基于RT-LAB的电力推进船舶半物理仿真研究

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基于RT-LAB的高空飞艇半实物仿真系统设计

吕俊李鑫凡永华
（１．中航工业计算所西安７１００６８；２．西安７７１研究所西安７１００７２；３．中国航天科工集团０６１基地博士后工作站贵阳５５０００９）
ｏｆｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅａｉｒｓｈｉｐ
ＬｖＪｕｎＬｉＸｉｎ。ＦａｎＹｏｎｇｈｕａ
（１．ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ ’ ａｎ，７１００６８，Ｃｈｉｎａ；２．７７１ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＸｉ＇ａｎ，Ｘｉ ’ ａｎ，７１００７２，Ｃｈｉｎａ；
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｒｄｗａｒｅ — ｉｎ— ｔｈｅ — ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｆｕｌｌｄｉｇｉｔａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｎｂｅｍｏｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｃｃｕｒａｔｅ，ｑｕｉｃｋ
摘
要：半实物仿真相较全数字仿真可更加高效、精确、快速的反应控制系统的控制特性，以ＲＴ — ＬＡＢ仿真系统为半
实物仿真工具，通过建立以高空飞艇为研究对象的半实物仿真系统。使用ＲＴ — ＬＡＢ软件将数字仿真模型转换为半实物仿真系统所要求的实时仿真模型，通过对高空飞艇的飞行控制系统半实物仿真，验证了该半实物仿真系统的可行性以及高空飞艇的飞行控制系统正确性。试验结果表明，使用ＲＴ — ＬＡＢ作为半实物仿真工具可以顺利的为飞行控制系统的试验验证提供有效的保障。

基于RT-LAB的无刷直流电动机伺服系统半实物仿真

理论与方法
曩蛰
己口ｌ５年ｌ
基于ＲＴ — ＬＡＢ的无刷直流电动机伺服系统半实物仿真
郭长欢黄建（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京ｉ００１９１）
ｍｏｔｏｒｗａｓｐｕｔｕｐ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｔａｋｅｓＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ａｓｔｈｅｃｏｒｅ，ａｎｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｗｅｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｗａｓａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｉｎＣＣＳ３．３Ｈａｒｄｗａｒｅ — ｉｎ — ｔｈｅ — ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｉｒｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｅｒｖｅｓｙｓｔｅｍ’ Ｓｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｃｏｕｌｄｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｌｏａｄｔｏｒｑｕｅａｎｄｔｈｅｓｐｅｅｄｓｅｔｔｉｎｇｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｄｉｇｉｔａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｓｉｍｕｌａ

