息系统综合集成的重要研究课题之一[1]。该技术途径是通过连接仿真应用系统和实际的信息系统,一方面依靠仿真系统作为测试信源来驱动,产生大量仿真数据注入各功能域的实际装备系统,实现信息系统的有效运行,验证其技术及算法,测试其功能及性能指标;另一方面将各仿真系统和实装系统集成到一个交互式环境中,按照预先想定及规划预案进行各种规模的综合训练和演习,验证系统相关协同模型及工作流程[2]。
在仿真领域,各仿真成员在高层次仿真体系结构HLA技术体制下,通过统一的运行时间支撑框架RTI实现HLA接口规范中的所有服务功能,完成仿真过程中的各个交互。在指挥自动化领域,实际信息系统参照真实装备要求设计,应用任务各异,通信协议复杂,消息格式种类多样。如何将基于HLA的仿真系统接入实际装备信息系统,使两者互连互通,是一个普遍存在的问题,同时具有一定的复杂性。在这种需求牵引下,提出通过基于HLA/RTI的仿真代理系统作为系统集成接口连接仿真系统和实装系统,保证两者正确交互,实现两者协同工作,并应用于一个典型的弹道导弹攻防系统中。
1系统集成设计
1.1集成要求
无论是从系统结构上看还是就采用的数据模型而言,仿真应用系统和实际信息系统有本质区别:(1)两者信息交互机制不同。仿真系统使用对象模型,采用对象属性的更新与反射、交互参数的发送与接收;实装系统使用数据模型,采用结构固定的网络报文的收发方式。(2)两者时间管理策略不同。仿真系统时间采用RTI集中管理,RTI通过时间管理服务将各仿真成员协调起来,保证联邦范围内事件逻辑的正确性;实装系统是物理时钟推进,各功能域信息系统按照各自的物理时间推进[3]。
为实现系统集成,达到交互运行的目的,重点需要解决以下问题:(1)要进行数据协议格式转换处理,正确转发不同信息交互机制的数据;(2)要将协调推进的仿真系统时间与独立推进的实装系统时间统一起来。
1.2集成方案
仿真系统和实装系统集成方案如图1所示。方案以仿真代理系统作为系统集成接口,在网络层面上实现仿真系统和实装系统的物理连接,在服务和应用层面上提供两者的信息传递和交互,并利用这些所交换的信息使得各系统有效地一起工作。其中仿真联邦成员以HLA数据格式通过RTI平台与仿真代理进行通信,实装系统以协议消息格式通过实装接入网络与仿真代理进行通信,数据经过仿真代理协议格式转换以后流向对方,仿真代理主要完成仿真系统和实装系统间的数据过滤和中转以及时间空间和行为等方面的匹配。
2 仿真代理系统开发
2.1 系统组成
基于HLA/RTI的仿真代理系统在仿真系统和实装系统间起到桥接器作用。一方面仿真代理作为一个联邦成员加入到仿真系统中,订购仿真联邦成员的仿真数据,转换为实装系统特定数据格式,分发到各功能域信息系统。另一方面仿真代理接收实装系统的数据,转换为RTI规定格式,公布给各仿真联邦成员。同时协调系统同步也是仿真代理的重要功能。以下将仿真代理划分为4大功能模块:
(1) 联邦代理功能模块:在仿真运行时间支撑框架下,以联邦成员身份加入仿真系统,声明对象和交互,实现对其他联邦成员的仿真数据订购和公布处理;
(2) 通信代理功能模块:在实装接入通信网络中,与实装接入系统进行端口通信,实现对实装系统的信息数据收发控制处理;
(3) 数据转换功能模块:实现仿真对象属性数据和交互参数数据解析,分离出仿真信息数据,封装成实装系统要求的数据格式;实现对实装系统信息数据的解析,按照对象属性和交互参数的格式封装;
(4) 同步代理功能模块:基于RTI时间管理服务,获取并持续分发时间信息,同步校正实装系统和仿真系统的网络时钟,保证系统实时同步。
2.2 数据转换
仿真应用和信息系统交互运行需要交换的数据分为持久数据、非持久数据、运行控制交互三类。持久数据是初始化阶段设置、相对静止的一类数据,包括编制信息、装备信息、任务计划信息等;非持久数据是反映实体状态更新或行为状态变化、非常短暂的一类数据,包括态势信息、情报信息、命令信息等;运行控制交互是完成接口控制必需的包含一系列指令和交互操作的一类信息。分析仿真应用和信息系统在数据元素定义以及数据表示和执行方式上的差异,仿真代理对流动在两者之间的三类数据采取了不同的交互措施。
仿真代理本质上是HLA联邦中的一个成员,开发方式与其他联邦成员相同。在仿真联邦内部,数据依据规范化格式生成的联邦对象模型,以类和实例的形式分别进行定义和具体实现,包括对象类和交互类,其中对象类是描述固有属性或特征,交互类是描述瞬间工作或行为[4]。对象类和交互类的设计,实质上是确定联邦成员之间以及仿真和实装之间信息交互的数据流和控制流。
对非持久数据,仿真代理按照应用定义FOM表对其感兴趣的目标状态、探测情报等数据分别进行对象类/交互类订购声明,在联邦仿真运行过程中获取所需的对象属性、交互参数,解析仿真数据,分离出信息内容,通过专用格式转换动态库组件封装成符合实装要求的报文格式或军用文电传输格式。最终信息数据在仿真推进前通过实装接入网络通信信道发送出去。运行控制交互是控制或协调仿真运行与实装系统常驻活动执行的必要信息,实际上也是按照交互类来定义和实现的。仿真代理接收并响应联邦运行监控成员发出的加载脚本、初始属性更新、开始、暂停、继续及停止等命令,与其他联邦成员保持同步推进的同时,协调各实装系统进行必要的关键数据存储、核心进程控制等。而针对持久数据,XML配置文件里描述了系统配置及作战想定,在仿真加载脚本和初始属性更新阶段,仿真代理和其他成员一样从XML文件中获取配置信息和想定信息进行各自的状态初始化,同时仿真代理将配置及想定相关数据映射到实装数据库系统,触发实装系统的初始化工作,以保证两者初始状态的一致性,并驱动仿真运行就绪[5]。
对实装系统需要传递给仿真系统的控制信息、命令信息等,仿真代理按照实装接入通信网络建立通信链路,通过通信信道获取这类数据。仿真代理在声明管理里进行相关对象类/交互类公布声明,仿真运行中对获取到的数据展开识别分类,提取有用的信息进行HLA对象属性或交互参数赋值,反射或发送给感兴趣的其他联邦成员。
