CN108491638B - 基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，其包括NI实时仿真系统、NI硬件平台及接触器硬件控制平台；NI实时仿真系统将接触器的控制决策与虚拟环境进行实时交互；接触器硬件控制平台包含接触器本体及控制电路两个实物部分；接触器的真实运动过程在接触器硬件控制平台完成；接触器本体的运行数据由NI硬件平台收集；所述NI硬件平台将收集的数据上传至NI实时仿真系统，为构建接触器数据模型元件库提供数据支持。实现了智能开关控制策略的研究测试、主电路拓扑的设计论证、控制器和开关本体的参数优化以及三维动态仿真模型和数据模型的更新修正等功能，形成了完整的智能开关研发体系。

Description

基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统

技术领域

本发明属于电力仿真领域，具体涉及一种基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，社会生产、生活对电能的需求和依赖不断增大，开关电器在电能的传输和配送、设备的控制和保护中作用日益显著。为适应电网容量的扩大及低压配电与控制系统的复杂化，对电器的结构、智能化、动作性能以及可靠性提出了越来越高的要求，因此构建完整的智能开关研发体系是电器工作者一直努力研究的课题。

近年来，关于智能开关的研究已经非常广泛，目前大部分研究都集中在数学建模、仿真优化和控制策略等方面。然而智能电器的设计与开发涉及电气、机械、控制、通信等多个领域，从理论上对其进行推导和计算较为复杂。早期低压电器的研究主要以静态设计为主，但由于静态特性并不能全面反映开关电器的实际工作情况，已经适应不了智能化、高品质、高效率、节能节材的设计需求。接触器规格种类繁多，触头容量涵盖9-2650A的宽范围，运行工况日益复杂，极大地增加机理建模和试验调试的周期和难度。机理建模依赖接触器实际参数和假设条件，即便针对相同的本体，随着接触器长时间运行后自身特性发生改变，加上实验室难以复现实际工况，离线建立的模型将与实际模型逐渐脱节，这些都给开关电器的智能化设计提出了严峻的挑战。

目前，国内外智能化设计技术发展迅速。人们将计算机辅助设计（CAD）技术、虚拟仿真设计技术、可靠性理念、人工智能技术与优化设计等运用于电器的设计与开发中，为低压电器的智能化设计注入了新的活力。半实物仿真因其更接近实际工程，在控制策略的测试、电路拓扑设计和设备本体优化过程中扮演着十分重要的角色，它是一种介于纯数学仿真与物理仿真之间的仿真方式，既有纯数学仿真的柔性变形能力，又具备物理仿真的实时性特点。将其应用于智能开关设计与研发过程中，能够有效解决开关电器智能控制设计与工程实际应用相脱节的问题。将开关的智能控制模块（实物）与在计算机上实现的控制对象的仿真模型联系在一起，在试验中，控制模块的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来。

另一方面，现有仿真模型多为数学模型，根据开关设备的运行机理和相关参数建模，且包含诸多假设条件。在新型智能开关电器设计初期，大量本体结构参数并不明确，同时还面临运行环境、负载多样性、系统复杂性等诸多问题，单纯固定的数学模型已然不再适用。

随着大数据技术的迅速发展，提取开关真实运行数据的泛化关系，得到相关的数据应用模型不仅具有模型可重用性，方便模型多次使用和积累设计数据的特点，还具有实时修正更新，提升模型准确性的特点。其次，对开关不同的数据模型进行动态组合，还能够获得不同结构、不同负载等实验室条件下难以还原的现实工作场景的开关虚拟仿真环境。综上所述，受益于半实物仿真技术以及数据模型的应用，本设计将接触器及控制电路以实物的形式连接在仿真回路中，提出一种基于数据模型元件库的接触器半实物仿真系统，所建立的仿真系统为开关电器性能的优化、智能设计及控制策略的研究提供了良好的基础，形成了完整的智能开关研发体系。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统。

