硬件在環仿真建模技術

任何系統的硬件在環仿真研究，對系統中的數字部分都要建立合適的數學模型和仿真模型。隨著仿真應用范圍的不斷拓寬，近年來，系統建模理論與方法的研究范圍逐漸從定量系統向定性系統拓寬。從建模的方法來看，除了典型的機理建模及系統辨識方法外，近年來正積極發展模糊優化法、人工智能輔助建模方法學及混合模式(multi—paradigm)的建模方法學等。

硬件在環仿真仿真算法

系統的動態特性一般可用微分方程或微分方程組來描述。因此，要在計算機上對系統進行仿真，首先就要確定采用何種求解常微分方程的仿真算法。仿真算法是將系統數學模型轉換成仿真模型的一類算法。連續系統與離散系統的非實時串行算法已相當完善，其成果包括處理線性、非線性、剛性等連續系統算法，各類分布參數系統算法，各種隨機統計算法及基于系統分割、方法分割和時間分割的部分并行算法。

硬件在環仿真仿真計算機

近10年來，由于計算機技術的飛速發展，通用高性能微機、工作站及并行機已成為仿真機的主流。超大規模的并行計算機、工作站以及高性能微機的運算速度已有很大提高。高性能仿真計算機研究的主要課題包括處理機技術、并行程序設計模型與并行化編譯器、支持自動并行化的新的框架與概念、軟硬件接口的實時處理能力等。接口系統是硬件在環仿真中數字部分與物理部分之間信息傳輸的接口，接口要具有可靠的實時性。

dSPACE實時仿真系統

dSPACE實時仿真系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優點。

dSPACE中的處理器運算性能強大，并且I/0接口十分豐富，用戶可根據需要自行組合;軟件環境功能強大而又靈活，提供自動生成代碼及調試和下載等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方而，dSPACE允許反復修改模型設計，進行離線及實時仿真，可在設計之初就將錯誤修正，節省設計費用。使用RCP技術，可以在費用和性能之間進行折衷。通過將快速原型硬件系統和所要控制的實際設備相連接，可以反復研究使用不同傳感器及驅動機構時系統的性能特征。而且，還可以利用旁路技術將原型控制單元或控制器集成于開發過程中，從而逐步完成從原型控制器到產品型控制器的順利轉換。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平臺可以實現對控制器的極限測試，失效測試。

RTLAB實時仿真系統

RT-LAB是加拿大名為Opal-RT公司推出的一款工業級的系統實時仿真平臺軟件包。

該平臺能在短時間內以較低的成本建立實時系統動態模型，簡化工程系統的設計過程，具有靈活、高效、可測量等優勢。

RT -LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的動態系RT-LAB所用;采用分布式處理的專業化塊設計;且該平臺使用戶能方便地將目標模型分割為幾個子系統，便于并行處理，集成豐富的第三方代碼庫;提供豐富的應用程序編程接口，便于用戶開發自定義應用;使用LabVIEW等工具可以創建定制的功能和測試界而;支持1000余種I/0設備，提供高度優化的硬件實時調度程序。

NI硬件在環仿真平臺

NI開發的硬件在環仿真平臺幫助用戶節省了在汽車研發到生產各個階段耗費的時間和成本。憑借業內領先的I/0、靈活現成的硬件、強大高效的LabVIEW開發環境，用戶可以創建各種應用的解決方案。

NI開發了基于PXI實時控制器的硬件在環仿真方案。PXI全稱為面向儀器系統的PCI擴展，結合了PCI的電氣總線特性和通用計算機強大的功能和高性價比，提供了一種高性能、低成本的虛擬儀器測試方案。

仿真模型建立在PXI實時控制器之中，NI提供FPGA模塊以適應更高動態性能和更高精度的模型應用需求。NI硬件在環仿真平臺具有開放的軟硬件技術架構，可以減少工程師的開發時間、成本和風險。在支持第三方硬件和軟件建模工具的同時，NI還提供一系列高性能模擬和數字I/0設備，CAN,LIN和FlexRay總線接口，故障注入硬件等，便于用戶高效實現應用。基于開放的工業標準，用戶總能將最新的PC技術用在自己的HIL測試系統中。同時，HIL測試系統的可擴展性滿足了多種快速變化的需求，以適應新技術發展所帶來的測試挑戰。

硬件在環仿真，又稱半實物仿真，是將需要仿真的部分系統硬件直接放到仿真回路中的仿真系統，它不僅彌補了純數字仿真中的許多缺陷，提高了整個模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個優勢在于它實現了仿真模型和實際系統間的實時數據交互，使仿真結果的驗證過程非常直觀，大大縮短了產品開發周期。仿真時，電腦與實際硬件通過各種信息通道相連，電腦與實際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結果在電腦中進行分析，從而判斷硬件的運行情況。

硬件在環仿真是在物理仿真和數學仿真的基礎上發展起來的，它將實際系統的一部分設備與計算機相連，用軟件模型對其中不存在或者不便于試驗的部分進行仿真，同時保證整個系統的運行。它充分利用計算機建模的簡易性，減少了費用；便于對系統的輸入進行靈活快捷的變更，在改變參數的同時可以詳細觀察系統性能的變化；對系統中非重點考察的復雜環節，可直接將其硬件連入仿真系統。

