一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及仿真領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)及方法。風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置包括仿真計(jì)算機(jī)、采集轉(zhuǎn)換模塊，仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)將仿真模擬參數(shù)傳送給采集轉(zhuǎn)換模塊，采集轉(zhuǎn)換模塊將仿真模擬參數(shù)轉(zhuǎn)換為IO信號(hào)傳送給外部的實(shí)物控制器進(jìn)行采集處理，實(shí)物控制器處理后將控制信號(hào)發(fā)送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊，采集轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)信息傳送給仿真計(jì)算機(jī)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中代碼執(zhí)行效率低，可靠性、通用性差的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)本發(fā)明的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)、方法，可實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)仿真模型與外部之間直接的數(shù)字交互，省略了代碼生成、下載等步驟，簡(jiǎn)化了流程，提高了效率，且可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真。
【專利說(shuō)明】
一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)及方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，仿真理論以及基礎(chǔ)工具也不斷創(chuàng)新。在當(dāng)今工業(yè)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)仿真技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的可靠性，縮短研發(fā)周期，降低測(cè)試成本已經(jīng)成為了一種新的潮流。半實(shí)物仿真技術(shù)作為仿真技術(shù)的一種特例被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中。而當(dāng)前半實(shí)物仿真技術(shù)多基于常用的仿真計(jì)算軟件為 Matlab/Simulink自動(dòng)代碼生成技術(shù)，該方法將仿真平臺(tái)劃分為3個(gè)部分，如圖1所示: Matlab/Simul ink/RTW，仿真目標(biāo)機(jī)，Labview監(jiān)控界面，其仿真執(zhí)行流程可分為兩個(gè)階段， 代碼生成階段，系統(tǒng)控制階段。在代碼生成階段，Simulink實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)RTW工具自動(dòng)生成仿真目標(biāo)機(jī)中可以運(yùn)行的代碼，然后將其下載到仿真目標(biāo)機(jī)中，將控制權(quán)交給仿真硬件，進(jìn)入系統(tǒng)控制階段;系統(tǒng)控制階段，由仿真目標(biāo)機(jī)執(zhí)行仿真程序，通過(guò)Labview設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面，對(duì)實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與參數(shù)調(diào)整等工作。
[0003]由上可知，現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)通常存在以下缺陷:
[0004]1、生成的代碼執(zhí)行效率不高，可讀性差;2、通用性差，針對(duì)不用的硬件需要開(kāi)發(fā)不同的TLC(目標(biāo)語(yǔ)言編譯器)文件;3、資源利用率低，Simulink完成建模后即被停止使用，轉(zhuǎn)而額外開(kāi)發(fā)Labview監(jiān)控界面，降低了開(kāi)發(fā)效率;4、仿真目標(biāo)機(jī)需要執(zhí)行仿真模型程序、10 管理程序、Labview軟件的支撐程序，其任務(wù)量大，可靠性降低。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷問(wèn)題，本發(fā)明提供一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)、系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，包括仿真計(jì)算機(jī)和采集轉(zhuǎn)換模塊，所述仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)將仿真模擬參數(shù)傳送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊，所述采集轉(zhuǎn)換模塊將所述仿真模擬參數(shù)轉(zhuǎn)換為10信號(hào)傳送給外部的實(shí)物控制器進(jìn)行采集處理，所述實(shí)物控制器處理后將控制信號(hào)發(fā)送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊，所述采集轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)信息傳送給所述仿真計(jì)算機(jī)。
[0007]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述通訊接口可以是以太網(wǎng)接口、串口或USB接口，優(yōu)選為以太網(wǎng)接口。