基于RTW的PID算法及半实物仿真系统的研究

第２８卷第４期Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．４２００７年８月Ａｕｇ．２００７江西理工大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＡＮＧＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ收稿日期：２００７－０３－２２作者简介：周贤娟（１９８１－），女，２００５级硕士研究生．文章编号：１００７－１２２９（２００７）０４－００２８－０４基于ＲＴＷ的ＰＩＤ算法及半实物仿真系统的研究周贤娟，鄢化彪，韩树人，刘生华（江西理工大学机电工程学院，江西赣州３４１０００）摘要：基于ＭＡＴＬＡＢ／ＲＴＷ的功能研究，设计了一种半实物仿真系统，系统采用的是基于软件开发、硬件开发和算法设计与实现的快速原型设计实现技术，利用这种方法可开发和研究工程实践中的产品（如ＰＩＤ控制器）．具体过程是根据Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＲＴＷ提供的实时的开发环境，使用ＲＴＷ（Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｗｏｒｋｓｈｏｐ）进行实时仿真和目标代码生成功能，用户可以缩短产品开发周期，降低成本．ＲＴＷ可以支持基于模型的实时控制及调试，适用于加速仿真过程和快速原型化．关键词：ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ／ＲＴＷ；ＰＩＤ控制；半实物仿真；实时控制中图分类号：ＴＰ３９文献标识码：ＡＳｔｕｄｙｏｎＰＩＤＡｒｉｔｈｍｅｔｉｃａｎｄＨａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｏｎＲＴＷＺＨＯＵＸｉａｎ－ｊｕａｎ，ＹＡＮＨｕａ－ｂｉａｏ，ＨＡＮＳｈｕ－ｒｅｎ，ＬＩＵＳｈｅｎｇ－ｈｕａ（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ３４１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆＭＡＴＬＡＢ／ＲＴＷｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎｔｈｅｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｓｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，ｈａｒｄｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｒｅａｌｉｚｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｏｆｆｅｒｓａｗａｙｔｏｈｅｌｐｄｅｖｅｌｏｐｓｗｉｆｔｌｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅｗａｙ，ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅ（ｅｇ．ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）ｃａｎｂｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＲＴＷ；ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ；ｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ０引言现代市场对产品的需求呈现多样性和快速性的趋势，为了在激烈的市场竞争中取胜，必须不断地缩短产品的开发周期，这就出现了新产品面临着多样性的需求和快速开发之间的矛盾［１］．为了设计可靠的控制系统，满足用户的需求，缩短产品的开发周期，需要采用先进的开发工具来加速设计流程．为此，本文采用了一种快速原型设计方案进行控制系统开发以达到缩短产品开发周期的目的．该方案利用了ＭＡＴ－ＬＡＢ／ＳＩＵＭＩＬＩＮＫ／ＲＴＷ提供实时的系统仿真环境，通过具体的控制系统实例介绍了利用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＵ－ＭＩＬＩＮＫ／ＲＴＷ进行半实物仿真的主要步骤，实现了半实物仿真结果与利用计算机进行纯软件仿真结果相符合，该方案在实际的产品开发过程中有着广泛的应用前景．本文介绍的基于ＲＴＷ的半实物仿真系统中，ＲＴＷ［２］是ＭＡＴＬＡＢ图形建模和仿真环境Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的一个重要的补充功能模块，它能直接从Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的模型中产生优化的，可移植的和个性化的代码，并根据目标图２ＲＴＷ的半实物仿真过程配制自动生成多种环境下的程序．利用它可加速仿真过程，或生成可在不同的快速原型化实时环境下的程序．１系统组成及原理１．１硬件组成计算机是半实物仿真系统的核心，负责各种参数的实时采集和数据处理，并根据数据处理结果进行决策，产生控制信息，从而控制被控对象的运行状态．为了提高系统实时仿真的能力，本系统采用主、目标机结构，如图１所示．宿主机：是带有以太网卡和通讯端口的台式计算机，其上安装Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统，并安装ＭＡＴＬＡＢ、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、ＲＴＷ（ＲｅａｌＴｉｍｅＷｏｒｋｓｈｏｐ）、ｘＰＣＴａｒｇｅｔ以及相应的Ｃ语言编译器等软件．主要用于实现仿真前期准备和仿真过程中的实时交互任务，具体担负着编译仿真源程序、启动仿真运行、在运行过程中提供交互控制等任务．目标机：当控制系统比较复杂时常采用带ＩＳＡ插槽和以太网卡的工控机（如ＰＣ／１０４或ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ）；当控制系统控制对象单一、简单且要求不高，为了节约成本采用单片机；它用于实时运行仿真程序，具体负责执行仿真目标程序、通过Ｉ／Ｏ通道与外部实物进行数据交换、实现半实物实时仿真．主机和目标机通过ＲＳ２３２或ＴＣＰ／ＩＰ协议进行通信．外围设备：是实际的工业被控对象，在仿真过程中，先在主计算机上用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立仿真模型，通过ＲＴＷ的编译为可执行代码，然后通过连接好的网络下载到目标机上运行．目标机可以通过各种Ｉ／Ｏ板卡接入被控对象进行半实物仿真．１．２软件环境操作系统为Ｗｉｎｄｏｗｓ，所用的程序为ＭＡＴＬＡＢ７．０／Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅＷｏｒｋｓｈｏｐ／Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅＷｉｎｄｏｗｓＴａｒｇｅｔ、相应的Ｃ语言编译器．