硬件在環仿真的逼真度較高，所以常用來驗證控制系統方案的正確性和可行性，進行故障模式的仿真以及對研制階段的控制系統進行閉環動態驗收試驗。應用硬件在環仿真使仿真條件更接近于實際情況，更能正確地對設計出的控制器性能進行檢驗和調試，有利于開發新型控制系統和算法，減少現場調試次數。

由于受計算機性能的限制，最初硬件在環仿真技術主要應用集中在軍事領域，通常需要專用的仿真計算機和接口板。隨著計算機硬件水平的不斷提高，硬件在環仿真逐步在各個領域里都得到了應用，如發動機、車輛、船舶、飛行器等。對于硬件在環仿真中的許多關鍵性問題，如建模技術和方法、實時計算、實時性分析等，許多人都進行了深入的研究，促進了硬件在環仿真的發展。

硬件在環仿真器。 2100433B

采樣速率50k/s。

1、仿真參數

為驗證所提控制策略的有效性，基于 dSPACE1005 平臺對其性能進行實時硬件在環仿真測試。該平臺拓撲如圖2，由4 臺容量為25 kVA 變流器及1臺90 kVA 可調模擬負荷組成。4 臺變流器中，2 臺變流器控制于CCM：CCM-VSC1 和CCM-VSC2，分別模擬光伏發電和風力發電系統；另外2 臺控制于VCM：VCM-VSC1 和VCM-VSC2。4 臺變流器參數相同，如表1 所示。

2、VCM-VSC 與CCM-VSC 間均載

實時硬件在環仿真結果和數據分別如圖4 和表2所示。初始階段S0：微電網系統運行于孤島模式，VCM-VSC1 和VCM-VSC2 采用下垂和虛擬阻抗控制， CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運行最大功率點、單位功率因數模式下，其有功功率P_mC1 和P_mC2 均為5 kW，無功功率Q_mC1 和Q_mC2 均為0。微電網負荷為阻感負荷，其中電阻R 為9.65Ω，電感L 為46 mH，額定電壓工況下對應有功負荷P_L 為15 kW，無功負荷Q_L為10kvar。由于下垂控制特性，微電網電壓幅值和角頻率稍偏離額定值U_N 和ω_N，負載有功功率為12.6kW，無功功率為8.4kvar。由圖4 和表2 可見，雖然VCM-VSC1 和VCM-VSC2 并網線路阻抗略有差異，但通過虛擬阻抗可實現均載，兩者的有功功率P_mV1 和P_mV2 均在1.298 kW，Q_mV1 和Q_mV2分別為在4.233 kvar 和4.153 kvar。2 臺VCM-VSC之間有功實現了精確的均分，無功分配誤差δ_V12 為0.019，可見無功分配精度也較高。在該階段，負荷無功全部由VCM-VSC 提供。

S1 階段：在T1 時刻，將CCM-VSC1 控制模式轉為ω-P、U-Q 倒下垂模式。在此假設其有功功率與無功功率可自由調配，且認為與VCM-VSC具有相同的有功與無功容量。由于CCM-VSC1 對系統無功功率的支持作用，系統電壓偏離額定值的差值減小。由圖4 和表2 可見，CCM-VSC1 與2 臺VCM-VSC 間實現了較好的有功功率均載，均穩定運行于2.888kW。然而，由于等效線路阻抗差異的影響，CCM-VSC 與VCM-VSC 并沒有實現較好的無功均載，CCM-VSC1 與2 臺VCM-VSC無功分配誤差δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.683 和0.705。

S2 階段：在T2 時刻，將CCM-VSC2 轉變為與CCM-VSC1 同樣的工作模式。系統電壓偏離額定值的差值進一步減小。同時可見，由于穩態時，系統運行于同一頻率，有功功率在4 臺變流器之間實現了較好的均載，均穩定運行于3.514kW。

無功功率在2 臺CCM-VSC 之間實現了較好的均載，均穩定運行于3.161kvar。但由于等效線路阻抗差異的影響，其并未與VCM-VSC 實現均載，δ_V1C1 和δ_V2C1分別為0.682 和0.709。

3、功率分配精度改善

實時硬件在環仿真結果如圖5 和表2所示，在本算例中，CCM-VSC 控制中加入自適應的空載電壓補償法控制。與上節相比， 無功功率在VCM-VSC 與CCM-VSC之間實現較好的均載性能。由表2 可見，在S2 階段，δ_V1C1 和δ_V2C1 分別為0.007 和0.033。

按照 VCM-VSC 有功額定為10 kW，無功額定為10 kvar，最大電壓偏差為10%額定電壓，最大頻率偏差為± 0.5Hz 設置下垂系數。CCM -VSC 按照視在功率為10kVA 計算。

初始條件S₀ ：CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均運行最大功率點、單位功率因數模式下，其有功功率PmC1 和PmC2 分別為5 kW 和9 kW，無功功率QmC1 和QmC2 均為0。

S1 階段：T1 時刻，啟動CCM-VSC1，按照無功儲備量，3 臺變流器按照QmC1:QmV1:QmV2=8.66:10:10共同分擔負荷無功8.8kvar。因此，QmC1、QmV1、QmV2無功功率將分別承擔2.6、3.1、3.1kvar。