格雷厄姆·达金,数学工厂
学习如何建立不同逼真度的电动船舶结构模型,以达到一定的工程目标。通过一个双区MVDC舰载电力系统的工作示例,本演示将逐步指导您如何将模型保真度与工程任务保持一致,并为桌面和实时仿真建模构造提供指导。多领域物理建模也将通过考虑热响应和推进系统的主动冷却进行探索。
请在此下载与本次网万博1manbetx络研讨会相关的Simulink模型链接.
各位好。我叫格雷厄姆·达金,是MathWorks电气技术部的首席产品经理。在本演示中,我想与大家分享一些关于电动船舶体系结构建模和仿真的信息,包括桌面和实时仿真。在整个演示过程中,我将使用一个两区中压直流船用电源系统的工作示例。
我想承认,在这次演讲中描述的模型是基于电力船舶研究和发展联盟提供的信息。你可以点击这里的链接了解更多信息。虽然在我所开发的模型中,系统架构和物理参数已经尽可能地得到了尊重,但在某些组件和控制算法的实现方面的差异是可以预期的。因此,本次演示的模拟结果应该被视为具有代表性,而不是提供一个精确的工程匹配。
我将首先讨论模型保真度和技术准备度之间的关系。这将有助于根据我们在技术开发周期中所处的位置,为我们从模型保真度做出的选择设定一些背景。接下来,我将介绍Simscape局部解算器,如何使用它,以及它与Simulink全局解算器的关系。万博1manbetx
然后,我将概述如何为多域物理系统模型的不同部分使用不同的示例时间。在考虑实时模拟时,这一点尤为重要。然后我将更详细地讨论两区中压直流船载电力系统。我将讨论许多变体,从直流等效系统到在推进电机上结合热响应和主动冷却的系统。最后我将总结一下。
在本节中,我将讨论模型逼真度和技术准备度之间的关系。技术准备水平量表,或称TRL量表,最初是由NASA开发的,用于量化给定技术在给定发展阶段的成熟度。TRL 1是你的顿悟时刻,你有了最初的想法并开始进行基础研究。TRL 9是你拥有成熟的服务技术的地方。
TRL尺度可以有一些解释。换句话说,一个人的TRL 5可能是另一个人的TRL 6。但量表始终遵循关键的发展属性,你可以在左边看到。为特定的TRL编号分配技术属性通常是由从事技术工作的工程团队完成的。
如果我们首先考虑桌面模拟的模型保真度,那么我们通常会看到不同的模型保真度级别在不同的技术准备水平下出现。当你开始基础研究时,你会有低保真度的模型。例如,您可能有一些具有基本功能的模型,因为它传递一些高级系统信息,例如功率流和组件大小,但这些信息与技术无关,这意味着这些模型不捕获特定的技术特征。
随着技术的成熟,将创建捕获更多特定技术属性的仿真模型。例如,您可以将实际技术类型的模型(如永磁同步电机)与磁场定向控制相结合。但在中等保真度阶段,您可能仍然没有物理组件和控制组件的供应商特定信息。
高保真仿真模型将具有特定于供应商的架构,包括物理组件和控制系统架构的特定参数化。该模型还可能包括详细的电力电子、热力和冷却系统以及通信协议。
注意,所有的保真度级别都可以跟踪到TRL 9。这样做的原因是,随着技术的成熟,您可以开发具有不同细节级别的模型,这些模型不仅支持您的技术的实现,而且还可以用于指导技术人员,作为操作员培训模拟器,或作为数字双胞胎。万博1manbetx每个应用程序都需要不同级别的模型细节。
我们可以采取的另一种观点是将桌面模拟、实时测试和生产实现作为技术评级的函数来探索。当我们看到这个观点时,最初的去风险和可行性评估通常是在桌面进行探索,然后转移到实时测试环境中,[听不清]在循环和快速控制原型进行进一步的去风险控制算法和物理架构。
生产阶段是在实际生产硬件上部署算法的阶段。这就是直接部署到目标的自动热电联产可以提供显著的好处、验证和验证,因为你接近完整的系统部署。
在本演示中,我将只考虑TRL 1到4,在考虑在没有任何硬件接口的实时平台上部署物理系统模型时,对TRL 4略作改动。我应该注意,这是我自己对TRL映射的解释,只是为了说明。
现在让我们看一个机电驱动的典型例子,并考虑建模属性如何与技术准备情况相关。这里我需要指出的是,这是一个基于我自己判断的说明性例子,不应该被视为一个严格的映射。但是它将为建模细节如何随着技术准备的发展而发展提供一些背景。