１．３系统原理基于ＲＴＷ的半实物仿真的过程如图２所示．ＲＴＷ自动程序创建过程能在不同的主机环境下生成用于实时应用的程序．该创建过程使用高级语言编译器中的联编实用程序来控制所生成源代码的编译和链接过程．创建过程包含如下４个步骤：（１）分析模型和对模型文件进行编译；（２）由目标语言编译器从模型中生成代码；（３）程序联编文件（ｍａｋｅｆｉｌｅ）的生成；（４）在自定义的程序创建文件的控制下，由联编实用程序生图１基于ＲＴＷ的半实物仿真的主、目标机结构参数调节，监视等宿主机外围硬件目标机实时运算ＴＲＷ生成的应用程序宿主—目标通信Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型模板联编文件ｓｙｓｔｅｍ．ｔｍｆ生成联编文件生成代码用户开发的模型和模板联编文件自动的程序创建过程可执行的Ｃ语言程度程序ｍｏｄｅｌ．ｅｘｅＭａｋｅ－ｆｍｏｄｅｌ．ｍｋ模型代码ｍｏｄｅｌ．ｃ或ｍｏｄｅｌ．ａｄｂｍｏｄｅｌ．ｍｏｄｅｌ－ｅｘｐｏｒｔ．ｈ自定义联编文件Ｍａｋｅ－ｒｔｗ．ｍ!#"#$%&%周贤娟等：基于ＲＴＷ的ＰＩＤ算法及半实物仿真系统的研究第２８卷第４期２９图３系统方框图成可执行程序．在实际的工业控制器开发中，用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ｘＰＣＴａｒｇｅｔ对工业被控系统进行半实物仿真时，既要通过数据采集卡Ｄ／Ａ接口将仿真工控机的计算结果送往被控系统，还要通过数据采集卡采集信号送到仿真工控机．ｘＰＣＴａｒｇｅｔ提供了将这些Ｉ／Ｏ接口接入计算机的各种驱动程序．避免直接用ＲＴＷ进行半实物仿真方案时，需用Ｃ语言编写接口程序等工作，简化半实物仿真的工作量．在建立Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型时，直接将所用到的板卡功能对应的模块拖入Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型中［３］，并在实际仿真工控机中插入相应板卡，然后编译模型文件，模型文件中的板卡信息被编译为可执行代码，下载到目标机并执行和Ｉ／Ｏ板建立了联系，将实际的板卡连到仿真回路中，在仿真过程中可从数据采集卡输入输出数据，进行半实物仿真．２半实物仿真实验２．１宿主机生成代码在单片机上实现首先，通过利用单片机（ＭＣＳ－５１系列ａｄｕｃ８１２）作为实验的目标机来验证利用ＲＴＷ进行半实物仿真是可行、可靠、便捷的．该实验的步骤为：①建立正弦发生器Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型见图３，得到ｍｏｄｅｌ．ｍｄｌ文件；②创建实时应用程序．创建实时应用程序能够让系统与一个实时时钟同步运行，并和外部系统进行交互控制．具体步骤如下：（１）求解器Ｓｏｌｖｅｒ选项设置；打开Ｓｉｍｕｌｉｎｋ设置页ＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓ中的Ｓｏｌｖｅｒ选项卡，定义仿真起始时间和终止时间，设置求解器步长为固定步长以及任务模式为单任务模式．（２）ＲＴＷ的主要设置；首先，ＲＴＷ目标设置．Ｒｅ－ａｌ－ＴｉｍｅＷｏｗｋｓｈｏｐ的每个目标都对应两个特定的文件［１］：①系统目标文件（＊．ｔｌｃ），是一个目标语言编辑器（ＴａｒｇｅｔＬａｎｇｕａｇｅＣｏｍｐｉｌｅｒ）；②模板Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件（＊．ｍｆ）．其次，ＲＴＷ特性设置．Ｒｅａｌ－ＴｉｍｅＷｏｗｋｓｈｏｐ的主要构成和特性：①ＳｉｍｕｌｉｎｋｃｏｄｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ：自动为Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型产生Ｃ语言代码；②ＭａｋｅＰｒｏｃｅｓｓ：Ｒｅａｌ－ＴｉｍｅＷｏｒｋ－ｓｈｏｐ的拓展功能，可以让用户通过自定义编译和联结，来达到应用的目的；③ＳｉｍｕｌｉｎｋＥｘｔｅｒｎａｌｍｏｄｅ：外部模式充当Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与实时测试环境之间的信息桥梁．外部模式在使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ时，作为前台终端进行实时参数的调整、数据记录和可视化．（３）打开Ｒｅａｌ－ＴｉｍｅＷｏｒｋｓｈｏｐ对话框，选中Ｂｕｉｌｄ，代码随后自动生成；（４）整合用户自定义函数、底层驱动函数（在本实验中采用Ｓ函数）和自动生成的程序，编译生成目标文件；（５）将宿主机生成代码下载到目标及系统（此时要注意具体的目标机的实用手册或说明）；（６）实时仿真．目标机接电源，主机通过Ｓｃｏｐｅ显示波形，此时主机对目标机实时监控．纯软件仿真图与目标机的仿真图如图４、图５所示．图４主机上纯软件仿真波形图５目标机在主机上显示波形江西理工大学学报２００７年８月３０２．２ＰＩＤ闭环控制系统半实物仿真平台搭建该半实物仿真平台控制器用实物，而受控对象使用计算机建立的数学模型．图６为一实际的ＰＩＤ控制半实物仿真框图．图６ＰＩＤ闭环控制系统半实物仿真框图此框图将控制器通过研华ＰＣＬ－１７１０Ａ卡和工控机模拟的被控对象连接起来，宿主机通过ＲＳ２３２串口线和控制器连接起来，这样让输出的信号反馈回宿主机，形成ＰＩＤ闭环半实物仿真平台．该闭环系统半实物仿真的方法及步骤是：首先，对系统建立较为精确的数学模型，依此作为被控对象，和实际的控制电路板组成半实物仿真模型，系统采集的信号通过ＰＣＬ－１７１０Ａ的Ａ／Ｄ口送入工控机，控制信号由Ｄ／Ａ口输出；其次，在ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真环境下，利用ＲＴＷ的实时视窗目标（Ｒｅａｌ－ＴｉｍｅＷｉｎｄｏｗｓＴａｒｇｅｔ），在实验条件下，较为精确地实时地再现系统的运行结果，通过对故障和正常等各种情况的比较，对控制参数实时调整，最终得到满意的控制器．３结论基于ＲＴＷ的ＰＩＤ算法及半实物仿真研究，实验表明：采用ＲＴＷ仿真的结果和实时控制实验结果基本吻合，证明了ＲＴＷ仿真模型和控制算法实现是可靠的；相对于ＶＣ＋＋等编程语言或组态软件开发整套控制系统的传统开发方式而言，基于ＲＴＷ的快速一体化解决方法，可使系统设计人员把主要精力放在系统设计、模型搭建上，大大节省了开发时间，使开发效率大大提高．本系统的研究为基于ＲＴＷ开发复杂过程控制系统、实时控制过程中测控仪器的开发提供了参考，具有实际的指导意义．参考文献：［１］杨涤，李立涛，杨旭，等．系统实时仿真开发环境与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．［２］张波．基于ＭＡＴＬＡＢ的磁悬浮球数字控制器的研究［Ｄ］．南京：河海大学，２００５．［３］龙利．ＭＡＴＬＡＢ环境下控制系统实时仿真实验的研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００５．示波器主机模拟输出ＰＩＤ控制器模拟输入传递函数延迟周贤娟等：基于ＲＴＷ的ＰＩＤ算法及半实物仿真系统的研究第２８卷第４期３１。

