CN112001028A - 一种永磁推进系统仿真方法及平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁推进系统仿真方法及平台，综合考虑永磁推进系统仿真所需要实现的功能，建立三个相互关联的功能模块并集成：基于MATLAB/Simulink建立模块化的永磁推进系统仿真模型并建立可调用模型库；基于MATLAB/GUI建立可视化的仿真界面；基于EXCEL建立仿真数据库；仿真界面采用图形化系统集成技术调用模型库的模块模型来集成相应的系统模型，为调用的每个模块模型配置仿真数据库中对应的设备参数，得到一套永磁推进系统方案，设置仿真模式，实现对系统方案的仿真，这样就可以在降低永磁推进系统建模复杂性和使用者对建模环境的认知要求的同时保证仿真模型的精确性，也提高了仿真模型的复用性，实现了仿真验证过程与结果的可视化。

Description

一种永磁推进系统仿真方法及平台

技术领域

本发明涉及电力及机械仿真技术领域，尤其涉及一种永磁推进系统仿真方法及平台。

背景技术

现代船舶电力推进技术在机动性、可靠性、推进效率和推进功率等方面都取得了突破性的进展，应用领域不断扩大。而永磁推进系统凭借永磁同步电机重量轻，体积小、功率密度高、噪声低和可靠性高等诸多优势成为未来发展的方向。使用建模仿真技术对永磁推进系统设计方案进行系统调试、参数整定、故障仿真和一系列系统动态与静态品质指标评估，可以大大缩减研发时间与成本，对系统的设计与优化有重要意义。

永磁推进系统是一个机电磁强耦合的系统，系统结构复杂，每个部件都有多种方案可以选择，因此系统仿真模型所需的精确性和多样性都为仿真工作带来了巨大的挑战。目前的仿真研究方向分为两类，一类是分别以永磁推进系统的部分子系统为研究对象进行仿真建模，一类是以整体系统为研究对象进行仿真建模。

以子系统为研究对象的仿真建模缩减了仿真对象涉及的领域，降低了为提高仿真模型精确性带来的技术难度，但是难以得到系统方案的整体性能预报，同时也因模型的精细化程度过高带来可复性低，对建模环境的认知要求高的问题。

以整体系统为研究对象的仿真建模因为仿真对象涉及的领域宽，多采用成熟商用仿真软件自带的仿真模型，模型精确性不可控，自由度不高。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种永磁推进系统仿真方法及平台，在保证仿真精确性的同时，降低了仿真建模的复杂程度和使用者对建模环境的认知，提高了仿真效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种永磁推进系统仿真方法，包括如下步骤：

步骤1，基于MATLAB/Simulink建立类型多样的仿真模型并添加到模型库备用：基于MATLAB将永磁推进系统按结构划分为柴油机、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个模块，基于Simulink库中的基础元器件和自定义m文件建立每个模块的仿真模型，然后分别提取每个仿真模型的特征参数、连接参数和输出参数，封装成可调用的模块模型库；

步骤2，基于MATLAB/GUI建立可视化的仿真界面，建立界面图标和模块模型的联系；

步骤3，对仿真所需数据进行分类，基于EXCEL建立包含系统方案信息、系统模型信息、模块模型信息、设备参数信息和仿真实验信息的仿真数据库；

步骤4，分别建立基于模型库的模型层、基于仿真界面的界面层和基于仿真数据库的数据层，将模型层、界面层和数据层集成为永磁推进系统仿真平台；集成平台后在仿真界面进行图形化系统集成，通过界面图标调用模型库的模块模型来集成相应的系统模型，为调用的每个模块模型配置仿真数据库中对应的设备参数，得到一套永磁推进系统方案，设置仿真模式，实现对永磁推进系统的仿真。

所述的一种永磁推进系统仿真方法，其步骤1中通过特征参数实现对模块模型的调试，通过连接参数实现模块模型之间的连接，通过输出参数实现仿真进程中的观测和保存，以及基于仿真界面的调用分析。