基于半实物仿真技术，将接触器及控制电路以实物的形式连接在仿真回路中，提出一种基于数据模型元件库的接触器半实物仿真系统，实现了智能开关控制策略的研究测试、主电路拓扑的设计论证、控制器和开关本体的参数优化以及三维动态仿真模型和数据模型的更新修正等功能，形成了完整的智能开关研发体系。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，其包括两部分：第一部分为运行接触器数据模型元件库的数据转换及实施控制决策的NI实时仿真系统；NI实时仿真系统将接触器的控制决策与虚拟环境进行实时交互；接触器数据模型元件库封装着由开关真实运行数据采集而来的数据应用模型，囊括了开关吸合过程、吸持阶段以及分断过程；第二部分包括NI硬件平台及接触器硬件控制平台；接触器硬件控制平台包含接触器本体及控制电路两个实物部分；接触器的真实运动过程在接触器硬件控制平台完成；接触器本体的运行数据由NI硬件平台收集；所述NI硬件平台将收集的数据上传至NI实时仿真系统，为构建接触器数据模型元件库提供数据支持。

在本发明一实施例中，接触器数据模型元件库封装着由开关真实运行数据采集而来的多个数据应用模型；各个数据应用模型通过数据泛化关系得到，包含电磁系统数据应用模型、触头轨迹数据应用模型、铁芯弹跳数据应用模型、触头弹跳数据应用模型以及触头电弧数据应用模型；将各个模型封装组成接触器数据模型元件库，元件库中各类模型的动态组合可以得到不同结构、不同负载的接触器虚拟仿真环境。

在本发明一实施例中，所述NI硬件平台通过采集接触器硬件平台的实时运行数据，实现对接触器的控制目标识别、状态特征提取、系统参数辨识以及控制策略计算。

在本发明一实施例中，NI硬件平台为接触器三维仿真模型和数据模型元件库提供实时修正更新的功能；仿真模型搭建、系统运行状态监视、人机交互及系统各项功能检验也在该平台完成。

在本发明一实施例中，所述接触器硬件控制平台还包括开关电源及霍尔传感器；所述开关电源为接触器硬件控制平台的各个模块供电；霍尔传感器为控制电路提供接触器本体的当前磁状态信息、触头系统的轨迹弹跳信息以及触头间的电弧能量信息等；控制电路为接触器的开关运动提供能量输入。

在本发明一实施例中，包括三种工作模态：工作模态一：系统上电后，接触器硬件平台的开关电源为硬件电路各模块供电，接触器本体的控制策略嵌入NI硬件平台，NI硬件平台控制程序初始化，半实物仿真平台启动实行；控制策略根据接触器本体的反馈信号控制其吸合、吸持以及分断过程，接触器完成一次通断任务；此时系统第二部分处于独立工作状态；工作模态二：在工作模态一进行多次试验的基础上，对开关的真实运行数据进行深入分析，通过数据泛化关系得到数据应用模型封装成元件库，并对不同的数据信息的聚类、关联；数据模型库具有各自的输入/输出接口，通过与数据I/O接口连接，对不同的数据元件进行动态组合，获得实验室条件下难以还原的现实工作场景的开关虚拟仿真环境，将控制策略嵌入实际的NI硬件控制平台，此时系统的第一部分的NI实时仿真系统与第二部分中的NI硬件控制平台独立工作；工作模态三：NI实时仿真系统、NI硬件平台及接触器硬件控制平台均启用运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）、本发明提出了一种将虚拟仿真设计技术与大数据理论相互融合的接触器半实物仿真系统。相比较单纯的软件仿真，由于有硬件实物的接入，整个仿真过程更为准确，同时系统中各个平台的参数调整方便，具有易于维护和扩展，实时性好等优点。

（2）、结合基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，建立接触器在吸合过程、吸持阶段、分断过程的运动轨迹数据模型，采用接触器多个数据模型元件库的动态组合，构建了不同结构、不同负载等实验室条件下难以还原的现实工作场景的开关虚拟仿真环境。同时，系统采集的真实开关运行数据还可以对接触器的三维仿真模型和数据模型元件库进行实时修正更新，提高数据模型的准确性。

