CN105810038B - 基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法 - Google Patents
基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及教学装置领域，公开了一种基于matlab‑simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法，包括上位机、目标机、实时运动控制卡、外部模数转换模块、外部脉宽调制模块和微电网系统并网电路，上位机通过以太网与目标机进行实时通讯，实时运动控制板卡通过PCI插槽连接目标机，实时运动控制板卡通过电缆连接外部模数转换模块和外部脉宽调制模块并且进行控制，外部模数转换模块和外部脉宽调制模块用于控制微电网系统并网电路。实验者可以按照自己的思路，自行编译下载到目标机的xpc模式下的实时操作系统中，在有微网并网装置参与的情况下实现电网并网的控制。提高了学生实验时从思路产生到软硬件实现的开发时间和效率，大大的改进了教学质量。
Description
技术领域
本发明涉及教学装置领域，尤其涉及了一种基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法。
背景技术
matlab-simulink XPC模式硬件在环微网并网控制的教学实验方法是专为微网并网的创新型开放式教学实验设计的。传统的教学实验方式只是以设备的操作使用和数据的验证为目的。通过采用matlab-simulink XPC模式硬件在环方式的实现提供了一种可以让实验者用自己的实验想法去实现实验，达到一个培训创新思维的实验目的。
发明内容
本发明实际需要解决的技术问题是：针对目前教学实验手段的空白，提供一种基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法，为使用者的实验和学习提供便利。本发明提供的xpc模式实时操作系统、局域网式数据获得和操控、专用微网并网设备，是构建matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法的得力工具。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。
基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，构建于matlab实时仿真XPC模式，使用matlab-simulink提供的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境引擎，实现微电网并网教学开发中各功能子模块的快速构建及与外部系统的连接，包括如下步骤：
(1)对项目现状进行调研及面向客户需求的功能分析，并且对系统进行定义，包括硬件电路设计、软件功能规划、功能模块设计和人机接口设计，并整合各个模块进行协调工作；
(2)在Matlab平台下，用户通过上位机matlab-simulink界面进行输入程序代码，由它内部的实时操作系统将Simulink库搭建的算法转换成目标机执行文件，通过以太网下载到目标机；
(3)通过台式电脑或工业控制机，使目标机内的Matlab软件运行在实时操作系统XPC模式下，并由此实时操作系统管理和操作设备的实时运动控制板卡；
(4)实时运动控制板卡采用FPGA和低压差分串行总线技术，通过PCI控制芯片和电脑内的PCI总线相连；通过低压差分串行线和外部的模式相连，将转换后的SPI串行数据传输到目标机上，并在FPGA内部实现一个通用事件管理；
(5)将外部脉宽调制模块及开关量模块作为控制电路中的输出模块，由软件控制指令发出的开关量信号，通过实时运动控制板卡经过高速隔离芯片进行电气隔离及信号整形电路输出，用来控制微电网系统并网电路中的电路闭合或者断开；
(6)将采集电网的电压、频率和相位与发电机的电压、频率和相位进行比较，满足条件控制系统发出合闸指令，并网断路器合闸并网成功；不满足并网条件，调节发电机端的电压、频率和相位直至满足条件，并网断路器合闸成功，并网完成。
作为优选，步骤(1)中，硬件电路设计包括电路原理图设计、Matlab算法仿真、原理图仿真和Altium线路板制作。
作为优选，步骤(1)中，软件功能规划包括软件功能划分、模块流程图设计和软件开发平台的确定。
作为优选，步骤(1)中，功能模块设计包括功能模块接口定义、通信变量定义、功能模块程序设计和模块封装。
作为优选，人机接口设计包括界面风格设计、功能区块划分、嵌套层数论证和具体功能实现论证。
作为优选，步骤(4)中，通用事件管理通过事件管理器实现，事件管理器具有两个通用定时器、两个比较器、一个全比较器和一个正交编码捕获单元，用于在多个发生异步中断的中断源，并触发目标机的外部中断，这些异步中断事件都可以配置成独立的事件中断目标机，使目标机运行相应的异步中断服务程序，在服务程序中通过读取外部模数转换的数据或改变外部脉宽调制模块的占空比和开关量的导通与关断。
