机电系统建模与仿真

机电系统建模与仿真（精选12篇）

机电系统建模与仿真 第1篇

关键词：机电一体化,异地设计,集成组件,虚拟形态,建模方式

1 机电一体化系统多能量集成体系形态观察

机电一体化系统主要配合机电装置、电子设备以及信息处理程序进行协调搭配的柔性自动化产品格式, 我们不能单纯地判定其为零件叠加形成的积木结构, 反而应该贯彻系统化认知观念。结合工程相似性特征分析, 如果工程现场及时引进广义形式的电压、电流、动能函数、损耗函数等, 就可以依照力学系统运动学方程以及电网中的基尔霍夫定律实施建模, 特别是设计中期有必要结合组建模型关系, 透过计算机辅助自动生成机电一体化多能量域集成系统格式。当然, 为了快速实现被控对象的快速、精准调试目标, 必须建设动态模型与验证方程。实际上机电一体化系统组件繁多, 尤其在能量观点下, 组件包括能源、能量储存、能量变换以及调节等各种样式, 如果其间建设单位部件动力学模型以及能量余之间耦合模型, 使得系统内部组件高效衔接并将当下正确连结关系阐述完全, 就可以确定该类系统的动力学方程内容。有关基本理性组件, 包括机械系统内部质量、弹簧等形式较为复杂, 需要现场技术人员应用行为模型进行装配模型附加改造, 并在生成原型中提炼更加精准的仿真、测试要诀。

2 基于端口内部多能量域集成组件模型设置状况研究

机电一体化异地设计活动中的产品建模问题, 需要采取统一处理手段, 特别是在端口多能量集成组件模型范围下, 可以运用六元组形式加以清晰表述;而多能量端口则选用五元组加以表述。按照客观层面审视, 端口变量包含广义速度与力变量元素, 两者乘积即为功率量, 不同组件之间会借用端口实施能量、信号交换。参数化集合模型, 如液压系统、机械等都必须展现物理形式且保留一定质量, 安装过程中仍须界定运动、散热问题, 主要是因为任何组件不论结构形式或是功能行为, 都必须利用几何、装配模型绽放, 实际上就是运用系统可视化特征完成虚拟原型改造任务。再就是由于不同能量域的结构复杂, 在此情况下参数化建模方法应保留一定特征, 并且利用纹理、材质等三维建模技术, 使得模型逼真之外更保留结构简洁性特征。机电一体化系统多能量域集成组件就是联合形状特征、约束零件模型进行装配, 针对不同部件几何形态进行建模, 包括不同刚性、可变性零件等;同时采取参数化约束模型和联结特征模型, 针对不同联结装配关系实施建模改造, 包括机械静联结等, 进而建立整个机电一体化系统的可视化虚拟原型架构。

3 机电一体化系统异地设计多能量域集成仿真技术解析

结合早期设计经验分析, 有关产品功能需求与工作原理需要得到进一步重视, 所以在设计计算期间应该针对系统内部组件形态加以简化, 包括线性近似、阻尼刚性影响忽略等。目前设计精确度不断提升, 有关CAD、行为、配置模型逐步完善;现实中系统中组件主要采用实际模型搭配, 其间有必要针对系统实际性能指标加以预测。因为非线性、时变、离散等实际情况都要考虑在内, 涉及传递函数形式开始不再适用, 数值求解便成为唯一出路。需要特别注意的是, 透过产品模型中推导出如果所有组件的行为模型都已知, 则根据系统的配置模型, 利用Mapple等工具包可以进行符号求解。但由于整个开发项目参与者之间存在竞争合作并重关系, 这便导致系统组件行为模型的形式多样性, 包括HDL、XML等可执行代码及其他M D L等。这时可将系统组件模型进行封装, 通过提供封装器的标准API接口, 可以开发出各种系统组件模型的封装器。利用封装器可以实现基于配置的多能量域集成聚台仿真改造。在此基础上, 如果利用C O R B A/J A V A/X M L/W e b技术, 则可实现机电一体化系统异地设计的分聚台仿真目标。

此外, 基于XML的多能量域集成产品建模机电一体化系统异地设计的演化过程对组件的可演化性提出了很高的要求。就是在设计的早期阶段, 强调组件的功能需求及性能、结构与形状方面的约束, 此时主要定义复合组件的接口、配置模型、附加的约束;而在设计的后期阶段, 强调组件在系统中的装配关系、端口连结关系以及组件内部各能量域内的行为属性参数件是否满足设计需求, 此时需要详细定义组件的端口模型、配置模型、行为模型、几何模型、关联模型、约束模型。需要特别注意的是, 整个开发项目中, 任何参与者之间都存在竞争、合作关系, 这便令行为组件模型样式更加丰富多样, 如XML、可执行代码等, 此时技术人员可考虑进行组件模型封装处理, 并透过封装器标准化API接口实现配置多能量域集成聚合仿真操作目标。

4 结语

综上所述, 目前我国机电一体化建模技术与仿真操作软件应用现象极为广泛, 经过多种常见机电模型实际研究发现, 有关整套完善机电一体化系统建模工作已经成为当下专业领域研究的特殊话题。这就要求相关机电技术人员要全面应用设计思路进行建模技术经验整编, 进一步构成一种快速、协调的仿真软件系统, 规避不同技术缺漏危机, 令其在实践空间中发挥出更多的技术调用优势。

参考文献

[1]夏端武.中职机电专业与本科自动化课程衔接的研究[J].才智, 2014 (27) :227-228.

[2]李加旺.职业学校机电专业精品课程建设的思考[J].电子制作, 2014 (15) :170.

[3]王友权.机电一体化非均匀运动产生综合装置研究[J].电子制作, 2014 (15) :196-197.