半潜船电力推进系统建模与仿真的开题报告

半潜船电力推进系统建模与仿真的开题报告一、选题背景目前，半潜船在海洋工程中得到了广泛应用，包括海洋油气勘探、海底管线建设、海洋风力发电等。

为了实现半潜船的高效运行，需要良好的电力推进系统。

电力推进系统的设计和优化对于半潜船的航行性能和能源效率有着至关重要的影响。

因此，建立半潜船电力推进系统的建模与仿真模型，对于深入理解电力推进系统的运行机理、优化系统性能有着重要作用。

二、研究内容和目标本文研究的内容主要是半潜船电力推进系统建模和仿真，包括以下内容：1. 半潜船电力推进系统的基本构成和工作原理的分析。

2. 对电力推进系统进行建模，包括功率转换、能量转移、机械传动等方面。

考虑到船舶运行的复杂性，使用物理模型进行建模，以达到更加真实的模拟效果。

3. 基于模型实现电力推进系统的仿真。

利用仿真工具（如 MATLAB/Simulink）对建模结果进行验证和优化。

4. 分析电力推进系统的性能指标，包括电能转换效率、能量损失、推进力、能耗等，并对其进行仿真。

通过仿真结果，提出优化方案，改善系统性能。

最终，本研究旨在建立电力推进系统的准确的物理模型，对其进行仿真和优化，提高半潜船的航行性能和运行效率。

三、论文结构本文共分为五个部分。

第一部分为绪论，包括研究背景、选题意义、研究内容和目标等。

第二部分为半潜船电力推进系统的分析与建模，主要讲述电力推进系统的基本构成和工作原理分析，并进行建模分析。

第三部分为电力推进系统的仿真，利用MATLAB/Simulink 工具对电力推进系统进行仿真分析。

第四部分为仿真结果分析与优化，对仿真结果进行分析，寻找优化方案，改善系统性能。

第五部分为结论与展望，对本次研究进行总结，并对未来的研究提出展望和建议。

RT_LAB在半实物仿真系统中的应用研究_常晓飞

收稿日期:2008-04-23作者简介:常晓飞(1983—),男,河南人,博士研究生,主要研究方向为飞行器控制与仿真;符文星(1973—),男,陕西人,副教授,主要研究方向为导航、制导与控制;闫杰(1961—),男,陕西人,教授,主要研究方向为导航、制导与控制。

