电动船建模与仿真
学习如何与不同程度的电动船模型架构模型保真度来实现特定的工程目标。通过一个活生生的例子的发育MVDC船用电力系统,本课程将带您通过考虑调整模型保真度与工程任务,并提供指导对桌面和实时仿真建模构造。多域物理建模还将探索通过考虑热响应和积极推进系统的冷却。
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你好,每个人。我的名字是格雷厄姆愤怒,我主要在MathWorks电子技术产品经理。在这演讲,我想分享一些信息建模与仿真电动船的架构,对桌面和实时仿真。在我的演讲中,我将使用一个示例发育中压直流船用电力系统。
我想承认这个演讲中描述的模型是基于信息提供的电动船研发联盟。你可以去这里显示的链接以获得更多信息。虽然系统架构和物理参数已经荣幸尽可能在我已经开发出的模型,不同的实现特定的组件和控制算法是可以预料的。结果,仿真结果在本课程应当被视为代表,而不是提供一个精确的匹配工程。
我将首先讨论之间的关系模型保真度和技术准备。这将帮助我们做出的选择上设置一些上下文模型保真度的关系,我们在我们的技术开发周期。接下来,我将介绍Simscape当地解决,如何使用它,以及它如何与全球解算器的仿真软件。金宝app
我将概述如何使用不同的样品时间多域物理系统模型的不同部分。这是特别重要的,当考虑实时仿真。我将讨论发育中等电压直流详细船舶电力系统。我将讨论有许多变体,从直流等效系统的系统包含了热响应和积极推进电动机的冷却。我将总结结束。
在这一节中,我将讨论之间的关系模型保真度和技术准备。TRL规模或实验室规模,最初是由美国国家航空航天局和量化给定技术的成熟度在给定的发展阶段。实验室1是你的时刻,你有最初的想法,并开始进行基础研究。和实验室9就是你已经证明和服务技术。
实验室规模是开放的解释。换句话说,一个人的TRL 5可能是另一个人的TRL 6。但规模始终遵循发展关键属性,你可以看到在左边。将技术属性分配给特定的实验室数据通常是由工程技术团队。
如果我们首先考虑模型保真度为桌面模拟,然后我们通常看到不同层次的模型保真度在不同的技术水平。当你开始基础研究,您将模型低忠诚。例如,您可能有模型,有基本功能,它传达了一些高级的系统信息,如功率流和组件上浆,但这是技术无关,这意味着模型没有捕捉特定技术特征。
随着技术的成熟,然后仿真模型捕捉更具体的技术属性将被创建。例如,您可以将模型的实际技术类型,与定向控制永磁同步机等。但在中忠诚阶段,你可能仍然没有特定于供应商的信息物理组件和控制组件。
高保真仿真模型特定于供应商的体系结构,包括物理组件的具体参数和控制系统架构。模型还可以包括详细的电力电子,温度和冷却系统和通信协议。
注意,所有忠诚水平可以追踪到实验室9。这样做的原因是随着技术的成熟,您可以开发模型与不同级别的细节不仅支持你的技术的实现,但也可以用于指导技术员、操作员培训模拟器,或者作为数字双。金宝app这些应用程序需要不同级别的模型细节。
另一观点我们可以探索桌面仿真,实时测试和生产实现的函数技术评级。当我们看这一观点,最初的消除和可行性评估通常是探索在桌面上之前实时测试环境,(听不清)的循环和快速控制原型进行进一步减少控制算法和物理架构。
生产阶段是算法在哪里部署在实际生产硬件。这就是自动热电联产直接部署到目标可以提供显著的好处,核查和验证你附近的全系统部署。
在本课程中,我将只考虑实验室1到4,只有轻微的侵占TRL 4我考虑实时平台上部署一个物理系统模型没有任何硬件接口。我应该注意,这是我自己的解释TRL映射,这仅为演示之用。
现在让我们看一个代表性的例子机电传动与技术准备和考虑如何建模属性。我应当说明的是,这是一个说明性的例子基于自己的判断,不应该被视为一个严格的映射。但它会提供一些上下文建模细节如何演变随着技术的发展。