所述的一种永磁推进系统仿真方法，各模块模型之间的连接即模型封装时定义的连接参数的连接，包括具有电气属性参数的连接和不具有电气属性参数的连接。

所述的一种永磁推进系统仿真方法，其步骤2中的仿真实验界面在系统加载完成后对系统模型进行智能识别，得到系统模型全部输出参数，通过波形实时展示。

所述的一种永磁推进系统仿真方法，其步骤4中为每个模块模型配置对应的设备参数是先通过仿真界面的数据管理子界面进行输入、修改和存储，然后配置时直接调用一组与模型封装时的特征参数严格对应的参数。

所述的一种永磁推进系统仿真方法，其步骤4的图形化系统集成中，界面图标与模块模型的对应联系采用面向对象编程思想，将Simulink模块模型和GUI界面图标抽象为一个模块类，通过模块类生成各个模块对象，并通过模块类实现仿真界面对模块模型的访问和控制。

所述的一种永磁推进系统仿真方法，其模块对象包括界面上的界面图标信息、模型中的模块信息以及模块参数信息。

一种永磁推进系统仿真平台，其特征在于，包括模型层、界面层和数据层；模型层和界面层之间进行数据传递，界面层和数据层之间实现数据存储和调用；

所述的模型层包括系统模型库和模块模型库，所述的模块模型包括柴油机、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个部分；

所述的界面层包括方案设计界面，用于实现系统模型的参数设置，得到系统方案；模型集成界面，用于建立界面图标与模块模型的对应联系，根据系统方案建立系统配置图，从而建立系统模型，实现图形化系统集成；仿真实验界面，用于实现对选中系统方案的仿真设置，对仿真过程进行控制和关键参数实时显示；实验分析界面，用于实现了对保存的仿真实验数据的调用展示及电参数的谐波分析；数据管理界面，用于实现对数据库所有信息的添加、修改、删除等管理功能；以及主界面；

所述的数据层包含系统方案信息、系统模型信息、模块模型信息、设备参数信息和仿真实验信息。

本发明具有以下技术效果：

本发明在降低永磁推进系统建模复杂性和使用者对建模环境的认知要求的同时保证仿真模型的精确性，也提高了仿真模型的复用性，实现了仿真验证过程与结果的可视化。

附图说明

图1为本发明仿真的永磁推进系统结构划分图；

图2为界面图标与模块模型映射示意图；

图3为图形化系统集成流程图；

图4为仿真数据关系图；

图5为本发明永磁推进系统仿真平台的基础框架图。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明公开的一种永磁推进系统仿真方法，包括如下步骤：

步骤1，基于MATLAB/Simulink建立类型多样的仿真模型并添加到模型库备用。建立的仿真模型需先对永磁推进系统进行结构划分，如图1所示，其包括：柴油机（原动机）、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个模块。使用Simulink库中的基础元器件和自定义m文件建立每个模块的仿真模型，然后提取特征参数、连接参数和输出参数封装成可调用模块模型。每个模块的模型包含多个类别以满足不同系统方案的需求，如推进电机模块包括三相永磁同步电机、六相永磁同步电机、十二相永磁同步电机等。系统模型由模块模型根据相应设计方案建立。

具体的，所述特征参数可以实现对模块模型的调试，连接参数实现模块模型之间的连接，输出参数实现仿真进程中的观测和保存，以及基于仿真界面的调用分析。

模块模型参数设置为每个模块模型对应的设备参数先通过仿真界面的数据管理子界面进行输入、修改和存储，设置时直接调用一组参数，与模型封装时的特征参数严格对应。

具体的，所述特征参数可以实现对模型的调试，连接参数实现模块模型之间的连接，输出参数可以在仿真进程中实时观测、也可以保存并通过仿真界面调用分析。其中各模块模型之间的连接即模型封装时定义的连接参数的连接，包括具有电气属性参数的连接和不具有电气属性参数的连接，连接接口在模型封装时单独定义。所述模块类在建立各模块模型的连接线时根据模块功能限制了连接逻辑，防止误操作。