2.3 同步代理
仿真代理数据转换在提供仿真系统和实装系统底层双向通信的前提下,保证两者之间相互理解来自对方的信息并做出相应的反应,而同步代理则保证实装系统发生的事件和仿真联邦成员发生的事件在一个统一的时间轴上正确的发生。
HLA时间管理策略分为时间控制和时间受限两种,用以描述联邦成员之间逻辑时钟推进的关系。经过分析验证,仿真代理成员采用时间控制不受限、其他成员采用时间控制并受限的策略,且要求成员推进到仿真时间点才发出该时刻的数据,能够保证仿真联邦内的数据收发正确性和精度。在RTI时间管理服务下,仿真代理持续获取并分发时间信息,同步校正实装系统和仿真系统的网络时钟。同时仿真系统和实装系统交互的信息都加有时戳,仿真数据的时戳是仿真时间,经过仿真代理接收后加上想定中仿真开始时间转换为物理时间值,转发至实装系统。实装系统收到数据后比对信息中物理时间值与本地时间,考虑到通信网络延迟,这个时间差值要维持在一定范围内,时间差超过时限的数据要舍弃。反之,对来自实装系统的和仿真时间匹配不上的无效数据也进行过滤,不作仿真反射和仿真公布。
2.4 工作流程
仿真代理工作流程如图2所示。在系统运行工作状态下,仿真代理启动仿真线程。仿真开始前,仿真代理同联邦内其他成员按照XML配置和想定信息进行脚本加载,映射实装数据库数据并触发实装系统初始化。仿真开始后,仿真代理持续获取仿真作战时间并向全系统分发,以校准同步全系统,同时接收仿真数据和实装信息数据,进行相应的解析、封装、发送。针对系统成员多、数据传输量大的情况,为提高传输性能,仿真代理实现上采用分类双缓冲队列方式,接收并经过转换处理的仿真数据和实装接口标准数据按照顺序分别放入不同的缓冲队列中,在请求仿真推进前从相应的缓冲队列中获取数据,通过通信信道发送出去或通过HLA对象类/交互类发送出去。这样的处理方式保证数据收发时序性的同时可有效避免收发并行处理可能带来的数据丢失。
3 应用实例
本文将仿真代理系统应用于一个典型的弹道导弹攻防系统中,实现了传感器、拦截武器等仿真系统与预警信息处理、指挥控制等实际装备信息系统的集成和互连互通。仿真代理作为系统集成接口,一方面向实装系统输入传感器、拦截武器、作战仿真导调等仿真成员产生的探测信息、状态信息、导调信息、同步作战时间信息等数据,另一方面向仿真成员分发来自预警信息处理、指挥控制等实装系统的情报信息、命令信息、控制信息、指示信息等。
通过仿真代理GUI接收数据页面及发送数据页面查看数据收发列表,能够准确掌握转发数据的信息类型、信息内容及信息流向等,实现实时监测系统运行过程中仿真系统和实装系统之间的数据传递情况。在实际应用过程中,系统运行稳定,数据传输顺畅,应用效果良好。
4 系统的扩展性和通用性
随着建模仿真领域和指挥自动化领域的系统应用越来越普遍,仿真系统和实装系统的集成需求也随之增加。在区域防空、联合作战、空情预警、弹道导弹攻防等针对特定任务的综合电子信息系统中,由于系统应用领域不同、结构组成各异,必将涉及不同分工、不同体制系统之间的协同和综合集成。仿真代理系统可针对任务需求差异,在四大功能模块内部实现机制上灵活开发。同时,由于综合电子信息系统中涉及的仿真成员、功能域信息系统种类众多,相应的仿真代理系统规模不断扩大,从提高系统结构化程度和通用性程度的角度来说,将4大功能模块分解为相对单一和独立的单元组件,并开放设计接口,可减少系统开发工作量,方便系统重组、更新、移植及新建。
可区分具体运行仿真系统应用软件的异构仿真运行支撑平台,如pRTI、MAKRTI、KD-RTI等,设计开发不同的联邦代理功能模块组件。实现通信代理功能模块时,可针对作战指挥网、情报保障网、武器控制网等具体的通信网络和通信协议设计开发,来实现与实装系统的接入及通信。在数据转换功能模块设计实现中,对情报侦察信息、预警探测信息、电子对抗信息、指挥控制信息等特定的实装系统接口标准调用特定的格式转换模块来完成实装协议数据到RTI交互类数据的转换,或者针对特殊的接口定制实现相应的数据格式转换组件。
仿真代理系统主要功能模块扩展重用如图3所示。
5 结束语
本文对仿真系统和实装系统集成开展了分析研究,设计开发了仿真代理作为系统集成接口,支持仿真系统和实装系统的即插即用,解决异构系统的综合集成问题。应用于弹道导弹攻防这样高度依赖信息传递的复杂作战系统中,保证了系统间的通信互连和信息互通,具备良好的数据交互性和时间同步性。针对不同的应用需求,开发相对独立的联邦代理组件、通信代理组件、数据转换组件,以支撑各类仿真环境和各种应用实装系统的集成和互连互通,将是下阶段的主要研究方向。
摘要：为了满足仿真系统和实装系统的集成需求,提出以基于高级体系结构(High level architec-ture,HLA)的运行支撑环境(Release to the internet,RTI)仿真代理系统作桥接,实现系统间互连互通和协同工作的系统集成方案,针对不同系统间信息交互机制不同及时间管理策略不同的问题,仿真代理系统设计实现了联邦代理、通信代理、数据转换、同步代理四大功能模块,给出了应用实例,并对系统扩展性和通用性进行了初步探讨。
关键词：系统集成,仿真代理,高级体系结构,数据转换
参考文献
[1]江汉.C4ISR半实物仿真系统互联设计及其互操作[J].计算机仿真,2006,23(5):21-23.
[2]侯锋.C4ISR系统与仿真应用互操作研究[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2004,26(5):65-69.
[3]李露楠.基于HLA的半实物仿真时间管理策略的研究和实现[J].遥测遥控,2006,27(2):58-62.
[4]周彦.HLA仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.
