CN104238376B - 基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，采用可编程逻辑控制器等建立半实物仿真系统，通过输入输出模块模拟执行元件和传感器的工作，给出了可编程逻辑控制器中发电机组启动过程、稳定运行、扰动运行以及环境温度等状态仿真方法，仿真基于历史运行数据建立模型，避免了由于缺乏机理研究造成的建模困难。本发明提供的仿真系统能够在设计阶段为低温低压环境下的发电机组运行平台的研制提供验证和测试手段，同时基于数据的仿真方法对其他复杂装备的运行仿真也有借鉴意义。

Description

基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统

技术领域

本发明涉及一种基于低温低气压环境发电机组运行仿真系统，特别是一种基于数据的发电机组运行仿真系统，属于极地装备自动控制技术领域。

背景技术

运行仿真技术通过深入研究具体系统功能与作用机制，建立一定的系统模型，对系统进行试验研究。通过仿真可以有效缩短产品设计与测试时间，减少设计成本，因此是复杂装备设计和验证过程中的重要一环。随着控制工程、系统工程以及计算机技术的不断发展，仿真技术已经从简单系统走向复杂系统，从连续系统仿真走向离散事件系统仿真，从模拟仿真走向数字仿真与虚拟仿真，从实物仿真走向半实物仿真，应用领域覆盖各行各业。

南极Doma A区域被认为是南极大陆上除地磁极点，低温冰点和地球极点之后地球上最佳的天文观测台址。为在此区域开展科考探索，需要一套支撑平台，以保障天文观测和其他科学探测任务的可靠进行，实现整年无人值守自动运行。南极科考支撑平台为天文观测提供电源和环境保护，其由能源系统、结构与温控系统、控制系统、数据存储以及通信系统等组成，是一套复杂的自动化装备。系统采用燃油发电机组提供能源，南极内陆的极端自然环境对科考支撑平台运行提出了严苛的性能要求，为了获得可靠稳定的平台，需要对系统各关键部分尤其是能源系统进行持续的优化和改进。

南极科考支撑平台运行于南极内陆，在现场进行研制和实验是不现实的。由于缺乏极端环境对平台燃油发电系统运行影响的经验及依据，如果采用研制——运行——改进——再研制的模式，不仅会大幅增加成本，还将加长系统研制周期。因此，有必要采用运行仿真系统，从而可以在设计阶段提供研制与试验环境，对平台各关键技术进行系统分析，尤其是通过运行环境仿真为平台控制系统功能测试提供必要条件。这里所指的环境仿真是通过模拟控制系统所需采集的相关物理参数(如发电机组电压，工作环境温度等)并根据控制系统命令更新变化物理参数，以此提供控制系统运行环境。

运行仿真主要通过接收控制系统控制信号，进而根据一定的规律模拟燃油发电机组的运行逻辑，并为主控系统提供各类传感器信号与起停状态信号。一种实现方法是设计信号发生电路，但是由于主控系统采集信号种类不同需要设计不同的电路，而且控制系统所需采集的信号数量较多，需要设计大量电路来提供信号，并且对每个信号发生电路都必须进行测试才能应用，这种方法研制周期较长。而且各路模拟信号要随时根据控制系统的控制作用发生变化，这对于众多的信号发生电路而言将是较为繁杂的。另一种方法是采用半实物仿真，其技术特点是在采用计算机仿真基础上，在仿真回路中接入部分实物进行仿真。采用半实物仿真可以用实物(如传感器、控制计算机、执行机构)来取代原有的部分数学模型，从而得到更精确的信息。这些方法在仿真中都需要对对象的运行规律和物理特性有一定的了解，从而可以建立一定的模型，在目前对极端环境下燃油发电机组运行特性还缺乏一定的机理研究情况下，如果能够充分利用系统历史运行中积累的数据，从中寻找运行规律并建立仿真系统，则更能反映系统实际运行状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，以实现科考支撑平台发电机组在控制系统作用下运行状态的仿真。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统主要由可编程逻辑控制器(PLC)、输入输出(I/O)站点和监控计算机组成。PLC中包括启动过程状态仿真模块、稳定运行状态仿真模块、扰动运行状态仿真模块和运行环境温度仿真模块等仿真算法。运行仿真系统与发电机组控制系统相连。