步骤2，基于MATLAB/GUI建立仿真界面，建立界面图标和模块模型的联系。

将模型层、界面层和数据层集成永磁推进系统仿真平台，其中模型层对应模块模型库，界面层对应仿真界面，数据层对应仿真数据库。

所述的模型层包括系统模型库和模块模型库。建立模块模型需先将永磁推进系统按结构划分为如图1所示的柴油机、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个模块。

所述的界面层根据仿真方法及平台的功能与实现过程包括主界面、方案设计界面、模型集成界面、仿真实验界面、实验分析界面以及数据管理界面。

其中方案设计子界面进行如下操作：选择系统模型—设定模块参数—生成新的方案，实现了系统模型的参数设置，得到系统方案。

其中模型集成子界面建立了界面图标与模块模型的对应联系，根据系统方案建立系统配置图，从而建立系统模型，实现图形化系统集成依次实现如下操作：新建配置图—生成系统模型。

其中仿真实验子界面进行如下操作：选择系统方案—生成配置图—设置仿真参量—模型仿真—系统仿真控制—实验结果保存，实现了对选中系统方案的仿真设置，对仿真过程进行控制和关键参数实时显示。

其中实验分析子界面包括关键节点分析和谐波分析两部分，实现了对保存的仿真实验数据的调用展示及电参数的谐波分析。

其中数据管理子界面包括系统方案、系统模型、模块模型、设备参数和仿真实验五部分，实现了对数据库所有信息的添加、修改、删除等管理功能。

具体的，所述仿真实验子界面在系统方案加载完成后可以对系统模型进行智能识别，得到系统模型全部输出参数，波形实时展示单元可以进行选择。

步骤3，仿真所需数据进行分类，基于EXCEL建立仿真数据库：所述的数据库根据数据关系及功能需求分为系统方案信息、系统模型信息、模块模型信息、设备参数信息和仿真实验信息。仿真数据关系图见图4。

步骤4，分别建立基于模型库的模型层、基于仿真界面的界面层和基于仿真数据库的数据层，将模型层、界面层和数据层集成为永磁推进系统仿真平台；集成平台后在界面进行图形化系统集成，通过界面图标调用模型库的模块模型集成相应的系统模型，为调用的每个模块模型选配数据库中对应的设备参数，得到一套永磁推进系统方案，设置仿真模式，实现对系统方案的仿真。

具体的，所述图形化系统集成中，界面图标与模块模型的对应联系采用面向对象编程思想，将Simulink模块模型和GUI界面图标抽象为一个模块类，通过模块类生成各个模块对象，模块对象包括界面上的界面图标信息、模型中的模块信息、以及模块参数信息。界面图标与模块模型的映射示意图见图2。

通过模块类实现仿真界面对模块模型的访问和控制，即在仿真界面上建立系统配置图，包括界面图标与连接线，对应的模型层也建立了与配置图对应的系统模型。系统模型中的模块模型数量、类别与连接关系也界面图标集成的配置图严格对应。图形化系统集成流程图见图3。

本发明永磁推进系统仿真平台的基础框架图如图5所示，它包括模型层、界面层和数据层；其中模型层和界面层之间进行数据传递，界面层和数据层之间实现数据存储和调用。

所述的模型层包括系统模型库和模块模型库，所述的模块模型包括柴油机、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个部分。

所述的界面层包括主界面、方案设计界面、模型集成界面、仿真实验界面、实验分析界面以及数据管理界面。

其中方案设计子界面进行如下操作：选择系统模型—设定模块参数—生成新的方案，实现了系统模型的参数设置，得到系统方案。

其中模型集成子界面建立了界面图标与模块模型的对应联系，根据系统方案建立系统配置图，从而建立系统模型，实现图形化系统集成依次实现如下操作：新建配置图—生成系统模型。

其中仿真实验子界面进行如下操作：选择系统方案—生成配置图—设置仿真参量—模型仿真—系统仿真控制—实验结果保存，实现了对选中系统方案的仿真设置，对仿真过程进行控制和关键参数实时显示。