[0008]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述采集轉(zhuǎn)換模塊包括通信管理單元，A10模塊單元、D10模塊單元、CAN模塊單元和程控電阻模塊單元，所述通信管理單元通過(guò)以太網(wǎng)分別與所述A10模塊單元、D10模塊單元、CAN模塊單元和程控電阻模塊單元連接。
[0009]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述以太網(wǎng)采用UDP協(xié)議或TCP/IP協(xié)議。[0〇1〇]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述A10模塊單元、D10模塊單元、CAN模塊單元和程控電阻模塊單元均采用FPGA芯片為控制器。[0〇11] 對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述通信管理單元采用PowerPC 828x芯片+ Vxworks操作系統(tǒng)，也可以直接采用FPGA，但是其程序管理方面不及本方實(shí)施例高效。
[0012]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述仿真計(jì)算機(jī)包括仿真軟件，所述仿真軟件搭建仿真數(shù)學(xué)模型，所述仿真軟件包括A10模塊庫(kù)文件、D10模塊庫(kù)文件、CAN模塊庫(kù)文件和程控電阻模塊庫(kù)文件，所述A10模塊庫(kù)文件、D10模塊庫(kù)文件、CAN模塊庫(kù)文件和程控電阻模塊庫(kù)文件分別封裝有與所述A10模塊單元、D10模塊單元、CAN模塊單元和程控電阻模塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通信協(xié)議。
[0013]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述A10模塊庫(kù)文件包括AI模塊和A0模塊，AI模塊設(shè)有模塊輸入口，用于將采集的外部數(shù)據(jù)傳遞給仿真軟件處理，所述A0模塊設(shè)有模塊輸出口，用于將仿真參數(shù)傳送給外部的實(shí)物控制器。[〇〇14]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述D10模塊庫(kù)文件包括DI模塊和D0模塊，DI模塊設(shè)有模塊輸入口，用于將采集的外部數(shù)據(jù)傳遞給仿真軟件處理，所述D0模塊設(shè)有單通道和多通道輸出模式，用于將仿真參數(shù)傳送給外部的實(shí)物控制器。
[0015]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述CAN模塊庫(kù)文件包括CAN發(fā)送模塊和CAN接收模塊，CAN發(fā)送模塊用于向總線上發(fā)送CAN數(shù)據(jù)，CAN接收模塊設(shè)有數(shù)據(jù)輸入口，用于接收接口號(hào)。[〇〇16]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述程控電阻模塊庫(kù)文件包括電阻輸入端口， 用于輸入電阻值。
[0017]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述程控電阻模塊單元包括以太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)通信芯片、主控芯片、驅(qū)動(dòng)電路;所述以太網(wǎng)通信芯片通過(guò)以太網(wǎng)接口接收控制指令，并將所述控制指令傳輸給主控芯片;所述主控芯片根據(jù)控制指令對(duì)所述驅(qū)動(dòng)電路輸出控制信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)所述控制信號(hào)輸出電阻值。
[0018]本發(fā)明還提供一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括如上述所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置和實(shí)物控制器，所述風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置通過(guò)10接口與實(shí)物控制器連接。
[0019]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)半實(shí)物仿真，所述實(shí)物控制器為風(fēng)機(jī)主控器。
[0020]對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述仿真計(jì)算機(jī)搭建風(fēng)機(jī)輪轂系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、 變頻器系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)中至少一種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
[0021]本發(fā)明還提供一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真方法，包括以下步驟:[〇〇22]搭建仿真模型:在仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真軟件，仿真軟件模擬受控對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)；
[0023]仿真參數(shù)轉(zhuǎn)換:所述仿真軟件的運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為無(wú)限時(shí)間模式，仿真模型運(yùn)行參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議以及轉(zhuǎn)換硬件傳送給實(shí)物控制器；