上述可编程逻辑控制器是运行仿真系统的计算中心，根据各仿真模块的功能模拟低温低气压环境下发电机组的运行状态及信号输入与输出。输入输出(I/O)站点用于控制信号输入和状态信号输出，每个输入输出站点由若干PLC输入模块和输出模块构成，输入输出(I/O)站点的数量根据仿真系统信号数量确定。采用PLC模拟量和数字量输入模块，分别采集控制系统的模拟量输出和数字量输出控制信号；采用PLC模拟量和数字量输出模块分别用于运行仿真系统的模拟量和数字量信号输出，为控制系统提供信号输入。为了仿真温度传感器信号输出，在输入输出站点中采用模拟量输出模块，可编程逻辑控制器对输出温度值进行工程量变换，控制系统对其进行采集并进行相应的工程量变化得到温度值。输入输出站点的输入模块和控制系统的输出模块之间，以及输入输出站点的输出模块和控制系统的输入模块之间，对应的信号端口具有相适应的电平，或通过信号转换电路使相互之间的电平相适应，使模块对应端口相连。PLC和各I/O站点通过控制网络或PLC扩展槽连接。监控计算机用于仿真系统参数设定和仿真过程监控，可编程逻辑控制器通过其以太网通信模块以及交换机与监控计算机连接，

上述启动过程状态仿真模块用于模拟启动过程的电压输出。为仿真发电机组在不同环境温度下的启动过程状态，将其启动过程分为3个阶段，第一阶段发电机组开始起动，电压缓慢上升；在第二阶段当电压达到200V时，视为发电机组启动成功；第三阶段为从启动成功到进入稳定运行状态。记T₀为第一阶段启动时间，T₁为启动成功的时间，T₂为进入稳定运行的时间，U₀为第一阶段临界电压阈值，U₁＝200V为启动成功时电压阈值，U₂为稳定运行时的电压阈值，U₀和U₂不同温度时有所不同，仿真中采用一定条件的随机值。对发电机组启动过程电压输出曲线作线性化处理，不同环境温度下，各阶段电压曲线斜率有所不同，以模拟不同温度下启动过程的快慢，温度越低时，斜率越低，启动过程越慢。同时各阶段曲线斜率为一定范围内的随机值，以模拟启动过程的随机性。启动过程的三个阶段电压曲线斜率分别近似为：

T₀∈[t₁,t₂]

T₁-T₀∈[t₃,t₄]

T₂-T₁∈[t₅,t₆]

上述t₁-t₆为启动过程三个阶段的时间间隔，环境温度不同时，取值有所不同。根据历史运行数据，当初始环境温度在20℃以上时，启动时间为2-5秒，14-28秒后稳定；当环境温度在10℃-20℃时，启动时间为5-9秒，35-50秒后稳定；当环境温度介于0℃到10℃之间时，启动时间需要9-20秒，40-70秒后稳定；当环境温度低于0℃，启动时间需要20-30秒，50-90秒后稳定。仿真中根据发电机组的环境温度以及以上规则随机产生t₁-t₆值。

上述稳定运行状态仿真模块用于模拟稳定运行状态下的电压与电流输出。稳定运行过程中的电压电流取为随机变量，仿真中同时考虑其取值的可能大小，以及其取某值的可能性大小。记发电机组稳定运行时输出电压为随机变量X，根据历史运行数据中电压值的频率分布模拟计算电压值。取电压值频率分布随机值r∈[0,1]，r取三位精度小数。将发电机组稳定运行时输出电压区间220V-270V分为四个区间，即220-230 V、230-245 V、245-255V和255V-270V，其出现的频率r分别为p₁，p₂，p₃，p₃，对应的电压输出分别为：