3《系统建模与仿真》教学大纲 第2篇

制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定 课程编号：J6312614 学 时 数：32 学 分 数：2.0 适用专业：工业工程 先修课程：概率统计 考核方式：考试

一、课程的性质和任务

系统建模与仿真这门课，是工业工程专业的一门必修专业课。它是以制造型和服务型企业为研究对象，主要介绍了离散事件建模与仿真方法，及其在生产物流企业分析中的应用原理和方法，全书最后介绍了flexsim离散事件仿真软件及应用。本门课旨在使学生面对生产系统时，能够运用计算机仿真技术来研究系统性质，并进行改进，以提高生产能力和生产效率。

二、教学内容与要求（小四号宋体加粗）

理论教学（32学时）

1、概论（3学时）

（1）仿真技术的产生与发展；（了解）

（2）仿真软件和仿真建模方法学的发展；系统建模与仿真的发展趋势；（理解）（3）计算机仿真在生产物流中的应用。（掌握）

2、系统仿真（3学时）

（1）系统和生产系统的概念及其组成；（了解）（2）系统的各种分类方法；（理解）

（3）系统模型和系统仿真的概念及系统仿真的若干术语。（掌握）

3、离散事件系统仿真（2学时）

（1）了解：与系统仿真有关的一些基本概念；（2）理解：事件调度法、活动扫描法、进程交互法；（3）掌握：离散事件系统仿真的一般步骤；

4、生产系统典型事件（4学时）

（1）传统生产系统的定义和结构；（了解）（2）现代生产系统结构及构成要素；（理解）

（3）几种排队系统的分析；排队系统的仿真方法。（掌握）

5、物流系统典型事件（4学时）（1）了解：物流的基本概念、职能；（2）理解：配送中心规划；（3）掌握：供应链结构基本要求有。

6、生产物流系统仿真软件和实例应用（12学时）

（1）flexsim软件及其特点；（了解）（2）flexsim软件窗口；（理解）

（3）运用flexsim建立模型以及仿真分析。（掌握）

三、考核要求

理论课采取闭卷考试，其中考试成绩占70%，平时作业和课堂考勤占30%。

四、参考教材及其它参考资料

1、参考教材：

《生产物流系统建模与仿真》，王亚超，马汉武主编.科学出版社，2006年。

2、其它参考资料：

[1]《制造系统建模与仿真》，苏春主编，机械工业出版社，2008年。[2]《系统建模与仿真》，吴重光主编，清华大学出版社，2008年。

双电机伺服驱动系统的建模与仿真 第3篇

摘 要：精密测量雷达伺服系统通常采用典型的三环控制，从外到内依次是位置环、速度环、电流环，伺服驱动系统指的是速度环以内的部分，是伺服系统的基础。利用MATLAB/Simulink的辅助设计和强大仿真功能，对某雷达所采用的双电机伺服驱动系统进行了环路分析和建模，并进行了仿真试验，得到了系统动态的响应效果。该仿真方法为不同状态和参数下的伺服系统性能分析提供了科学的依据。

关键词：雷达伺服系统；电流环；建模；仿真

中图分类号：TM359.6 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0072-02

1 概 述

伺服系统是精密测量雷达进行实时捕获、跟踪空间目标的重要组成部分，其性能好坏直接影响雷达跟踪的稳定性和跟踪的精度。雷达伺服控制通常采用典型的三环控制，从外到内依次是位置环、速度环、电流环，伺服驱动系统指的是速度环以内的部分，是伺服系统的基础[1]。伺服系统设计完成后，其参数设置及负载特性等通常情况下均已固定，但实际应用的过程中，由于环境因素、设备改造或设备器件性能变化，不可避免出现系统参数及负载特性发生变化的情况。为了满足任务需要，伺服系统就需要具有高测量精度和高动态性能。而MATLAB/Simulink的控制模块是针对控制系统开发设计的，具有动态建模，仿真，综合性能分析的软件包。利用该软件包对系统进行建模和仿真，可为伺服系统不同状态和参数下的设备性能分析提供科学的依据[2-4]。

2 控制对象特性分析

控制对象是控制系统的重要组成部分。分析控制对象，取得控制对象的数学模型，是进行伺服系统分析的基础。

3 双电机驱动系统环路分析及建模

在采用单速度环的双电机驱动系统中，同一天线轴上的两台电机电流环共用一个速度环，环内只有一个速度调节器，速度反馈信号取自两台电机测速机输出之和后，与输入速度指令比较，经过并联PID调节器、加速度限制等形成电流指令送各电机控制器中的电流环路，经环路调节、整流放大后驱动相对应的电机，其原理如图1所示。

3.1 电流环

在双电机驱动系统中，两个电流环是相同的。理论分析和实践都证明：当电流环的开环增益足够高且时间常数之和足够小时，直流电动机自身的反电势反馈以及反电势补偿对电流环的影响均可忽略不计，而这两个条件在实际系统中并不难满足，因此没有必要仅仅为了设计电流环去推导反电势补偿环的传递函数。

3.2 速度环

力矩偏置和差速振荡抑制只是为了改善系统性能，并没有改变系统的特性，因此可对它不予考虑。而对于双电机驱动，电流环相同，并由两测速机反馈信号求和后统一进行速度环增益和PID调节，因此可合二为一。

4 环路仿真

本文利用MATLAB/Simulink的辅助设计和强大仿真功能，以方位支路为例对某雷达所采用的双电机伺服驱动系统进行了仿真试验。

4.1 负载特性

4.2 电流环仿真

通过MATLAB进行仿真验证，上升时间约为15 ms，超调量为15%，振荡次数0.5，带宽为25 Hz，不会给速度环带来过大的滞后，与系统的实际情况相符。电流环的特性主要体现在负载变化例如阵风等的影响，环路带宽越大，对负载变化的反应越迅速。

4.3 速度环仿真

通过MATLAB进行仿真验证，上升时间约为200 ms，超调量为10%，振荡次数0.5，带宽为2 Hz，并且可以明显看出由于结构谐振引起的爬坡现象，与系统的实际情况相符。

MATLAB仿真测试结果，上升时间、超调量变化不大，即速度环带宽变化较小，但闭环增益由23降为20，振荡次数为1，过渡过程中有产生振荡的趋势，即测速机反馈系数的变化需控制在一定范围内，否则将导致天线振荡。

5 结 语

本文对双电机驱动系统进行环路分析和建模，并对电流环和速度环分别进行了仿真试验。本仿真测试方法对分析伺服系统不同参数和负载特性下的性能研究具有积极作用，结合后续任务需要，相关研究仍需进一步继续和深入。

参考文献：

[1] 蒲迎英.统一微波测控系统测角分系统讲义[M].西安：电子工业部第三十九研究所，1996.