[0024]仿真模型調(diào)節(jié):實(shí)物控制器將仿真處理后的數(shù)據(jù)反饋給仿真計(jì)算機(jī)，用于仿真計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)仿真模型狀態(tài)。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)及方法的有益效果為:
[0026]1、不同于基于代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)仿真軟件的直接搭建數(shù)學(xué)仿真模型，且對(duì)仿真軟件拓展了外部接口，通過(guò)該發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)仿真模型與外部控制器之間直接的數(shù)字交互，解決了現(xiàn)有技術(shù)中代碼執(zhí)行效率低，可靠性、通用性差的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)本發(fā)明的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)、方法可實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)仿真模型與外部之間直接的數(shù)字交互，省略了代碼生成、下載等步驟，簡(jiǎn)化了流程，提高了效率；
[0027]2、通過(guò)仿真軟件Simulink軟件拓展了 10信號(hào)、CAN信號(hào)、程控電阻控制器，可以實(shí)現(xiàn)Simulink中完成的數(shù)學(xué)仿真模型與外部控制器之間直接的數(shù)字交互，每個(gè)模型可以根據(jù)各自實(shí)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與輸入輸出關(guān)系具體建模，因此可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的半實(shí)物仿真， 擁有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。[0〇28 ]3、可以直接使用S imu 1 i nk中的監(jiān)控組件，節(jié)約了資源成本；[〇〇29]4、10收發(fā)管理部分交由底層10采集轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，提高了 Simul ink自身運(yùn)行的效率。
[0030]為了對(duì)本發(fā)明的上述及其他方面有更佳的了解，特舉以下較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下?！靖綀D說(shuō)明】
[0031]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。[〇〇32]圖1為現(xiàn)有風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真原理圖；
[0033]圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真運(yùn)行原理圖；[〇〇34]圖3是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真硬件結(jié)構(gòu)圖；[〇〇35]圖4是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖5是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中AI配置過(guò)程圖；
[0037]圖6是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中A0配置過(guò)程圖；
[0038]圖7是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中DI配置過(guò)程圖；
[0039]圖8是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中D0配置過(guò)程圖；
[0040]圖9是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中CAN發(fā)送模塊庫(kù)配置過(guò)程圖；
[0041]圖10是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中CAN接收模塊庫(kù)配置過(guò)程圖；[〇〇42]圖11是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中程控電阻配置過(guò)程圖；
[0043]圖12是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真方法流程圖；
[0044]圖13是本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真過(guò)程圖。
[0045]圖示說(shuō)明:10、風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置;1、仿真計(jì)算機(jī);11、A10模塊庫(kù)文件；12、D10模塊庫(kù)文件；13、CAN模塊庫(kù)文件；14、程控電阻模塊庫(kù)文件;2、采集轉(zhuǎn)換模塊;21、通信管理單元;22、A10模塊單元;23、D10模塊單元;24、CAN模塊單元;25、程控電阻模塊單元?！揪唧w實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng)對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制作用。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本文件的描述，可以對(duì)本文件中實(shí)施例中以及不同實(shí)施例中的特征進(jìn)行相應(yīng)組合。