数字农业系统集成与运动仿真 篇4
数字农业精准生产技术平台的作业系统是行驶在轨道上的桁架驱动系统, 采用两侧直流电机独立驱动整个桁架, 通过位置测量系统测得准确的作业位置, 在精确定位的基础上和中央控制系统控制下, 由数据采集系统采集田间及作物信息, 由数据存储系统完成田间信息储存, 由中央控制系统进行分析和处理, 再对作业机具进行控制完成定点作业。
西北农林科技大学机械与电子工程学院的数字农业平台系统的研究现阶段已初步完成:包括桁架设计、悬挂机构设计、行走机构设计、中央控制系统研究、位置测量系统研究、障碍物判别系统研究、电机驱动控制系统设计、电源检测系统设计、轨道切换系统和无线网络监控系统研究。为了实现数字农业平台系统的机械化、自动化、精准化作业, 必须站在系统高度综合运用角度, 用集成的方法对各子系统进行分析、组织、设计与实施, 使各部分之间能彼此有机地和协调地工作, 以发挥整体效益, 达到整体优化的目的。
1 平台车体装配
数字农业平台是以桁架驱动, 实现厘米级精确位置控制, 提供通用作业机架, 全程采用智能控制, 自动化作业, 实现数据采集、记录、分析的农业作业平台。数字农业平台车体是进行数字化精准耕作试验研究的硬件载体, 由主体桁架、悬挂机构、行走机构组成。
运用Pro/E的Pro/Mechanical模块对主体桁架、悬挂机构、行走机构按照一定的配合关系进行虚拟装配, 从而形成数字农业平台的车体。
1.1 装配建模过程的关键问题
数字农业平台的装配建模实际上是对真实装配过程的模拟。通过虚拟装配技术在计算机中生成的数字农业平台数字化样机, 在此基础上进行仿真实验[1]。就数字农业平台整体设备而言, 要在计算机中建立其装配模型, 需要寻找一条最优的装配路径, 如图1所示。
1.2 零部件的干涉检查与运动仿真
静态干涉检查和动态运动仿真是面向装配思想的关键技术, 是可装配性检查的重要手段。
1.2.1 静态干涉检查
对装配体的静态干涉检查是指在特定装配结构形势下, 检查装配体各零件之间的相对位置关系, 分析是否发生干涉。通过对数字农业平台车体的静态干涉检验, 可确认其各零部件的设计结构是否满足装配要求, 以及各机构在空间布置的合理性。
1.2.2 动态运动仿真
在三维设计系统中进行设备的运动仿真的含义是:在设计过程中模拟所设计产品的运行情况, 为设计评估提供依据。采用Mechanism仿真模块, 实现对机构的定义, 并通过机构中的零件相对位移, 对其运动进行分析和研究。该过程主要包括:建立零件之间的连接及装配的自由度, 对输入轴添加相应的电机驱动来产生设计要求的运动;观察、记录和分析机构运动过程中的参数变化, 如位置、力、测量图标等。机构运动仿真的工作流程, 如图2所示。
2 数字农业平台系统集成
2.1 数字农业平台各子系统功能及硬件组成
2.1.1 电机驱动控制系统
电机驱动控制系统[2]是整个数字农业平台作业系统的动力来源, 实现行走部分及作业机具部分的运动控制功能。
此系统的主要硬件包括作为电源的动力电池、作为行走驱动电机的异步电机、作为核心控制器件的FX2N可编程控制器 (PLC) 、作为功能变换模块的智能功能模块 (IPM) 、缓冲电路以及作业机具驱动电机与相应的控制器。
2.1.2 中央控制系统[3]
该系统是主要完成作业模块控制参数设定, 以此来控制桁架的精确定位和前进速度;检测各功能模块的运行情况;实施显示相关功能参数等。
此系统的主要硬件包括上位工控机, 下位控制站即FX2N可编程控制器PLC以及采集数据所需要的各种采集卡和线缆等。
2.1.3 无线网络监控系统[4]
此系统以无线方式实现网络互联, 进行数据传输, 使操作人员在远程及时了解现场试验平台的工作状态, 实现了试验过程的计算机无线监控及信息反馈。此系统的主要硬件包括无线网卡、无线宽带路由器等。
2.1.4 电源检测系统[5]
此系统的主要功能就是检测作业平台供电电源的工作状态以及其在各个作业坐标点处工作时的实时功耗、实时耗电量并计算电源的剩余电量。
此系统的硬件包括电源传感器、电压采集电路、现场数据采集系统以及电缆等。
2.1.5 位置测量系统[6]
此系统的作用一方面是给数字农业平台的控制系统提供平台在轨道上所处的精确的实时位置信息, 使平台的控制系统根据具体的作业要求做出相应决策, 给出相应的动作指令;另一方面是要给控制系统提供两侧驱动轮各自的位置数据以保证两侧独立驱动的轮子保持同步行驶。
此系统硬件主要包括一套从测量轮到传感器到传动装置及其安装辅助机构、印刷电路 (判向计数电路) 以及用于信号处理的PLC。
2.1.6 障碍物判别系统[7]
此系统是为数字农业平台车在轨道上安全运行而设计的。在农业数字平台车作业过程中, 它能够及时地发现对平台车构成威胁的障碍物, 使其能采取相应的避障措施, 以防和障碍物发生碰撞。
此系统的主要硬件包括超声波测距传感器、可编程控制器 (PLC) 和其它连接器件。
2.2 数字农业平台各功能模块的衔接
在数字农业控制平台中, 各子系统都不可能彼此独立的工作, 必须对各子系统、各功能模块进行有效的连接, 协调工作。图3已基本表示出了各子系统之间的相互关系。在实际应用中, 只需要设计一些简单的接口电路或接口程序将它们相互连接起来。
位置测量模块通过编码器、高速技术器模块, 借助PLC的速度检测指令, 与PLC的CPU交换数据, 获得实时的位移及速度值。
障碍物检测模块将检测并处理好的信息直接送入PLC出入模块, 根据用户程序体现的要求, 驱动相应电磁阀, 对障碍物做出正确的判断和处理。
中央控制系统人机交互模块, 通过设计好的通信方式, 直接与PLC的串口通信模块或编程口交换信息, 实现远程动作控制及任务监控。
电源检测与能量控制模块, 与平台中每一个子系统都有联系, 对电机、控制器及内部的相关电路, 通过电平转换及必要的隔离措施, 提供合适的能量。
3 系统硬件、车载设备的虚拟安装与布线
3.1 虚拟安装
数字农业平台各子系统涉及到的机械装置、电子设备很多, 有些是要安装到数字农业平台车体上的。要根据它们的职能、体积、质量以及它们正常工作所需要的环境来确定它们在车体上的安装位置和合理布局, 并对一些重要的电子设备做一些必要的抗干扰措施。
本文在虚拟环境下实现设备的安装[8], 实现用最直观、最有效的方法来对安装过程进行指导。
虚拟安装的工作包括:
1) 虚拟环境的建立。这里的虚拟环境就是用Pro/Mechanical装配完成的数字农业平台车体。
2) 主要设备的建模。用Pro/E创建各主要设备的实体模型, 必要时对某些设备进行简化处理, 以减少建模工作量, 同时符合后续分析模型的要求。
3) 虚拟安装。类似于机构的虚拟装配。
3.2 布线设计
完成对系统硬件、车载电子设备的安装后, 要对其进行合理布线, 实现相关设备间的电连接, 并达到设备的电气、电磁兼容等性能指标。
电缆布线设计[9]主要包括:
1) 电缆和线扎的设计, 即电缆和线扎包括哪些导线, 其相互之间的电气、电磁兼容性怎样解决;
2) 电缆的空间布局设计, 即电缆和线扎在设备间如何分布、安装和固定。
这里使用电缆布线软件Pro/Engineer, 其布线模块Pro/CABLING提供了一个全面的电缆布线功能, 它在为Pro/Engineer的部件内真正设计三维电缆和导线束提供了一个综合性的电缆铺设功能包。三维电缆的铺设可以在安装机电装置时同时进行。
4 结论
通过对各子系统的集成, 希望将数字农业平台中现有的分散的设备、系统、功能、信息借助于计算机网络和综合布线技术集成到相互关联、统一协调的系统之中, 实现信息、资源、任务共享, 最终实现在高度自动化、高精度控制下的机械化作业和信息收集平台。
摘要：数字农业精准生产技术平台建设的目的是开发一套新型农业精准作业系统以及完成系统各子系统的研究设计。为此, 阐述了数字农业精准生产技术平台的构成、工作原理及要实现的目标, 着重介绍各子系统的集成, 包括平台车体的装配及运动仿真、各功能模块的衔接、机电设备的安装与布线, 提出了比较具体的研究方案及技术路线。
关键词：数字农业平台,系统集成,运动仿真
参考文献
[1]林清安.Pro/ENGINEER动态机构设计与仿真[M].北京:电子工业出版社, 2007.