我们开始与理想机电驱动器。这是我们的最低水平的忠诚,电压和速度和电流和转矩之间的关系被定义为一个比例常数。这个模型中,我们设置一个使用一个直流电压水平平均值与周期性输入转换器。占空比与一个特定的电压,因此一个特定的速度。所以我们不需要反馈控制系统的速度控制。
这个模型,我们可以设置一个较大的时间步长实现更快的模拟,但是我们只获得高级信息电压和电流,和没有特定的技术特征。因此,我们可以认为这个模型是实验室1。
接下来,我们可以包括一个更详细的电动机,在这种情况下,一个线性永磁同步机。我们包括平均值转换器,直接比较责任周期电压波形。所以我们还没有介绍电力电子开关。我们现在可以合并一个更详细的反馈控制系统,在这种情况下,定向速度控制的控制器。我们可以执行快速设计迭代。我们已经引进了技术类型和建造了一个更有代表性的控制系统我们可以认为这个模型是实验室2。
接下来,我们可以引入一个与双线性转换器功率电子开关切换。这个模型中,我们介绍了具体的PWM开关算法和验证,反馈控制系统将有效的切换操作。我们还可以看一个初始的开关谐波电压和电流的影响。当我们执行消除控制算法和引入更多特定于技术的行为,我们可以认为这个模型是实验室3。虽然这个例子是相当基本的,我希望它转达了一些模型的保真度考虑随着技术的发展。
在这一节中,我将解释之间的关系Simscape当地解决者和全球模型解算器,以及这些设置是如何影响模拟性能和精度。金宝app通过选择当地解决Simscape解算器配置块,Simscape网络将使用一个固定的步骤和一个模拟Simscape网络提出了离散系统仿真软件。金宝app如果当地解决是去掉的时候,那么Simscape模型模拟使用全球模型解算器。金宝app一会儿,我将展示一个说明性的例子来阐明这些观点。
有三个地方解算器类型:向后欧拉,梯形积分法和分区。分区求解转换整个方程组Simscape网络分成几个小套切换连接通过非线性函数的线性方程组。这可能会导致更快的模拟对于某些网络。
重要的是要注意,并不是所有的网络可以使用分区模拟解算器。例如,高度非线性系统和/或僵硬的系统可能需要一些调整之前可以使用分区求解程序。代替我谈论解决者选择,我应该告诉你。让我提出一个例子模型。
在这个模型中,我有一个简单的直流线路与理想开关电阻负载。开关通过控制脉冲宽度调制的载波频率5赫兹,60赫兹的调制波。有两个版本的电路。左边的电路使用仿真软件全球解决者。金宝app
所以我的意思,我将打开模型配置参数解算器,和我们现在设置为离散变量的一步。这意味着左边Simscape模型将使用变量状态更新离散解算器,尽管这个名字,是一个持续的解决者,因为它可以检测零交叉或不连续。
右边的圆使用Simscape当地解决。所以我们看到在解算器配置,使用本地解决者选择。我在这种情况下使用分区求解程序。
我先把左边的解算器配置模型。看,我没有当地的解决者选择。因此,使用仿真软件全球解决者。金宝app所以右边Simscape模型使用分区求解程序,更新和Simscape模型提出了离散系统仿真软件。金宝app
注意电压测量D1突出显示在本地解决电路,这意味着它的离散。注意左边的测量C-O-N-T突出显示,连续的。最后,注意两种PWM全球解决发电机使用仿真软件,仿真软件模型。金宝app你可以看到,贴上F-I-M PWM信号。这意味着固定在较小的时间步长,这是一个连续信号。
这一切意味着什么?我们首先看看PWM信号。你可以看到全球解决者准确地抓住了脉冲宽度的检测零交叉配置,这意味着它可以检测到非常小的脉冲宽度。
现在我们看一下电压测量。黄色痕迹使用当地的电压测量解算器,和蓝色的痕迹使用全球解决电压测量。请注意,我们看到不同的电压测量。让我们放大一点。
你可以看到,尽管全球解决电压响应使用准确捕捉脉冲宽度、电压响应使用本地解决不能捕获脉冲宽度小于定义样品的时间,在这种情况下是50微秒。
