CN103279626B - 一种仿真模型建立方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种仿真模型建立方法及系统，所述方法包括以下步骤：为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型；根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型；所述系统具体包括：独立建模模块，用于为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型；模型整合模块，用于根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型。

Description

一种仿真模型建立方法及系统

技术领域

本发明涉及数字控制技术领域，特别涉及一种仿真建模方法及系统。

背景技术

随着现代电力机车智能化和复杂化程度的提高，研发的难度也随之不断提升。于是在研发过程中采取实时仿真成为节约成本，提高效率的一项重要手段。半实物仿真在对于控制器进行开发和测试的过程中有着极其重要的意义。四象限变流器或者逆变器控制器的开发，一般是通过半实物仿真来完成的，这就需要用到牵引电传动系统的实时仿真模型。仿真设备通过运算仿真模型模拟牵引电传动系统的输入输出信号，以配合控制器完成测试过程。

在一个完整的牵引电传动系统主电路中，由于整流环节和逆变环节均使用到了大功率电力电子开关器件，这使得功率开关器件输入输出电量之间的关系更加复杂。因此，在仿真建模或者系统分析过程中，一般将整个电传动系统分为四象限变流系统（四象限变流系统电路）和电机侧子系统。

现阶段建立四象限变流系统仿真模型的方法主要有以下两种：

一种是利用Matlab的SimPowerSystems工具箱自带的基本模型，根据被仿真对象的电路结构建立仿真模型。上述方式的优点是易于根据不同的电路拓扑结构搭建仿真模型，但由于最终生成的实时代码程序占用系统资源较多，整个牵引电传动系统的仿真实时化难以实现。因此利用Matlab建立仿真模型的缺点在于占用系统资源较多，实时性差。

另一种建立仿真模型的方法是基于四象限变流器不同导通状态的判断结合建立的等效电路状态描述方程，得到四象限变流系统数学模型的仿真方法，也就是针对被仿真电路的整体建立仿真模型。这种方式虽然易于实时化，占用系统资源少，但缺乏通用性。由于模型针对电路整体，所以当仿真系统结构发生变化时，则原有模型即不再适用，必须建立新的仿真模型。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种仿真模型建立方法及系统，所述方法针对电路中基本元器件单独建立仿真模型，在根据电路的实际情况将元器件的仿真模型进行叠加组合，从而得到整体电路的仿真模型。

为实现上述目的，有以下技术方案：

一种仿真模型建立方法，所述方法包括以下步骤：

为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型；根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型。

所述被仿真电路具体为，四象限变流系统电路。

所述仿真电路中的基本单元具体包括：

电感、电容、电阻以及桥臂结构。

当所述基本单元为电感和电容，则所述为被仿真电路中的基本单元单独建立仿真模型具体为：

利用前向欧拉算法为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型。

所述利用前向欧拉算法为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型还包括：

当基于处理器执行运算，则缩短仿真步长，并在一个步长内多次循环计算，使收敛域扩展并在步长内数值稳定。

当所述基本单元为电阻，则所述为被仿真电路中的基本单元单独建立仿真模型具体为：

利用欧姆定律为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型。

所述将各基本单元的仿真模型整合具体为：

根据基尔霍夫电流/电压定律对各基本单元的仿真模型进行整合。

一种仿真模型建立系统，所述系统具体包括：

独立建模模块，用于为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型；

模型整合模块，用于根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型。

所述被仿真电路具体为，四象限变流系统电路。

所述仿真电路中的基本单元具体包括：

电感、电容、电阻以及桥臂结构。

所述独立建模模块具体包括：

模型机制单元，用于针对各基本单元分别设置建模机制；

模型生成单元，用于以所述建模机制为被仿真电路中的各基本单元建立仿真模型。

所述模型机制单元包括：

前向欧拉子单元，用于利用前向欧拉算法为被仿真电路中的电感和电容设置建模机制；

欧姆定律子单元，用于利用欧姆定律为被仿真电路中的电阻设置建模机制；

逻辑判断子单元，用于利用逻辑判断为被仿真电路中的桥臂结构设置建模机制。

所述将各基本单元的仿真模型整合具体为：

根据基尔霍夫电流/电压定律对各基本单元的仿真模型进行整合。

通过以上技术方案可知，本发明存在的有益效果是：针对电路中的基本单元建立仿真模型，并根据电路结构将基本单元的仿真模型自由组合，使得仿真模型建立过程的适用性和灵活性都有了极大的提高，使得上述仿真模型建立方法能够在各种电路结构下适应；同时，所述方法也避免了利用Matlab工具箱对整体电路进行建模，占用大量系统资源的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述方法流程图；