其中实验分析子界面包括关键节点分析和谐波分析两部分，实现了对保存的仿真实验数据的调用展示及电参数的谐波分析。

其中数据管理子界面包括系统方案、系统模型、模块模型、设备参数和仿真实验五部分，实现了对数据库所有信息的添加、修改、删除等管理功能。

所述数据层根据仿真方法及平台的功能与实现过程分为系统方案信息、系统模型信息、模块模型信息、设备参数信息和仿真实验信息。

其中系统方案信息包括方案名称、采用的仿真模型、参与仿真的设备、进行的仿真实验等信息，用户通过查询数据库可以详细了解方案的设计来源和实验数据。

其中系统模型信息包括模型名称、模型类别、备注、组成模块、模块型号、位置和连接方式；模块信息包括全部模块模型的主要参数名称和参数意义。

其中设备参数信息包括模块库中所有模块模型的参数取值，每组模块参数对应该模块的特征参数。

其中仿真实验信息实验数据包括每次仿真实验的条件参数和系统模型的各项输出参数随时间的变化值。仿真数据关系图见图4。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤1，基于MATLAB将永磁推进系统分为柴油机、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个模块，基于Simulink建立每个模块的仿真模型，然后分别提取每个仿真模型的特征参数、连接参数和输出参数，封装成可调用的模型库；

步骤2，基于MATLAB/GUI建立由主界面、方案设计界面、模型集成界面、仿真实验界面、实验分析界面以及数据管理界面构成的可视化仿真界面，建立界面图标和模块模型的联系；

步骤3，基于EXCEL建立包含系统方案信息、系统模型信息、模块模型信息、设备参数信息和仿真实验信息的仿真数据库；

步骤4，分别建立基于模型库的模型层、基于仿真界面的界面层和基于仿真数据库的数据层，将模型层、界面层和数据层集成为永磁推进系统仿真平台；然后在仿真界面进行图形化系统集成，通过界面图标调用模块模型来集成相应的系统模型，设置仿真模式并实现对永磁推进系统的仿真。

2.根据权利要求1所述的一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于，所述的步骤1中通过特征参数实现对模块模型的调试，通过连接参数实现模块模型之间的连接，通过输出参数实现仿真进程中的观测和保存，以及基于仿真界面的调用分析。

3.根据权利要求2所述的一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于，所述的各模块模型之间的连接即模型封装时定义的连接参数的连接，包括具有电气属性参数的连接和不具有电气属性参数的连接。

4.根据权利要求1所述的一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于，所述的步骤2中的仿真实验界面在系统加载完成后对系统模型进行智能识别，得到系统模型全部输出参数，通过波形实时展示。

5.根据权利要求1所述的一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于，所述的步骤4中为每个模块模型配置对应的设备参数是先通过仿真界面的数据管理子界面进行输入、修改和存储，然后直接调用一组与特征参数严格对应的参数。

6.根据权利要求1所述的一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于，所述的步骤4的图形化系统集成中，界面图标将模块模型和界面图标抽象为一个模块类，通过模块类生成各个模块对象，并通过模块类实现仿真界面对模块模型的访问和控制。

7.根据权利要求6所述的一种永磁推进系统仿真方法，其特征在于，所述的模块对象包括界面图标信息、模型中的模块信息以及模块参数信息。

8.一种永磁推进系统仿真平台，其特征在于，包括模型层、界面层和数据层；模型层和界面层之间进行数据传递，界面层和数据层之间实现数据存储和调用；

所述的模型层包括系统模型库和模块模型库，所述的模块模型包括柴油机、发电机、整流器、逆变器、推进电机、推进电机控制系统和负载7个部分；

所述的界面层包括

方案设计界面，用于实现系统模型的参数设置，得到系统方案；

模型集成界面，用于建立界面图标与模块模型的对应联系，根据系统方案建立系统配置图，从而建立系统模型，实现图形化系统集成；

仿真实验界面，用于实现对选中系统方案的仿真设置，对仿真过程进行控制和关键参数实时显示；

实验分析界面，用于实现了对保存的仿真实验数据的调用展示及电参数的谐波分析；

数据管理界面，用于实现对数据库所有信息的添加、修改、删除等管理功能；

以及主界面；

所述的数据层包含系统方案信息、系统模型信息、模块模型信息、设备参数信息和仿真实验信息。

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