[2]王转卫.数字农业平台电机驱动控制系统设计[D].杨凌:西北农林科技大学, 2007.
[3]马春峰.数字农业平台中央控制系统上位机监控软件设计[D].杨凌:西北农林科技大学, 2005.
[4]刘明光.数字农业平台无线网络监控系统的研究[D].杨凌:西北农林科技大学, 2006.
[5]夏金涛.数字农业平台电源检测系统的研究[D].杨凌:西北农林科技大学, 2006.
[6]侯俊才.数字农业平台位置测量系统的研究[D].杨凌:西北农林科技大学, 2005.
[7]陈疆.基于超声波传感器的障碍物判别系统[D].杨凌:西北农林科技大学, 2005.
[8]王孜睿, 来炳恒.虚拟现实技术在设备安装中的应用[J].西安建筑科技大学学报, 2008, 40 (2) :276-279.
设计与仿真集成 篇5
卫生信息系统(healthcare information system,HIS)是利用电子计算机和通讯设备，为医院和卫生所属各部门提供患者诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取和数据交换的能力，并满足所有授权用户的功能需求。随着医学科技的快速发展和医疗设备的不断更新，医疗卫生管理也更加复杂和困难，卫生信息系统已成为提高医疗质量和效率，实现医疗事务科学管理的重要途径。随着医疗事业的迅速发展和医疗改革的不断深入，HIS也经历“单机单用户———部门级应用———医院级应用———区域医疗协同”4个发展阶段，对医院信息系统的柔性、互操作性和可扩展性也提出了更高的要求，特别是区域医疗协同需求[1]。
近年来，分布式组件技术、工作流技术以及基于XML的Web Service技术等多种新技术已经在企业应用集成领域得到了广泛应用，在医疗信息领域也得到了广泛关注[2,3,4,5,6,7,8]。虽然这些平台无关的技术和标准为医疗信息系统集成和数据共享提供了强大支持，但是存在一个重要问题———语义的欠缺[9]。平台无关的Web Service技术主要解决平台的异构性，实现异构信息异构医疗信息系统的可集成性，数据标准能够保证系统之间按照标准的数据格式进行数据传输，但这种基于语法翻译的系统交互方式在一定程度上降低了系统的松耦合特性，系统仍然可能成为更大的“信息孤岛”。因此，要有效解决我国医疗信息化建设中存在的问题[10]，仅有平台无关的技术和标准是不够的，还需要方法论层次的支持，才能更好地应对高层次的语义互操作需求。语义互操作已成为新一代分布式协同卫生信息系统实现医疗和电子病历共享所面临的基本挑战[11,12,13,14]!
2 基本概念
软件工程领域认为互操作性是一种软件属性，不同应用情景下其定义也略有不同，比如IEEE就提供了4种关于互操作性的定义。结合医疗信息领域集成需求，本文对互操作性定义为：由不同供应商提供的软硬件系统能够相互通信，理解和使用它们所交换的信息，并能协同工作(work together)的能力。一般来说，互操作可以分为语法互操作(syntactic interoperability)和语义互操作(semantic interoperability)。语法互操作主要关注系统之间是否能够通信和交换数据，如数据格式、通信协议等;语义互操作主要关注系统之间交互的信息是否能够被正确理解和使用，是否能够进行有意义的交互，即集成后的系统是否有意义，是否能够满足应用需求，这也是本文中语义的内涵(无特殊说明本文的语义互操作均表示此内容)。
为了对系统互操作性的内容进行细分，研究人员又提出了各种层次化的互操作模型，如技术领域的信息系统互操作层次模型信息系统互操作层次(levels of information systems,LISI)和NATO提出的互操作参考模型NMI。由于实现层次上有意义的互操作需要概念层次模型的可组合来保证，因此研究人员又提出了概念互操作层次模型(levels of conceptual interoperability model,LCIM)，如图1所示。LCIM进一步分区了可集成性、互操作性和可组合性3个区域：可集成性关注系统之间连接的物理和技术领域，如硬件或固件、通信协议等;互操作性涉及系统或软件的实现细节，主要关注数据的传输和表示，是狭义的互操作性;可组合性表示建模层次校验与校核，即软件或模型是否真实地表达了真实系统。
LCIM细分了7个不同层次的互操作性：L0表示独立的系统没有互操作;L1表示技术互操作性，要求系统之间遵守公共的通信协议，如TCP/IP,UDP等网络协议;L2表示语法互操作性，要求进行交互的系统采用统一的信息交换格式对数据进行定义和结构化，狭义的语法，如XML,HL7的消息模型;L3表示语义互操作性，又被称为静态语义，要求使用公共信息交换参考模型对数据的含义进行定义，是狭义的语义，如HL7 RIM;L4表示语用互操作性，又被称为行为语义，要求系统之间交互的数据的应用情景(使用)能够被系统所理解，即信息交换的情景被清晰定义，支持语用互操作的方法如UML、MDA等;L5表示动态互操作性，当系统随时间交互数据，其状态发生变化时，影响数据交互的假设和约束条件(应用情景)也相应发生了变化，动态互操作性要求系统能够理解应用情景随时间发生的状态转换;L6表示概念互操作性，如果系统的概念模型如对现实的有意义的抽象和假设能够被清晰定义，就达到了概念互操作性，它要求概念模型能够基于工程化方法进行文档化说明，能够被别的工程师理解和评估，而且向着能够被机器所理解(自动化)的方向努力。从概念的外延来说，L1、L2主要涉及语法方面，L3、L4、L5、L6主要涉及语义方面。
3 基于面向服务架构（service-oriented architecture,SOA）的卫生信息系统体系结构
3.1 过程驱动的卫生信息系统体系结构
在软件系统设计领域，具体应用与底层基础架构、系统设计与具体实现，以及业务逻辑与具体功能的分离是实现系统组件重用，减少重复开发的重要途径。现阶段SOA及其相关技术已成为区域医疗信息化公认的技术解决方案。SOA代表了一个开放、敏捷、可扩展、可联合和可组合的架构，包含了自制的、高服务质量的、厂商多样性的、可互操作的、可发现的和潜在可复用的服务，并使用Web服务来实现。SOA基于开放的、成熟的商业标准，使系统具备在大规模网络环境下的互操作性和可扩展性，真正实现了应用系统的按需组合;在保持医疗资源服务自治性的基础上，有利于资源的整合和局部更新。