[2] 忽麦玲，张光辉，卫平，刘兴松.双电机驱动伺服系统的建模与分析[J].火炮发射与控制学报，2007，（2）.

[3] 李琼，王少萍，梁磊.光控伺服系统建立建模与仿真[J].压电与声光，2007，（2）.

[4] 潘高峰，周江.船载雷达伺服系统的建模和仿真[M].北京：电子工程师，2007.

[5] 魏巍.MATLAB控制工程工具箱技术手册[M].北京：国防工业出版社，2004.

电动舵机系统建模与仿真 第4篇

1 系统建模

数字式舵机系统是由测控单元和伺服单元组成, 测控单元 (即控制器) 是由微处理器、A/D转换器及D/A转换器等组成。伺服单元是由电源、放大驱动器、直流伺服电机、减速器及电位器组成。放大驱动器放大电压信号, 直接输送给直流电机并带动减速器连同与减速器同轴固定的电位器转动, 控制舵机舵面, 执行相应的线位移或角位移, 同时输出对应位移的电压信号给测控单元的A/D转换器。该伺服系统组成框图如图1所示。

1.1 舵机零部件传递函数

1.1.1 直流伺服电机数学模型的建立

a) 伺服电机传递函数。本系统采用电枢控制直流电机, 在零初始条件下, 取电机电枢电压Ua为输入量, 电机轴的角位移θm为输出量, 使用机理建模的方式可得伺服电机的传递函数为:

式中, Cm—转矩系数 (N·m/A) ;La—电枢绕组电感 (H) ;Ra—电枢绕组电阻 (Ω) ;

Jm—电机轴上的总转动惯量 (包括转子及负载的惯量) (kg·m2) ;

fm—电机轴上的粘性摩擦系数 (N·m·s/rad) ;Kb—反电势系数 (V·s/rad) 。

如果忽略粘性摩擦, 则有

b) 数学模型参数确立及验证。本系统实验模型的建立基于Mablab R2012a/simulink, 仿真系统的数值算法采用变长ode45法, 仿真时间为0.03s。选取的电机模型参数:Ua=27V, R a=0.5Ω, L a=7 0 u H, C m=0.0 2 1 4 9, Kb=0.02149, Jm=3.69×10-6Kg·m2, 电机数学模型如图2所示。

(1) 根据伺服电机Matlab模型仿真结果可知:

起动电流=49A, 起动转矩=1.06N·m, 空载转速=12000rpm, 机电时间常数=3.75ms。

(2) 利用测功机等测量设备实测得到的伺服电机参数:

起动电流=52A, 起动转矩=1.12N·m, 空载转速=11850rpm, 机电时间常数=4ms。

对两套数据进行分析比较可知, 电机建模仿真得到的数据与电机实测数据非常接近, 误差不超过7%, 从而验证了电机数学模型及其参数的准确性。

1.1.2 伺服放大驱动器传递函数

本系统为500w以下高精度快速响应的伺服系统, 驱动器宜采用H型双极模式, 其传递函数为:

其中, Ua为电机电枢电压 (V) , Uc为PWM输入电压 (V) 。

1.1.3 减速器传递函数

本系统减速器采用蜗轮蜗杆传动结构, 其传递函数即为减速器的减速比1/i。

1.1.4 反馈电位器传递函数

反馈电位器的传递函数为:

1.2 系统模型框图

将舵机系统各部分连接起来, 可得到无校正环节时系统的结构框图, 如图3所示。

图3中, 反馈电位器输出电压:Uf=Kfθc, 输入信号设定电压为Ur, 则误差电压信号为:Ue=Ur-Uf;Kc为放大器系数, Kpwm为驱动器传递系数。

2 控制器设计

控制器是整个舵机系统的重要组成环节, 主要完成对舵控制信号和舵反馈信号的误差综合和放大, 并对整个舵机系统的综合性能进行控制调节。在电动舵机的控制领域中, 一般都采用PID控制, 实现简单, 控制效果良好。近年来, 模糊控制因其调节速度快, 易于实现实时控制, 控制精度和鲁棒性强, 应用更加广泛。但对于电动舵机这样具有高阶、非线性、强耦合, 且控制指标要求极高的控制对象, 单独采用常规PID或模糊控制都不会取得较好的控制效果。鉴于此, 本文将模糊控制和PID控制结合起来, 设计了一种新型的智能控制器, 即模糊自适应PID控制器, 并将其成功应用于舵机系统中。

2.1 模糊自适应PID控制规则的建立方法

模糊自适应PID控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验, 建立合适的模糊规则表, 得到针对Kp, Ki, Kd共3个参数分别整定的模糊控制规则表。

本文为了摸索和积累舵机系统的PID控制经验, 首先在舵机系统控制器内部建立了分段PID控制模块, 对舵偏角度位置误差量位置误差的变化率进行合理的分级判断, 再选通相应的PID控制模块输出, 反复调整分级参数及相应的PID参数直到整系统仿真得到较好的控制结果。模型中的PID控制模块数量可根据需要进行增删。经过实际调试积累, 将PID控制模块数量确定为20, 即PID控制规则库中包含20条控制规则。

2.2 模糊控制器的建立

根据分段PID控制模型建立好了模糊自适应PID控制规则后, 将舵机控制器内部的分段PID控制模型替换为模糊自适应PID控制模型, 如图4所示。

采用Matlab/Fuzzy模糊推理系统编辑器, 将误差e和变化ec分别经过量化因子处理映射到各自的模糊论域中, 然后根据所在的模糊等级在模糊控制规则表中查询应该输出的PID参数调节量, 然后将其作用于常规PID控制器。本系统采取了Sugeno型模糊推理方法。

根据舵机系统实际运行要求, 可折算出位置误差e的实际论域范围为[-9, 9], 位置变化ec的实际论域范围为[-150, 150], 对论域进行模糊化, 对应的模糊子集为:NB, NS, ZO, PS, PB。Kp, Ki, Kd均采用linear隶属度函数, 对论域进行模糊化后对应的模糊子集为:Z, B, M, S。