（3）、设计了可以灵活切换的三种工作模态，可以用于智能开关控制策略的研究测试、主电路的设计论证、控制器和开关本体的参数优化以及三维动态仿真模型和数据模型的更新修正等功能。最终实现了开关本体与控制策略的同步优化，形成完整的智能开关研发体系。

附图说明

图1为本发明的半实物仿真平台结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明基于半实物仿真技术，将接触器及控制电路以实物的形式连接在仿真回路中，提出一种基于数据模型元件库的接触器半实物仿真系统，实现了智能开关控制策略的研究测试、主电路拓扑的设计论证、控制器和开关本体的参数优化以及三维动态仿真模型和数据模型的更新修正等功能，形成了完整的智能开关研发体系。

本发明的半实物模拟系统，其包括两部分：第一部分为运行接触器数据模型元件库的数据转换及实施控制决策的NI实时仿真系统；NI实时仿真系统将接触器的控制决策与虚拟环境进行实时交互；接触器数据模型元件库封装着由开关真实运行数据采集而来的数据应用模型，囊括了开关吸合过程、吸持阶段以及分断过程；第二部分包括NI硬件平台及接触器硬件控制平台；接触器硬件控制平台包含接触器本体及控制电路两个实物部分；接触器的真实运动过程在接触器硬件控制平台完成；接触器本体的运行数据由NI硬件平台收集；所述NI硬件平台将收集的数据上传至NI实时仿真系统，为构建接触器数据模型元件库提供数据支持。

在本发明一实施例中，接触器数据模型元件库封装着由开关真实运行数据采集而来的多个数据应用模型；各个数据应用模型通过数据泛化关系得到，包含电磁系统数据应用模型、触头轨迹数据应用模型、铁芯弹跳数据应用模型、触头弹跳数据应用模型以及触头电弧数据应用模型；将各个模型封装组成接触器数据模型元件库，元件库中各类模型的动态组合可以得到不同结构、不同负载的接触器虚拟仿真环境。

在本发明一实施例中，所述NI硬件平台通过采集接触器硬件平台的实时运行数据，实现对接触器的控制目标识别、状态特征提取、系统参数辨识以及控制策略计算。

在本发明一实施例中，NI硬件平台为接触器三维仿真模型和数据模型元件库提供实时修正更新的功能；仿真模型搭建、系统运行状态监视、人机交互及系统各项功能检验也在该平台完成。

在本发明一实施例中，所述接触器硬件控制平台还包括开关电源及霍尔传感器；所述开关电源为接触器硬件控制平台的各个模块供电；霍尔传感器为控制电路提供接触器本体的当前磁状态信息、触头系统的轨迹弹跳信息以及触头间的电弧能量信息；控制电路为接触器的开关运动提供能量输入。

在本发明一实施例中，包括三种工作模态：工作模态一：系统上电后，接触器硬件平台的开关电源为硬件电路各模块供电，接触器本体的控制策略嵌入NI硬件平台，NI硬件平台控制程序初始化，半实物仿真平台启动实行；控制策略根据接触器本体的反馈信号控制其吸合、吸持以及分断过程，接触器完成一次通断任务；此时系统第二部分处于独立工作状态；工作模态二：在工作模态一进行多次试验的基础上，对开关的真实运行数据进行深入分析，通过数据泛化关系得到数据应用模型封装成元件库，并对不同的数据信息的聚类、关联；数据模型库具有各自的输入/输出接口，通过与数据I/O接口连接，对不同的数据元件进行动态组合，获得实验室条件下难以还原的现实工作场景的开关虚拟仿真环境，将控制策略嵌入实际的NI硬件控制平台，此时系统的第一部分的NI实时仿真系统与第二部分中的NI硬件控制平台独立工作；工作模态三：NI实时仿真系统、NI硬件平台及接触器硬件控制平台均启用运行。

