CN104407519B - 一种交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统。该系统包括实物控制单元，其中包括轧机传动系统的控制器，输出控制信号；实时仿真单元，其中包括实时仿真器，运行有轧机传动系统的主电路模型，并通过相应的信号接口收发电气信号，以进行模拟仿真计算；信号转换单元，其连接在实物控制单元与实时仿真单元之间，用于将实物控制单元输出的控制信号转换为实时仿真单元能够接收的电气信号，提供给实时仿真单元，以及用于将实时仿真单元输出的模拟仿真结果转换为实际工作信号，提供给实物控制单元，从而实现对轧机传动系统控制器的仿真测试。

Description

一种交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及仿真控制技术，尤其是一种交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统。

背景技术

冶金轧机传动工况具有负载突变严重、过载倍数高、响应速度和可靠性要求非常高的特点。为了确保传动系统安全可靠地运行，冶金轧机控制器的开发必须基于严格的试验基础。对此，现有技术中通常采用以下两种方式对冶金轧机控制器进行调试验证：

1、在真实的轧制生产线上进行调试验证；

2、采用工程对象电机对力的方法确定控制模型和响应能力是否符合要求。

在真实的轧制生产线上进行研究验证的方法不仅投资巨大，而且试验中还面临其他冶金设备的损耗，具有一定的危险性，并且验证机会少，使用效率低。为了克服上述弊端，许多研究机构和公司采用工程对象电机对力的方法确定控制模型和响应能力是否符合要求。即，借助较小功率电机等效模拟大功率冶金轧机电机来研究轧机的工作特性。然而该方法仅考虑了控制响应，缺乏对轧制过程、轧制工艺的模拟，且电机参数存在诸多不确定因素，因此最终获得的结果的可靠性和准确度并不理想。

如何充分考虑冶金轧机系统参数和工作特性，搭建一套准确、廉价的仿真测试平台，对交直交冶金轧机传动系统性能进行实时测试，一直是相关技术人员致力解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统。

本发明提出的交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统，其包括：

实物控制单元，其中包括所述轧机传动系统的控制器，所述控制器输出控制信号；

实时仿真单元，其中包括实时仿真器，所述实时仿真器中运行有所述轧机传动系统的主电路模型，并通过相应的信号接口收发电气信号，以进行模拟仿真计算；

信号转换单元，其连接在所述实物控制单元与实时仿真单元之间，用于将所述实物控制单元输出的控制信号转换为所述实时仿真单元能够接收的电气信号，提供给所述实时仿真单元，以及用于将所述实时仿真单元输出的模拟仿真结果转换为实际工作信号，提供给所述实物控制单元，从而实现对所述轧机传动系统控制器的仿真测试。

根据本发明的实施例，上述轧机传动系统的主电路模型可以包括：

组合模型一，其由整流侧的供电电源、断路器、整流变压器、主机整流器和主机励磁回路的模型组合而成；

组合模型二，其由整流侧的充电回路、从机整流器、中间回路和从机励磁回路的模型组合而成；

组合模型三，其由主机逆变器侧的主机斩波回路、主机逆变器、主机和主机速度传感器的模型组合而成；

组合模型四，其由从机逆变器侧的从机斩波回路、从机逆变器、从机和从机速度传感器的模型组合而成。

根据本发明的实施例，上述实时仿真器可以由若干串行处理板构成，每一所述串行处理板上运行一所述组合模型。

进一步地，每一所述串行处理板通过所述信号转换单元接收所述实物控制单元发出的控制信号，同时通过数据总线接收其他所述串行处理板输出的电气信号，在此基础上根据内部运行的组合模型计算并输出相应的模拟仿真结果。

根据本发明的另一实施例，上述实时仿真器可以由若干串行处理板和若干并行处理板构成，每一所述串行处理板和一所述并行处理板构成一功能单元组，共同运行一所述组合模型。

进一步地，在所述组合模型一中，所述供电电源、断路器、整流变压器和主机励磁回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述主机整流器的模型运行在一所述并行处理板上；

在所述组合模型二中，所述充电回路、中间回路和从机励磁回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述从机整流器的模型运行在一所述并行处理板上；