在Rule Editer中建立控制规则库, 用以下20条模糊条件语句来描述:

……

建立好模糊控制器系统文件myfuzzpid.fi s后, 将其输出到工作空间中, 即可让图11中的Fuzzy Logic Controller调用运行, 实现舵机系统的模糊自适应PID控制。

3 系统仿真

在MATLAB/Simulink环境下进行系统仿真与验证。建立的舵机系统模型框图如图5所示, 控制器内部结构如图7所示。选取的系统模型参数:Ua=27V, Ra=0.5Ω, La=70u H, Cm=0.02149, Kb=0.02149, Jm=8.0×10-6Kg·m2, Kf=0.029, 负载系数K=0.0068, 1/i=1/210, 空载时KL=0N·m/°, 带载时KL=3N·m/°。

3.1 系统阶跃响应特性仿真测试

3.1.1 空载条件下的阶跃特性仿真

由图6、图7仿真波形分析可知空载条件下, 舵机控制信号为2°阶跃信号时, 系统稳态值为2.0397°, 稳态误差为1.99%, 上升时间tr=29.3ms, 调节时间ts=45.3ms;舵机控制信号为20°阶跃信号时, 系统无超调振荡, 稳态值为20.03°, 稳态误差为0.15%, 上升时间tr=55.9ms, 调节时间ts=75.8ms。

3.1.2 弹性负载条件下的阶跃特性仿真 (KL=3N·m/°)

由图8、图9仿真波形分析可知舵机控制信号为2°阶跃信号时, 系统无超调, 稳态值为2.0154°, 稳态误差为0.77%, 上升时间tr=30.0ms, 调节时间ts=46.4ms;舵机控制信号为20°阶跃信号时, 系统无超调, 稳态值为19.7°, 稳态误差为1.5%, 上升时间tr=56.3ms, 调节时间ts=89.5ms。

3.2 系统频率响应特性仿真测试

3.2.1 空载条件下的频率响应特性仿真

由图10、图11仿真波形分析可知舵机控制信号为1°, 10Hz正弦信号时, 舵偏角输出值为1.02°, 相移为18°;舵机控制信号为2°, 10Hz正弦信号时, 舵偏角输出值为2.012°, 相移为17.3°。

3.2.2 弹性负载条件下的频率响应特性仿真 (KL=3N·m/°)

由图10、图11仿真波形分析可知舵机控制信号为1°, 10Hz正弦信号时, 舵偏角输出值为1.009°, 相移为14.8°;舵机控制信号为2°, 10Hz正弦信号时, 舵偏角输出值为2.018°, 相移为15.69°。

3.3 系统性能分析评估

由系统阶跃响应特性和频率响应特性仿真结果分析可知, 舵机整系统在空载和带载条件下, 均具有很好的动态性能和稳态性能, 在0~20°的舵偏角运动范围内, 系统无振荡, 稳态误差小于2%, 上升时间小于60ms, 调节时间小于90ms。此外, 系统具有很好的鲁棒性和带载能力, 系统频带宽度大于10Hz。

4 结束语

本文研究建立了电动舵机系统的数学模型, 并通过MATLAB/Simulink对基于模糊自适应PID控制算法的舵机控制器进行了设计仿真研究, 得出实验波形。分析结果表明该舵机系统快速性好、超调量小、稳态误差较小, 具有良好的动静态特性, 鲁棒性及带载能力较强。在数控舵机飞速发展的今天, 模糊自适应PID控制策略在舵机设计中将具有广泛的应用前景。

摘要：本文研究了一种电动式的导弹舵机系统。对整个舵机系统进行了数学建模, 并提出了采用模糊自适应PID算法来实现其控制, 完成了数字控制器的设计, 并利用MATLAB/Simulink进行了系统仿真与验证分析。

关键词：电动舵机,数学模型仿真,MATLAB/Simulink

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社, 2001 (02) .

[2]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社, 2007 (05) .

机电系统建模与仿真 第5篇

机载防撞系统水平防撞模型的建模与仿真

针对下一代机载防撞系统水平防撞的功能要求,采用相对距离水平投影的方法,根据空间碰撞威胁度和时间碰撞威胁度的.理论依据,建立了水平方向的冲突探测和防撞模型,并利用伽利略相对性原理导出了本机与入侵飞机之间的投影水平相遇距离和到最接近点的预留时间的计算公式.阐明了水平防撞模型的建模方法,制定出机载防撞系统水平防撞功能的仿真测试方案,并进行了基于时间流的计算机仿真和测试.仿真结果表明:该模型不仅能够预测出飞机在各个时间的相对方位、相对距离和相对高度,而且可以给出合理的水平机动措施,为飞行员提供左转或右转的角度指示以避免空中相撞.

作 者：彭良福 林云松  作者单位：彭良福(西南民族大学,电气信息工程学院,四川,成都,610041)

林云松(电子科技大学,自动化工程学院,四川,成都,610054)

刊 名：空军工程大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 11(4) 分类号：V243 V249 关键词：机载防撞系统(TCAS)   广播式自动相关监视(ADS-B)   水平防撞   建模仿真  

机电系统建模与仿真 第6篇

[摘 要]生产系统建模与仿真是工业工程专业的一门专业基础课。应该从课程的教学目标、教学体系结构、教学方法与教学手段、课程考核等方面总结，进一步提高课程的教学效果。生产系统建模与仿真技术目前在生产、管理、物流、服务等领域已得到了广泛应用。希望通过对该课程教学体系的探讨使其在学生今后的科研和工作中发挥越来越大的作用。