基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置，包括上位机、目标机、实时运动控制卡、外部模数转换模块、外部脉宽调制模块和微电网系统并网电路，上位机通过以太网与目标机进行实时通讯，实时运动控制板卡通过PCI插槽连接目标机，实时运动控制板卡通过电缆连接外部模数转换模块和外部脉宽调制模块并且进行控制，外部模数转换模块和外部脉宽调制模块用于控制微电网系统并网电路。
作为优选，外部脉宽调制模块包括开关量模块，开关量模块用于对发出开关量信号。
作为优选，目标机的操作系统为xpc模式实时操作系统，用于取得实时的波形数据和计算最后的控制输出。
作为优选，微电网系统并网电路包括并网组件，并网组件相互连接可对实际设备进行模拟。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：实验者可以按照自己的思路，自行编写算法，编译下载到目标机的xpc模式下的实时操作系统中。可以实时获得实验的数据和波形。基于硬件在环的原则，在有微网并网装置参与的情况下实现电网并网的控制。提高了学生实验时从思路产生到软硬件实现的开发时间和效率。大大的改进了教学质量。
附图说明
图1是本发明基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法的流程示意图；
图2是本发明基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置及其方法中的微电网系统并网电路图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，构建于matlab实时仿真XPC模式，使用matlab-simulink提供的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境引擎，实现微电网并网教学开发中各功能子模块的快速构建及与外部系统的连接，包括如下步骤：
(1)对项目现状进行调研及面向客户需求的功能分析，并且对系统进行定义，包括硬件电路设计、软件功能规划、功能模块设计和人机接口设计，并整合各个模块进行协调工作；
(2)在Matlab平台下，用户通过上位机matlab-simulink界面进行输入程序代码，由它内部的实时操作系统将Simulink库搭建的算法转换成目标机执行文件，通过以太网下载到目标机；
(3)通过台式电脑或工业控制机，使目标机内的Matlab软件运行在实时操作系统XPC模式下，并由此实时操作系统管理和操作设备的实时运动控制板卡；
(4)实时运动控制板卡采用FPGA和低压差分串行总线技术，通过PCI控制芯片和电脑内的PCI总线相连；通过低压差分串行线和外部的模式相连，将转换后的SPI串行数据传输到目标机上，并在FPGA内部实现一个通用事件管理；
(5)将外部脉宽调制模块及开关量模块作为控制电路中的输出模块，由软件控制指令发出的开关量信号，通过实时运动控制板卡经过高速隔离芯片进行电气隔离及信号整形电路输出，用来控制微电网系统并网电路中的电路闭合或者断开；
(6)将采集电网的电压、频率和相位与发电机的电压、频率和相位进行比较，满足条件控制系统发出合闸指令，并网断路器合闸并网成功；不满足并网条件，调节发电机端的电压、频率和相位直至满足条件，并网断路器合闸成功，并网完成。
步骤(1)中，硬件电路设计包括电路原理图设计、Matlab算法仿真、原理图仿真和Altium线路板制作。
步骤(1)中，软件功能规划包括软件功能划分、模块流程图设计和软件开发平台的确定。
步骤(1)中，功能模块设计包括功能模块接口定义、通信变量定义、功能模块程序设计和模块封装。
步骤(4)中，通用事件管理通过事件管理器实现，事件管理器具有两个通用定时器、两个比较器、一个全比较器和一个正交编码捕获单元，用于在多个发生异步中断的中断源，并触发目标机的外部中断，这些异步中断事件都可以配置成独立的事件中断目标机，使目标机运行相应的异步中断服务程序，在服务程序中通过读取外部模数转换的数据或改变外部脉宽调制模块的占空比和开关量的导通与关断。
基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验装置，包括上位机、目标机、实时运动控制卡、外部模数转换模块、外部脉宽调制模块和微电网系统并网电路，上位机通过以太网与目标机进行实时通讯，实时运动控制板卡通过PCI插槽连接目标机，实时运动控制板卡通过电缆连接外部模数转换模块和外部脉宽调制模块并且进行控制，外部模数转换模块和外部脉宽调制模块用于控制微电网系统并网电路。
外部脉宽调制模块包括开关量模块，开关量模块用于对发出开关量信号。