若0<r≤p₁，x＝r/p₁*(230-220)+220；

若p₁<r≤p₂，x＝230+(r-p₁)/(p₂-p₁)*(245-230)；

若p₂<r≤p₃，x＝245+(r-p₂)/(p₃-p₂)*(255-245)；

若p₃<r≤1,x＝255+(r-p₃)/(1-p₃)*(270-255)。

上述稳定运行状态下的电流输出，当发电机组空载运行时，初始电流输出I₀约为1.5A～2.0A。设当前运行电流为I，运行电压U，则当增加或减少一个额定功率为P的负载时，发电机组运行电流将增加或减少约kP/U(k为修正系数，根据实际测试中电流变化值ΔI与P/U的比例，然后取所有比值的平均值得到)。将用电设备记为S_i(i＝1,2,…N)，其额定功率分别为P_i，F_i代表当前该设备的工作状态(F_i＝0表示不工作，F_i＝1表示工作)，则发电机组当前电流I为：

上述扰动状态仿真模块模拟扰动状态下的电压电流输出，对于电压与电流输出，随机产生干扰持续的时间T，在时间T内，生成干扰信号Δr，Δr幅度为一定范围内的随机值，Δr可正可负，每隔一时间间隔Δt，将Δr叠加到电压或电流信号X上，即在扰动过程中时刻t的电压或电流信号X(t)＝X(t-Δt)+Δr(t)。

上述环境温度仿真模块模拟环境温度在控制系统作用下整体变化趋势，以反映各温度测点的变化对控制系统功能的影响。仿真过程中，每个影响温度变化的元件(包括发电机组、加热器、排风扇和入风口等)在其额定功率下对每个温度测点温度变化的作用恒定。即某个元件单独工作时，该元件对特定温度测点的温度变化率影响因子K(℃/min)一定。影响温度变化的元件对每个温度测点的温度变化影响和温度测点与发热元件或排气装置之间的距离相关。当距离较近时，温度变化率影响因子较大，当距离较远时，温度变化率影响因子较小。

将影响温度变化的元件集合记为U_i(i＝1,…N)。温度传感器编号为S_j(j＝1,2…8)，每个元件U_i在额定功率下工作时对于每个传感器S_j处的温度变化率影响因子为K_ij。入风口对于温度传感器S_j温度变化影响因子设为K_j’，对于传感器S_j，F_i代表当前该设备的工作状态(F_i＝0表示不工作，F_i＝1表示工作)，则其测点温度变化率为：

上述温度传感器S_j温度变化影响因子的确定方法是：给定初始环境，温度传感器因子S_j处初始温度为T_j。经过时间t后，环境温度达到稳定后温度为T_j‘，则入风口对于测点S_j处温度变化率贡献为：环境温度趋于稳定，温度传感器S_j处温度为T_j‘时，分别单独启动元件U_i，测得环境温度基本趋于稳定时温度传感器S_j处的温度T_ij，所经历时间为t’，则元件U_i对于温度传感器S_j处温度变化率贡献为：

为了模拟环境温度变化的惯性作用，假设当元件U_i开或关时，温度传感器S_j的温度变化影响因子K_j需要经过一定的迟滞时间t才能达到稳定。设当前温度传感器S_j温度变化影响因子K_j，若关闭元件U_i(其对温度变化率贡献为K_ij)，则当稳定时温度传感器S_j温度变化率为K_j-K_ij。设该过程所经历迟滞时间为t，则在仿真中首先检测元件U_i关闭，其对温度传感器S_j温度变化影响因子贡献为K_ij；令Δt＝t/M，M为整数，每隔Δt对各温度传感器S_j处温度变化影响因子K_j作出更新，即K_j＝K_j-K_ij/M。当K_j经历M次更新后，不再变化；当确定了各温度传感器S_j处温度变化影响因子K_j后，温度传感器S_j处温度T_j的值则可以根据当前温度变化影响因子K_j每隔一定时间间隔Δt’进行更新，即T_j＝T_j+K_jΔt’。