[0047]本發(fā)明實(shí)施例如下，如圖2所示，一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置10,包括仿真計(jì)算機(jī)1、 采集轉(zhuǎn)換模塊2,所述仿真計(jì)算機(jī)1通過(guò)以太網(wǎng)將仿真模擬參數(shù)傳送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊2， 所述采集轉(zhuǎn)換模塊2將所述仿真模擬參數(shù)轉(zhuǎn)換為10信號(hào)傳送給外部的實(shí)物控制器3進(jìn)行采集處理，所述實(shí)物控制器3處理后將控制信號(hào)發(fā)送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊2,所述采集轉(zhuǎn)換模塊2經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)信息傳送給所述仿真計(jì)算機(jī)1。其中，所述通訊接口可以是以太網(wǎng)接口、串口或USB接口，優(yōu)選為以太網(wǎng)接口。[〇〇48]具體的，如圖3所示，采集轉(zhuǎn)換模塊2包括通信管理單元21，A10模塊單元22、D10模塊單元23、CAN模塊單元24、程控電阻模塊單元25,其中通信管理單元21通過(guò)以太網(wǎng)可以分別與A10模塊單元22、D10模塊單元23、CAN模塊單元24和程控電阻模塊單元25連接。采集轉(zhuǎn)換模塊2構(gòu)建以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，且具備可配置與可擴(kuò)展性，所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，A10模塊單元22、D10模塊單元23、CAN模塊單元24和程控電阻模塊單元25都通過(guò)底板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其中，所述以太網(wǎng)采用UDP協(xié)議或TCP/IP協(xié)議。[〇〇49] 優(yōu)選的，A10模塊單元22、D10模塊單元23、CAN模塊單元24和程控電阻模塊單元25 均采用FPGA芯片為控制器。
[0050]具體的，如D10模塊單元23主要電路可以劃分為三個(gè)部分:1、數(shù)字量輸入電路；2、 數(shù)字量輸出電路;3、輔助電路。其中數(shù)字量輸入電路:數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后，通過(guò)74HC14D對(duì)高低電平進(jìn)行判斷后，將結(jié)果送進(jìn)74HC65D，最終由FPGA將運(yùn)算得到的通道數(shù)值打包傳遞到 CPU模塊。模塊共有48路組輸入通道，其中32組固定輸入，16組可配置輸入;輸入電壓范圍0 ?5VDC，最大可采樣頻率lKHz。數(shù)字量輸出電路:與輸入信號(hào)相反，F(xiàn)PGA從CPU模塊中得到需要發(fā)送到外部的信號(hào)量后，將其送入MC74HC595D，此處使用它的并行輸出口，經(jīng)過(guò)VN340SP 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，輸出電路將電信號(hào)傳遞到外部。模塊共有48路組輸出通道，其中32組固定輸入，16組可配置輸出；輸出開(kāi)關(guān)頻率為lKHz，驅(qū)動(dòng)能力為0.7A。輔助電路:為了防止FPGA與信號(hào)電路之間產(chǎn)生干擾，在二者之間增加一個(gè)光耦隔離芯片PS9814,以達(dá)到隔離的目的；針對(duì)每個(gè)輸入輸出通道設(shè)計(jì)LED指示電路，用以輔助觀測(cè)電路當(dāng)前狀態(tài)。其中，74HC14D為六位反向施密特觸發(fā)器，其工作溫度范圍是_40°C?+125°C，針腳數(shù)是14,封裝類型是S0ICAPGA (FieId — Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 MC74HC5%D芯片是一種8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，具有高阻、關(guān)、斷三種狀態(tài)，可以直接清除100MHz的移位頻率輸出能力并行輸出，總線驅(qū)動(dòng)串行輸出，其中，移位寄存器和存儲(chǔ)器是分別的時(shí)鐘。
[0051]A10模塊單元22的整體設(shè)計(jì)主要包括1、模擬量輸入部分；2模擬量輸出部分；3、輔助電路三部分。模擬量輸入電路:輸入信號(hào)通過(guò)經(jīng)過(guò)通道選擇電路，得到各個(gè)通道的輸入信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放調(diào)理電路和通道模式選擇電路后，由FPGA控制AD模塊采樣運(yùn)算后得到對(duì)應(yīng)通道的模擬量值。每個(gè)模塊有8個(gè)輸入電路，采集范圍為:±10V、±1V電壓、0..20mA電流。模擬量輸出電路:FPGA首先將CPU給定的對(duì)應(yīng)輸出數(shù)值給到DAC，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后得到對(duì)應(yīng)輸出值，由通道選擇電路決定輸出通道，最后經(jīng)放大、調(diào)理和保護(hù)電路輸出。模塊提供8路輸出信號(hào)，范圍為±10V電壓，最大負(fù)載電流±3mA。輔助電路:同D10模塊單元23—樣，在FPGA與信號(hào)電路之間增加了一個(gè)光耦隔離芯片PS9814,用于防止干擾的產(chǎn)生。
[0052]CAN模塊單元24使得風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置可以與外部實(shí)物控制器進(jìn)行CAN通信。 CAN模塊單元24中的FPGA用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包與CAN數(shù)據(jù)幀之間的相互轉(zhuǎn)換功能，采用SJA1000 作為CAN控制芯片，采用CAN2.0B協(xié)議的格式對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送或者采集；由于SJA1000引腳工作電平為直流5V，而FPGA的工作電平為直流3.3V，因此二者之間增加SN74LVC16245，用于提供5V到3.3V之間的電平轉(zhuǎn)換;在CAN收發(fā)器上選擇帶隔離功能的ADM3053芯片;CAN模塊通過(guò)DB9公頭引出，供用戶使用。其中，SJA1000是一種獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制(CAN)，它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200CAN控制器BasicCAN的替代產(chǎn)品而且它增加了一種新的工作模式PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。