[关键词]工业工程 建模 仿真 课程教学

[中图分类号] G642.3[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）06-0141-03

一、引言

工业工程（IE）是以人、物料、设备、资金、信息等组成的综合系统为对象，以合理利用资源提高生产率和经济效益为目的，应用自然科学和社会科学的知识，运用系统分析、系统设计等工程方法，对上述系统进行优化的管理科学，因此它是一门工程技术与经济、管理等学科相结合的交叉学科。我国于1993年正式开始招IE专业本科生。目前的办学模式主要有两种：一种是开设在机械学院的四年制本科教育，另一种是开设在管理学院的四年制本科教育。不同的培养模式下，其培养目标、培养计划、课程体系设置等方面也不尽相同。我校的工业工程专业于1998年开始招收，开设在经济与管理学院。由于我校在通信电子等学科具有明显的优势，因此我校工业工程专业定位在于培养以电子信息技术作为专业支撑，面向电子制造业，掌握工业工程的基本理论与知识，具有从事生产、经营、服务等管理系统的规划、设计、优化、评价和创新工作能力的高等人才。[1]生产系统建模与仿真课程是我校工业工程专业的一门专业基础课，该课程以系统理论、随机过程与统计学理论和优化理论为基础，以计算机和仿真系统软件为工具，通过对系统的分析，建立系统模型和仿真模型，最终达到对现实系统或未来系统进行动态实验研究的目的。我校工业工程专业开设生产系统建模与仿真课程已有十多年，笔者根据自己多年的课程教学中的一些体会，给出了该课程应设置的教学目标、教学体系结构、教学方法与教学手段、课程考核等内容，希望对该课程的教学有所借鉴和帮助。

二、课程教学目标

系统建模与仿真技术是研究复杂系统的一种重要理论方法和技术手段。本课程虽然名称为“生产系统建模与仿真”，但这里的“生产系统”是一个广义的概念，即生产系统是由人、机器设备、生产物料、生产信息和能源等实体组成的集合，其任务是完成一定的产品生产或提供某种服务。[2]鉴于实际中大多数生产系统都属于离散事件系统，所以本课程主要介绍离散事件系统建模与仿真的基本原理与方法。基于此，生产系统建模与仿真课程的教学目标为：通过本课程的学习，使学生理解离散事件系统的有关概念，掌握离散事件系统建模与仿真的基本原理以及基本方法。在此基础上，进一步掌握对生产管理系统包括库存系统、排队系统、物流系统等仿真的基本思想，同时，学习掌握相关的离散事件系统建模仿真软件，能够运用建模与仿真技术以及仿真软件发现生产管理过程中存在的主要问题，并提出具体的改进措施。

三、课程教学体系结构

生产系统建模与仿真课程的教学体系结构分为三大部分：理论教学、实验教学、实践环节，各部分主要内容如图1所示。

图1   生产系统建模与仿真课程体系结构

（一）理论教学

理论教学是生产系统建模与仿真这门课的基础。我校该课程的理论教学为40学时，理论教学部分的内容包括以下九大部分：

1.概述。主要介绍有关系统仿真的基本概念、系统仿真的分类、离散事件系统仿真的基本概念，如仿真钟、时间、活动、进程等。

2.仿真输入数据的收集与分析。主要介绍系统仿真输入数据的收集方法、分布的识别、参数估计方法、拟合度的检验等。

3.伪随机数的产生及其统计检验。主要介绍伪随机数及其产生方法、伪随机数的统计检验（包括均匀性检验、独立性检验、数字特征检验等）。

4.随机变量与随机过程的仿真。包括离散型随机变量的仿真方法、连续型随机变量的仿真方法并介绍随机过程中关于泊松过程的仿真。

5.离散事件系统的建模方法。包括实体流图法及其应用举例、活动周期法及其应用举例以及Petri网建模方法。

6.离散事件系统的计算机仿真策略。主要介绍事件调度法、活动扫描法、进程交互法以及三种仿真策略的比较。

7.排队系统的计算机仿真。介绍排队系统的基本概念、分类、排队系统仿真举例。

8.库存系统的计算机仿真。介绍库存系统的基本概念及库存系统仿真举例。

9.仿真结果分析。主要介绍终态仿真、稳态仿真的基本概念，终态仿真的结果分析，稳态仿真的结果分析，多个系统性能的比较分析以及方差缩减技术等。

但理论部分涉及的概率论与数理统计的内容较多，如何将枯燥的仿真理论与实际问题联系起来，以提高学生的学习兴趣呢？笔者认为可以从以下两个方面入手：

首先，在每次有新的理论介绍之前先以一个背景问题引入，从而提出解决该问题的理论知识。例如生产系统常常会受到市场需求、原料供应、生产环境、生产状态等多方面随机因素的影响，那么在具体仿真时，这些随机因素如何体现出来？从而引入随机数的产生、随机变量的产生、随机过程的仿真等内容。又如在对一个系统具体仿真时，提问：当采用不同的随机数流，仿真结果会随之发生变化，那么实际中如何对仿真结果进行分析，从而得到科学的结论？从而引入数理统计的内容，将其应用于仿真结果的分析。

其次，鉴于工业工程专业的性质，有些复杂的数学推导过程可以适当删减，力求学生理解原理，达到能够灵活应用相应理论的目的即可。

这里有一点需要强调的是，在多年的教学中，笔者认为第一次课尤为重要，其实这不仅仅是对生产系统建模与仿真这门课，对任何一门专业课都是如此。在第一次课中虽然不能涉及太多的课程内容，但在第一次课首先要告诉学生这门课是研究什么问题的，在什么情况下我们可以借助这门课的理论来解决问题，最好举与实际问题相关联的例子。例如，我在第一次上课时会介绍什么是系统仿真、系统仿真的应用领域、应用系统仿真时应注意的一些问题等等，同时课堂上演示几个可视化的仿真模型，如流水生产线加工系统仿真、服务系统仿真等，通过一些感性认识，使学生对这门课有一个初步的了解，以提高学生对该门课程的兴趣。

（二）实验教学

实验教学是对理论知识进一步理解和深化的有效方式，通过实验教学，一方面可以加深学生对理论知识的理解，另一方面有利于培养学生分析和解决实际问题的综合能力。目前关于离散事件系统仿真的流行软件也有很多，比如：Extend、Flexsim、Gpss、Arena、Witness、 eM-plant、Auto-Mod等等。我们在教学过程中采用了Witness和GPSSWorld软件。这两款软件在使用上有较大区别。GPSSWorld属于第二代仿真语言，是基于进程交互的仿真编程语言，特别适用于排队系统的仿真。当然这里的排队系统范围也很广泛，比如，订单的到达可以抽象为排队系统的顾客，订单的处理过程可以抽象为排队等待过程，订单处理完成可以抽象为顾客服务完后离开系统等等。通过此软件的学习，一方面可以加深对离散事件系统仿真的理解，另一方面也可以提高学生调试程序的能力。因为目前即使是可视化的仿真软件要仿真一些复杂的系统，有时也需要编制相应的程序才可以完成，所以通过GPSSWorld仿真软件的学习和应用，对于应用其他的仿真软件也有帮助。Witness是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它既可用于离散事件系统的仿真，又可用于连续流体（如液压、化工、水力）系统的仿真，可视化效果好，通过Witness开发的系统仿真模型易于理解和控制，为加强学生在学习期间深入理解实际运作系统提供了直观的、可行的实验场景。目前在国内有近60所设有IE专业的高校引进了Witness仿真平台。[3]