我们从一个理想的机电驱动开始。这是我们的最低保真度,电压和速度、电流和扭矩之间的关系由一个比例常数定义。在这个模型中,我们使用占空比输入的平均值变换器来设置直流电压水平。占空比与特定的电压有关,因此与特定的速度有关。所以我们不需要反馈控制系统来进行速度控制。
有了这个模型,我们可以设置更大的时间步长来实现更快的仿真,但是我们只能获得高级别的信息电压和电流,并且没有特定的技术特征。因此,我们可以将此模型视为TRL 1。
接下来,我们可以包括一个更详细的电机,在这种情况下,一个线性永磁同步电机。我们包括一个平均值转换器,它直接比较占空比和电压波形。所以我们还没有引入电力电子开关。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,一个磁场定向控制器的速度控制。我们可以进行快速的设计迭代。由于我们引入了一种技术类型,并建立了一个更有代表性的控制系统,我们可以将这个模型称为TRL 2。
接下来,我们可以介绍一种开关线性变换器与双功率电子开关。利用该模型,我们引入了特定的PWM开关算法,并验证了反馈控制系统在开关存在的情况下能够有效地运行。我们还可以初步了解开关谐波对电压和电流的影响。当我们正在执行降低控制算法的风险和引入更多特定于技术的行为时,我们可以将这个模型视为TRL 3。虽然这个示例相当基础,但我希望随着技术准备的发展,它传达了一些模型保真性的考虑。
在本节中,我将解释Simscape Local Solver和Simulink Global Solver之间的关系,以及这些设置如何影响模拟性能和准确性。万博1manbetx通过在Simscape求解器配置块上选择局部求解器,采用固定步长对Simscape网络进行仿真,并将Simscape网络作为一个离散系统呈现在Simulink中。万博1manbetx如果取消选择局部求解器,则使用全局Simulink求解器模拟Simscape模型。万博1manbetx稍后,我将展示一个说明性示例来阐明这些要点。
有三种局部求解器类型:反向欧拉、梯形规则和分割。分区求解器将Simscape网络的整个方程组转换成几个较小的切换线性方程组,这些方程组通过非线性函数连接。这可以为某些网络带来更快的模拟。
需要注意的是,并不是所有的网络都可以使用Partitioning求解器进行模拟。例如,高度非线性系统和/或刚性系统可能需要一些调整,然后才能使用分区求解器。我不应该讲求解器选择,我应该展示实际操作。我举个例子。
在这个模型中,我有一个简单的直流电路和一个理想的开关,提供一个电阻负载。通过载波频率为5千赫兹,调制波为60赫兹的脉宽调制来控制开关。电路有两种版本。左边的电路使用Simulink全局求解器。万博1manbetx
我的意思是,我会用求解器打开模型配置参数,我们现在设置了变量步长离散。这意味着左边的Simscape模型将使用变量状态离散解算器进行更新,尽管它的名称是连续解算器,因为它可以检测零交叉或不连续。
右侧的圆使用Simscape局部解算器。我们在这里看到,在解算器配置中,我选择了使用本地解算器。在这种情况下,我使用分区解算器。
让我拿出左边模型的解算器构型。我没有选择本地解算器。因此,它使用Simulink全局求解器。万博1manbetx因此,使用Partitioning求解器对右边的Simscape模型进行了更新,并将Simscape模型作为一个离散系统呈现在Simulink中。万博1manbetx
注意,电压测量在本地解算器电路中被突出显示为D1,这意味着它是离散的。注意左边的测量值是C-O-N-T,连续的。最后,注意两个PWM发生器使用Simulink全局求解器,因为它们是Simulink模型。万博1manbetx你可以看到PWM信号被标记为F-I-M。这意味着固定在小时间步长,这是一个连续信号。
这意味着什么呢?我们首先来看PWM信号。你可以看到,全局解算器准确地捕获了脉冲宽度,因为它被配置为检测零交叉,这意味着它可以检测非常小的脉冲宽度。
现在我们来看看电压的测量。黄色使用局部求解器跟踪电压测量,蓝色使用全局求解器跟踪电压测量。注意,我们在电压测量中看到了不同。让我们放大一点。