本发明给出了一种低温低气压环境下发电机组运行半实物仿真系统，该方法采用了基于历史数据的运行仿真方法，避免了由于缺乏机理研究造成的建模困难，能够在设计阶段为极地科考支撑平台的研制提供验证和测试手段，同时基于数据的仿真方法对其他复杂装备的运行仿真也有借鉴价值。

附图说明

图1是本发明所涉及的发电机组运行仿真系统结构图；

图2为本法明所涉及的发电机组运行仿真系统输入输出连接图示例；

图3是本发明所涉及的发电机组启动过程流程图；

图4是本发明所涉及的发电机组运行仿真启动过程电压变化曲线；

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例：

如图1所示的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，包括可编程逻辑控制器(PLC)、输入输出(I/O)站点和监控计算机组成。本实例采用美国AB公司ControlLogix系列可编程逻辑控制器作为运行仿真系统的计算中心，根据运行仿真软件各模块功能模拟发电机组的运行状态及信号输入与输出。根据系统仿真需求，设置6个输入输出站点，与发电机组控制系统的输出和输入一一对应。即采用模拟量和数字量输入模块分别接收控制系统的模拟量输出和数字量输出控制信号；采用模拟量和数字量输出模块分别用于运行仿真系统的模拟量和数字量信号输出，为控制系统提供信号输入。实例中仿真系统采用AB数字量输入模块1794-IB16与控制系统数字量输出模块1794-OB16对应，1794-IB16的输入信号为0-24V电压，数字量输出模块1794-OB16的输出信号为0-24V，高电平代表“1”，因此将数字量输出信号端子接给数字量输入模块对应端子，通过PLC程序控制输出信号即可。仿真系统采用模拟量输入模块1794-IE8与控制系统模拟量输出模块1794-OE8对应，其输入电流与输出电流均为4-20mA，只需通过一定的工程量变换，即可模拟实际的传感器信号，图2给出了仿真系统模拟量输出模块1794-OE8与控制系统模拟量输入模块1794-IE8之间端子连接示例。由于控制系统温度测量输入一般为热电阻或热电偶方式，难以直接找到模块直接输出该类型的信号，故而采取将主控系统原温度模块替代为模拟量输入模块1794-IE8的方式，而仿真测试平台则采用模拟量输出模块1794-OE8与其对应的方式，再通过工程量变换模拟实际温度值。6个I/O站点通过ControlNet控制网络与PLC控制器通信，PLC控制器通过以太网模块1756-ENTB与监控计算机连接，监控计算机则用于参数设定和监控设备状态。

PLC中运行的仿真算法包括启动过程状态仿真模块、稳定运行状态仿真模块、扰动运行状态仿真模块和运行环境温度仿真模块，以下分别为各模块仿真流程实例说明。

发电机组启动过程状态仿真模块模拟启动过程及电压输出。低温条件下，柴油发电机组气缸内温度较低，热量损失大，润滑油黏度较大，导致启动转速低于正常标准，因而其启动时间也有所差别。图3所示为发电机组启动流程。发动机启动时，控制系统首先发出预热信号，预热时间长短根据当前舱内环境温度不同而调整。预热结束之后给出油门信号，油门信号延迟一段时间后给出一定时间长度的启动信号。启动信号的时间长度根据舱内环境温度不同而设定不同的值，舱内温度过低时，延长给柴油发电机启动信号的时间。在启动信号结束前，若发电机组电压达到200V以上，则视为电机启动成功。在启动信号结束时电压仍然未达到200V，则视为电机启动失败。仿真系统采集以上控制信号，并进行计时与模拟，当油门开关正常且接收到启动信号时，对发电机组启动过程中的电压信号的变化进行模拟。

为仿真发电机组在不同环境温度下的启动过程状态，将发电机组启动过程分为3个阶段，如图4所示，第一阶段为压缩空气的转矩使发电机组起动，电压缓慢上升；在第二阶段当电压达到200V时，视为发电机组启动成功；第三阶段为从启动成功到进入稳定运行状态。图中T₀为第一阶段启动时间，T₁为启动成功的时间，T₂为进入稳定运行的时间，U₀为第一阶段临界电压，U₁＝200V为启动成功时电压阈值，U₂为稳定运行时的电压。