一个稳定的可扩展体系架构的设计是卫生信息系统整体设计的核心，本文提出了一个过程驱动的可扩展区域卫生信息系统体系架构，如图2所示。各医院和社区服务机构根据标准的Web Service接口规范进行服务发布，用户和各应用系统根据各自需求通过注册中心访问相应的数据接口，建立专门的数据库或集中数据库，从而支持不同的应用。基层医疗单位可自行确定实现哪些服务接口，并进行发布，从而控制数据的分享程度。
3.2 基于过程集成的卫生信息系统集成过程参考模型
基于SOA的应用系统开发是一种自底向上的开发，强调通过服务组合来满足不同的应用需求，不同于传统分布式系统自顶向下分解后进行基于接口的集成。在SOA框架下，具体的集成应用应该通过组合服务进行构建。一般Web服务组合可分为静态组合、半自动组合和自动组合3种模式。静态组合是指在组合之前就已确定具体使用的服务实现，直接通过编码完成对服务的调用;半自动组合是指组合过程中没有确定具体使用的服务实现，仅建立了抽象的组合服务模型，通过提供服务需求信息在运行过程中动态发现和绑定服务;自动组合除了需要动态发现和绑定服务外，还需要自动地创建过程模型。静态组合难以满足不断变化的Web环境和应用需求，而自动组合大多通过智能规划来实现，其过程非常复杂，因此Web服务的组合大多针对半自动组合模式进行研究。本文所提出的基于过程集成的医疗卫生信息系统集成类似于半自动的服务组合，能够更好地应对我国医疗信息化发展不平衡的问题。基于过程集成的医疗信息系统集成过程参考模型，如图3所示。
4 基于模型驱动架构（model drive architecture,MDA）的建模与仿真分析方法
MDA[15]是OMG在2001年提出的一种先进的软件工程方法，提倡在模型层面(而不是代码实现层面)解决软件架构问题以及不同软件工具之间的集成问题，规定了相关的技术标准，如元建模规范MOF(元对象工具)、模型存储与交换规范XMI(XML元数据交换)、建模语言UML，模型变换语言QVT(查询视图/变换)等，试图实现直接基于建模语言进行编程，通过模型编译器直接将模型转换为可执行程序。遵循MDA的思想，主要研究以下内容。
(1)面向医疗协同的过程模型描述规范：现有过程建模方法或是针对一般的工作流过程，如业务过程执行语言BPEL、IDEF3、UML活动图等，或是过于抽象难以理解，如Petri网等，不利于领域人员建模。BPEL是一种面向Web服务的业务流程定义和执行语言，可将多个Web服务组合到一个新的复合服务，并且使用平台无关的XML进行标识和存储。Petri网的优势在于支持并发、异步、协同等的复杂过程描述。在充分借鉴2种过程建模规范的基础上结合医疗业务的特殊性，建立面向医疗协同的过程建模方法。
(2)基于元建模MOF的过程模型表示规范：在对各种元建模语言进行系统化比较研究的基础上，考察基于MOF进行元模型表示的可行性和优越性，设计基于MOF的平台无关的元模型表示规范。此外，为建模语言开发建模工具代价高昂，元建模技术是解决这个问题的方法之一。通过元建模，可以根据领域需要定制合适的元模型以定义领域建模语言，进而自动生成支持该建模语言的建模工具。MOF定义了元模型描述规范，而Eclipse图形建模框架(graphical modeling framework,GMF)则是元建模技术的一个具体实现。GMF是Eclipse的一个开源项目，为基于模型的图形化编辑器的开发提供了一个功能强大的框架。基于GMF可以为领域建模人员设计一个可视化的过程模型建模工具。
(3)过程模型到仿真模型的映射：系统工程方法的一个重要目标就是减少重复开发、节省时间和费用。采用仿真分析方法对过程模型进行校验，在项目实施之前就对医疗协作过程进行合理性分析和优化。阻碍仿真分析方法在模型测试领域广泛应用的一个原因是模型测试人员需要掌握相应的仿真规范!通过建立过程模型规范到特定仿真框架的映射，实现仿真分析过程的自动化，使得集成人员不需要了解具体的仿真规范和框架，只需要关注具体业务逻辑的实现。本文主要研究模型规范到高层体系结构HLA仿真规范的映射。
(4)面向服务的一体化集成开发环境：一体化集成开发环境的主要功能是在基于过程集成方法论的指导下，对以上各关键技术和规范进行整合，为区域医疗卫生信息系统的集成提供统一的过程建模与仿真分析工具。该环境主要涉及领域建模人员和系统集成人员两类用户。领域建模人员负责建立医疗领域过程模型;系统集成人员则根据过程模型进行仿真测试和集成开发。一个初步的一体化集成开发环境参考结构如图4所示。
该环境结构遵循MDA思想，采用Web Service技术，能够支持集成信息系统的分布式协同开发。领域建模人员可以在本地进行模型设计、仿真分析和开发，同时也可以将本系统模型通过Web Service通信接口上传到集成端进行集成设计。生成的仿真模型和集成应用系统通过Web Service通信接口调用被集成系统提供的远程服务。
5 结论
本文在深入分析我国医疗现状的基础上，充分利用系统工程理论、方法，以及先进的软件设计方法来指导和支持医疗卫生信息系统的设计、集成和开发，系方法论研究。本文的研究成果将会为医疗信息系统的设计、开发与集成提供更加科学的方法指导和更加有效的工具支持，同时也有利于推动医疗信息领域标准化进程，为医疗业务规范和管理制度的制定提供科学依据。下一步工作是开发和实现面向服务的医疗信息系统综合集成框架。
摘要：目的:针对我国卫生信息系统集成缺乏系统性的问题,以提高语义互操作性为目标,围绕面向服务架构(ser-vice-oriented architecture,SOA)环境下卫生信息系统集成的理论与方法论展开研究。方法:从系统工程角度对卫生信息系统语义集成问题进行分析,在建立卫生信息系统集成相关概念体系的基础上,深入研究面向语义的卫生信息系统集成方法论。结果:采用先进的软件设计方法为卫生信息系统的设计、集成以及基于仿真的分析提供指导和全过程支持。结论:本研究系方法论研究,有利于推动医学信息标准发展和管理规范的制定。
设计与仿真集成 篇6
在粒子所受介电泳力的影响因素中,电极的尺寸参数、交流电压的大小以及频率对介电泳力的影响至关重要。为提高介电泳的富集效率,本研究采用Comsol Multiphysis软件建立阵列叉指电极介电泳芯片的仿真模型,对芯片中的电场分布进行仿真,以优化电极的尺寸参数。利用MEMS工艺制备介电泳芯片,通过仿真与实验相结合的方式,分别研究交流电压以及交流信号的频率对介电电泳富集的影响。
1 介电泳力影响因素分析
根据介电电泳原理,同种介质、均匀的球形粒子所受到的时间平均介电泳力为［10］
式( 1) 中,εm为溶液的介电常数,r为粒子半径,Erms为电场的均方根值,fCM为CM( Clausius-Mossotti) 因子,它是溶液和粒子复合介电常数的函数,其表达式为［11］