R T -L A B 在半实物仿真系统中的应用研究常晓飞,符文星,闫　杰(西北工业大学航天学院,陕西西安　710072)摘要:半实物仿真是导弹研制过程中的一个重要环节。

基于某型导弹的半实物仿真系统,叙述了仿真系统构架以及R T -L A B 在其中的应用,详细介绍了R T -L A B 软件的使用方法,并给出了搭建仿真模型以及编写板卡驱动的方法。

研究表明,R T -L A B 可以方便快捷地将S i m u l i n k 模型应用于半实物仿真系统,减少了构建系统的难度,并提高了仿真系统的稳定性和可靠性。

关键词:半实物仿真;R T -L A B ;S i m u l i n k中图分类号:T P 391.9 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2008)10-0075-04R e s e a r c h a n d A p p l i c a t i o n o f R T -L A Bi nt h e H a r d w a r e -i n -t h e -L o o pS i m u l a t i o nC H A N GX i a o -f e i ,F UWe n -x i n g ,Y A NJ i e(C o l l e g e o f A u t o m a t i o n ,N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ,X i a n 710072,C h i n a )A b s t r a c t :T h e h a r d w a r e -i n -t h e -l o o p s i m u l a t i o np l a y s a v e r y i m p o r t a n t r o l e i n m i s s i l e d e s i g n .B a s e d o n t h e h a r d w a r e -i n -t h e -l o o p s i m -u l a t i o n s y s t e m o f c e r t a i nm i s s i l e ,t h e s y s t e mt r u s s a s w e l l a s t h e r o l e o f R T -L A Ba r e i n t r o d u c e d ,t h e d i r e c t i o no f t h e s o f t w a r e i s p r o -p o s e di nd e t a i l ,s o m e t e c h n i q u ed i f f i c u l t i e s w h i c ha r e f o u n di nt h e p r o c e s s o f t h es i m u l a t i o nm o d e l c o n s t r u c t i o na r e g i v e n ,a n dt h e m e t h o d s o f h o wt o w r i t e t h e i n p u t /o u t p u t b o a r d d r i v e r a r e p r e s e n t e d .T h e r e s e a r c h s h o w s R T -L A Bc a n a p p l yt h e S i m u l i n km o d e l t o t h e h a r d w a r e -i n -t h e -l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m c o n v e n i e n t l ya n d r a p i d l y ,r e d u c e t h e d i f f i c u l t i e s i n c o n s t r u c t i n g t h e s y s t e m ,i n c r e a s e t h e s t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t y o f t h e s i m u l a t i o n s y s t e m .K e yw o r d s :h a r d -i n -t h e -l o o ps i m u l a t i o n ;R T -L A B ;S i m u l i n k 半实物仿真是一种将部分硬件实物引入到仿真回路中的仿真。

基于RT-LAB半物理仿真平台的永磁同步电机控制及谐波抑制技术

by adding the second harmonic suppression algorithm.
Key words: permanent magnet synchronous motor; RT-LAB; semi-physical simulation platform;
SHEPWM; second harmonic suppression
strategy mainly includes SPWM and SHEPWM. The real-time simulation platform of PMSM based
on RT-LAB semi physical simulation platform can be used for semi physical simulation verification
2020.№3
大电机技术
27
近年来，随着高性能永磁材料的广泛使用，以及电力电子技术和电机控制技术的不断发展，永磁同步电机在航空航天舵机伺服控制、轨道交通传动等领域成为了主要电机类型，先进的控制理论和技术在行业的应用也日趋成熟。
在实际工程中，对于复杂系统的产品迭代周期要求通常较为苛刻，在对研发周期时间要求比较紧迫的时候，利用半物理仿真平台对控制算法进行快速原型验证，能够有效节约研发时间，大大降低开发成本，因此验证和测试复杂系统的方案可行性及算法最优性在设计研发环节变得非常重要[3]。半物理仿真是一种全新的测试理念及仿真技术，相较于传统的离线仿真技术，它在仿真回路中尽可能多地接入实物，用实物来替代传统的离线数学模型[4]。而在实验室中，对于无法直接使用的实物，可采用数学建模及程序化的方式来模拟实物的动态特性[5]。在永磁电机伺服控制系统的研制过程中，控制器作为核心部件，其控制策略算法的验证尤为重要。采用真实控制器加虚拟外围回路模型的形式，构建永磁电机伺服系统半物理仿真分析平台，对半物理仿真数据及波形进行相关实验验证，具有重要的研究意义[6]。