在所述组合模型三中，所述主机斩波回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述主机逆变器、主机和主机速度传感器的模型运行在一所述并行处理板上；

在所述组合模型四中，所述从机斩波回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述从机逆变器、从机和从机速度传感器的模型运行在一所述并行处理板上。

根据本发明的实施例，每一所述功能单元组中：

所述串行处理板接收同组并行处理板的输出信号，并接收其他功能单元组的串行处理板的输出信号，在此基础上根据内部运行的仿真模型计算得到本串行处理板的输出信号，该输出信号作为模拟仿真结果传递给同组并行处理板，由同组并行处理板输出给所述信号转换单元；

所述并行处理板通过所述信号转换单元接收所述实物控制单元输出的控制信号，并接收同组串行处理板的输出信号，在此基础上根据内部运行的仿真模型计算得到本并行处理板的输出信号，该输出信号传递给同组串行处理器或者作为模拟仿真结果输出给所述信号转换单元。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

1、本发明提供的交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统为变流控制器的调试与测试构建出虚拟现场的运行环境，完全满足交直交冶金轧机传动系统产品调试、测试中各项功能与性能的要求，大大降低了交直交冶金轧机传动控制器产品开发对试验资源的依赖程度。特别是能够解决现有技术中针对传动系统性能采用的测试方法成本偏高，不具备实时性的问题

2、本发明提供的交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统，可实时为轧机传动系统产品的分析、设计和改进提供有效的手段和工具，为售前方案、售后调试提供有力的数据支撑，并达到了快速响应市场需求、准确定位电传动系统特点的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提出的半实物仿真系统的一个实施例的组成结构示意图；

图2是本发明实施例中冶金轧机传动系统的主电路的组成结构示意图；

图3是图2所示主电路中各功能模块之间的数据交互关系的示意图；

图4是本发明实施例中带有采用串行模式构建的实时仿真器的半实物仿真系统的结构示意图；

图5是本发明实施例中带有采用串行+并行模式构建的实时仿真器的半实物仿真系统的结构示意图；

图6是图5所示的半实物仿真系统的具体架构示意图。

具体实施方式

本发明提出的交直交轧机主传动系统半实物仿真系统采用实际控制器+虚拟仿真对象＝硬件在回路(HIL)仿真系统的模式构建，用于冶金轧机主传动控制器软件硬件的设计和测试，能够有效节约试验成本和缩短开发周期。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，是本发明提出的交直交轧机主传动系统半实物仿真系统的一个实施例的组成示意图。该半实物仿真系统包括了实时仿真单元100、实物控制单元200和信号转换单元300。

实时仿真单元100中运行虚拟的仿真模型，用于模拟冶金轧机传动系统的主电路。在具体实施时，实时仿真单元100可以进一步细分为实时仿真器110和用于建立修改模型、监控数据，设置参数的上位机120。其中，实时仿真器110内运行了主电路相关对象的实时仿真模型，并通过自带的IO接口收发相关的电气信号。

实物控制单元200为真实的轧机主传动控制器，根据指令发出相应的控制指令，以对冶金轧机传动系统进行实时控制。在本实施例中，实物控制单元200包括了控制盘和实物控制器(图中未示出)。对于变流器系统而言，用户可以通过控制盘面板来控制变流器系统启/停、设定运行频率、查询变流系统的运行状态，修改变流系统的运行参数等。例如，通过控制盘自带的RS485接口，采用串行通信的方式，使用Modbus RTU协议实现对变流器系统的监控，从而实现对电机的调速和实时监控，包括电机的启动、停止及速度等。而冶金轧机主传动系统主电路的控制器的核心任务是根据指令完成对变流器、电励磁同步电机的实时控制，同时还具备整体的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。

信号转换单元300连接在实时仿真单元100与实物控制单元200之间，用于负责实时仿真单元100与实物控制单元200之间的数据交互。由于实时仿真单元100中的实时仿真器110通过自带的IO接口收发的电气信号等级较低：一般数字信号为5V电平，模拟信号为-10V～10V的模拟电压，其与实物控制单元200中的实物控制器通过自带的IO接口收发的电气信号不对等。因此本发明设置了信号转换单元300用于二者之间的电气转换。在本实施例中，信号转换单元300可以包括以下四个部分：24V/5V转换、5V/15V转换、U/I转换、电压放大转换(图中未示出)。