[0053]所述程控電阻模塊單元包括以太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)通信芯片、主控芯片、驅(qū)動(dòng)電路； 所述以太網(wǎng)通信芯片通過(guò)以太網(wǎng)接口接收控制指令，并將所述控制指令傳輸給主控芯片； 所述主控芯片根據(jù)控制指令對(duì)所述驅(qū)動(dòng)電路輸出控制信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)所述控制信號(hào)輸出電阻值。程控電阻用于模擬溫度傳感器，PT100溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中溫度參數(shù)的監(jiān)測(cè)，這是一種標(biāo)準(zhǔn)化儀表，其原理是將溫度的變化情況轉(zhuǎn)化成可傳送的輸出信號(hào)，以本發(fā)明實(shí)施例程控電阻模塊單元25采用FPGA芯片，MC74HC595芯片驅(qū)動(dòng)電路為例， FPGA芯片將仿真計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，通過(guò)一根串行信號(hào)線傳送到MC74HC595芯片的信號(hào)輸入端，MC74HC595芯片通過(guò)內(nèi)部的移位寄存器，經(jīng)8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，將信號(hào)輸出到程控電阻繼電器的線圈一端，通過(guò)控制串行數(shù)據(jù)的電平高低來(lái)達(dá)到控制線圈的通斷，通電后的線圈具有磁性，控制觸點(diǎn)的通斷，從而達(dá)到控制電阻阻值的目的，MC74HC595芯片能同時(shí)驅(qū)動(dòng)十六路的電阻輸出，在具體的應(yīng)用中可以模擬如電機(jī)定子溫度、氣隙溫度、冷卻栗溫度、外界溫度等，依據(jù)實(shí)際需求可以輸出16組電阻值。[〇〇54] 在本實(shí)施例中，通信管理單元21采用PowerPC 828x芯片+Vxworks操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)2種功能:1)為收集采集轉(zhuǎn)換模塊2中A10模塊單元22、D10模塊單元23、CAN模塊單元24、 程控電阻模塊單元25所采集的外部數(shù)據(jù)，并將其傳送到仿真計(jì)算機(jī)1;2)為接收仿真計(jì)算機(jī) 1的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換并傳遞到外部環(huán)境。通信管理單元21與A10模塊單元22、D10模塊單元23、 CAN模塊單元24、程控電阻模塊單元25之間采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，與仿真計(jì)算機(jī)1之間采用UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。[〇〇55]優(yōu)選的，如圖4所示，仿真計(jì)算機(jī)1包括仿真軟件，所述仿真軟件搭建仿真數(shù)學(xué)模型，所述仿真軟件包括A10模塊庫(kù)文件11、D10模塊庫(kù)文件12、CAN模塊庫(kù)文件13、程控電阻模塊庫(kù)文件14，其中A10模塊庫(kù)文件11、D10模塊庫(kù)文件12、CAN模塊庫(kù)文件13、程控電阻模塊庫(kù)文件14分別封裝有與A10模塊單元22、D10模塊單元23、CAN模塊單元24、程控電阻模塊單元 25進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通信協(xié)議。在本實(shí)施例中仿真軟件主要是利用Matlab/simulink軟件。 [〇〇56]進(jìn)一步的，A10模塊庫(kù)文件11包括AI模塊和A0模塊，AI模塊設(shè)有模塊輸入口，用于將采集的外部數(shù)據(jù)傳遞給仿真軟件處理，所述A0模塊設(shè)有模塊輸出口，用于將仿真參數(shù)傳送給外部的實(shí)物控制器。如圖5所示風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中AI配置過(guò)程圖，首先配置底板號(hào)，確定AI模塊所在的底板插槽，然后配置輸入通道號(hào)，接下來(lái)配置輸入?yún)?shù)的模式，共有 ±10V電壓模式、± IV電壓模式、0?20mA電流模式、溫度信號(hào)四種工作模式，最后是實(shí)際模塊的采樣時(shí)間。如圖6所示本發(fā)明之風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中A0配置過(guò)程圖，與AI模塊區(qū)別在于A0模塊輸出為了保證底層硬件模塊與仿真步長(zhǎng)的一致性，采用固定采樣時(shí)間，不予配置。
[0057]進(jìn)一步的，D1模塊庫(kù)文件12包括DI模塊和DO模塊，DI模塊設(shè)有模塊輸入口，用于將采集的外部數(shù)據(jù)傳遞給仿真軟件處理，如圖7所示本發(fā)明之風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真軟件中DI配置過(guò)程圖，首先配置底板號(hào)，然后配置通道模式，DI模塊有單通道與多通道輸入兩種模式， 在不同的輸入模式中配置相應(yīng)的通道號(hào)，最后是采樣時(shí)間設(shè)置。而D0模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊輸出端口，用于將仿真參數(shù)輸出到外界，也有單通道與多通道輸出模式，配置過(guò)程如附圖8 所示，與DI區(qū)別在于沒(méi)有采樣時(shí)間設(shè)置過(guò)程。