基于RT-LAB的无刷交流发电机的功率级半实物仿真

基于RT-LAB的无刷交流发电机的功率级半实物仿真
梁金义;黄建;郭宏
【期刊名称】《微电机》
【年(卷),期】2015(048)003
【摘要】半实物仿真是一种将部分硬件实物接入到仿真回路中的实时性仿真,该方法能够更加真实地反映系统的实际情况,具有更高的置信度.针对飞机电源系统中常用的三级无刷交流发电机,利用RT-LAB半实物仿真平台,并引入部分功率级元器件,搭建发电机的功率级仿真系统.该方法将RT-LAB与可控电源结合,通过RT-LAB实时运行发电机模型,输出的电压信号控制可控电源,模拟真实发电机的功率级电压,并采集可控电源的输出电压,从而实现三级无刷交流发电机闭环运行的功率级半实物仿真.
【总页数】6页(P29-33,43)
【作者】梁金义;黄建;郭宏
【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191
【正文语种】中文
【中图分类】TM36+1
【相关文献】
1.基于RT-LAB的PET中间级直流变换器半实物仿真平台设计 [J], 刘京斗;李小均;吴学智;荆龙;王旭亮
2.基于RT-LAB的MMC半实物仿真平台设计 [J], 张冀川;徐家斌;童亦斌;荆龙
3.基于RT-LAB的空间对接半实物仿真系统 [J], 李双全;杜亚娟
4.基于RT-LAB半实物仿真平台的风电机组一次调频实验方法研究 [J], 颜宁;张冠锋;满林坤;马少华;赵海川
5.基于RT-LAB的无刷直流电动机伺服系统半实物仿真 [J], 郭长欢;黄建
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基于RT-LAB的微电网半数字半实物实时仿真系统[发明专利]

专利名称：基于RT-LAB的微电网半数字半实物实时仿真系统专利类型：发明专利
发明人：张永池,李穗鹏,侯佳佐,章雷其,辛焕海
申请号：CN201410535831.9
申请日：20141011
公开号：CN104298127A
公开日：
20150121
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于RT-LAB的微电网半数字半实物实时仿真系统。

RT-LAB仿真机包含微电网模块和处于微电网模块下的各个一次设备模块，微电网模块与各个一次设备模块连接，各个一次设备模块与各自对应的一级控制模块连接，所有一级控制模块均连接到二级控制模块，二级控制模块与计算机连接；一级控制模块、二级控制模块、计算机之间均通过交换机连接，构成以太网网络。

本发明可用于模拟微电网的动态特性，也可以模拟控制方法，具有较好灵活性，利用RT-LAB仿真机模拟微电网的一次设备，可随时随地对光伏发电、风能发电、柴油机发电等微电网模型的进行动态仿真和模型的验证扩展，形成通用性强的微电网半数字半实物仿真系统。

申请人：浙江大学
地址：310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
国籍：CN
代理机构：杭州求是专利事务所有限公司
代理人：林超
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基于RT-LAB的电力推进船舶半物理仿真研究汪敏;欧阳松;杨俊飞【摘要】Small scaled model is often used in the research of electric propulsion ship. At the same time, simulation is also used in the research taking sites and funds into consideration. It has the defect because of the lack of confidence level in simulation. Based on the real-time simulation machine RT-LAB, the equipment which is restricted by sites and funds can be running in RT-LAB as models. Semi-simulation platform consists of RT-LAB and other substantial equipments. By this way, the confidence level can be improved and the working condition can be also modified freely.%实验室内电推船舶的研究常采用小比例模型的方式。

考虑到场地和经费的因素，仿真技术也被应用于电推船舶的研究，但是数字仿真存在置信度不足的缺点。

本文以实时仿真机 RT-LAB 为基础，将受场地经费限制的设备以模型的形式在仿真机中运行，与实物一起搭建电推船半物理仿真平台。

既可以克服数字仿真置信度不足的缺点，同时也便于进行工况的修改。

【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)004【总页数】4页(P77-80)【关键词】电力推进船舶;半物理仿真;RT-LAB【作者】汪敏;欧阳松;杨俊飞【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064;武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064;武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言20世纪 80年代以来，电力电子技术的发展和调速变换器技术的进步，为电力推进船舶的发展奠定了基础。

