CN111381513A - 超高速电磁推进控制半实物仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高速电磁推进控制半实物仿真系统及仿真方法，该系统包括开发主机、实时仿真目标机、IO扩展箱和变流控制器，开发主机运行仿真管理软件RT‑LAB，开发主机用于超高速电磁推进控制系统仿真模型的开发并生成可实时执行的模型代码、仿真试验管理以及试验数据的监控记录，实时仿真目标机用于接收并运行开发主机加载的可实时执行的模型代码，变流控制器分别与实时仿真目标机以及IO扩展箱连接，变流控制器用于发出控制信号以及接收实时仿真目标机和IO扩展箱发出的信号。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中缺乏超高速大功率变流器加直线电机系统的仿真模型以及仿真系统进行参数在线调整时需中断模型仿真运行的技术问题。

Description

超高速电磁推进控制半实物仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及飞行器、超高速磁悬浮列车电磁推进控制技术领域，尤其涉及一种超高速电磁推进控制半实物仿真系统及仿真方法。

背景技术

当今，关于超高速电磁推进控制技术的研究与开发在国内外都处于快速发展之中。超高速电磁推进的基本原理是大功率变流器驱动控制大功率超高速直线电机，直线电机动子推动负载向前运动。随着控制理论的发展以及对电磁推进系统性能要求的不断提高，电磁推进控制单元需要实现的控制算法的复杂程度和可靠性日益加大。

超高速电磁推进控制技术在研发过程中需搭建真实的直线电机和变流器等试验平台，建设成本极高，后期受资金、时间、空间、人力等因素限制难于扩展。同时，试验过程中功率器件的损坏、功率单元拓扑的更改等，又势必造成更多成本的投入，最终影响研发效率。

基于仿真软件+实时仿真机的半实物仿真系统作为被控对象的实时数字仿真平台，给以超高速电磁推进控制技术等为代表性的控制技术研发开辟了新的途径。半实物仿真系统一般包括实际的控制器和虚拟的仿真对象，两者通过输入输出接口进行数据交互和通信，可实现对控制器软硬件性能的全方位测试。这不仅能够在软件仿真中快速有效验证工作原理正确性及准确性，还可进行与物理模型对接仿真，减少巨大的物理模型的投资，并大幅度降低试验平台建设成本。

现有的半实物仿真系统具有以下不足：1)由于仿真步长、半实物仿真系统架构及仿真机硬件条件的限制，实时仿真结果与真实样机试验数据对比会有较大的偏差，且参数在线调整时需中断模型仿真的运行；2)一般只能够处理常规的电力电子半实物仿真系统仿真模型，对于超高速大功率变流器加直线电机这种复杂多重系统没有有效的解决方案；3)实时仿真机一般采用Linux操作系统，且需要对仿真系统具有较为深厚的理论基础，在一定程度上增加了系统开发难度和周期，无法准确快速地验证实物控制器。

发明内容

本发明提供了一种超高速电磁推进控制半实物仿真系统及仿真方法，能够解决现有技术中缺乏超高速大功率变流器加直线电机系统的仿真模型以及仿真系统进行参数在线调整时需中断模型仿真运行的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，超高速电磁推进控制半实物仿真系统包括：开发主机，开发主机运行仿真管理软件RT-LAB，开发主机用于超高速电磁推进控制系统仿真模型的开发并生成可实时执行的模型代码、仿真试验管理以及试验数据的监控记录；实时仿真目标机和IO扩展箱，实时仿真目标机分别与开发主机和IO扩展箱连接，IO扩展箱用于对实时仿真目标机的输入输出端口进行扩展，实时仿真目标机用于接收并运行开发主机加载的可实时执行的模型代码；变流控制器，变流控制器分别与实时仿真目标机以及IO扩展箱连接，变流控制器用于发出控制信号以及接收实时仿真目标机和IO扩展箱发出的信号，实时仿真目标机和IO扩展箱根据变流控制器发出的控制信号模拟变流器的变流效果。

进一步地，超高速电磁推进控制系统仿真模型包括变流器功率单元模型、直线电机模型和数据同步模型。

进一步地，变流器功率单元模型和直线电机模型运行在实时仿真目标机上，数据同步模型运行在实时仿真目标机上，数据同步模型用于实现整个仿真过程的数据同步。

进一步地，超高速电磁推进控制半实物仿真系统基于Simulink建立超高速电磁推进控制系统仿真模型。

进一步地，开发主机的操作系统为Windows 7Pro。

进一步地，IO扩展箱基于FPGA架构，IO扩展箱包括数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块以及与实时仿真目标机联合仿真的PCIe通讯同步卡。