24V/5V转换：用于将实物控制单元输出的24V脉冲信号转换为5V脉冲信号输入到实时仿真单元中；同时将实时仿真单元输出的5V IGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入到实物控制单元中。

5V/15V转换：用于将实时仿真单元输出的电机速度信息相关的5V脉冲信号以及位置信息相关的5V脉冲信号转换为15V模拟信号输入到实物控制单元中。

U/I转换：将实时仿真单元输出的-10V～10V的模拟电压信号转换为-600mA～600mA的模拟电流信号输入到实物控制单元中。

电压放大转换：将实时仿真单元输出的-10V～10V的电网电压同步信号转换为-30V～30V的模拟电压信号输入到实物控制单元中。

如图2所示，在本实施例中，冶金轧机传动系统主电路可以按照拓扑结构和功能作用划分为以下十一个部分：

供电电源，为传动系统提供工作电源，一般为10kV 50Hz高压交流电网。

断路器，根据指令完成断路器动作。

充电回路，根据充电指令对支撑电容进行充电。

整流变压器，通常为双绕组整流变压器并在输出端配置有滤波电感，能够按照一定比例将高压的电网电压转换为3160V以下的交流电源输出。

两套整流器1、2，将整流变压器提供的交流电转换为直流电输出。

中间回路，主要包含支撑电容，与线路电抗器(图中未示出)一起构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电流谐波。

两套逆变器1、2，将直流电转换为交流电，分别为同步电机(主机、从机)提供交流电。

两套斩波回路1、2，均由斩波开关管和制动电阻组成，用于防止直流电压过高。当直流电压过关时开通斩波管，使能量消耗到制动电阻上，以降低直流电压。

两套励磁回路1、2，分别为同步电机(主机、从机)提供励磁电源。

两套电励磁同步电机1、2，分别为上下辊两套电机及其对应负载，简称主机、从机。

两套速度传感器1、2，分别为控制器提供主机、从机的转速。

上述主电路中，服务于主机的整流器1、逆变器1、斩波回路1、励磁回路1和速度传感器1也称为主机整流器、主机逆变器、主机斩波回路、主机励磁回路和主机速度传感器；服务于从机的整流器2、逆变器2、斩波回路2、励磁回路2和速度传感器2也称为从机整流器、从机逆变器、从机斩波回路、从机励磁回路和从机速度传感器。

图3是图2所示主电路中各功能模块之间的数据交互关系的示意图。

在本实施例中，优选高性能的处理器构建实时仿真单元中的实时仿真器，加载并运行上述电路的数学模型完成仿真计算。这种方式能够全面支持Simulink模型库建模并实现无缝下载，仿真调试及监控均十分方便灵活。具体工作原理如下：

处理器从信号转换单元接收实物控制单元输出的控制信号，根据主电路的数学模型解算并输出相应的反馈信号，再通过信号转换单元将反馈信号发送给实物控制单元，从而实现整个闭环控制系统的仿真测试。

通常情况下，对于程序复杂度较低的模型和建模灵活度要求高的模型优选采用串行的处理方式模拟，而对于计算延时要求较高的模型则优选采用处理速度较高的并行方式模拟。相应地在具体实施时，可以根据系统仿真的精度要求从以下两种形式中选择一种构建实时仿真器。

1、全串行处理模式

如图4所示，可以采用四块X86或者POWER PC架构的串行处理板构建实时仿真器来进行半实物仿真。对此，主电路的模型根据输入输出关系被拆分成四个部分，分别运行于这四块串行处理板上。

在这种情况下，实时仿真器的工作原理是：四块串行处理板之间通过PHS总线进行数据交换。每一个串行处理板通过信号转换单元接收实物控制单元输出的控制信号，并结合其他串行处理板的输出信号，作为本串行处理板的输入，然后根据内置的仿真模型计算得到本串行处理板的输出信号，然后将该输出信号通过信号转换单元传送给实物控制单元，从而完成硬件在回路闭环验证。