式( 2) 中,ε*p和 ε*m分别为粒子和悬浮溶液的介电常数的复数形式,由式 ε*= ε - jωσ确定,其中 ε 为介电常数,σ 为电导率,,ω 为交流电压的角频率。
当介电泳力引起粒子向高电场区域运动时,称为正介电电泳; 当介电泳力引起粒子向低电场区域运动时称为负介电电泳［12］。由式( 1) 可知,介电泳力取决于粒子的体积,CM因子的实部,以及电场强度平方的梯度。对于溶液中的粒子来说,粒子体积及其性质是一定的,介电泳力主要取决于电场强度平方的梯度。粒子在溶液中受到的介电泳力的大小与电场强度平方的梯度成正比,因此分析电场强度平方梯度的变化情况能够了解粒子所受到的介电泳力的变化。由式( 2) 可知,CM因子的正负取决于交流信号的频率。因此,介电泳力的方向取决于交流电压频率的大小。
2 数学模型及边界条件
对施加于微电极阵列上的交变电场,采用Max-well方程进行求解,其表达式为［13］:
式中,φ 为电势,ρ 为自由电荷密度,J为传导电流。经简化后得到拉普拉斯方程［14］
通过合适的边界条件求解式( 6) ,即可求得计算区域的空间电场的分布,通过空间电场分布计算粒子受到的介电泳力的大小。
叉指电极的结构如图1 所示。电极的宽度为w,电极间距为g,电极的长度为l。
介电泳微流控芯片的三维模型如图2 所示。由于微电极的长度l远大于电极的宽度w,电极的厚度与微通道高度相比尺寸极小,因此可以将其模型简化为二维平面模型,以减小模型的复杂性。二维仿真模型及其边界条件如图3 所示。电极表面忽略双电层影响,表面电势满足Dirichlet边界条件,即φ = ± φ0; 玻璃基底由于没有施加电信号,可以认为完全绝缘,满足Neumann边界条件,即; 微通道上表面由于距离电极较远,可认为其电势为零,即 φ = 0; 电极阵列的周期性通过在模型的左右两侧选择周期性边界条件对模型进行简化。
3 仿真结果与讨论
3. 1 介电泳芯片电场分布
图4 为介电泳芯片的电场分布。通过仿真可以看出电场强度在电极边缘出现最大值。电极表面不同高度处的电场强度如图5 所示。随着距离电极表面高度的增加,电极产生的电场强度逐渐减小。在相同的高度,电场强度在电极边缘出现最大值,在电极间距中心或者电极间距的中心位置出现最小值。由介电泳的原理可知,粒子向电场强度大的区域运动为正介电泳,粒子向电场强度小的区域运动为负介电泳。由于电场强度在电极边缘和电极的中心位置分别取得极大值以及极小值,故受到正介电泳力作用的粒子会运动到电极边缘,受负介电泳力作用的粒子会向电极的中心或者电极间距的中心移动。
3. 2 电极间距对介电泳力的影响
设置电极宽度w为20 μm,电极间距g分别为10,20,30,40 μm,对电极表面2 μm高度电场平方的梯度 ▽| E |2进行分析。▽ | E |2随电极间距的变化关系如图6 所示。随着电极间距的增大,电极边缘 ▽ | E |2逐渐减小,并且 ▽| E |2的衰减逐渐减慢。因此,电极间距的变化而引起的 ▽ | E |2的变化是非线性的,随着电极间距的增大,▽ | E |2逐渐减小,粒子所受的介电泳力也会减小。由式( 1) 可知,介电泳力与 | E |2呈正比,为获得较大的介电泳力,电极间距应设置得越小越好。考虑到酵母菌的尺寸为5 μm,电极间距过小,电极会出现阻塞,为产生较大的电场梯度,选择电极间距为20 μm。
图5电极表面的电场强度Fig.5 Intensity of electric field on the surface of the electrode
图6▽|E|2随电极间距的变化关系Fig.6 Relationship between▽|E|2and electrode spacing
4 实验部分
4. 1 介电泳芯片的制备
采用MEMS工艺在ITO玻璃加工出阵列叉指微电极结构,并与PDMS微流通道键合形成完整的介电电泳芯片。在镀有ITO薄膜的玻璃上旋涂正胶( RZJ304) ,经曝光、显影、腐蚀、剥离等工艺得到微电极的结构。通过模塑法制备出PDMS微流通道,经过氧等离子处理后与ITO电极键合,连接导线之后得到完整的介电电泳微流控芯片,如图7 所示。将适量的酵母粉溶于去离子水中,将其置于30 ℃的恒温箱中保温2 h使酵母菌细胞复苏。将酵母菌溶液离心,吸出上层清液,重复该过程三次,完成对酵母菌的清洗。向清洗过的酵母菌中注入适量去离子水,添加少量的PBS缓冲液调节溶液的电导率为1 μS / cm,得到酵母菌细胞的悬浮溶液。
介电电泳实验操作平台如图8 所示,主要包括计算机、介电电泳芯片、函数信号发生器、Lab Smith微流体进样控制系统以及显微镜等部分。函数信号发生器的信号输出端以及接地端分别通过导线连接芯片叉指电极两端的焊盘,通过Lab Smith微流体进样控制系统将聚苯乙烯微球和酵母菌细胞悬浮溶液注入微流控芯片,并控制进入芯片中流体的流速为40 μL / min,粒子的运动情况通过显微镜进行记录,并通过计算机进行显示。
4. 2 交流电压对介电泳富集的影响
介电泳力的大小与电场强度平方的梯度呈正比,因此,交流电压的大小也会对介电泳力的大小产生影响。分别考察交流电压峰峰值为4 V,6 V,8 V,10 V,交流电压的频率为2 MHz时,酵母菌的富集情况。当交流电压的频率为2 MHz时,电极附近的酵母菌受到正介电泳力的作用,吸附在电极的边缘。图9 为交流电压对介电泳富集的影响。随着交流电压的逐渐增大,电极边缘吸附的酵母菌随着电压的增大逐渐增多,当电压达到10 V时,电极边缘的细胞数目不再发生变化。介电泳力已不能将距离电极较远的酵母菌吸附到电极边缘。提高电压可以提高介电电泳的富集效率,但当电压提高到一定程度时,富集效率不再提高。因此,单纯的提高电压不一定能够提高富集效率,这与介电泳力的作用范围和介电泳力的方向有关。
图9交流电压对介电电泳富集的影响Fig.9 Effect of AC voltage on the enrichment of the dielectrophoresis
4. 3 频率对介电泳富集的影响