您可以看到,尽管使用全局求解器的电压响应准确捕获脉冲宽度,但使用局部求解器的电压响应无法捕获小于定义的采样时间的脉冲宽度,在本例中为50微秒。
对于给定的局部求解器设置,需要工程判断来确定模拟速度和精度之间的权衡。作为一般规则,您需要将Simscape设置为本地求解器,以便部署到实时系统,如速度[听不清]。
在本节中,我们将探讨如何配置一个模型,以便为不同的物理网段使用不同的示例时间。前提是这样的。当我们构建一个包含不同物理域的物理系统模型时,我们认识到,对于有效执行来说,跨整个网络的单个样本时间可能不是最佳的。
例如,如果我们有一个只有一个采样时间的电热系统,我们必须设置该采样时间,以准确捕捉最快的动态,这将与本例中的电气系统有关。热时间常数通常比电时间常数慢得多。因此,我们将对模型的热部分进行过采样,从而降低模拟速度。
但是,通过拆分电气和热力系统并通过Simulink信号将其连接,我们可以为每个模型段分配单独且更合适的采样时间。这里显示的示例显示了一种拆分物理系统的方法,使用热万博1manbetx端口进行说明。你们可以看到,为了平衡能量流,我们在边界上传递热流和温度。
您可以在解算器配置块中设置不同的采样时间,两个网络之间的物理信息由速率转换块管理。在这个特定的示例中,左侧是在D3处采样,右侧是在D1处采样。对于这个例子,哪个比另一个快并不重要。关键是我们可以使用速率转换块来管理信息交换。当我们使用热电机模型探索两区中压直流船用电力系统时,我将展示更多细节。
在本节中,我们将讨论两区中压直流船载电力系统的直流等效系统模型。你在这里可以看到的是双区中压直流系统的Simscape模型。对于熟悉该系统的人来说,您会注意到它与ESR DC出版物中的系统图非常相似。
我在这里还配置了交换机断路器,根据它们的状态用颜色编码,红色表示关闭,绿色表示打开。通过这种方式,我们可以快速看到系统的配置。电源模块PGM 1和PGM 2在电压降上被建模为直流电源。并将推进电机模块PMM建模为单个受控电流源。
这里,我们看到一个电压下降的表示,它是用来控制两个发电模块之间的功率共享。您也可以使用功率下垂来实现相同的功率共享响应。让我打开模型,这样我们就可以看看这个系统并进行模拟。
让我先看看推进电机模块下面。你们可以看到,我有一个受控的电流源,他们假设一个基于12千伏的理想功率运行。让我打开电源参考。你可以看到我正在将功率提升到40兆瓦。我现在将运行模拟。
由于两个原因,50秒的模拟运行得非常快。第一,我可以把样本时间设置得很大。在本例中,我使用的是5毫秒,不过如果需要,我也可以增加。第二,我用的是分区求解器,它是最快的局部求解器。如果我进入PGM 2,这就是求解器构型。你们可以看到我用一个非线性迭代建立了分割。这是最快的解算器配置。
我现在打开模拟数据检查器。我们可以看看两代模块的功率输出。注意PGM 2的功率,也就是这里的浅蓝色,提供的功率是发电机1的两倍。这是因为我将PGM 2的下垂度设为PGM 1的一半。所以从功能的角度来看,我看到了我所期望的权力分享反应。
现在让我们快速地把下垂值设成相同的,这样我就可以证明两个发电机提供的功率相等。我先关闭模拟数据检查器。双击这里。我们在这里设置了2.5%的下降,用适当的比例因子。我要把它设为5%来匹配PGM 1,然后我们再运行一次。
好了,模拟完成了。我们现在回去吧。现在你可以看到,这两种力量是重叠的。因此,在功能上,我们看到了预期的反应。因此,通过实现DC等效模型,我们能够运行非常快速的模拟来测试功能响应。
在本节中,我们将讨论具有理想AC/DC整流的中压直流船用电力系统中的两个区域。利用该模型,我们引入了交流发电和控制。每台发电机由凸极同步电机、GAST燃气轮机和AC1A励磁机组成。
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,我想保持直流电压在12千伏,只有电压降影响电压设定点。第二,我希望功率转换器的交流终端的功率因数是统一的。第三,我想要理想的整流,意思是没有开关谐波。
作为旁注,我并没有在创建理想的转换器时考虑到故障研究。其目的是评估系统的功能响应,并确保在正常运行期间适当捕获交流和直流系统之间的功率流。为了使用此模型进行故障研究,我需要进行一些调整以正确捕获故障行为。在下一节中,我们将看到晶闸管整流,我们可以很容易地评估故障响应,因为晶闸管的风险,他们的模型被配置为这样的研究。