仿真中对发电机组启动过程电压输出采用线性化处理，不同环境温度下，各阶段电压曲线斜率有所不同，以模拟不同温度下启动过程的快慢，温度越低时，斜率越低，启动过程越慢。同时各阶段曲线斜率均为一定范围内的随机值，以模拟启动过程的随机性。三段直线斜率与电压阈值U₀与U₂有关，同时与各阶段时间间隔有关。启动过程三个阶段的时间间隔，环境温度不同时，取值有所不同。根据历史运行及实验数据，当初始环境温度在20℃以上时，启动时间为2-5秒，14-28秒后稳定；当环境温度在10℃-20℃时，启动时间为5-9秒，50-70秒后稳定；当环境温度介于0℃到10℃之间时，启动时间需要9-20秒；当环境温度低于0℃，则启动时间需要20-30秒。表1为各初始环境温度下发电机组最小、最大和平均启动时间历史数据。

表1

初始环境温度	小于0℃	介于0℃与10℃	介于10℃与20℃	大于20℃
					最大启动时间	28.9s	19.7s	8.9s	4.8s
最小启动时间	20.3s	9.1s	5.2s	2.1s
					平均启动时间	26.4s	15.3s	7.5s	3.6s

仿真中根据发电机组的初始环境温度确定时间间隔取值。如当初始环境温度为20℃时，启动过程的三个阶段电压曲线斜率分别近似为：

T₀∈[0.5,2]

T₁-T₀∈[1,3]

T₂-T₁∈[13,25]

在仿真中，根据初始环境温度值由时间间隔的约束关系产生随机值，同时随机产生符合条件的电压U₀与U₂，这样既可确定各阶段直线的斜率，在启动过程仿真中，根据时间进程计算电压输出，并由输出模块输出，控制系统采集该电压，当在启动时间间隔内达到200V时则认为启动成功，否则认为该次启动过程失败。

在发电机组稳定运行状态仿真模块中首先对稳定运行状态下的电压输出进行模拟。发电机组在稳定运行过程中的电压一般为随机变量，仿真中同时考虑其取值的可能大小，以及其取某值的可能性大小。比如正常运行时的发电机组电压值通常在220V-270V之间，但运行数据表明大多集中在230V-245V区间，因此可以根据历史运行数据中数据出现频率处理电压输出的随机性。记发电机组稳定运行时输出电压为随机变量X，取一个随机值r∈[0,1]，r取三位精度小数，根据频率分布模拟计算电压值。将发电机组稳定运行时输出电压区间220V-270V分为四个区间，即220-230 V、230-245 V、245-255V和255V-270V，其出现的频率分别为p₁，p₂，p₃，p₃。根据历史数据分析，稳定运行时发电机组的电压值近似满足表2关系：

表2

电压U	220-230 V	230-245 V	245-255V	255V-270V
					频率p	0.08	0.8	0.1	0.02

即p₁，p₂，p₃，p₃分别为0.08,0.8,0.1和0.02，仿真中电压输出为

若0<r≤0.08，x＝r/0.08*(230-220)+220。

若0.08<r≤0.88，x＝230+(r-0.08)/0.8*(245-230)。

若0.88<r≤0.98，x＝245+(r-0.88)/0.1*(255-245)。

若0.98<r≤1,x＝255+(r-0.98)/0.02*(270-255).