[0058]進(jìn)一步的，CAN模塊庫(kù)文件13包括CAN發(fā)送模塊和CAN接收模塊，CAN發(fā)送模塊用于向總線上發(fā)送CAN數(shù)據(jù)，CAN接收模塊設(shè)有數(shù)據(jù)輸入口，用于接收接口號(hào)。CAN發(fā)送模塊配置過(guò)程如圖9所示，將輸入數(shù)據(jù)分割為4個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)為2個(gè)字節(jié)，需要配置的參數(shù)為底板號(hào)，發(fā)送接口號(hào)。CAN接收模塊配置過(guò)程如附圖10所示，設(shè)計(jì)了4個(gè)數(shù)據(jù)輸出口，配置參數(shù)為底板號(hào)，接收接口號(hào)。
[0059]進(jìn)一步的，程控電阻模塊庫(kù)文件14包括一電阻輸入端口，用于輸入電阻值?；谝蕴W(wǎng)，可以根據(jù)模擬參數(shù)模擬適于實(shí)物控制器的所有溫度。程控電阻的配置流程如附圖11 所示，需配置的參數(shù)為模塊號(hào)與電阻號(hào)(一共16個(gè))，設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊輸入端口，用以輸入電阻值。本實(shí)施例中，每路程控電阻的分辨率為〇.25歐姆，電阻值輸出范圍為0.25-255.75歐姆。
[0060]本發(fā)明還提供一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括如上任意所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置10和實(shí)物控制器3,其中風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置10通過(guò)10接口與實(shí)物控制器3連接。
[0061]具體的，風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真，所述實(shí)物控制器為風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)。通過(guò)風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置可以通過(guò)Mat lab/simul ink軟件搭建所需要的各種數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)各行業(yè)的半實(shí)物仿真測(cè)試。[0〇62]在本實(shí)施例中，在仿真計(jì)算機(jī)1通過(guò)Matlab/simulink軟件搭建風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，其中輪轂系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；然后將對(duì)應(yīng)的模型需要傳遞的物理量通過(guò)10模塊進(jìn)行連接，比如輪轂系統(tǒng)采用CAN模塊與風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)連接，偏航系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)之間采用A10與D10模塊進(jìn)行連接，溫度系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)之間采用程控電阻模塊進(jìn)行連接;最后將Simulink設(shè)置為無(wú)限時(shí)間模式，運(yùn)行整體系統(tǒng)。通過(guò)此系統(tǒng)，可以使用風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)對(duì)仿真模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)控制，包含偏航、變槳、運(yùn)行發(fā)電、溫度監(jiān)控等全部功能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)半實(shí)物仿真運(yùn)行。[〇〇63]如圖12和圖13所示，本發(fā)明還提供一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真方法，包括以下步驟:[〇〇64]搭建仿真模型:在仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真軟件，仿真軟件模擬受控對(duì)象的運(yùn)行參數(shù);此處在仿真平臺(tái)中構(gòu)建的風(fēng)機(jī)仿真模型中包括:風(fēng)電機(jī)組模型、協(xié)議棧、CAN模塊、D10模塊、A10模塊、程控電阻部分。風(fēng)機(jī)仿真運(yùn)行主要過(guò)程為:首先風(fēng)速、風(fēng)向信號(hào)傳遞到輪轂?zāi)Ｐ椭?，然后輪轂?zāi)Ｐ蛶?dòng)電機(jī)模型發(fā)出電功率，傳遞到變頻器模型中，最后變頻器模型將發(fā)電機(jī)電功率轉(zhuǎn)換到模擬電網(wǎng)中。此過(guò)程中，風(fēng)機(jī)整機(jī)中發(fā)電機(jī)、變頻器、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等各個(gè)部分的運(yùn)行參數(shù)保持與實(shí)際情況一致。