进一步地，实时仿真目标机基于X86硬件平台且运行Redhat实时操作系统，实时仿真目标机的处理器为英特尔Xeon。

根据本发明的另一方面，提供了一种超高速电磁推进控制系统仿真方法，该超高速电磁推进控制系统仿真方法使用如上所述的超高速电磁推进控制半实物仿真系统。

进一步地，超高速电磁推进控制系统仿真方法包括：变流控制器输出控制信号，实时仿真目标机根据控制信号使得变流器功率单元模型输出要求的电压电流至直线电机模型，直线电机模型输出要求的电磁推力并达到要求的超高速度以验证超高速电磁推进控制算法；实时仿真目标机输出模拟量信号，变流控制器接收模拟量信号并根据模拟量信号进行数据调理；实时仿真目标机输出模拟故障信号，变流控制器接收模拟故障信号并进行故障信号处理。

应用本发明的技术方案，提供了一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，该半实物仿真系统基于RT-LAB仿真管理软件，并结合实时仿真目标机，能够实现对大型复杂的硬件在回路(HIL)和快速控制原型(RCP)应用模型的实时仿真，并可进行分布式并行计算。同时，该架构可对所有要求的功能进行配置和管理，实现模型中的各项参数的在线调整，而不需要中断模型仿真的运行。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了根据本发明的具体实施例提供的超高速电磁推进控制半实物仿真系统的结构组成示意框图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的超高速电磁推进控制半实物仿真系统的仿真原理图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的超高速电磁推进控制半实物仿真系统的仿真模型示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的变流器功率单元和直线电机的仿真模型示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、开发主机；20、实时仿真目标机；30、IO扩展箱；40、变流控制器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图4所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，该超高速电磁推进控制半实物仿真系统包括开发主机10、实时仿真目标机20、IO扩展箱30和变流控制器40，开发主机10运行仿真管理软件RT-LAB，开发主机10用于超高速电磁推进控制系统仿真模型的开发并生成可实时执行的模型代码、仿真试验管理以及试验数据的监控记录，实时仿真目标机20分别与开发主机10和IO扩展箱30连接，IO扩展箱30用于对实时仿真目标机20的输入输出端口进行扩展，实时仿真目标机20用于接收并运行开发主机10加载的可实时执行的模型代码，变流控制器40分别与实时仿真目标机20以及IO扩展箱30连接，变流控制器40用于发出控制信号以及接收实时仿真目标机20和IO扩展箱30发出的信号，实时仿真目标机20和IO扩展箱30根据变流控制器40发出的控制信号模拟变流器的变流效果。

应用此种配置方式，提供了一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，该半实物仿真系统基于RT-LAB仿真管理软件，并结合实时仿真目标机，能够实现对大型复杂的硬件在回路(HIL)和快速控制原型(RCP)应用模型的实时仿真，并可进行分布式并行计算。同时，该架构可对所有要求的功能进行配置和管理，实现模型中的各项参数的在线调整，而不需要中断模型仿真的运行。

进一步地，在本发明中，为了实现对超高速电磁推进控制系统的仿真，可将超高速电磁推进控制系统仿真模型配置为包括变流器功率单元模型、直线电机模型和数据同步模型。作为本发明的一个具体实施例，如图3所示，本发明可基于Simulink建立超高速电磁推进控制系统仿真模型。该系统仿真模型包括：SC建模(用于监控数据)运行在开发主机10，SS建模(搭建变流器功率单元模型和直线电机模型)占用CPU一个核的资源，SM建模(数据同步模型)占CPU一个核的资源，数据同步模型用于同步各仿真子系统，其在整个仿真过程中起到数据同步的作用。

图4示出了变流器功率单元模型和直线电机模型的仿真模型示意图。该仿真模型采用带有时间戳信息的模块进行建模，可精确地采集到变流控制器实物发来的脉冲信号，即可将采集到的脉冲精确上升沿与下降沿的时刻在变流器模型中进行插值补偿，从而可以模拟出变流器的变流效果，而不受仿真步长的影响。

进一步地，在本发明中超高速电磁推进控制半实物仿真系统可分为上下两层，上层为仿真层，仿真层包括仿真的开发与运行，下层为设备层，设备层包括系统交联的各个设备，作为本发明的一个具体实施例，设备层包括变流控制器40。

此外，在本发明中，为了简化系统开发难度以及缩短开发周期，可将开发主机10的操作系统配置为Windows 7 Pro。本发明的超高速电磁推进控制半实物仿真系统的开发主机10为高性能工作站，其用于系统的模型开发、仿真试验管理以及试验数据的监控记录等，开发主机10的CPU为四核，主频为3.5GHz，内存16GB，硬盘容量2T，操作系统为Windows 7Pro。