由式( 2) 可知,改变交流信号的频率可以改变粒子在介电电泳芯片中所受到的介电泳力的方向。设置交流电压峰峰值8 Vpp,交流电压的频率从1k Hz ~ 20 MHz。酵母菌在不同频率下的介电泳响应如图10 所示。在交流信号的频率低于40 k Hz时,酵母菌被吸附到电极的中心位置,呈现出负介电电泳现象。在交流信号的频率高于40 k Hz时,酵母菌排列在电极边缘,呈现出正向介电电泳现象。当交流信号的频率为40 k Hz时,酵母菌没有发生运动,因此,40 k Hz为酵母菌发生正负介电电泳现象的临界频率。随着交流信号频率的增大,吸附在电极表面的酵母菌细胞逐渐增多。当交流信号的频率高于2 MHz时,电极表面吸附的酵母菌数目不再增多。因此,2 MHz是酵母菌发生正向介电电泳的最佳频率。在交流电压的频率大于2 MHz,小于15 MHz时,酵母菌均为正介电电泳现象,当频率大于15MHz时,酵母菌呈现出负介电泳现象,15 MHz也是酵母菌的临界频率。酵母菌细胞在不同频率下的介电泳类型如表1 所示。在交流电压为8 Vpp,交流电压的频率从1 k Hz ~20 MHz范围内变化时,酵母菌有两个临界频率,分别为40 k Hz和15 MHz。通过调整交流电压的频率,可以实现酵母菌的正负介电泳富集。酵母菌的富集效率在2 MHz时达到最大。
图10酵母菌的介电电泳响应Fig.10 Dielectrophoresis response of yeast cells
5 结论
本文分析了介电泳芯片中粒子所受的介电泳力的影响因素,主要包括电极的尺寸、交流电压的大小以及交流信号的频率。采用Comsol软件建立阵列叉指电极介电泳芯片的数学模型,通过设置边界条件,对电极的电场进行仿真并对电极的尺寸参数进行优化。仿真结果表明,电场强度在电极边缘最大,在电极的中心位置最小。即正介电泳发生在电极的边缘,负介电泳发生在电极的中心或者电极间距的中心。采用MEMS工艺制备了介电泳微流控芯片对仿真结果进行验证。以酵母菌为实验对象,分别对交流电压以及频率对介电泳的富集效率的影响进行研究。富集效率随电极施加的电压的增大而增大,但增加到一定的程度,富集效率保持不变;改变交流信号的频率,可以改变介电泳的类型。通过调整交流信号的频率,实现了酵母菌的正负介电泳富集,酵母菌在电导率为1μS/cm的悬浮溶液中,存在两个临界频率,分别为40 k Hz、15 MHz,其在2MHz时,富集效率最高。通过提高细胞的富集效率可以实现特定细胞从多种细胞中的分离。
设计与仿真集成 篇7
VB(Visual Basic)是在Windows操作平台下面向对象的可视化编程工具,可用于开发和创建具有图形用户界面的应用程序,其优点是编程简单、界面友好,然而用VB语言实现复杂算法的工作量非常庞大。MATLAB中包含Simulink及电力系统仿真模块集SimPowerSystems Blockset(以下简称SPS),可利用它构建简单电力系统(如单机—无穷大系统)的Simulink模型对功角稳定性问题及提高功角稳定性的措施进行仿真分析。但一方面限于MATLAB软件自身缺陷,利用SPS所搭建的仿真模型不能脱离MATLAB集成环境运行,用户界面不够友好;另一方面SPS采用三线图法构建Simulink模型,较为繁琐复杂,不符合国内研究习惯。因此可将MATLAB强大的计算功能和VB强大的图形用户界面功能结合起来,实现二者的无缝集成,可使仿真分析过程操作简单、更加灵活方便。
2 单机—无穷大系统功角稳定性的MATLAB动态仿真
由于电力系统稳定性问题最初出现在远距离输电线路上,故可用单台发电机经过线路与无穷大功率母线相连的单机—无穷大系统来进行研究。另一方面单机—无穷大系统不存在电压稳定性问题,是一个纯功角稳定性问题。
运用MATLAB SPS提供的元件模块构建一个单机—无穷大系统的Simulink仿真模型,如图1所示,系统频率取60Hz,各元件参数详见文献[1];自动电压调节器AVR(IEEE1型)采用MATLAB提供的默认值(其中调节器放大倍数Ka=300,时间常数Ta=0.001s),电力系统稳定器PSS的参数亦采用默认值。由于研究的是电力系统稳定性问题,动态仿真时采用只考虑机电暂态过程的相量法(Phasors),并将单机—无穷大系统中的发电机G设为PV节点。
运用图1所示的Simulink模型可进行单机—无穷大系统的小扰动和大扰动下的功角稳定性动态仿真研究,现说明对电力系统功角稳定性有影响的包括扰动及自动装置动作在内的各类事件的具体设置情况。
2.1 小扰动功角稳定性仿真
分别设置以下两种小扰动功角稳定性仿真情况:
1)设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,机端电压参考值Vref在1s时发生一个3%的正阶跃,即从1pu阶跃至1.03pu;分别对不带PSS的AVR和带PSS的AVR的使用效果进行仿真。
2)设置稳态运行时发电机有功出力为0.85pu,机端电压参考值Vref保持1.05pu,设置发电机机械功率Pm在1s时发生一个约1%的正阶跃,即从扰动前的0.8517pu阶跃至0.86pu;分别对不带PSS的AVR和带PSS的AVR的使用效果进行仿真。
2.2 大扰动功角稳定性仿真
由于发生大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额(即加速功率Pm-Pe)是导致系统暂态稳定破坏的主要原因,因此减少大扰动后发电机的加速功率是首先考虑的措施[2]。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的,现在图1的基础上对提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施进行仿真分析,包括快速切除故障、AVR及PSS、故障限流器、自动重合闸等。现设置线路L2出口处发生短路故障作为对系统的大扰动事件,短路故障的类型和发生及切除时间可由短路故障发生器(Three-Phase Fault)模块进行设置。分别设置以下四种大扰动功角稳定性仿真情况(发电机机端电压保持1.05pu):
1)AVR和PSS使用效果仿真
设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,设在1s时线路L2出口处发生三相短路,在1.07s时切除故障(快切除故障),对恒定励磁电压Efd、不带PSS的AVR和附加PSS的AVR三种励磁控制型式下的运行效果分别进行仿真。
2)切除故障时间对稳定性的影响仿真
设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,设在1s时线路L2出口处发生三相短路,在1.3s时切除故障(慢切除故障),对恒定励磁电压Efd、不带PSS的AVR和附加PSS的AVR三种励磁控制型式下的运行效果分别进行仿真。
3)FCL使用效果仿真
设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,故障限流器FCL(Fault Current Limiter)可快速限制短路电流、提高系统的暂态稳定性。现在线路L2首端装设FCL,采用文献[3]提出的FCL的机电暂态模型,令XL=20Ohms。