[0065]其中輪轂?zāi)Ｐ桶儤Ｐ鸵约捌侥Ｐ?。變槳模型依?jù)風(fēng)機(jī)主控發(fā)送的變槳指令調(diào)節(jié)槳葉角度，調(diào)整風(fēng)輪捕獲的功率;偏航模型依據(jù)風(fēng)機(jī)主控發(fā)送的偏航指令調(diào)整迎風(fēng)角度，調(diào)節(jié)迎風(fēng)面。電機(jī)模型為2MW直驅(qū)式永磁電機(jī)。輪轂?zāi)Ｐ椭酗L(fēng)輪轉(zhuǎn)速、變槳電機(jī)槳葉角度等參數(shù)傳遞到CANOpen協(xié)議棧1中，然后經(jīng)CAN模塊轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)傳遞到風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的機(jī)艙部分。此外，偏航電機(jī)的的偏航角度、偏航剎車壓力等參數(shù)通過(guò)D1、A1模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，傳遞到風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的機(jī)艙部分。發(fā)電機(jī)定子溫度、氣隙溫度等參數(shù)通過(guò)程控電阻轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PT100信號(hào)，傳遞到風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的機(jī)艙部分。
[0066]其中變頻器模型包括發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換模型，變頻器冷卻系統(tǒng)模型等部分。由風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)控制變頻器的工作模式轉(zhuǎn)換。變頻器模型將有功功率、電壓、電流、IGBT溫度等參數(shù)傳遞到CANOpen協(xié)議棧2中，經(jīng)CAN模塊轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)傳遞風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的塔基部分。此夕卜，變頻器冷卻系統(tǒng)中的冷卻栗開(kāi)關(guān)、冷卻風(fēng)扇開(kāi)關(guān)、冷卻栗壓力值等參數(shù)由D10、A10模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，傳遞到風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的塔基部分。塔基溫度、塔基控制柜溫度等參數(shù)通過(guò)程控電阻模塊轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PT100信號(hào)，傳遞到風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的塔基部分。
[0067]仿真模型(參數(shù))運(yùn)行:將所述仿真軟件的運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為無(wú)限時(shí)間模式，仿真模型運(yùn)行參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議以及轉(zhuǎn)換硬件傳送給實(shí)物控制器;此處設(shè)定simulink的模型仿真運(yùn)行時(shí)間為無(wú)限時(shí)間模式，啟動(dòng)運(yùn)行。
[0068]仿真模型調(diào)節(jié):實(shí)物控制器將仿真處理后的數(shù)據(jù)反饋給仿真計(jì)算機(jī)，用于仿真計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)仿真模型狀態(tài)。此處在風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的HMI上操作啟動(dòng)按鈕，觀測(cè)風(fēng)機(jī)槳葉角度變化以及功率轉(zhuǎn)化狀態(tài)。[〇〇69]通過(guò)實(shí)施本發(fā)明具體實(shí)施例描述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)及方法，可以達(dá)到以下技術(shù)效果:
[0070]1、不同于基于代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)仿真軟件的直接搭建數(shù)學(xué)仿真模型，且對(duì)仿真軟件拓展了外部接口，通過(guò)該發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)仿真模型與外部控制器之間直接的數(shù)字交互，解決了現(xiàn)有技術(shù)中代碼執(zhí)行效率低，可靠性、通用性差的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)本發(fā)明的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置、系統(tǒng)、方法可實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)仿真模型與外部之間直接的數(shù)字交互，省略了代碼生成、下載等步驟，簡(jiǎn)化了流程，提高了效率；
[0071]2、通過(guò)仿真軟件Simulink軟件拓展了 10信號(hào)、CAN信號(hào)、程控電阻控制器，可以實(shí)現(xiàn)Simulink中完成的數(shù)學(xué)仿真模型與外部控制器之間直接的數(shù)字交互，每個(gè)模型可以根據(jù)各自實(shí)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與輸入輸出關(guān)系具體建模，因此可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的半實(shí)物仿真， 擁有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。[0〇72 ]3、可以直接使用S imu 1 i nk中的監(jiān)控組件，節(jié)約了資源成本；[〇〇73]4、10收發(fā)管理部分交由底層10采集轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，提高了 Simul ink自身運(yùn)行的效率。