整理得发电机组电压输出随机量为：

仿真中随机产生随机变量r，然后根据上式计算发电机组电压输出，然后由PLC输出模块输出，控制系统作为传感器数据采集，并根据该电压做相应处理。

发动机组稳定运行时的电流模拟中，当发电机组空载运行时，初始电流I₀约为1.5A到2.0A，由系统本身负载产生。设当前运行电流为I，运行电压U，当增加或减少一个额定功率为P的负载时，发电机组运行电流将增加或减少约kP/U(k为修正系数，根据实际测试中电流变化值ΔI与P/U的比例，然后取所有比值的平均值得到)。将用电设备记为S_i(i＝1,2,…N)，其额定功率分别为P_i，F_i代表当前该设备的工作状态(F_i＝0表示不工作，F_i＝1表示工作)，则发电机组当前电流I为：

在仿真中，仿真PLC接收主控系统发送的设备启停命令并启停相关设备，一旦设备启动成功，将根据上式计算当前电流，取I₀为1,6A，k为0.9，当前电压为220V，当增加功率为400W的负载时，发电机组的电流为3.2A，增加了约1.6A。

发电机组扰动状态仿真模块模拟扰动状态下的电压电流输出，以电压输出为例，当信号发生扰动时，在电压上施加一个偏差值并持续作用，由于控制系统采集的是离散信号，因此在仿真中，干扰信号也采用离散信号。仿真中首先随机产生干扰持续时间T，在时间T内，生成干扰信号Δr，Δr幅度为一定范围内的随机值，Δr可正可负，每隔一时间间隔Δt，将Δr叠加到电压或电流信号X上，即在扰动过程中时刻t的电压信号X(t)＝X(t-Δt)+Δr(t)。比如，在某一时刻电压为250V，干扰信号可能会在-80V到20V间波动，该范围内随机产生扰动信号，扰动持续时间为2秒，每各500毫秒采样一次，则电压可能在170V到270V之间随机波动。供控制系统采集并做相应处理。

环境温度仿真模块模拟环境温度在控制系统作用下整体变化趋势，以反映各温度测点的变化对控制系统功能的影响。比如，系统中有两套发电机组，温度传感器1，2，3，4,检测1号柴油发电机环境温度，温度传感器5，6，7，8检测2号发电机组环境温度，仿真中如果关闭发电机组1，启动发电机组2，则传感器1，2，3，4处温度均迅速下降，随后趋于稳定，传感器5，6，7，8处温度均迅速上升，，随后趋于稳定，反映了温度整体变化趋势对传感器检测值的影响。

本实例中影响温度变化的元件包括发电机组、加热器、排风扇和入风口，当确定了影响温度变化的元件后，根据历史运行及实验数据，确定各元件和入风口对各温度传感器S_j的温度变化影响因子K_j(℃/min)。当关闭某个元件U_i(其对温度变化率贡献为K_ij)，则当稳定时测点S_j温度变化率为K_j-K_ij。对于从关闭某个元件U_i到稳定的过度过程的温度仿真，假设过度过程所经历迟滞时间为t，则在仿真中当检测到元件U_i关闭时，其对温度传感器S_j温度变化影响因子贡献为K_ij；令Δt＝t/M，M为整数，每隔Δt对各温度传感器S_j处温度变化影响因子K_j作出更新，即K_j＝K_j-K_ij/M。当K_j经历M次更新后，不再变化；当确定了各温度传感器S_j处温度变化影响因子K_j后，温度传感器S_j处温度T_j的值则可以根据当前温度变化影响因子K_j每隔一定时间间隔Δt’进行更新，即T_j＝T_j+K_jΔt’。

Claims (10)

1.一种基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征在于：包括可编程逻辑控制器(PLC)、输入输出(I/O)站点、监控计算机和交换机；其中，所述可编程逻辑控制器中包括启动过程状态仿真模块、稳定运行状态仿真模块、扰动运行状态仿真模块和运行环境温度仿真模块四个仿真模块；运行仿真系统与发电机组相应的控制系统相连；