图2为本发明另一实施例所述方法流程图；

图3为四象限变流系统电路结构示意图；

图4为本发明实施例所述系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，为本发明所述仿真模型建立方法的一个具体实施例。本实施例中，所述方法包括以下步骤：

步骤101、为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型。

本实施例中，改变了现有技术中对于被仿真电路整体进行建模的思路，从电路的基本单元着手建立仿真模型。对于基本单元建模仿真，可以通过Matlab的Simulink工具箱，也可以通过C语言编程实现，还可以在FPGA上实现。

步骤102、根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型。

在得到基本单元的仿真模型之后，即可根据被仿真电路的实际结构将基本单元的仿真模型进行自由的组合，得到被仿真电路的仿真模型。具体的组合方式可以根据基尔霍夫电流/电压定律进行实现。

按照上述思路建立仿真模型，不受到被仿真电路结构的限制，当被仿真电路的结构发生改变时，只需将基本单元的仿真模型重新组合。

本实施例为本发明所述方法的一个基础实施例，本实施例存在的有益效果是：针对电路中的基本单元建立仿真模型，并根据电路结构将基本单元的仿真模型自由组合，使得仿真模型建立过程的适用性和灵活性都有了极大的提高，使得上述仿真模型建立方法能够在各种电路结构下适应；同时，所述方法也避免了利用SimPowerSystems工具箱对整体电路进行建模，占用大量系统资源的缺陷。

参见图2所示，为本发明所述仿真模型建立方法的另一个具体实施例，本实施例中所述被仿真电路具体为四象限变流系统电路，其具体电路结构如图3所示。针对图3所示的电路结构，需作为基本单元的元器件有电感、电容、电阻以及桥臂结构。如图3所示的四象限变流系统电路是本领域广泛使用的电路结构，其中电感、电容、电阻以及桥臂结构的特性、工作原理以及输入输出特点均属于公知的。

基于以上背景，本发明所述方法具体包括以下步骤：

步骤201、将电感、电容、电阻以及桥臂结构作为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型。

本实施例中针对不同的基本单元，建立仿真模型的具体方式也存在一定的差异。

当所述基本单元为电感和电容，则所述为被仿真电路中的基本单元单独建立仿真模型具体为：利用前向欧拉算法为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型。

以电感元件为例，电感元件仿真模型的数学表达式如公式（1）：

上式中t₁代表第一时刻，t₂代表第二时刻，则i(t₁)和i(t₂)分别代表第一时刻和第二时刻的电流值，u_L代表电感电压值，L代表电感值。并且，此处假设：

T_S=t₂–t₁

即T_S为仿真步长。需要说明的是，本实施例中为了提高仿真模型的实时性，采用前向欧拉算法为各基本单元建立仿真模型，以缩短仿真步长，实现实时仿真。所述前向欧拉算法为公知的数学算法，在此不作赘述。

同理，电容元件仿真模型的建立也采用前向欧拉算法，参照上述对于电感元件建立的仿真模型，可得如公式（2）：

上式中C为电容值，其余符号与公式（1）中含义相同。

需要说明的是，四象限变流系统模型运算步长需小于足够小；如果基于处理器运算，需要采用在一个步长内多次循环计算的方式，否则模型将发散；如果基于FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列）运算就只需设定较小的仿真步长即可；所以利用前向欧拉算法建立电感及电容基于处理器运算的仿真模型时，为防止模型函数的发散，优选的需要进行以下处理：

缩短步长，并在一个步长内多次循环计算，使收敛域扩展并在步长内数值稳定。

当所述基本单元为电阻，则所述为被仿真电路中的基本单元单独建立仿真模型具体为：利用欧姆定律为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型。具体如公式（3）：

u_R(t)＝i(t)R （3）

其中u_R(t)为t时刻电阻两端电压，i(t)为t时刻电阻两端电流，R为电阻值。

当所述基本单元为桥臂结构时，可根据桥臂结构的工作原理，对输入控制信号和输入电流通过逻辑判断的方法得到其输出电流和电压（或采用开关函数的方法建模）。需要说明的是，四象限变流器即桥臂结构输出电压u_s=u_dc/-u_dc/0/u_ac/-u_ac；u_s的瞬时输出值与桥臂结构电力电子开关器件控制信号、交流侧电流i_L方向、交流电源电压u_ac与中间电压u_dc大小有关。i_dc=i_L/-i_L/0；i_dc的瞬时输出值与桥臂结构电力电子开关器件控制信号、交流侧电流i_L方向、交流电源电压u_ac与中间电压u_dc大小有关。对于桥臂结构的工作原理及输入输出特点为本领域所公知，在此不作赘述。