我校的生产系统建模与仿真课程的实验部分为16机时，如果把Witness和GPSSWorld软件的使用连同学生上机实验都放在这16机时完成，很显然时间是不够的，所以我们目前的做法是：在理论课的40学时课堂讲授时，安排部分时间讲授软件，边讲解边演示（约8学时），同时将Witness和GPSSWorld软件的学习版先拷贝给学生，这样学生就可以在自己的个人电脑上安装使用，课下学生自己先练习，同时给学生布置相关的上机大作业，具体上机时，教师主要是解决学生在练习或完成作业时遇到的困难和问题。由于学习版的部分软件功能受限（其实对大多数的仿真已够用），所以我校建立了软件网络互联环境，学生也可以通过校园网在宿舍就可以使用正式版练习，满足了部分学生进一步学习的需要。[4]

（三）实践环节

生产系统建模与仿真这门课的教学目标就是培养学生将仿真技术应用于实践，并解决生产、管理等领域的实际问题。因此，实践环节我们主要从三方面入手：1.在1周的课程设计中，提供有关生产加工、物流、服务管理等方面的素材，启发学生利用仿真技术完成系统的分析和改善;2.在大四的毕业设计题目中，设计一些应用仿真技术的相关题目，如关于企业生产流水线的改善;3.鼓励学生积极参加校大学生创业大赛、工业工程改善大赛等竞赛活动，利用仿真技术结合具体的问题进行分析，我校在这一方面已取得了一些成绩，达到了学以致用的目的。

四、课程教学方法设计与教学手段

本课程采用以课堂讲授为主，其他方法为辅的教学方法。通过课堂讲授，可以使学生理解掌握系统仿真的基本原理和基本方法。但纯粹采用课堂讲授对于理论教学有时会显得有些枯燥，因此在教学过程中适当增加了实验法、演示法、讨论法等。如在介绍系统仿真软件时，一边讲解软件一边进行演示，同时将相关的仿真理论穿插于仿真软件的介绍之中，这样更便于学生理解和体会仿真的基本理论和原理，也便于学生掌握仿真软件的使用和操作方法。课程的教学手段采用以多媒体教学为主，板书为辅（个别时用到的数学理论）的方式。另外，教师在第一次上课时就将联系方式包括E-mail、QQ号、电话等告诉学生，学生可以通过以上方式随时咨询学习中遇到的问题。

五、课程考核

本课程的考核方式采用“期末闭卷考试+大作业”模式，其中大作业包括上机报告和英文文献翻译两部分。上机报告是关于Witness和GPSSWorld仿真软件布置的上机大作业，要求对具体问题建立适当的仿真模型，运行后对结果进行分析，必要时进一步提出改进措施或建议。英文文献翻译要求查找一篇关于仿真技术发展或应用的英文资料，将其翻译成中文，这样做的目的有两个：一方面可以使学生进一步了解仿真技术的发展动态及应用领域，另一方面也可以适当的加深、熟悉一些关于仿真的专业英语词汇，便于以后工作和科研的需要。

目前期末闭卷考试成绩占80%，大作业占20%，可考虑加大平时作业成绩的比例到30%，以加强学生对实验环节的重视程度及仿真技术动态的关注程度。

六、课程教材的选取

关于生产系统建模与仿真这门课，目前还没有非常适合我校工业工程专业实际情况的教材，原因是有的教材中所介绍的软件不是Witness和GPSSWorld，而介绍Witness和GPSSWorld的教材关于仿真理论部分又介绍得较少，所以笔者给学生推荐的两本关于理论部分的教材为：肖田元等主编的《离散事件系统建模与仿真》以及周泓等主编的《生产系统建模与仿真》;关于仿真软件部分的教材为：王亚超等主编的《生产物流系统建模与仿真-witness系统及应用》以及谢毅等主编的《离散事件系统建模仿真与GPSSWorld教程》。

七、结束语

生产系统建模与仿真作为工业工程专业的一门专业基础课，其技术目前在生产、管理、物流、服务等领域已得到了广泛应用，我们希望，通过对该课程教学体系的探讨使其在学生今后的科研和工作中发挥越来越大的作用。

[ 注 释 ]

[1] 刘云，龚小军，李华.我校工业工程专业人才培养研究[J].西安电子科技大学学报（社科版），2004（1）：62-65.

[2] 孙小明.生产系统建模与仿真[M].上海：上海交通大学出版社，2006：3.

[3] 王建华，黄贤凤.WITNESS仿真在工业工程专业实验教学中的应用[J].科技信息，2010（18）：224-225.

[4] 刘云，龚小军，田斌，王亚民.工业工程专业《生产系统建模与仿真》课程实验教学探究[J].教育教学论坛，2014（8）：237-238.