[〇〇74]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，包括仿真計(jì)算機(jī)、采集轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于，所述仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊接口將仿真模擬參數(shù)傳送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊，所述采集轉(zhuǎn)換模塊將所述仿真模擬參數(shù)轉(zhuǎn)換為1信號(hào)傳送給外部的實(shí)物控制器進(jìn)行采集處理，所述實(shí)物控制器處理后將控制信號(hào)發(fā)送給所述采集轉(zhuǎn)換模塊，所述采集轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)信息傳送給所述仿真計(jì)算機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述采集轉(zhuǎn)換模塊包括通信管理單兀，模擬量輸入輸出單兀、數(shù)字量輸入輸出單兀、CAN模塊單兀、程控電阻模塊單元，所述通信管理單元通過(guò)以太網(wǎng)分別與所述A1模塊單元、D1模塊單元、CAN模塊單元、程控電阻模塊單元連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述A1模塊單元、D1模塊單元、CAN模塊單元、程控電阻模塊單元均采用FPGA芯片為控制器。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述仿真計(jì)算機(jī)包括仿真軟件，所述仿真軟件搭建仿真數(shù)學(xué)模型，所述仿真軟件包括A1模塊庫(kù)文件、D1模塊庫(kù)文件、CAN模塊庫(kù)文件和程控電阻模塊庫(kù)文件，所述A1模塊庫(kù)文件、D1模塊庫(kù)文件、CAN模塊庫(kù)文件和程控電阻模塊庫(kù)文件分別封裝有與所述A1模塊單元、D1模塊單元、CAN模塊單元和程控電阻模塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通信協(xié)議。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述A1模塊庫(kù)文件包括Al模塊和AO模塊，Al模塊設(shè)有模塊輸入口，用于將采集的外部數(shù)據(jù)傳遞給仿真軟件處理，所述AO模塊設(shè)有模塊輸出口，用于將仿真參數(shù)傳送給外部的實(shí)物控制器。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述D1模塊庫(kù)文件包括DI模塊和DO模塊，DI模塊設(shè)有模塊輸入口，用于將采集的外部數(shù)據(jù)傳遞給仿真軟件處理，所述DO模塊設(shè)有單通道和多通道輸出模式，用于將仿真參數(shù)傳送給外部的實(shí)物控制器。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述CAN模塊庫(kù)文件包括CAN發(fā)送模塊和CAN接收模塊，CAN發(fā)送模塊用于向總線上發(fā)送CAN數(shù)據(jù)，CAN接收模塊設(shè)有數(shù)據(jù)輸入口，用于接收接口號(hào)；或者，所述程控電阻模塊庫(kù)文件包括電阻輸入端口，用于輸入電阻值。8.根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置，其特征在于，所述程控電阻模塊單元包括以太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)通信芯片、主控芯片、驅(qū)動(dòng)電路;所述以太網(wǎng)通信芯片通過(guò)以太網(wǎng)接口接收控制指令，并將所述控制指令傳輸給主控芯片;所述主控芯片根據(jù)控制指令對(duì)所述驅(qū)動(dòng)電路輸出控制信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)所述控制信號(hào)輸出電阻值。9.一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置和實(shí)物控制器，所述風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真裝置通過(guò)1接口與實(shí)物控制器連接；或者，所述風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)半實(shí)物仿真，所述實(shí)物控制器為風(fēng)機(jī)主控器;或者，所述仿真計(jì)算機(jī)搭建風(fēng)機(jī)輪轂系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)中至少一種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。10.一種風(fēng)機(jī)半實(shí)物仿真方法，其特征在于，包括以下步驟: 搭建仿真模型:在仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真軟件，仿真軟件模擬受控對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)； 仿真參數(shù)轉(zhuǎn)換:所述仿真軟件的運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為無(wú)限時(shí)間模式，仿真模型運(yùn)行參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議以及轉(zhuǎn)換硬件傳送給實(shí)物控制器；仿真模型調(diào)節(jié):實(shí)物控制器將仿真處理后的數(shù)據(jù)反饋給仿真計(jì)算機(jī)，用于仿真計(jì)算機(jī) 調(diào)節(jié)仿真模型狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK106019984SQ201610355868
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】劉小舟, 詹俊, 申超, 王紀(jì)新
【申請(qǐng)人】湖南優(yōu)利泰克自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司