步骤202、根据四象限变流系统电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型。

根据电路原理以及基尔霍夫电流/电压定律，可由以下两个表达式计算出电感模型的输入电压值和电容模型的输入电流值：

u_L=u_ac-u_R-u_s

i_cd=i_dc-i_{dc_out}

其中，u_ac为图3中交流电源的理想电压值，u_R为电阻电压，u_s为图3电路中桥臂中间点电位差，u_L为电感电压即电感模型的输入。四象限变流系统模型的最终输出电流i_L由式（1）得到.

i_dc为桥臂的输出电流，i_{dc_out}为四象限变流系统电路负载侧输出电流,i_cd为电容电流即电容模型的输入。四象限变流系统模型的最终输出电压u_dc由式（2）得到。

在图1所示基础实施例的基础之上，本实施例进一步存在的有益效果是：本实施例中所述方法结合具体的应用场景，整体技术方案更加完整，公开更加充分。

对应本发明实施例中所述方法，以下将对应的公开一种仿真模型建立系统。参见图4所示，本实施例中所述系统包括以下：

独立建模模块，用于为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型。

模型整合模块，用于根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型。

本实施例中所述系统是对应图1所示方法实施例的系统，二者的技术方案本质上相同，本实施例存在的有益效果是：针对电路中的基本单元建立仿真模型，并根据电路结构将基本单元的仿真模型自由组合，使得仿真模型建立过程的适用性和灵活性都有了极大的提高，使得上述仿真模型建立方法能够在各种电路结构下适应；同时，所述方法也避免了利用SimPowerSystems工具箱对整体电路进行建模，占用大量系统资源的缺陷。

优选的，本实施例所述系统还可以结合一下的优化方案：

所述被仿真电路具体为，四象限变流系统电路。

所述仿真电路中的基本单元具体包括：

电感、电容、电阻以及桥臂结构。

所述独立建模模块具体包括：

模型机制单元，用于针对各基本单元分别设置建模机制；

模型生成单元，用于以所述建模机制为被仿真电路中的各基本单元建立仿真模型。

所述模型机制单元包括：

前向欧拉子单元，用于利用前向欧拉算法为被仿真电路中的电感和电容设置建模机制；

欧姆定律子单元，用于利用欧姆定律为被仿真电路中的电阻设置建模机制；

逻辑判断子单元，用于利用逻辑判断为被仿真电路中的桥臂结构设置建模机制。

所述将各基本单元的仿真模型整合具体为：

根据基尔霍夫电流/电压定律对各基本单元的仿真模型进行整合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种仿真模型建立方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型；根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型；

所述被仿真电路具体为，四象限变流系统电路；

所述仿真电路中的基本单元具体包括：

电感、电容、电阻以及桥臂结构；

当所述基本单元为电感和电容，则所述为被仿真电路中的基本单元单独建立仿真模型具体为：

利用前向欧拉算法为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型；

所述利用前向欧拉算法为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型还包括：

当基于处理器执行运算，则缩短仿真步长，并在一个步长内多次循环计算，使收敛域扩展并在步长内数值稳定；

当所述基本单元为电阻，则所述为被仿真电路中的基本单元单独建立仿真模型具体为：

利用欧姆定律为被仿真电路中的基本单元建立仿真模型；

所述将各基本单元的仿真模型整合具体为：

根据基尔霍夫电流/电压定律对各基本单元的仿真模型进行整合。

2.一种仿真模型建立系统，其特征在于，所述系统具体包括：

独立建模模块，用于为被仿真电路中的各基本单元单独建立仿真模型；

模型整合模块，用于根据被仿真电路的结构将各基本单元的仿真模型整合，得到被仿真电路的仿真模型；

所述被仿真电路具体为，四象限变流系统电路；

所述仿真电路中的基本单元具体包括：

电感、电容、电阻以及桥臂结构；

所述独立建模模块具体包括：

模型机制单元，用于针对各基本单元分别设置建模机制；

模型生成单元，用于利用所述建模机制，为被仿真电路中的各基本单元建立仿真模型；

所述模型机制单元包括：

前向欧拉子单元，用于利用前向欧拉算法为被仿真电路中的电感和电容设置建模机制；

欧姆定律子单元，用于利用欧姆定律为被仿真电路中的电阻设置建模机制；

逻辑判断子单元，用于利用逻辑判断为被仿真电路中的桥臂结构设置建模机制；

所述将各基本单元的仿真模型整合具体为：

根据基尔霍夫电流/电压定律对各基本单元的仿真模型进行整合。