20世界90年代以后，电力推进船舶在舰船领域开始得到迅速的发展。

电力推进已经取得了广泛的应用。

大功率用电设备的使用，使传统意义上的以电站监控为主的船舶电力系统无法满足需求。

船舶综合电力系统的概念由美国人在1994年提出，全船电力系统的各个环节均有统一的中央系统控制，便于系列化和模块化，从统筹全船能量的角度真正意义上实现了电力和推进两大系统的融合。

电推船正在向着网络化，信息化，智能化的方向发展[1]。

1 半物理仿真考虑到经费和场地限制，仿真技术被应用到电力推进船舶的研究中来。

采用建模与仿真的方法，结合试验，对系统进行模拟。

对修改设计，完善方案有很大帮助。

尤其是一些设备因为价格昂贵，在控制机理不清楚的情况下，不宜贸然采用实物实验。

尽管仿真技术有着诸多的优越性，但是传统的数字仿真仍然存在不足。

仿真是以相似理论为基础，通过对真实和虚拟的事物进行分析并进行模型构造。

所以仿真系统并不能完全模拟真实的事物本身，并非绝对可信。

仿真系统有多大的可信度，结果是否可用，与仿真过程中的一系列实施步骤密切相关[2,3]。

为了克服传统的数字仿真的不足，近年来，半物理仿真开始在研究和开发中大量采用，在很大程度上，克服了数字仿真置信度低，实时性差的缺点。

进行半物理仿真，需要配备专门的实时仿真机。

目前市场上主流的实时仿真机有加拿大的RT-LAB、日本的A&D、德国的dSPACE以及我国自行研制的HILworks平台。

2 RT-LAB实时仿真机RT-LAB实时仿真机是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一款新型的基于模型的应用平台，主要用作工程设计与测试。

应用RT-LAB仿真机，工程师可以在一个平台上实现工程项目的设计，既可以实现快速响应模型（RCP），又可以支持硬件在回路模式（HILS）。

用户可以根据需要将系统的模型分割成若干个子系统，并分布到X86的目标机网络中并行运算。

另外，它还具备灵活的模块化的设计能力。

3 半物理仿真平台的构建以RT-LAB为实时仿真机，搭建一个完整的小比例电推船舶电力系统平台。

完整的平台包含的主要设备有：柴油机，调速器，同步发电机，配电板，能量管理系统，变压器，变频器，推进电机，模拟螺旋桨海况的负载电机，操控系统等。

见图1。

柴油机，调速器，同步发电机，配电板，变压器设备昂贵，且占据空间较大，可以采取模型的形式，在仿真机RT-LAB中运行。

整个半物理仿真平台分为三个部分：仿真机、负载及基础控制。

1）仿真机，主要模拟柴油机，调速器，同步发电机，配电板，变压器环节。

以及部分控制算法的执行。

2）负载，由两台变频器分别拖动两台异步电机，一台作为推进电机，模拟螺旋桨。

另一台作为负载电机，模拟海况负载。

两台电机以联轴的形式对接。

变频器选用西门子SINAMIC S120 系列。

3）基础控制，负责整个系统的控制，此外还具有PMS功能。

PLC选用西门子S7-300系列。

上位机选用西门子WinCC软件[4]。

更理想的架构还可以包括一个虚拟的左舷和实际存在的右舷，主模型及算法在主仿真机中运行，虚拟左舷在分布式仿真机中运行，实际右舷由两台对拖的变频电机进行实物仿真。

如果模型搭建合理，左右舷的仿真曲线应该吻合。

如图2。

4 系统数学模型4.1柴油机与调速器完整模型柴油机，调速器与执行器的完整模型可以由这三者的模型串联后进行简化。

其中比较常用的一种简化后的建模方法分别是采用二阶环节进行组合建模，得出前向通路的传递函数为：式中：K为控制器放大系数。

T9为放大器时间常数。

T10为二阶环节的时间常数。

为发电机组延迟时间。

T11、T12、T13为柴油机及其执行器的时间常数。

4.2同步发电机模型同步发电机的模型有稳态模型，瞬态模型以及次瞬态模型。

同步电机的稳态模型，可以用一个内部等效的电压源，一个等效电阻和一个等效电抗来描述。

如果将凸极电机的等效阻尼绕组考虑在内，该绕组等效阻尼时间常数较大，则可以得到同步电机的瞬态模型。

在瞬态模型的基础上，如果再将凸极电机时间常数较小的等值阻尼绕组的特性考虑在内，会得到同步电机的次瞬态模型。

不同精度要求的系统，采取不同形式的模型。

当模型阶次提高，仿真的精度也会提高，但是计算量会随之而增加，进行仿真时整体时间会加长，系统运算速度会下降。

4.3励磁系统模型励磁系统前向通路传递函数为：其反馈单元为：其中，ka为主调节器放大倍数；ta为主调节器的时间常数；tc为超前补偿时间常数；tb为滞后补偿的时间常数；kf为反馈阻尼环节的放大系数；tf为阻尼反馈环节的时间常数。

