数模实时混合仿真系统研究0电动绞盘

数模实时混合仿真系统研究

数模实时混合仿真系统研究 2011年12月10日 来源： 1　引　言　　经过多年的科技攻关，由东南大学热能工程研究所主持的燃煤增压流化床燃气蒸汽联合循环系统（简称PFBC—CC）已进入中试实施阶段，为使系统高效稳定可靠运行，需要对系统的动态性能作出全面的预测，设计出性能优良的控制系统。本课题是根据这一需要而开展的，为研究系统动态性能和设计控制系统提供一个仿真环境。　　在计算机日益发展的今天，用数字仿真虽然能满足一般仿真要求，但是对于PFBC—CC如此复杂的热工系统来说，由于数字仿真时计算工作量巨大，很难满足实时要求，因此，采取把数字计算机与模拟计算机联合在一起的方法，构成数模混合仿真环境。由于繁琐的积分运算在模拟计算机上实现，因而设计的系统可以达到实时要求，能对研究对象作出实时仿真计算，并在此基础上，增设一台数字计算机，用于设计控制规律，进行实时控制仿真。2　系统实现　　2.1　系统配置　　系统的配置主要由以下几部分组成：两台数字计算机，分别为PentiumⅡ 233（配有多媒体附件）和 Pentium 150；一台模拟计算机，型号为DMJ130A，共12阶（12个积分器）；接口电路部分，32路12位模数（A/D）转换板一块， 12路12位数模D/A转换板一块，两块NE2000通讯网卡；同时还配有打印机，绘图仪等图形数据输出设备。结构如图1所示。图1　数模混合仿真系统结构示意图　　针对诸如PFBC—CC如此复杂的系统，仅以一台模拟机模拟实际物理对象，远不能满足仿真要求，因而在进行仿真试验装置设计时,增加一台高性能计算机(Pentium Ⅱ233),与模拟机一起共同模拟实际物理对象,这样不但可以提高系统的仿真精度,而且还可以提高系统的仿真的阶数。同时，对于对象的一些非线性特性，可以很容易在数字计算机上得到复制，如PFBC—CC系统中的烟气轮机、汽轮机、压气机等性能曲线能直观地在系统装置上加以再现，设计出双变量函数发生器或多变量函数发生器，满足静态要求。另外由于数字计算机的性能优、计算速度快，动态响应快，因而也能满足动态拟合要求。对于计算量大、耗时多的积分运算可在模拟计算机上实现，以此达到实时的要求。　　2．2　非线性部件的模拟［1］　　非线性部件如烟气轮机、汽轮机、压气机等二元非线性性能曲线的实现，可以通过如下的几种方法实现：　　.根据函数逼近和多项式曲线拟合原理，用二元多项式逼近被复制函数；　　.用分段多项式，以提高曲线拟合精度；　　.节点函数查表法；　　.节点函数查表与函数插值方法相结合。　　本文采用最后一种方法。由于数字计算机的内存大（为32M），因而可以通过增加节点数目，提高拟合精度；同时通过合理安排节点间距和排列方式，提高其响应速度。选用双线性插值法，原理如图2所示。图2　节点函数插值示意图　　已知函数Z=f(X,Y)在四个相邻节点(Xi,Yj),(Xi+1,Yj),(Xi,Yj+1),(Xi+1,Yj+1) 的函数值分别为Z1，Z2，Z3，Z4，则在该四个节点所确定的矩形区间内的任意一点（X，Y）上的函数值Z由下式决定：　　当被仿真对象不是很复杂（阶数不超过12阶）时，此时可以使用模拟计算机为主进行仿真，数字计算机则可当作函数发生器，其结构如图3所示。图3　双变量函数发生器原理　　2．3　混合仿真实现　　设系统对象可用下面的状态空间表达式表示：(1)Y = CX+DU　　(2)式中　X——状态量　　　Y——输出量　　　U——输入量A、B、C、D——系数距阵　　式（1）表示与时间相关的状态函数，如具有惯性、蓄能、蓄质特性的一些部件，式（2）则为输出方程，由一些部件的特性方程组，参数联系方程组等得到。根据上述表达式特点，可以把系统数学模型分解成相对独立的两部分，一部分是与时间无关的部分，包括特性方程组、参数联系方程组、微分方程的右函数部分，可在数字计算机上实现；另一部分与时间直接相关，进行积分运算，直接在模拟计算机上实现，如图4所示。图4　混合仿真与控制实现原理　　当系统高于模拟计算机的12阶时，可以从以下两方面作出近似：其一是根据对象方程的时间常数，将变化过程相对较快和较慢的微分方程代数化，对系统实行降阶处理；另一方法就是把时间常数进行分类，将相对较慢的方程安排在数字计算机上作积分运算，这样其精度不变，但增加了数字机的运算负担，会影响响应速度，这时可作如下变换：

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