不同于直流等效模型,其中推进电机模块是一个受控的电流源,我将PMM建模为具有磁场定向控制的永磁同步电机。我这样做是为了增加整个系统的保真度,同时我也可以评估更广泛的操作响应。特别是,我想模拟一个程式化的全头部碰撞停止。
我来模拟一下这个模型。然后,我将回到幻灯片,以提供更多关于全速急停配置文件的细节。
这就是模型。我现在要做的就是运行这个模拟。在设置和运行的同时,我现在要回到幻灯片。我们将在稍后看到模拟结果。
我对全速急停的主要兴趣是评估象限二再生过程中驱动器的性能。出于本例的目的,我创建了一个程式化的分段线性扭矩速度曲线,在这里您可以看到在紧急停止机动期间进入象限二的情况。我做的另一件事是极大地缩短了机动的时间周期,这样我们就能在合理的时间内看到反应。
正如你们在这张幻灯片中看到的,我们希望在象限二入侵时看到再生能量。让我们回到模拟模型。我刚刚听到它结束了。我们将看一下模拟数据检查器的更多细节。
这是能量,我们在18到20秒之间看到负能量。现在我们将选择轴速度。你可以看到,在18到20秒之间,我们仍然在正旋转,但在那之后就转向了反向旋转。这是我们期望看到的扭矩速度剖面,我正在使用。所以我们确认了推进电机模块的响应在这种情况下是正确的。
看看发电模块1的响应,我们看到我们有零无功功率,因此功率因数是统一的,并且交流和直流功率是重叠的。这证实了理想的交流/直流整流器的运行。也注意到,我们得到了一点轻的功率输出在再生期间的全面推进的碰撞停止。我们不会走负路,因为系统中有足够的辅助负荷来吸收再生电力,但我们肯定会想要探索保持发电机基本负荷的选项,可能会使用储能系统。
观察来自发电模块1的A相电流,我们看到需求看起来是合适的,正如我们所期望的,没有谐波。
由于我们已经对控制装置进行了燃料加载,我们还可以确认占空比响应。特别是,我们验证了在使用空间矢量调制时,我们预期在占空比上会看到双峰。
我们在这里看到的是模型的任务执行时间。我们可以看到有两种速率。基本速率是25微秒。这就是我们模拟的电子系统。从这里我们可以看到,任务的执行时间大约是10微秒。所以我们在电响应上有很多开销。
子速率1,即0.2毫秒,用于控制系统。因此,虽然这个模型只是物理系统模型的部署,但我们可以看到,当硬件在环测试的时机成熟时,我们正在连接物理硬件并设置适当的通信通道,我们有足够的开销来处理。
在本节中,我们将讨论带晶闸管整流器的两区中压直流船载电力系统。我使用模型参考构建了这个模型。这意味着我创建了一个单独的激励系统模型和一个单独的电力系统模型。
使用模型引用有几个好处。首先,我们可以让不同的工程团队处理系统的不同部分,而不需要访问整个系统模型。其次,可以在测试工具中评估不同的部分,这为在受控测试环境中验证不同组件的操作提供了更有效的途径。第三,使用Simulink万博1manbetx real和Speedgoat,我们可以将每个模型引用分配到一个单独的核心,以便并发执行。
因此,这提供了用户定义的灵活性,模型可以跨多个核心进行实时仿真。虽然模型参考对于实时并发执行非常重要,但我应该注意,此特定模型仅用于桌面模拟,因为它的时间步长为1微秒,以便与ESR DC文档中描述的模型具有奇偶性。
这是AC1A型号。注意,我为控制系统和电气系统定义了不同的采样时间,控制系统以较慢的速度运行。我们可以在模型中突出显示不同的采样时间。事实上,让我提出一个模型来更清楚地说明这一点。
我们开始调试,然后是信息叠加。我已经有了颜色和文本。我也可以选择Legend。所以我们在这里看到,我们的模型中有两个样本时间,D1,是1微秒,与电气系统有关,D2,与控制系统有关,是0.2毫秒。
如果我接着看AC1A,我们可以在这里看到,我们使用速率转换块来管理不同样本时间内的数据传输。我们有D1到D2, D2到D1。
现在让我打开电气系统。该模型具有晶闸管整流器,交流系统在240赫兹下运行,但该模型将运行故障场景,故障位于区域一端口侧配电盘的交流DD断路器下方。故障以0.2秒的速度出现,持续时间为0.1秒。