所述可编程逻辑控制器是运行仿真系统的计算中心，根据其内的各仿真模块的功能模拟低温低气压环境下发电机组的运行状态及信号输入与输出；输入输出站点用于控制信号输入和状态信号输出，每个输入输出站点由若干可编程逻辑控制器输入模块和输出模块构成，输入输出站点的数量根据仿真系统信号数量确定；采用可编程逻辑控制器模拟量和数字量输入模块，分别采集控制系统的模拟量输出和数字量输出控制信号；采用可编程逻辑控制器模拟量和数字量输出模块分别用于运行仿真系统的模拟量和数字量信号输出，为控制系统提供信号输入；为了仿真温度传感器信号输出，在输入输出站点中采用模拟量输出模块，可编程逻辑控制器根据待输出温度值进行工程量变换，控制系统对其进行采集并进行相应的工程量变化得到温度值；输入输出站点的输入模块和控制系统的输出模块之间，以及输入输出站点的输出模块和控制系统的输入模块之间，对应的信号端口具有相适应的电平，或通过信号转换电路使相互之间的电平相适应，使模块对应端口相连；可编程逻辑控制器和各输入输出站点通过控制网络或可编程逻辑控制器扩展槽连接，可编程逻辑控制器配置有以太网通信模块；监控计算机用于仿真系统参数设定和仿真过程监控，可编程逻辑控制器通过其以太网通信模块以及交换机与监控计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述可编程逻辑控制器中启动过程状态仿真模块用于模拟启动过程的电压输出；为仿真发电机组在不同初始环境温度下的启动过程状态，将其启动过程分为3个阶段，第一阶段发电机组开始起动，电压缓慢上升；在第二阶段当电压达到200V时，视为发电机组启动成功；第三阶段为从启动成功到进入稳定运行状态；记T₀为第一阶段启动时间，T₁为启动成功的时间，T₂为进入稳定运行的时间，U₀为第一阶段临界电压阈值，U₁＝200V为启动成功时电压阈值，U₂为稳定运行时的电压阈值，U₀和U₂不同温度时有所不同，仿真中采用一定条件的随机值；对发电机组启动过程电压输出曲线作线性化处理，不同初始环境温度下，各阶段电压曲线斜率有所不同，以模拟不同温度下启动过程的快慢，温度越低时，斜率越低，启动过程越慢；同时各阶段曲线斜率为一定范围内的随机值，以模拟启动过程的随机性；启动过程的三个阶段电压曲线斜率分别近似为：

$K_0=\frac{U_0}{T_0},T_0\&Element;\&lsqb;t_1,t_2\&rsqb;$

$K_1=\frac{200-U_0}{T_1-T_0},T_1-T_0\&Element;\&lsqb;t_3,t_4\&rsqb;$

$K_2=\frac{U_2-200}{T_2-T_1},T_2-T_1\&Element;\&lsqb;t_5,t_6\&rsqb;.$

3.根据权利要求2所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述t₁-t₆为启动过程三个阶段的时间间隔，初始环境温度不同时，取值有所不同；根据历史运行数据，当初始环境温度在20℃以上时，启动时间为2-5秒，14-28秒后稳定；当初始环境温度在10℃-20℃时，启动时间为5-9秒，35-50秒后稳定；当初始环境温度介于0℃到10℃之间时，启动时间需要9-20秒，40-70秒后稳定；当初始环境温度低于0℃，启动时间需要20-30秒，50-90秒后稳定；仿真中根据发电机组的初始环境环境温度以及以上数据随机产生t₁-t₆值。

4.根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述可编程逻辑控制器中稳定运行状态仿真模块用于模拟稳定运行状态下的电压与电流输出；稳定运行过程中的电压电流取为随机变量，仿真中同时考虑其取值的可能大小，以及其取某值的可能性大小；记发电机组稳定运行时输出电压为随机变量X，根据历史运行数据中电压值的频率分布模拟计算电压值，取电压值频率分布随机值r∈[0,1]，r取三位精度小数；将发电机组稳定运行时输出电压区间220V-270V分为四个区间，即220-230V、230-245V、245-255V和255V-270V，其出现的频率r分别为p₁，p₂，p₃，p₃，对应的电压输出分别为：