目标机的操作系统为xpc模式实时操作系统，用于取得实时的波形数据和计算最后的控制输出。
微电网系统并网电路包括并网组件，并网组件相互连接可对实际设备进行模拟。
如图2所示，采集电网的电压、频率和相位与发电机的电压、频率和相位进行比较，满足条件控制系统发出合闸指令，并网断路器合闸并网成功，不满足并网条件，调节发电机端的电压、频率和相位直至满足条件，并网断路器合闸成功，并网完成。
本系统构建于成熟的MATLAB实时仿真XPC模式，使用matlab-simulink提供的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境引擎，开发出微电网并网的控制算法，封装成可视化的模块组件单独提供给客户。系统按照用户构建出具体功能生成目标机程序代码，通过以太网将程序下载至硬件平台系统中，实现具体的功能。微电网的并网控制教学开发中，本系统在原型机开发的快速性及具体功能实现的易用性方面具有良好的教学效果。通过自主研发插件引擎，实现微电网并网教学开发中各功能子模块的快速构建及与外部系统的连接；系统构建采用开放式平台，使系统的二次开发及程序代码的复用上都极具备自由性，实现极佳的扩展能力。
总之，以上仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (6)
1.基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，构建于matlab实时仿真XPC模式，使用matlab-simulink提供的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境引擎，实现微电网并网教学开发中各功能子模块的快速构建及与外部系统的连接，其特征包括如下步骤：
(1)对项目现状进行调研及面向客户需求的功能分析，并且对系统进行定义，包括硬件电路设计、软件功能规划、功能模块设计和人机接口设计，并整合各个模块进行协调工作；
(2)在Matlab平台下，用户通过上位机matlab-simulink界面进行输入程序代码，由它内部的实时操作系统将Simulink库搭建的算法转换成目标机执行文件，通过以太网下载到目标机；
(3)通过台式电脑或工业控制机，使目标机内的Matlab软件运行在实时操作系统XPC模式下，并由此实时操作系统管理和操作设备的实时运动控制板卡；
(4)实时运动控制板卡采用FPGA和低压差分串行总线技术，通过PCI控制芯片和电脑内的PCI总线相连；通过低压差分串行线和外部的模式相连，将转换后的SPI串行数据传输到目标机上，并在FPGA内部实现一个通用事件管理；
(5)将外部脉宽调制模块及开关量模块作为控制电路中的输出模块，由软件控制指令发出的开关量信号，通过实时运动控制板卡经过高速隔离芯片进行电气隔离及信号整形电路输出，用来控制微电网系统并网电路中的电路闭合或者断开；
(6)将采集电网的电压、频率和相位与发电机的电压、频率和相位进行比较，满足条件控制系统发出合闸指令，并网断路器合闸并网成功；不满足并网条件，调节发电机端的电压、频率和相位直至满足条件，并网断路器合闸成功，并网完成。
2.根据权利要求1所述的基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，其特征在于：步骤(1)中，硬件电路设计包括电路原理图设计、Matlab算法仿真、原理图仿真和Altium线路板制作。
3.根据权利要求1所述的基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，其特征在于：步骤(1)中，软件功能规划包括软件功能划分、模块流程图设计和软件开发平台的确定。
4.根据权利要求1所述的基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，其特征在于：步骤(1)中，功能模块设计包括功能模块接口定义、通信变量定义、功能模块程序设计和模块封装。
5.根据权利要求1所述的基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，其特征在于：步骤(1)中，人机接口设计包括界面风格设计、功能区块划分、嵌套层数论证和具体功能实现论证。
6.根据权利要求1所述的基于matlab-simulink XPC模式下环微网并网控制的教学实验方法，其特征在于：步骤(4)中，通用事件管理通过事件管理器实现，事件管理器具有两个通用定时器、两个比较器、一个全比较器和一个正交编码捕获单元，用于在多个发生异步中断的中断源，并触发目标机的外部中断，这些异步中断事件都可以配置成独立的事件中断目标机，使目标机运行相应的异步中断服务程序，在服务程序中通过读取外部模数转换的数据或改变外部脉宽调制模块的占空比和开关量的导通与关断。
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