硬件在环仿真建模技术

任何系统的硬件在环仿真研究，对系统中的数字部分都要建立合适的数学模型和仿真模型。随着仿真应用范围的不断拓宽，近年来，系统建模理论与方法的研究范围逐渐从定量系统向定性系统拓宽。从建模的方法来看，除了典型的机理建模及系统辨识方法外，近年来正积极发展模糊优化法、人工智能辅助建模方法学及混合模式(multi—paradigm)的建模方法学等。

硬件在环仿真仿真算法

系统的动态特性一般可用微分方程或微分方程组来描述。因此，要在计算机上对系统进行仿真，首先就要确定采用何种求解常微分方程的仿真算法。仿真算法是将系统数学模型转换成仿真模型的一类算法。连续系统与离散系统的非实时串行算法已相当完善，其成果包括处理线性、非线性、刚性等连续系统算法，各类分布参数系统算法，各种随机统计算法及基于系统分割、方法分割和时间分割的部分并行算法。

硬件在环仿真仿真计算机

近10年来，由于计算机技术的飞速发展，通用高性能微机、工作站及并行机已成为仿真机的主流。超大规模的并行计算机、工作站以及高性能微机的运算速度已有很大提高。高性能仿真计算机研究的主要课题包括处理机技术、并行程序设计模型与并行化编译器、支持自动并行化的新的框架与概念、软硬件接口的实时处理能力等。接口系统是硬件在环仿真中数字部分与物理部分之间信息传输的接口，接口要具有可靠的实时性。

dSPACE实时仿真系统

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。

dSPACE中的处理器运算性能强大，并且I/0接口十分丰富，用户可根据需要自行组合;软件环境功能强大而又灵活，提供自动生成代码及调试和下载等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方而，dSPACE允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，可在设计之初就将错误修正，节省设计费用。使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷。通过将快速原型硬件系统和所要控制的实际设备相连接，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利用旁路技术将原型控制单元或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平台可以实现对控制器的极限测试，失效测试。

RTLAB实时仿真系统

RT-LAB是加拿大名为Opal-RT公司推出的一款工业级的系统实时仿真平台软件包。

该平台能在短时间内以较低的成本建立实时系统动态模型，简化工程系统的设计过程，具有灵活、高效、可测量等优势。

RT -LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的动态系RT-LAB所用;采用分布式处理的专业化块设计;且该平台使用户能方便地将目标模型分割为几个子系统，便于并行处理，集成丰富的第三方代码库;提供丰富的应用程序编程接口，便于用户开发自定义应用;使用LabVIEW等工具可以创建定制的功能和测试界而;支持1000余种I/0设备，提供高度优化的硬件实时调度程序。

NI硬件在环仿真平台

NI开发的硬件在环仿真平台帮助用户节省了在汽车研发到生产各个阶段耗费的时间和成本。凭借业内领先的I/0、灵活现成的硬件、强大高效的LabVIEW开发环境，用户可以创建各种应用的解决方案。

NI开发了基于PXI实时控制器的硬件在环仿真方案。PXI全称为面向仪器系统的PCI扩展，结合了PCI的电气总线特性和通用计算机强大的功能和高性价比，提供了一种高性能、低成本的虚拟仪器测试方案。

仿真模型建立在PXI实时控制器之中，NI提供FPGA模块以适应更高动态性能和更高精度的模型应用需求。NI硬件在环仿真平台具有开放的软硬件技术架构，可以减少工程师的开发时间、成本和风险。在支持第三方硬件和软件建模工具的同时，NI还提供一系列高性能模拟和数字I/0设备，CAN,LIN和FlexRay总线接口，故障注入硬件等，便于用户高效实现应用。基于开放的工业标准，用户总能将最新的PC技术用在自己的HIL测试系统中。同时，HIL测试系统的可扩展性满足了多种快速变化的需求，以适应新技术发展所带来的测试挑战。

硬件在环仿真，又称半实物仿真，是将需要仿真的部分系统硬件直接放到仿真回路中的仿真系统，它不仅弥补了纯数字仿真中的许多缺陷，提高了整个模型的置信度，而且可以大大减轻编程的工作量。这种仿真的另一个优势在于它实现了仿真模型和实际系统间的实时数据交互，使仿真结果的验证过程非常直观，大大缩短了产品开发周期。仿真时，电脑与实际硬件通过各种信息通道相连，电脑与实际硬件共同完成仿真工作，并将仿真结果在电脑中进行分析，从而判断硬件的运行情况。

硬件在环仿真是在物理仿真和数学仿真的基础上发展起来的，它将实际系统的一部分设备与计算机相连，用软件模型对其中不存在或者不便于试验的部分进行仿真，同时保证整个系统的运行。它充分利用计算机建模的简易性，减少了费用；便于对系统的输入进行灵活快捷的变更，在改变参数的同时可以详细观察系统性能的变化；对系统中非重点考察的复杂环节，可直接将其硬件连入仿真系统。