在本实施例中，按照以下方式对四块串行处理板的功能进行分配，以便更好的运行各种不同的冶金轧机主传动系统。

串行处理板1，用于整流侧的供电电源、断路器、整流变压器、整流器1和励磁回路1的模型计算；

串行处理板2，用于整流侧的充电回路、整流器2、中间回路和励磁回路2的模型计算；

串行处理板3，用于主机逆变器侧的斩波回路1、逆变器1、电励磁同步电机1和速度传感器1的模型计算；

串行处理板4，用于从机逆变器侧的斩波回路2、逆变器2、电励磁同步电机2和速度传感器2的模型计算。

假设在这种串行处理模式下器件开关频率FPWM＝500Hz，串行处理板的计算步长为20μs，那么脉冲采样平均误差为:

Err1＝FPWM×20×10-6×100％＝1％

由于串行处理器通常成本比并行处理器低，同时串行处理器具有建模灵活，编译方便的优势，因此这种实时仿真器成本低且开发周期快。但是由于串行处理能力有限，现有技术串行处理器的计算步长一般最快为20μs，因此这种模式更适用于拥有模拟开关频率器件和数据交互处理速度要求不高的系统。

2、串行+并行处理模式

如图5、图6所示，可以采用四块串行处理板和四块并行处理板构建实时仿真器来进行半实物仿真。对此，主电路的模型根据输入输出关系被拆分成四个部分，分别运行于这四块串行处理板和四块并行处理板上。

在这种情况下，实时仿真器的工作原理是：四块串行处理板和四块并行处理板构成四个功能单元组，即每个功能单元组中包括一块串行处理板和一块并行处理板。四个功能单元组中，四块串行处理板彼此通讯连接，四块并行处理板各自与同组的串行处理板通讯连接。每个功能单元组中：串行处理板接收同组并行处理板的输出信号，并结合其他功能单元组的串行处理板的输出信号，作为本串行处理板的输入，然后根据内置的仿真模型计算得到本串行处理板的输出信号，该输出信号传递给同组的并行处理板，由同组的并行处理板通过自带的通讯接口经过信号转换单元传送给实物控制单元；并行处理板通过信号转换单元接收实物控制单元输出的控制信号，并结合同组串行处理板的输出信号，作为本并行处理板的输入，然后根据内置的仿真模型计算得到本并行处理板的输出信号，该输出信号通过自带的通讯接口经过信号转换单元传送给实物控制单元，或者传递给同组的串行处理器，从而完成硬件在回路闭环验证。

在本实施例中，如图5所示，串行处理板CPU1～CPU4，并行处理板FPGA1～FPGA4，通过PHS总线进行数据交换。并行处理板FPGA1～FPGA4带有12路高速DA、12路高速AD和16路单个可配置的数字IO接口，AD/DA支持-10V～10V模拟信号输入/输出，数字IO支持5V电平信号输入输出。

在本实施例中，按照以下方式对四块串行处理板和四块并行处理板的功能进行分配，以便更好的运行各种不同的冶金轧机主传动系统。

组合模型一：

串行处理板1，用于整流侧的供电电源、断路器、整流变压器和励磁回路1的模型计算；

并行处理板1，用于整流侧的整流器1的模型计算。

组合模型二：

串行处理板2，用于整流侧的充电回路、中间回路和励磁回路2的模型计算；

并行处理板2，用于整流侧的整流器2的模型计算。

组合模型三：

串行处理板3，用于主机逆变器侧的斩波回路1的模型计算；

并行处理板3，用于主机逆变器侧的逆变器1、电励磁同步电机1和速度传感器1的模型计算。

组合模型四：

串行处理板4，用于从机逆变器侧的斩波回路2的模型计算；

并行处理板4，用于从机逆变器侧的逆变器2、电励磁同步电机2和速度传感器2的模型计算。

假设在这种处理模式下器件开关频率FPWM＝500Hz，并行处理板的计算步长为10ns，那么脉冲采样平均误差为:

Err1＝FPWM×10×10-9×100％＝0.0005％

采用串行+并行半实物仿真模式相比传统的串行半实物仿真模式，减轻了串行的运算负担，使其空出更多的空闲时间进行复杂模型的计算。此外，将整流器、逆变器、同步电机、速度传感器等模型移至并行中进行高速运算，可将运算速率提高至0.1us，大大提高了运算周期和计算精度。采用串行+并行半实物仿真模式既继承了建模方便、易于修改调试等优点，又具有仿真解算处理能力强、实时仿真精度高的独特优势。因此这种模式更适用于拥有高开关频率器件和数据交互处理速度要求高的系统。

上述实施例表明，本发明提供的半实物仿真系统摒弃了昂贵的纯实物平台，避免了纯仿真平台运行结果的可靠性和准确性有限的缺点，实现一套成本低、易操作的硬件在回路仿真平台，使得仿真软件中搭建的系统和硬件系统实现无缝连接。该系统可以灵活地应用于研究机构开发交直交冶金轧机设备，也可用于在极端情况下轧机传动系统的设计和调整。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，在实施的形式上及细节上所作的任何修改与变化，都应该在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种交直交冶金轧机传动系统半实物仿真系统，其特征在于，包括：

实物控制单元，其中包括所述轧机传动系统的控制器，所述控制器输出控制信号；

实时仿真单元，其中包括实时仿真器，所述实时仿真器中运行有所述轧机传动系统的主电路模型，并通过相应的信号接口收发电气信号，以进行模拟仿真计算；

信号转换单元，其连接在所述实物控制单元与实时仿真单元之间，用于将所述实物控制单元输出的控制信号转换为所述实时仿真单元能够接收的电气信号，提供给所述实时仿真单元，以及用于将所述实时仿真单元输出的模拟仿真结果转换为实际工作信号，提供给所述实物控制单元，从而实现对所述轧机传动系统控制器的仿真测试；

所述轧机传动系统的主电路模型包括：

组合模型一，其由整流侧的供电电源、断路器、整流变压器、主机整流器和主机励磁回路的模型组合而成；

组合模型二，其由整流侧的充电回路、从机整流器、中间回路和从机励磁回路的模型组合而成；

组合模型三，其由主机逆变器侧的主机斩波回路、主机逆变器、主机和主机速度传感器的模型组合而成；

组合模型四，其由从机逆变器侧的从机斩波回路、从机逆变器、从机和从机速度传感器的模型组合而成。

2.如权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征在于：

所述实时仿真器由若干串行处理板构成，每一所述串行处理板上运行一所述组合模型。

3.如权利要求2所述的半实物仿真系统，其特征在于：

每一所述串行处理板通过所述信号转换单元接收所述实物控制单元发出的控制信号，同时通过数据总线接收其他所述串行处理板输出的电气信号，在此基础上根据内部运行的组合模型计算并输出相应的模拟仿真结果。

4.如权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征在于：

所述实时仿真器由若干串行处理板和若干并行处理板构成，每一所述串行处理板和一所述并行处理板构成一功能单元组，共同运行一所述组合模型。

5.如权利要求4所述的半实物仿真系统，其特征在于：

在所述组合模型一中，所述供电电源、断路器、整流变压器和主机励磁回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述主机整流器的模型运行在一所述并行处理板上；

在所述组合模型二中，所述充电回路、中间回路和从机励磁回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述从机整流器的模型运行在一所述并行处理板上；

在所述组合模型三中，所述主机斩波回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述主机逆变器、主机和主机速度传感器的模型运行在一所述并行处理板上；

在所述组合模型四中，所述从机斩波回路的模型运行在一所述串行处理板上，所述从机逆变器、从机和从机速度传感器的模型运行在一所述并行处理板上。

6.如权利要求4或5所述的半实物仿真系统，其特征在于，每一所述功能单元组中：

所述串行处理板接收同组并行处理板的输出信号，并接收其他功能单元组的串行处理板的输出信号，在此基础上根据内部运行的仿真模型计算得到本串行处理板的输出信号，该输出信号作为模拟仿真结果传递给同组并行处理板，由同组并行处理板输出给所述信号转换单元；

所述并行处理板通过所述信号转换单元接收所述实物控制单元输出的控制信号，并接收同组串行处理板的输出信号，在此基础上根据内部运行的仿真模型计算得到本并行处理板的输出信号，该输出信号传递给同组串行处理器或者作为模拟仿真结果输出给所述信号转换单元。