工程需要判断来确定仿真速度和精度之间的权衡对于一个给定的局部解算器设置。作为一般规则,您需要设置Simscape当地解决者为了部署到一个实时系统,如速度(听不清)。
在本节中,我们将探索如何配置一个模型来使用不同的采样时间不同的物理网段。前提是这样的。当我们构建一个物理系统模型,其中包括不同的物理领域,我们认识到,一个样本的时间在整个网络中可能不是最佳的有效执行。
例如,如果我们有一个电热系统随着时间一个样品,我们必须设定样本时间准确地捕捉最快的动力学,这将与电子系统在这种情况下。热时间常数通常比电气时间常数慢得多。所以我们将过采样的热部分模型,导致仿真速度慢。
然而,通过分裂的电气和热系统和连接通过仿真软件信号,我们可以将单独的和更合适的样品时间分配给每个模型。金宝app这里显示的例子展示了一种把一个物理系统,使用热港口插图。你可以看到,我们都将热流和温度边界为了平衡能量流。
你可以设置一个不同的样本的时间在解算器配置块,和物理两个网络之间的信息由速度过渡块。你看到在这个特定的例子中,在D3左边是抽样,抽样右侧D1。对于这个示例,它的速度比其他并不重要。重点是我们可以使用利率管理的信息交换过渡块。我将展示更多细节当我们探索发育中压直流船用电力系统与热运动模型。
在本节中,我们将讨论一个直流等效系统的发育模型中压直流船用电力系统。你可以在这里看到的是Simscape发育中压直流系统的模型。如果你熟悉这个系统,你会注意到它相似的系统图ESR直流出版。
我还做什么这是配置交换机断路器的颜色取决于他们的状态,红色和绿色开放关闭。通过这种方式,我们可以很快看到的配置系统。发电模块,PGM(1和2的PGM,被建模为直流电压下垂的来源。PMM和推进电动机模块,是建模为一个单一的控制电流源。
这里,我们看到的表示电压下垂,用于控制两个发电模块之间的权力分配。您还可以使用功率下垂达到相同的权力分享的回应。让我打开模型我们可以看一下系统和模拟。
让我先看下推进电动机模块。你可以看到我有一个电流源控制,和他们认为理想的能力运行基于12千伏。让我打开参考。你可以看到我40兆瓦增加力量。现在我将仿真运行。
50秒钟仿真运行很快,原因有两个。一个,我可以设置样品时间。在本例中,我使用5毫秒,尽管我可能会更大。两个,我使用分区求解程序,这是最快的地方解决。所以如果我只是进入PGM 2,这就是我解算器配置。你可以看到我为分区设置一个非线性迭代。这是我们最快的解算器配置。
我现在就打开仿真数据检查员。我们可以看看两个生成模块的输出功率。注意,权力从PGM 2,这里的淡蓝色,提供了两倍的电力发电机。这是因为我已经设置的PGM的下垂2的一半的PGM 1。所以从功能的角度来看,我看到了权力分享我期望的反应。
现在让我们很快会枯萎一样,所以我可以表明,发电机提供平等的权力。我先关闭检查员的模拟数据。我们在这里双击。我们这里定为2.5%下垂,用适当的比例因子。我要设置这个匹配的PGM 1 5%,然后再运行这个。
好吧,模拟完成。现在让我们回去。现在你可以看到,这两个大国都覆盖。所以在功能上,我们看到我们预期的响应。所以通过实现直流等效模型,我们能够运行快速模拟测试功能响应。
在本节中,我们将讨论中压电力系统直流船上的发育与理想的AC / DC整流。这个模型中,我们介绍交流生成和控制。每个发电机由凸极同步电机,恐吓燃气轮机,AC1A励磁机。
对于这个模型,我创建了一个理想的AC / DC整流器有三个目标。首先,我想将直流电压保持在12千伏,只有电压下垂影响电压设置点。第二,我想要的功率因数交流终端电源转换器的统一。第三,我想要的理想的整改,这意味着没有开关谐波。
作为边注,我没有创造理想的转换器与断层的研究。其目的是评估系统的功能反应,确保交流和直流系统间的功率流捕获适当在正常操作。以进行故障研究这个模型,我需要做一些调整正确地捕获错误的行为。在下一节中我们将看到,我们考虑晶闸管整流,我们可以很容易地评估错误响应,晶闸管的风险模型配置为此类研究。