硬件在环仿真的逼真度较高，所以常用来验证控制系统方案的正确性和可行性，进行故障模式的仿真以及对研制阶段的控制系统进行闭环动态验收试验。应用硬件在环仿真使仿真条件更接近于实际情况，更能正确地对设计出的控制器性能进行检验和调试，有利于开发新型控制系统和算法，减少现场调试次数。

由于受计算机性能的限制，最初硬件在环仿真技术主要应用集中在军事领域，通常需要专用的仿真计算机和接口板。随着计算机硬件水平的不断提高，硬件在环仿真逐步在各个领域里都得到了应用，如发动机、车辆、船舶、飞行器等。对于硬件在环仿真中的许多关键性问题，如建模技术和方法、实时计算、实时性分析等，许多人都进行了深入的研究，促进了硬件在环仿真的发展。

硬件在环仿真器。 2100433B

采样速率50k/s。

1、仿真参数

为验证所提控制策略的有效性，基于 dSPACE1005 平台对其性能进行实时硬件在环仿真测试。该平台拓扑如图2，由4 台容量为25 kVA 变流器及1台90 kVA 可调模拟负荷组成。4 台变流器中，2 台变流器控制于CCM：CCM-VSC1 和CCM-VSC2，分别模拟光伏发电和风力发电系统；另外2 台控制于VCM：VCM-VSC1 和VCM-VSC2。4 台变流器参数相同，如表1 所示。

2、VCM-VSC 与CCM-VSC 间均载

实时硬件在环仿真结果和数据分别如图4 和表2所示。初始阶段S0：微电网系统运行于孤岛模式，VCM-VSC1 和VCM-VSC2 采用下垂和虚拟阻抗控制， CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均运行最大功率点、单位功率因数模式下，其有功功率P_mC1 和P_mC2 均为5 kW，无功功率Q_mC1 和Q_mC2 均为0。微电网负荷为阻感负荷，其中电阻R 为9.65Ω，电感L 为46 mH，额定电压工况下对应有功负荷P_L 为15 kW，无功负荷Q_L为10kvar。由于下垂控制特性，微电网电压幅值和角频率稍偏离额定值U_N 和ω_N，负载有功功率为12.6kW，无功功率为8.4kvar。由图4 和表2 可见，虽然VCM-VSC1 和VCM-VSC2 并网线路阻抗略有差异，但通过虚拟阻抗可实现均载，两者的有功功率P_mV1 和P_mV2 均在1.298 kW，Q_mV1 和Q_mV2分别为在4.233 kvar 和4.153 kvar。2 台VCM-VSC之间有功实现了精确的均分，无功分配误差δ_V12 为0.019，可见无功分配精度也较高。在该阶段，负荷无功全部由VCM-VSC 提供。

S1 阶段：在T1 时刻，将CCM-VSC1 控制模式转为ω-P、U-Q 倒下垂模式。在此假设其有功功率与无功功率可自由调配，且认为与VCM-VSC具有相同的有功与无功容量。由于CCM-VSC1 对系统无功功率的支持作用，系统电压偏离额定值的差值减小。由图4 和表2 可见，CCM-VSC1 与2 台VCM-VSC 间实现了较好的有功功率均载，均稳定运行于2.888kW。然而，由于等效线路阻抗差异的影响，CCM-VSC 与VCM-VSC 并没有实现较好的无功均载，CCM-VSC1 与2 台VCM-VSC无功分配误差δ_V1C1 和δ_V2C1 分别为0.683 和0.705。

S2 阶段：在T2 时刻，将CCM-VSC2 转变为与CCM-VSC1 同样的工作模式。系统电压偏离额定值的差值进一步减小。同时可见，由于稳态时，系统运行于同一频率，有功功率在4 台变流器之间实现了较好的均载，均稳定运行于3.514kW。

无功功率在2 台CCM-VSC 之间实现了较好的均载，均稳定运行于3.161kvar。但由于等效线路阻抗差异的影响，其并未与VCM-VSC 实现均载，δ_V1C1 和δ_V2C1分别为0.682 和0.709。

3、功率分配精度改善

实时硬件在环仿真结果如图5 和表2所示，在本算例中，CCM-VSC 控制中加入自适应的空载电压补偿法控制。与上节相比， 无功功率在VCM-VSC 与CCM-VSC之间实现较好的均载性能。由表2 可见，在S2 阶段，δ_V1C1 和δ_V2C1 分别为0.007 和0.033。

按照 VCM-VSC 有功额定为10 kW，无功额定为10 kvar，最大电压偏差为10%额定电压，最大频率偏差为± 0.5Hz 设置下垂系数。CCM -VSC 按照视在功率为10kVA 计算。

初始条件S₀ ：CCM-VSC1 和CCM-VSC2 均运行最大功率点、单位功率因数模式下，其有功功率PmC1 和PmC2 分别为5 kW 和9 kW，无功功率QmC1 和QmC2 均为0。

S1 阶段：T1 时刻，启动CCM-VSC1，按照无功储备量，3 台变流器按照QmC1:QmV1:QmV2=8.66:10:10共同分担负荷无功8.8kvar。因此，QmC1、QmV1、QmV2无功功率将分别承担2.6、3.1、3.1kvar。