在本发明一实施例中，半实物仿真平台结构见图1所示。如图1所示：以虚线处为界，整个半实物仿真系统分为两大部分，第一部分为运行接触器数据模型元件库的数据转换及实施控制决策的NI实时仿真系统。其中封装着由开关真实运行数据采集而来的数据应用模型，囊括了吸合过程、吸持阶段以及分断过程。各个数据应用模型通过数据泛化关系得到，包含电磁系统数据应用模型、触头轨迹数据应用模型、铁芯弹跳数据应用模型、触头弹跳数据应用模型以及触头电弧数据应用模型等，将各个模型封装组成接触器数据模型元件库，元件库中各类模型的动态组合即可得到不同结构、不同负载等接触器虚拟仿真环境。仿真系统将接触器的控制决策与虚拟环境进行实时交互。

第二部分包含NI硬件平台及接触器硬件控制平台，前者通过采集接触器硬件平台的实时运行数据，实现对接触器的控制目标识别、状态特征提取、系统参数辨识以及控制策略计算。采集并存储的真实运行数据，也为接触器三维仿真模型和数据模型元件库提供实时修正更新的功能。整个系统的数据采集、数据存储、数据计算均由该平台完成，它让数据间的互联、互通、互操作更为方便直接，预测模型更为准确，实时性更强。此外，仿真模型搭建、系统运行状态监视、人机交互及系统各项功能检验也在该平台完成。

接触器的真实运动过程在接触器硬件控制平台完成，该平台包含接触器本体及控制电路两个实物部分，硬件控制电路为接触器的开关运动提供能量输入，开关电源则为硬件电路的各个模块供电。霍尔传感器为控制核心提供接触器电磁系统的当前磁状态信息、触头系统的轨迹弹跳信息以及触头间的电弧能量信息等。控制器则依靠驱动信号对开关管进行实时控制，从而实现要达到的控制目标。该硬件平台与NI硬件平台进行实时数据交换，相关控制参数输入至实际硬件电路，控制接触器的吸合、吸持及分断过程。本体运行的各种数据由NI数据采集卡收集，为构建接触器数据模型元件库提供数据支持。

根据各个平台的接入情况，整个半实物仿真系统具有三种工作模态。

系统工作过程如下：

一、系统上电后，开关电源为硬件电路各模块供电，接触器的控制策略嵌入NI硬件平台，硬件平台控制程序初始化，半实物仿真平台启动实行。控制策略根据接触器的反馈信号控制其吸合、吸持以及分断过程，接触器完成一次通断任务。此时系统第二部分处于独立工作状态，定义为工作模态一。NI硬件平台作为控制器的角色实现对接触器控制目标识别、状态特征提取、系统参数辨识以及控制策略计算。在NI硬件平台上可以灵活地实现并研究不同的控制策略及控制电路的拓扑结构，工作模态一的功能之一便是为主电路的设计规划和控制系统的测试提供更接近实际运行工况的实验环境。具有各项控制目标响应迅速且跟踪准确的优点。工作模态一的第二项功能为：接触器的真实运行数据将通过数据采集卡输送至上位机储存，为半实物仿真系统的第二个工作模态提供数据源支持。

二、在工作模态一进行多次试验的基础上，对开关的真实运行数据进行深入分析，通过数据泛化关系得到数据应用模型封装成元件库，如电磁系统、触头轨迹、弹跳、电弧等的数据模型元件库，不同的数据信息的聚类、关联能够对各个数据元件的功能进行分类细化，数据模型库具有各自的输入/输出接口，通过数据I/O接口连接，对不同的数据元件进行动态组合，能够获得不同结构、不同负载等实验室条件下难以还原的现实工作场景的开关虚拟仿真环境，将控制策略嵌入实际的NI硬件控制平台，此时系统的第一部分（NI实时仿真系统）与第二部分中的NI硬件控制平台独立工作，定义为工作模态二。二者由实时数据处理器进行采样和控制的反馈交互，此时仿真系统与数据网络链接。当系统运行在工作模态二时，无需硬件控制电路和接触器本体的接入，既可以实现工作模态一的部分功能。在此基础上，工作模态二还可以在数据应用模型的层面上，实现对接触器结构参数和控制策略的综合匹配与优化，大大缩短接触器智能控制策略研究和本体开发的周期。