与直流等效模型,推进电动机模块是一个受控电流源,我建模PMM间接磁场定向矢量控制的永磁同步电机。我做了这整个系统添加更多的忠诚,所以我也可以评估更广泛的业务应对。特别地,我想模拟一个程式化的全头急速停车。
让我把模型和模拟。我将回到全速前进的幻灯片给更详细的急速停车。
这是模型。我现在要做的是运行仿真。尽管建立和运行,我现在回到幻灯片。我们将看一看仿真结果。
我的主要兴趣全速前进急速停车是评估的性能驱动在象限两再生。为了这个例子中,我创建了一个程式化的分段线性转矩速度曲线,在那里你可以看到一个入侵象限在急速停车两个回旋余地。另一件我想做的就是大大压缩机动的时间,所以我们可以看到响应在一个合理的时间。
正如你所看到的在这张幻灯片,我们希望看到一个象限中电力再生两个入侵。所以让我们回到仿真模型。我刚刚听到它完成。我们会看看仿真数据检查员更多细节。
这是权力,我们看到负面力量在18至20秒。我们现在选择轴的速度。你可以看到在18 - 20秒,我们仍在积极的旋转,然后反转之后。这是我们希望看到的转矩速度概要我使用。所以我们确认推进电动机模块响应功能是正确的对于这个场景。
看着发电模块的响应,我们看到零无功功率,因此功率因数的团结,交流和直流电源叠加。这证实了理想的AC / DC整流器的操作。还要注意,我们一点光的功率输出在再生期间全速前进急速停车。我们不去消极,有足够的辅助系统中负载吸收再生的力量,但是我们肯定会想探索维护发电机的基本负载的选择,也许使用能源存储系统。
看着阶段电流从发电模块,我们看到的需求是适当的,我们没有谐波,我们期望。
燃料装载控制实现的,我们也可以确认责任周期响应。特别是,我们确认我们看到双驼峰的占空比我们预计,当使用空间矢量调制。
我们这里看的是任务执行时间模型。我们可以看到两个利率。基准利率是25微秒。这就是我们在模拟电子系统。从这,我们可以看到,任务执行时间是圆的大约10微秒。所以我们有足够的开销在电反应。
Sub-rate之一,这是0.2毫秒,控制系统。所以当这个模型只部署的物理系统模型中,我们可以看到,当时间是正确的硬件在环测试,我们连接物理硬件和设置了适当的沟通渠道,我们有足够的开销。
在本节中,我们将讨论的发育与晶闸管整流器中压电力系统直流船上。我设计这个模型使用模型参考。这意味着,我创建了一个独立的励磁系统模型和一个独立的电力系统模型。
有几个好处使用模型参考。首先,我们可以有不同的工程团队在系统的不同部分,而不需要访问完整的系统模型。第二,可以评估不同的部分在测试中,它提供了一种更有效的途径验证不同组件的操作在一个测试环境控制。第三,使用仿真软件实时和S金宝apppeedgoat,我们可以将每个模型引用分配给一个单独的并发执行的核心。
因此,这提供了用户定义的灵活性,一个模型可以跨多个核心架构实时仿真。在模型参考为实时并发执行是非常重要的,我应该注意到这个特殊的模型只是为桌面模拟,因为它的时间步长为1微秒以1:1的模型描述的ESR直流文档。
这是AC1A模型。请注意,我定义不同的样品时间控制系统和电气系统,控制系统运行以较慢的速度。我们可以强调模型中的不同样品时间。实际上,我打开模型显示更清楚。
所以我们去调试,然后信息覆盖。我已经有了颜色和文本在这里玩。我也可以选择传奇。所以我们看到,我们有两个样品在我们的模型中,D1, 1微秒,相关电气系统,和D2,有关控制系统,它是0.2毫秒。
如果我看AC1A,我们可以看到,我们使用速度过渡块来管理数据传输在不同样品的时间。所以我们有D1, D2, D2 D1。
我现在打开电气系统。这个模型有可控硅整流器,交流系统运行在240赫兹,但这个模型将运行故障的情况下,断层是位于下方的AC DD断路器带一个端口交换机。应用断层在0.2秒,持续时间是0.1秒。