若0<r≤p₁，x＝r/p₁*(230-220)+220；

若p₁<r≤p₂，x＝230+(r-p₁)/(p₂-p₁)*(245-230)；

若p₂<r≤p₃，x＝245+(r-p₂)/(p₃-p₂)*(255-245)；

若p₃<r≤1,x＝255+(r-p₃)/(1-p₃)*(270-255)。

5.根据权利要求4所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述稳定运行状态下的电流输出，当发电机组空载运行时，初始电流输出I₀为1.5A～2.0A；设当前运行电流为I，运行电压U，则当增加或减少一个额定功率为P的负载时，发电机组运行电流将增加或减少kP/U，其中，k为修正系数，根据实际测试中电流变化值ΔI与P/U的比例，然后取所有比值的平均值得到；将用电设备记为S_i，i＝1,2,…N，其额定功率分别为P_i，F_i代表当前该设备的工作状态，其中F_i＝0表示不工作，F_i＝1表示工作，则发电机组当前电流I为：

$I=I_0+{\mathrm{k\&Sigma;}}_{i=1}^N\frac{P_i}{U}{F}_i.$

6.根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述可编程逻辑控制器中扰动状态仿真模块模拟扰动状态下的电压电流输出，对于电压与电流输出，随机产生干扰持续的时间T，在时间T内，生成干扰信号Δr，Δr幅度为一定范围内的随机值，Δr可正可负，每隔一时间间隔Δt，将Δr叠加到电压或电流信号X上，即在扰动过程中时刻t的电压或电流信号X(t)＝X(t-Δt)+Δr(t)。

7.根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述可编程逻辑控制器中环境温度仿真模块模拟环境温度在控制系统作用下整体变化趋势，以反映各温度测点的变化对控制系统功能的影响；仿真过程中，每个影响温度变化的元件在其额定功率下对每个温度测点温度变化的作用恒定，即某个元件单独工作时，该元件对特定温度测点的温度变化率影响因子K(℃/min)一定，影响温度变化的元件对每个温度测点的温度变化影响和温度测点与发热元件或排气装置之间的距离相关，当距离较近时，温度变化率影响因子较大，当距离较远时，温度变化率影响因子较小；其中，所述影响温度变化的元件包括发电机组、加热器、排风扇和入风口。

8.根据权利要求7所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：将影响温度变化的元件集合记为U_i，i＝1,…N，温度传感器编号为S_j，j＝1,2…8，每个元件U_i在额定功率下工作时对于每个传感器S_j处的温度变化率影响因子为K_ij，入风口对于温度传感器S_j温度变化影响因子设为K_j’，对于传感器S_j，F_i代表当前该传感器的工作状态，其中F_i＝0表示不工作，F_i＝1表示工作，则其测点温度变化率为：

$K_j={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{K}_{ij}{F}_i+K_j^{\&prime;}.$

9.根据权利要求7所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：所述温度传感器S_j温度变化影响因子的确定方法是：给定初始环境，温度传感器因子S_j处初始温度为T_j，经过时间t后，环境温度达到稳定后温度为T_j’，则入风口对于测点S_j处温度变化率贡献为：环境温度趋于稳定，温度传感器S_j处温度为T_j’时，分别单独启动元件U_i，测得环境温度趋于稳定时温度传感器S_j处的温度T_ij，所经历时间为t’，则元件U_i对于温度传感器S_j处温度变化率贡献为：

10.根据权利要求7所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征是：为了模拟环境温度变化的惯性作用，假设当元件U_i开或关时，温度传感器S_j的温度变化影响因子K_j需要经过一定的迟滞时间t才能达到稳定；设当前温度传感器S_j温度变化影响因子K_j，若关闭元件U_i，则当稳定时温度传感器S_j温度变化率为K_j-K_ij；在迟滞时间内的变化过程中；令Δt＝t/M，M为一整数，每隔Δt对各温度传感器S_j处温度变化影响因子K_j作出更新，即K_j＝K_j-K_ij/M；当K_j经历M次更新后，不再变化；当确定了各温度传感器S_j处温度变化影响因子K_j后，温度传感器S_j处温度T_j的值则根据当前温度变化影响因子K_j每隔一定时间间隔Δt’进行更新，即T_j＝T_j+K_jΔt’。