三、整个系统的所有平台均启用运行，此时定义为工作模态三。NI硬件平台此时不仅需要对系统的控制策略进行计算，并且需要利用真实开关运行数据对NI实时仿真系统中的接触器三维仿真模型和数据模型元件库进行实时修正更新，提高数据模型的准确性。系统能够在多次优化后最终反向逆推得出当前状态下的最佳虚拟开关结构数据模型，实现最佳虚拟开关数据模型的输出功能，将数据模型还原就能得到优化过后的真实物理开关模型，实现开关本体与控制策略的同步优化，形成完整的智能开关研发体系。为后续智能电器的产业化奠定基础，同时解决了接触器控制系统工程设计与工程应用相脱节的问题。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，其特征在于：包括两部分：第一部分为运行接触器数据模型元件库的数据转换及实施控制决策的NI实时仿真系统；所述NI实时仿真系统将接触器的控制决策与虚拟环境进行实时交互；接触器数据模型元件库封装着由开关真实运行数据采集而来的数据应用模型，囊括了开关吸合过程、吸持阶段以及分断过程；

第二部分包括NI硬件平台及接触器硬件控制平台；接触器硬件控制平台包含接触器本体及控制电路两个实物部分；接触器的真实运动过程在接触器硬件控制平台完成；接触器本体的运行数据由NI硬件平台收集；所述NI硬件平台将收集的数据上传至NI实时仿真系统，为构建接触器数据模型元件库提供数据支持；

接触器数据模型元件库封装着由开关真实运行数据采集而来的多个数据应用模型；各个数据应用模型通过数据泛化关系得到，包含电磁系统数据应用模型、触头轨迹数据应用模型、铁芯弹跳数据应用模型、触头弹跳数据应用模型以及触头电弧数据应用模型；将各个模型封装组成接触器数据模型元件库，元件库中各类模型的动态组合得到不同结构、不同负载的接触器虚拟仿真环境；

所述模拟系统包括三种工作模态：

工作模态一：系统上电后，接触器硬件平台的开关电源为硬件电路各模块供电，接触器本体的控制策略嵌入NI硬件平台，NI硬件平台控制程序初始化，半实物仿真平台启动实行；控制策略根据接触器本体的反馈信号控制其吸合、吸持以及分断过程，接触器完成一次通断任务；此时系统第二部分处于独立工作状态；

工作模态二：在工作模态一进行多次试验的基础上，对开关的真实运行数据进行深入分析，通过数据泛化关系得到数据应用模型封装成元件库，并对不同的数据信息的聚类、关联；数据模型库具有各自的输入/输出接口，通过与数据I/O接口连接，对不同的数据元件进行动态组合，获得实验室条件下难以还原的现实工作场景的开关虚拟仿真环境，将控制策略嵌入实际的NI硬件控制平台，此时系统的第一部分的NI实时仿真系统与第二部分中的NI硬件控制平台独立工作；

工作模态三：NI实时仿真系统、NI硬件平台及接触器硬件控制平台均启用运行；NI硬件平台此时不仅需要对系统的控制策略进行计算，并且需要利用真实开关运行数据对NI实时仿真系统中的接触器三维仿真模型和数据模型元件库进行实时修正更新，提高数据模型的准确性，实现开关本体与控制策略的同步优化。

2.根据权利要求1所述的基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，其特征在于：所述NI硬件平台通过采集接触器硬件平台的实时运行数据，实现对接触器的控制目标识别、状态特征提取、系统参数辨识以及控制策略计算。

3.根据权利要求2所述的基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，其特征在于：NI硬件平台为接触器三维仿真模型和数据模型元件库提供实时修正更新的功能；仿真模型搭建、系统运行状态监视、人机交互及系统各项功能检验也在该平台完成。

4.根据权利要求1所述的基于数据模型元件库的接触器真实运行环境半实物模拟系统，其特征在于：所述接触器硬件控制平台还包括开关电源及霍尔传感器；所述开关电源为接触器硬件控制平台的各个模块供电；霍尔传感器为控制电路提供接触器本体的当前磁状态信息、触头系统的轨迹弹跳信息以及触头间的电弧能量信息；控制电路为接触器的开关运动提供能量输入。

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