设在1s时线路L2出口处发生三相短路,1.3s时切除故障(慢切除故障),分别对无FCL和投入FCL时的效果进行仿真,FCL的投入时间为1.005s。仿真时投入AVR和PSS。
4)自动重合闸使用效果仿真
采用自动重合闸不但可以提高供电可靠性,也能有效地提高暂态稳定性。高压架空线路以发生瞬时性单相接地短路故障居多(占线路故障的70%～80%),因此往往使用单相重合闸。和三相重合闸相比,单相重合闸只切除故障相而非三相,因此在从切除故障相到重合闸前的一段时间内,送电端的发电机与受电端并未完全失去联系,故可提高系统的暂态稳定性。单相重合闸特别适于仅有一回主干线将两系统相连或将一个发电厂与系统其他部分相连的情况[4]。
现在图1所示系统的基础上,切除输电线路L1,仅剩L2单回线路运行,设置稳态运行时发电机有功出力为0.3pu。设在1s时线路L2出口处发生A相接地短路,分别对无重合闸、投入三相重合闸和投入单相重合闸的效果进行仿真。设1.07s时切除L2的三相(或A相),2.07s时重合三相(或A相),仿真时投入AVR,不投入PSS。线路的切除和重合通过对断路器Breaker的开断和闭合时间的设置来实现。
动态仿真时可通过示波器(Scope)得到发电机功角、转速、电磁功率、机端电压等扰动响应曲线,但在不同的事件设置下进行仿真时,需要手动重新设置Simulink模型中有关元件的参数,较为不便;同时不同情况下的扰动响应曲线不能在同一个示波器中同时出现,不便于进行比较研究。
3 MATLAB和VB无缝集成的功角稳定仿真研究
MATLAB与VB的集成方法有多种,本文采用借助ActiveX部件进行集成的方法。ActiveX自动化协议是一种允许一个应用程序(控制端)去控制另一个应用程序(服务器端)的协议。MATLAB提供了一个自动化对象,其外部名称为“Matlab.Application”,它支持COM技术。由于VB支持ActiveX自动化控制端协议,MATLAB支持ActiveX自动化服务器端协议,因此如果已经建立了一个VB应用程序和MATLAB之间的Active X自动化连接,那么这个VB应用程序就可以调用MATLAB的命令、从MATLAB Workspace存取矩阵等[5]。本文采用ActiveX部件的方法,从VB中传递仿真命令给MATLAB执行;然后借助动态数据交换DDE技术绘制出不同情况下的扰动响应曲线。VB界面见图2所示,由两个PictureBox来显示图形,其中一个显示电力系统原理接线单线图;另一个显示MATLAB动态仿真结果曲线(发电机功角响应曲线)。7个Command按钮中前6个是执行键,分别对应前述的小扰动和大扰动下的6种仿真情况,第7个是结束仿真键(系统退出键)。按下某个执行键时,会弹出一个事件设置提示窗口,以告之单机—无穷大系统发生事件的具体设置情况。
3.1 程序代码
现以机端电压参考值Vref产生一个3%的正阶跃,即从1pu阶跃至1.03pu的第1种小扰动为例,给出MATLAB与VB的接口程序代码。
在Command1的单击事件中加入下列代码:
其中smibxr1_avr和smibxr1_avr_pss分别是第1种小扰动下不带PSS的AVR和带PSS的AVR的Simulink模型名,xr1_avr和xr1_avr_pss分别是不带PSS的AVR和带PSS的AVR时的发电机功角仿真数据存于Workspace的矩阵名。在编程时考虑了将不同情况下的仿真曲线进行比较研究的需要。
3.2 仿真结果分析
不必打开MATLAB和VB,直接运行VB生成的EXE文件,即可打开图2所示的仿真界面。依次按下图2中的前6个Command按钮,即可依次获得6种事件设置情况下的发电机功角响应曲线,见图3所示。现对仿真结果分析如下:
1)由图3(a)、(b)可知,由于系统输电线路处于重载运行且发电机采用高顶值电压的快速励磁系统,在小扰动下极易发生低频振荡。励磁系统(AVR)虽可增加发电机的稳定极限,但其控制效果是有限的;甚至当系统呈现负阻尼特性时,高放大倍数的快速励磁系统通常会增大负阻尼,从而恶化系统的运行情况,如图3(b)所示;而通过给高放大倍数的快速励磁系统引入PSS信号能够使系统的阻尼得到加强,可有效抑制小扰动引发的低频振荡[6]。
2)由图3(c)可知,在系统发生大扰动后快速切除故障时,对于恒定Efd,系统暂态稳定,但振荡阻尼水平较低;高放大倍数的快速励磁系统(不带PSS的AVR)能大大降低转子角的第一摆,但后续摇摆呈负阻尼;附加了PSS后,系统在降低第一摆的同时振荡阻尼水平也显著提高。可见采用高顶值电压的快速励磁系统和安装PSS对于提高全系统的稳定性是有益的[4]。由图3(d)可知,当慢切除故障时,不论在何种励磁控制型式下转子角都将逐步增大(不带PSS和带PSS的AVR时的仿真曲线在仿真时间内相重合),并迅速超过180°,系统失去稳定。对比图3(c)和(d),可见快速切除故障对于提高电力系统暂态稳定性有着决定性的作用[2]。
3)由图3(e)可知,在系统发生大扰动后,在采用FCL的情况下,即使慢切除故障,系统仍能保持暂态稳定性。可见采用故障限流器对于提高系统的暂态稳定性是非常有益的。
4)由图3(f)可知,在发电机采用不带PSS的AVR的情况下,发生大扰动后,未采用自动重合闸和采用三相重合闸时发电机功角曲线在仿真时间内相重合,由于功角超过了180°,系统失去稳定;而采用单相重合闸时系统能很快进入稳定状态,可见仅断开和重合线路故障相时的暂态稳定性比断开和重合三相时要高。
4 结束语
本文运用MATLAB SPS和VB建立了单机—无穷大系统的小扰动和大扰动功角稳定性无缝集成仿真系统,并对仿真的结果进行了简要分析。运用MATLAB和VB混合编程的方法,结合了MATLAB电力系统仿真模块集SPS的专业性和VB强大的图形用户界面的优势,为开发高水平的《电力系统分析》课程的CAI提供了强有力的手段。
参考文献
[1]李升.MATLAB和ETAP的电力系统仿真比较研究[J].南京工程学院学报:自然科学版,2006,4(2):50-55.
[2]李光琦.电力系统暂态分析[M].2版.北京:中国电力出版社,1995.
[3]赵彩宏.FCL对电力系统暂态稳定性影响的机理分析与仿真[J].电力自动化设备,2001,21(2):14-17.
[4]PRABHA KUNDUR.电力系统稳定与控制[M].北京:中国电力出版社,2002.
[5]刘志俭.Matlab应用程序接口指南[M].北京:科学出版社,2000.