现在让我深入到发电模块一。请注意,因为我只在很短的时间内运行模拟,所以我将发电机的速度保持为60赫兹。发电机有四个电极对,给我们240赫兹的电能。对于更长时间的模拟,我们希望看到机电动态响应,我们可以轻松添加燃气轮机模型以捕获适当的动态响应。另外,请注意,这里有晶闸管转换器,这里有点火电路,在这里我们控制直流电压,适当调整点火角度以保持12千伏。
现在,我将打开模拟数据检查器,以便查看一些响应。首先,我们将看看PGM 2上的交流电流。我们来看看这三个阶段。我把正常的操作放大,然后开始。
我们看到的是清晰的六脉冲响应。对于那些目光敏锐的人,我们还可以看到射击角度的激活。这一反应符合我们的预期。如果我只是缩小,也注意在应用故障时电流的增加。
接下来,我们将看一看通过区域一端口侧配电板的电流。我把断层区域放大。
这些响应也与预期一致,您将看到与ERS DC文档中显示的结果相似的结果。你不会看到一个完美的匹配,因为我在创建模型的时候做了一些假设所以在模型中会有一些功能上的差异,但总体上反应是兼容的。
在本节中,我们将讨论两区中压直流船用电源系统,在该系统中,我们实现了带主动冷却的热电机。在这个例子中,一个热回路和一个热流体冷却系统被添加到永磁同步电机上,该电机起着推进作用[听不见]。让我打开模型,我们会仔细看看这个。
与PMSM,我们能够暴露热端口的定子线圈,HA, HB, HC,和转子,HR。热电路,我把它打开。热回路包括传导和对流,冷却回路采用热流体围绕简单的管道结构循环。我们有一个泵,当温度超过一定限度时,我们就会启动它。
我应该注意到,我已经对这个热系统进行了调整,以便在几秒钟的模拟中显示响应。在这方面,参数化是相当人为的,不应该作为一个实际的船舶推进系统的热力系统的代表。然而,我们可以使用这个模型作为模拟这样一个系统的建模构造的典型例子。
热电路通过Simulink信号连接。万博1manbetx我来双击其中一个。我们可以看到,我们在Simulink边界上传递能量,在一个方向上传递热流速率,在另一个方向上传递温度。万博1manbetx你看这里,我们有速率转换块。
通过这样做,我们可以设置热系统的采样时间比电气系统的采样时间要慢。由于热时间常数远大于电时间常数,因此在不同的采样时间模拟不同的物理网络是有意义的。稍后,我们还将看到这个建模构造如何允许我们实时模拟这个模型。
但是在我们继续之前,我先给你们看一下热系统的解算器构型。我用的是一个非线性迭代的反向欧拉。所以在这种情况下热方程比电方程要复杂一些。所以我需要用反向欧拉。我不会用分区求解器。
因此,我预计会有一些计算开销,但因为我的运行速度较慢,所以我不应该为此妥协。我稍后会向你们展示更多的细节。
这里我们看到的是A相定子线圈的热响应,有和没有热冷却。因此,红色响应没有热冷却,绿色响应有热冷却。因此,我们触发了大约56摄氏度的热冷却系统。正如我前面提到的,我仅在几秒钟内就用这种新的热响应对系统进行了缩放。因此,这些回答只是说明性的。
我们在这里看到的是当我们使用Simulink实时和Speedgoat运行这个系统时的任务执行时间。万博1manbetx请注意,采样时间为1毫秒的热系统运行在一个核心上,而采样时间为25微秒的电气系统运行在另一个核心上。
这里有两点需要注意。首先,该系统利用两个核心实现实时舒适运行。第二,如果我们让热系统以25微秒的速度运行,我们就不可能实现实时。注意,热系统的任务执行时间至少需要四个电时间步骤。为了实现实时性,我们需要用两个不同的样本时间来分割模型并使用两个核。
最后要注意的一点是,由于热时间常数大于电时间常数,我们没有通过使用两个样本时间来降低模拟的准确性。
总之,模型逼真度与技术成熟度密切相关。低水平的模型逼真度可以有效地用于运行快速模拟,提供关于广泛的操作响应和组件规模的见解,而高水平的逼真度则为您提供有关您正在做出的技术选择的具体信息。通过为不同的模型元素选择适当的模型保真度、建模体系结构和不同的样本时间,可以实现实时仿真。
最后,多领域模拟越来越重要,例如,包括热建模与电子元件,从中您可以开发主动冷却电路。
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