进一步地，在本发明中，为了提高仿真系统的工作性能，可将实时仿真目标机20配置为结合强大仿真计算能力与较多I/O插槽于一体的实时仿真机，其可以实现I/O与数据通讯板卡的扩展，其基于X86硬件平台，以英特尔Xeon(至强)为处理器，运行Redhat实时操作系统，强实时性，最短仿真步长可以达到0.25μs级以下。IO扩展箱30基于FPGA架构，IO扩展箱30包括多路数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块以及与实时仿真目标机20联合仿真的PCIe通讯同步卡。

作为本发明的一个具体实施例，数字量输入模块为32通道带时标的数字量/PWM输入及调理模块，光隔离，电平为5V至30V。数字量输出模块为32通道带时标的数字量/PWM输出及调理模块，光隔离，电平为5V至30V。模拟量输出模块为16通道多功能模拟量输出及调理模块，16位精度，所有通道同步最大采样频率为1MSPS，最小转换时间1μs，输出电压范围±16V，驱动电流5mA。PCIe通讯同步卡为PCIe双端口实时通讯及同步适配卡，支持透明和非透明桥接。

根据本发明的另一方面，提供了一种超高速电磁推进控制系统仿真方法，该超高速电磁推进控制系统仿真方法使用如上所述的超高速电磁推进控制半实物仿真系统。

具体地，在本发明中，超高速电磁推进控制系统仿真方法包括：变流控制器40输出控制信号，实时仿真目标机20根据控制信号使得变流器功率单元模型输出要求的电压电流至直线电机模型，直线电机模型输出要求的电磁推力并达到要求的超高速度以验证超高速电磁推进控制算法；实时仿真目标机20输出模拟量信号，变流控制器40接收模拟量信号并根据模拟量信号进行数据调理；实时仿真目标机20输出模拟故障信号，变流控制器40接收模拟故障信号并进行故障信号处理。应用本发明的超高速电磁推进控制系统仿真方法，能够快速准确验证超高速电磁推进控制算法，为后续原型机研制奠定技术基础。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图4对本发明的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统进行详细说明。

如图1至图4所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，该半实物仿真系统包括开发主机10、实时仿真目标机20、IO扩展箱30和变流控制器40，开发主机10为PC工作站，其安装实时开发工具包及仿真管理软件RT-LAB，开发主机10运行仿真管理软件RT-LAB，开发主机10用于变流器功率单元模型和直线电机模型的开发并生成可实时执行的模型代码、仿真试验管理以及试验数据的监控记录。

实时仿真目标机20分别与开发主机10和IO扩展箱30连接，IO扩展箱30用于对实时仿真目标机20的输入输出端口进行扩展，实时仿真目标机20通过本机的IO板卡及PCI-E总线与IO扩展箱通讯，以满足系统对IO资源的需求。实时仿真目标机20用于接收并运行开发主机10加载的可实时执行的模型代码。变流控制器40是被验证对象，通过将变流控制器40与实时仿真目标机20的硬件接口物理连接以实现控制器的硬件在环(HIL)。变流控制器40用于发出控制信号以及接收实时仿真目标机20和IO扩展箱30发出的信号，实时仿真目标机20和IO扩展箱30根据变流控制器40发出的控制信号模拟变流器的变流效果。

基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统的仿真原理如图2所示。开发主机10完成变流器功率单元模型和直线电机模型的开发，开发主机10运行仿真管理软件RT-LAB，实时仿真目标机20运行模型编译后生成的实时代码，开发主机10和实时仿真目标机20通过TCP/IP进行通讯，以实时获取来自实时仿真目标机20仿真计算结果数据。仿真管理软件RT-LAB对基于Simulink建立的模型进行编译、下载、运行，并管理实现在线调参、实时监控仿真信号、仿真信息查看器、外部模型参考映射、硬件驱动程序和API功能，其所在的开发主机运行Windows操作系统。实时代码在实时仿真目标机20运行，以实现仿真模型解算和接口驱动等功能。RT-LAB图形化监控软件在仿真结束后将存储在实时仿真目标机20上的数据文件通过TCP/IP传到开发主机10上进行离线分析。

超高速电磁推进控制半实物仿真系统在仿真时，变流控制器发出DO(PWM)控制信号，实时仿真目标机20通过DI模块采集脉冲信号，实时仿真目标机20根据控制信号使得变流器功率单元模型输出要求的电压电流至直线电机模型，直线电机模型输出要求的电磁推力并达到要求的超高速度以验证超高速电磁推进控制算法。实时仿真目标机20输出AO模拟量信号，变流控制器40接收模拟量信号并根据模拟量信号进行数据调理。实时仿真目标机20输出AO(如模拟故障等)信号，变流控制器40接收模拟故障信号并进行故障信号处理。