4.4螺旋桨数学模型螺旋桨的数学模型需要将伴流系数、推力减额系数、阻力、螺旋桨推力系数、扭矩系数、进速比考虑在内。

其中伴流系数、推力减额系数需要符合一个数值连续的分段函数，避免仿真中发生跳变。

动态时，进速比的范围变化很大，为了克服这个困难，对进速比的值，需要用Chebyshev多项式拟合。

从而得出螺旋桨的推力和转矩。

船桨的数学模型，需要先按照实船的参数推算出螺旋桨的扭矩Tp，随后将其进行折算，由折算结果得出半实物仿真系统中负载电机的输出转矩TL。

计算在仿真机中是通过软件实现的。

输入量为船速和螺旋桨的转速，经过模型计算后，输出量为负载电机的转矩。

船速可以由船桨数学模型求得，故船桨模型的输入量仅有螺旋桨转速。

螺旋桨的总模型如图3[5]。

4.5电力系统模型选用三台发电机组成电站模型。

RT-LAB中还应运行功率限制模型和脱扣检测模型。

因为Matlab中无滑动变阻器，而使用电机模型做负载，在起动时对发电机模型冲击过大，系统容易报错。

为实现模型中的可调负载，在仿真时，发电机的负载使用直流斩波的方式完成。

为保证功率限制在恢复时转矩及功率不出现过冲，推出快速功率限制时，应该增加一个斜坡函数，对过冲进行抑制。

主推以外的负载，可以在RT-LAB中定义一个函数。

该函数值与从PLC传输过来的推进电机实际功率相加，作为系统总负荷。

RT-LAB软件中，模型被划分为SM与SC两部分。

模型在SM中运行，操作和监控在SC中进行。

SC与SM间由专用块连接。

封装完毕后的RT-LAB模型结构如图4。

5 半物理仿真验证5.1柴油机起动试验发电机空载启动，运行稳定后，6 s时给发电机突加1.35 MW，功率因数为0.8的阻感负载。

在14 s时再突加同样的负载，通过自动调节，使电机稳定运行。

试验结果见图5。

从上至下依次为柴油机转速、发电机端电压、柴油机转速变化率。

5.2功率限制时柴油机试验以大负载转移的方式，模拟异常脱扣。

发电机运行在60%负载下，突增60%负载。

图6中，从上至下依次为柴油机转速、发电机端电压以及柴油机转速变化率。

当大负载突增后，因功率限制投用，迅速将其降到额定负载的20%。

柴油机转速和发电机端电压能够保持稳定。

柴油机转速变化率出现较大跌落，但是迅速被纠回。

5.3功率限制恢复试验图7，图8分别为快速功率限制恢复时，有无斜坡时，推进变频器功率的波形对比。

由图可见，没有斜坡时，功率恢复会出现较大的过冲。

增加斜坡后，过冲得到明显的改善。

5.4快速功率限制试验图9为快速功率限制时，推进变频器的转矩波形。

当检测到开关的异常脱扣后，变频器在60 ms的时间内通过限制转矩完成功率的限制。

6 结束语基于实时仿真机RT-ALB可以搭建半物理仿真平台进行船舶电力系统的研究。

其优势在于兼有数字仿真的灵活性与物理仿真的实时性。

以此为基础，可以扩展为分布式仿真平台，对电力推进船舶进行更深入的研究。

[1] 徐水法, 韩琦, 杜军. 船舶能量管理系统PMS研究[J]. 中国航海, 2005, (3): 78-86.[2] Parker D.S,Hodge C.G.Electrical Marines and Drives[C]. The ElectricalWarship, Proceedings of the 8th International Symposium IEEE, 1997: 5-13.[3] 罗成汉. 船舶电力推进模拟平台的研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2013.[4] 罗成汉, 陈辉. 船舶能量管理系统PMS对策[J]. 中国航海, 2007, (4): 87-91.[5] 高海波. 船舶电力推进系统的建模与仿真[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2008.。