现在让我深入到发电模块。注意,因为我运行仿真只有很短时间,我拿着发电机的速度常数为60赫兹的机械。发电机已经给我们240赫兹电四极对。长期持续的模拟,我们期望看到一个机电动态响应,我们可以很容易地添加燃气轮机模型来捕捉适当的动态响应。注意这里我们有晶闸管变流器,这里我们有点火电路,有直流电压控制,调整适当的点火角来维持12千伏。
我现在打开模拟数据检查员所以我们可以看看一些反应。首先,我们来看看交流电流的PGM 2。我们来看看这三个阶段。我只会放大并开始正常操作。
我们看到的是一个干净的six-pulse响应。对于那些用敏锐的眼睛,我们也可以看到发射角激活。这种反应符合我们的预期。如果我只是放大出来,还要注意应用故障时电流的增加。
接下来,我们将看看电流流经区域的左舷配电盘。我就放大了断层区域。
这些反应也与预期相一致,你就会看到类似的结果这些人直流文档所示。你不会看到一个完美的比赛,因为我已经做了一些假设在我的模型的创建,所以会有一些功能模型的差异,但总体的反应是兼容的。
在本节中,我们将讨论发育中压电力系统直流船上,我们实现了一个热冷却电机与活跃。在这个例子中,一个热力循环和热流体冷却系统被添加到永磁同步电机,它是作为推进(听不清)。让我打开模型,我们将仔细看看这个。
永磁同步电动机,我们能够使热港口定子线圈,哈,HB, HC,转子,人力资源。热电路——我就打开了。热电路包括传导和对流,热液循环冷却回路使用简单的管结构。我们有一个泵,我们如果一定温度已超过激活。
我应该注意我的热力系统显示反应只有几秒钟的模拟。在这方面,参数化,而人为的,不应作为代表实际的船舶推进系统的热力系统。然而,我们可以使用这个模型的建模结构作为一个代表性的例子是用来模拟这样一个系统。
通过仿真软件信号热电路连接。金宝app我先双击其中之一。所以我们可以看到,我们是整个模型边界转移能量,转移热流率在一个方向上,温度在另一个方向。金宝app你在这里看到的,我们有速度过渡块。
通过这样做,我们可以设置热系统的样本时间低于样品的电气系统。可以模拟不同的物理网络在不同的样本,因为热时间常数远大于电气时间常数。我们还将看到如何建模构造允许我们实时模拟该模型。
但我们继续之前,我先给你热的解算器配置系统。我使用向后欧拉用一个非线性迭代。所以热方程更复杂的比电方程。在这种情况下所以我需要使用向后欧拉。我不能用分区求解程序。
因此我希望一些计算开销,因为,但因为我以较慢的速度运行,然后我不应该妥协。我将向您展示更多细节。
我们在这里看到的是定子线圈的热响应阶段,有或没有热冷却。红的反应是没有热冷却,和绿色是热冷却。所以我们引发热冷却系统约56摄氏度。如前所述,我爬过与这个新系统特定的热响应只有几秒钟。这些反应说明。
我们在这里看到的是任务执行时间当我们使用仿真软件实时和Speedgoat运行这个系统。金宝app注意,热力系统,样品1毫秒的时间,运行在一个核心,电气系统,样品时间为25微秒,运行在另一个核心。
这里有两件事需要注意。首先,系统运行实时轻松利用两个核心。其次,我们不可能实现实时如果我们跑25微秒的热力系统。注意,热力系统的任务执行时间需要至少四个电时间的步骤。实现实时,这对我们来说是必要的分裂模型与两种不同的样品时间和使用两个核。
最后一点要注意的是,因为热时间常数大于电气时间常数,我们没有破坏模拟精度通过使用两个示例。
总而言之,模型保真度密切相关的技术准备。低水平的模型保真度可以有效地用于运行快速模拟,给见解广泛操作响应和组件上浆,而更高层次的忠诚给你具体信息技术选择你。富达启用实时仿真通过选择适当的模型,建模体系结构和不同的样品时间不同的模型元素。
最后,多域仿真越来越重要,例如,包含热建模与电气组件,您可以开发主动冷却回路。
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