对基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统进行仿真参数设置，仿真步长设为50μs。通过仿真，在规定的电压电流条件下，变流控制器通过输出PWM控制信号给变流器，变流器输出要求的电压电流给直线电机后，直线电机可输出要求的电磁推力，并达到要求的超高速度，从而验证了超高速电磁推进控制算法，实现了基于RT-LAB的磁悬浮电磁推进控制单元半实物仿真与分析。

综上所述，本发明提供了一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，该半实物仿真系统与目前其他半实物仿真系统相比，具有软硬件架构完善、可扩展性好，可实现模型仿真参数的在线调整，仿真模型采集信号不受仿真步长的影响等优点。本发明所提供的超高速电磁推进控制半实物仿真系统与现有技术相比，具有以下优点。

第一，本发明的半实物仿真系统能够实现对大型复杂的硬件在回路(HIL)和快速控制原型(RCP)应用模型的实时仿真，并可进行分布式并行计算。同时，该架构可对所有要求的功能进行配置和管理，实现模型中各项参数的在线调整，而不需要中断模型仿真的运行。

第二，本发明的半实物仿真系统基于实时仿真机现有资源，通过优化模型参数，建立了变流功率模块拓扑及直线电机系统仿真模型；该仿真模型能够精确地采集到变流控制器实物发来的脉冲信号，而不受仿真步长的影响。

第三，本发明的半实物仿真系统实现了基于RT-LAB的磁悬浮电磁推进控制单元半实物仿真与分析，快速准确地验证了超高速电磁推进控制算法，为后续原型机研制奠定了技术基础。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述超高速电磁推进控制半实物仿真系统包括：

开发主机(10)，所述开发主机(10)运行仿真管理软件RT-LAB，所述开发主机(10)用于超高速电磁推进控制系统仿真模型的开发并生成可实时执行的模型代码、仿真试验管理以及试验数据的监控记录；

实时仿真目标机(20)和IO扩展箱(30)，所述实时仿真目标机(20)分别与所述开发主机(10)和所述IO扩展箱(30)连接，所述IO扩展箱(30)用于对所述实时仿真目标机(20)的输入输出端口进行扩展，所述实时仿真目标机(20)用于接收并运行所述开发主机(10)加载的可实时执行的模型代码；

变流控制器(40)，所述变流控制器(40)分别与所述实时仿真目标机(20)以及所述IO扩展箱(30)连接，所述变流控制器(40)用于发出控制信号以及接收所述实时仿真目标机(20)和所述IO扩展箱(30)发出的信号，所述实时仿真目标机(20)和所述IO扩展箱(30)根据所述变流控制器(40)发出的控制信号模拟变流器的变流效果。

2.根据权利要求1所述的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述超高速电磁推进控制系统仿真模型包括变流器功率单元模型、直线电机模型和数据同步模型。

3.根据权利要求2所述的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述变流器功率单元模型和所述直线电机模型运行在所述实时仿真目标机(20)上，所述数据同步模型运行在所述实时仿真目标机(20)上，所述数据同步模型用于实现整个仿真过程的数据同步。

4.根据权利要求3所述的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述超高速电磁推进控制半实物仿真系统基于Simulink建立所述超高速电磁推进控制系统仿真模型。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述开发主机(10)的操作系统为Windows 7Pro。

6.根据权利要求5所述的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述IO扩展箱(30)基于FPGA架构，所述IO扩展箱(30)包括数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块以及与所述实时仿真目标机(20)联合仿真的PCIe通讯同步卡。

7.根据权利要求6所述的基于RT-LAB的超高速电磁推进控制半实物仿真系统，其特征在于，所述实时仿真目标机(20)基于X86硬件平台且运行Redhat实时操作系统，所述实时仿真目标机(20)的处理器为英特尔Xeon。

8.一种超高速电磁推进控制系统仿真方法，其特征在于，所述超高速电磁推进控制系统仿真方法使用如权利要求1至7中任一项所述的超高速电磁推进控制半实物仿真系统。

9.根据权利要求8所述的超高速电磁推进控制系统仿真方法，其特征在于，所述超高速电磁推进控制系统仿真方法包括：

变流控制器(40)输出控制信号，实时仿真目标机(20)根据所述控制信号使得所述变流器功率单元模型输出要求的电压电流至所述直线电机模型，所述直线电机模型输出要求的电磁推力并达到要求的超高速度以验证超高速电磁推进控制算法；

所述实时仿真目标机(20)输出模拟量信号，所述变流控制器(40)接收所述模拟量信号并根据所述模拟量信号进行数据调理；

所述实时仿真目标机(20)输出模拟故障信号，所述变流控制器(40)接收所述模拟故障信号并进行故障信号处理。

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