[责任编辑：钟 岚]

[收稿时间]2014-12-25

无头轧制多级传动系统建模与仿真 第7篇

无头轧制技术是目前国际上用于钢材生产线的一种最先进的加工方法,是连轧设备工艺及技术方面的最新进展之一。无头轧制工艺可以实现无间隙地生产钢材,减少产品切头、切尾损失,并大幅度降低中间坯的切头损失,提高成材率,实现全定尺交货,轧制系统参数稳定,减少机械和电气故障,延长易损件的使用寿命,从而大幅度降低生产成本,提高经济效益[1]。本论文目的在于对无头轧制的关键技术之一交流多级传动系统的“等效”模型进行研究,以达到降阶、定常、线性化的目的,为在系统级实现各种智能的控制算法打下基础。

1 无头轧制多级传动系统

无头轧制工艺的特点对与之相关的传动系统提出了一些特殊的要求:1)焊机小车的运行速度要严格地与1#粗轧机轧制线速度相同,以确保焊机设备的安全与焊接过程的准确;2)为了确保除鳞效果,钢坯通过除鳞箱时速度要慢,但为了保证及时追上前一根钢坯的尾部,除鳞结束后要快速追赶。因此,从加热炉到1#粗轧机入口的传动系统是多级速度传动系统;3)由于现场生产随机因素的影响,每一次开始追赶时前一根钢坯尾部的位置会有所不同,负责追赶的传动系统相当于一个位置随动系统。

2 数学模型的建立

在实际应用中,高精度的传动系统多为矢量变频器和异步电机组成的交流传动系统。因此,要实现对本传动系统的精确控制,必须研究异步电机在矢量变换下的等效数学模型和变频器的解耦原理,以期得到该位置随动系统的准确数学模型。

本文采用按转子磁链定向的矢量控制。对于鼠笼型异步电动机的转子是短路的,对于绕线式异步电动机来说,用在变频调速中,其转子也是短路的,因而urα=urβ=0。若按转子磁链定向,则M轴与电动机转子全磁链ψr轴重合,T轴垂直于M轴,从而使ψr在T轴上的分量为零,表明转子全磁链ψr惟一由M轴绕组中电流所产生,可知定子电流矢量is在M轴上的分量ism是纯励磁电流分量;在T轴上的分量is T是纯转矩电流分量。

三相异步电动机变换到M-T坐标系上的电压方程为:

式(1)中参数定义如下:

usM—定子电压矢量us在M轴上的分量;

us T—定子电压矢量us在T轴上的分量;

Rs—定子绕组电阻;

Rr—转子绕组电阻;

∆ω—M-T轴相对与转子的角转速;

Lm—M-T坐标系定子等效两相绕组的自感;

Lr—M-T坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感;

Ls—M-T坐标系转子等效两相绕组的自感;

P—微分算子;

iSM—定子电流矢量is在M轴上的分量;

SMs iST—定子电流矢量is在M轴上的分量;

irm—转子电流矢量ir在M轴上的分量;

ir T—转子电流矢量is在M轴上的分量。

电动机转子全磁链ψr在M-T轴系上的量可用方程表示为:

将式(2)和式(3)带入到式(1)得:

由式(4)的第三行可得:

由上式求出:

将式(5)代入式(2)中,求得:

式(6)所表明的物理意义是:转子磁链ψr惟一由定子电流矢量的励磁电流分量iSM产生,与定子电流矢量的转矩电流分量iST无关,这充分说明了异步电动机矢量控制系统按转子全磁链定向可以实现磁通和转矩的完全解耦;还表明了,ψr和iSM之间的传递函数是一个一阶惯性环节,当iSM为阶跃变化时,ψr的变化要受到励磁惯性的阻挠,ψr按时间常数Tr呈指数规律变化,这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一致的。

由磁链方程(2)和(3)得:

带入M-T坐标系上的转矩方程

式(9)中:

Te—电磁转矩;

np—电机极对数。

式(10)所表明的物理意义是,当恒定时,无论是稳态还是动态过程,电磁转矩都与异步电动机的转矩电流分量成正比。

运动方程与坐标变换无关,仍为:

式(11)中,TL—负载转矩。

为了使两个子系统完全解耦,除了坐标变换以外,还应设法抵消转子磁链ψr对电磁转矩Te的影响。通常的办法是,把ASR的输出信号除以ψr,当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消,且变频器的滞后作用可以忽略时,此处的(÷ψr)便可与电机模型中的(×ψr)对消,两个子系统就近似解耦了。这时,带除法环节的矢量控制系统可以看成是ψr和n两个独立的线性子系统,可以采用经典控制理论的单变量线性系统综合方法或相应的工程设计方法来设计两个调节器AψR和ASR。此处将磁链子系统残余耦合作用所造成的滞后、矢量控制的计算延迟时间、变频器和电机的电磁惯性、近似等效为一个一阶惯性环节[2]。

其传递函数为:

上式中:

Kv—PWM装置放大倍数,取22;

TV—等效滞后时间常数,取0.00341s。

本文是将变频器与电机看成整体作为研究对象。在无头轧制系统中对磁链ψr的控制由变频器实现,其AψR和ACR参数不需要设置,所以我们只对转速n的控制进行研究。由上述分析可得位置随动系统原理图,如图1所示。

3 控制器设计与系统参数计算

为了更准确直观地研究无头轧制多级传动系统,我们开发研制了无头轧制多级传动系统模拟实验台,如图2所示。

该机械平台可分为上下两大部分。下部有两个滑块平台,分别由两根滚珠丝杠连接推动,焊接用的模拟钢坯加在两个滑块平台上。一号滑块平台模拟进入一号轧机的钢坯,二号滑块平台模拟出炉钢坯。上部为焊机滑块平台,焊机固定在其底部并随之一同运动。焊机滑块平台根据下部两个滑块平台的相对位置实现对一号滑块平台的跟踪,并在两块待焊钢坯对接处与二号滑块平台同步。驱动下部两个滑块平台的是两台变频器专用异步电机,焊机滑块平台由永磁同步电机拖动,以满足位置控制要求的动态性能。滚珠丝杠的一端连接光电编码器,用于测量3个滑块平台的相对位置。在上导轨的两端和中点安装了3个接近开关,下导轨两端和行程中安装了4个接近开关,7个接近开关用以滑块平台位置初始化和终点提示[3]。

实际控制系统参数:APR:p=2,ASR:p=12,I=400。并给实际系统输入950mm的位置阶跃信号,可得实际系统的阶跃响应监控曲线,如图3所示。

在此处将负载以及和电机连接的滚珠丝杠转动惯量均折算到电机转子转动惯量J中。

由式(11)可知:

实际系统中通过Wincc监控曲线,可读出电机输出转矩与转速值如下:

由式(12)得:

∆t=t2-t1=0.099s时间间隔非常短,在这段时间内Te近似按直线变化。

所以式(15)中,∆s:近似为Te在t2-t1时间内与时间轴围成的梯形的面积。将式(13)中数据带入到式(15)得∆s=0.03935

将此值带入到式(14)中,求得:2

在控制系统中钢坯的前进是由滚珠丝杠转动实现的,电机轴与丝杠连接,丝杠每转一周,钢坯前进5mm。即钢坯前进速度与电机转速的关系为:

式(16)中,v—钢坯前进线速度,单位mm/s。故位移与电机转速之间的传递函数为:

式(2-17)中,s—钢坯位移,单位mm。

4 系统仿真

根据位置随动系统原理图(图1),编写simulink程序进行仿真[7],如图4所示。

由于二号钢坯对一号钢坯的伺服过程和焊机对一号钢坯的伺服过程基本相似,所以本文只对二号钢坯的响应曲线进行分析。图1中,各环调节器均为PI调节器,参数与实际系统相同,其中APR:p=2,ASR:p=12,I=400。实际系统ACR未知,此处自行设计,取ACR:p=1,I=2。给二号钢坯仿真模型中同样输入950mm的位置阶跃信号,仿真模型的阶跃响应曲线,如图5所示。

5 结论

1)由表1可知,该曲线误差很小,模型基本反映了系统的实际运行情况。滑块处于丝杠不同阶段,造成负载转矩略有不同,使得仿真系统在启动过程中比实际系统稍快。

2)可以用该等效模型来模拟交流传动系统,尤其是在钢坯运动以“秒”为单位时更具使用价值。

摘要：无头轧制多级传动控制是基于现场总线的,以交流电机作为执行机构,以变频器作为控制与放大装置的机电控制系统。本文通过矢量变换建立异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型,构建出交流传动系统等效的直流传动系统的动态结构图。通过理论分析、SIMULINK软件包仿真和实验验证,证明这种方法是可行的。该数学模型为开发各种智能算法在交流多级传动系统上的应用奠定了基础。

关键词：无头轧制,位置随动控制,矢量变换控制

参考文献

[1]王宏文,李韶远,等.唐钢无头轧制多级传动系统[J].冶金自动化,2002,6-2:37-39.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社,2005.

[3]王宏文,刘通学,等.无头轧制多级传动模拟实验平台的研究与开发[J].制造业自动化,2008,1-1:23-26.

[4]王树.变频调速系统设计与应用[M].机械工业出版社,2006.

[5]胡灵杰.基于Matlab无刷直流电机控制系统建模与仿真[J].机械与电子,2007,12-1:35-38.

[6]李有军.异步电机分析模型综述[J].电气技术,2007,11-1:8-10.

[7]Hoang Lehuy.Modeling and simulation of electrical drivesusing Matlab Simulink and power system blockset[J].IEEE Proceeding from Industrial Electronic Society,2001,3(2):1603-1611.

三相光伏发电并网系统的建模与仿真 第8篇

光伏发电是一种新型的分布式发电技术，光伏发电系统主要是利用太阳能光伏电池直接对光能进行能量转换从而产生电能的一套装置，但是由于太阳光本身的不稳定等因素，光伏发电并网会对当前电网的稳定性造成一定的影响，因此对光伏发电并网的相关科学研究具有非常重要的实际意义。

近年来，我国对光伏发电并网的相关研究取得了很多关键性的进展，文献[1]对光伏发电并网的几个核心问题进行了研究，通过改进扰动法和Boost电路实现MPPT，对比光伏并网的电流控制方式，以双闭环控制对联网逆变器进行控制以及孤岛检测的优化等，该文献为发展分布式能源的高效利用提供了重要参考。文献[2是在PSCAD/EMTDC平台上搭建了一个直流光伏发电模型，该模型的优势在于能够模拟任意光照强度下的光伏I-V特性，但未对三相光伏并网系统进行仿真。文献[3]通过实际的光伏发电并网系统的运行数据，系统的介绍了光伏发电并网后对电网的影响，对不同天气情况下的光伏发电功率、孤岛检测和大功率光伏发电并网后对电网负荷的影响等方面进行了研究，并对未来的光伏发电并网的调度、负载等问题进行了分析，对光伏发电的并网研究具有指导意义，但没有提出具体的处理方案。文献[4]主要针对光伏电源在微电网中的接入问题进行了研究，提出以PV的平均功率来计算储能设备容量的相关方法，并通过仿真验证了该方法具有较好的实际应用价值，但该研究主要针对的是微网环境。

本文主要是在Matlab/Simulink平台上搭建了一套两极式三相光伏发电并网系统模型，分别建立了基于光伏发电伏安特性的光伏电池阵列模型和基于电导增量法的MPPT控制模型，通过MPPT控制提高了光伏电池阵列的工作效率，最后通过仿真验证了本系统具有较好的动态性能。

1 光伏阵列以及MPPT控制仿真模型

光伏发电并网系统主要包括太阳能电池阵列、并网逆变器、变压器等最后再与大电网相连，其中光伏电源的等效电路如图1所示。

图1中，恒流源ISC为光生电流。IL为分光电流，它流过负载RL，在其两端产生了电压UL，此电压作用于二极管产生了抵消另一部分光电流的电流IF，也可称为暗电流。另外电池本身还有电阻，因此用一个并联电阻RSH和一个串联电阻Rs来等效。通过对光伏电池的等效电路的以及物理特性的分析可以得出以下算式：

式中，A是二级管理想常数，当正偏电压大时为1，正偏电压小时为2;K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K;T为光伏电池的温度；IF0为光伏电池在无光照时的饱和电流。从式中可以看出，光伏电池阵列输出的电压和电流受外界环境条件如光照强度温度等的影响，在相对稳定的日照条件下，短路电流的强度与温度呈现出一定的线性关系。基于以上数学模型，本文建立了的光伏阵列模型，其输出特性如式（2）所示：

式中：NS和NP分别代表串联组件和并联组件的数量，光伏阵列仿真模型如图2所示。

光伏并网系统中为了提高光伏阵列的发电效率，通常要求整个光伏发电系统的功率始终保持在最大，即系统始终要对其最大功率点进行追踪（MPPT)[5]。本文通过Boost电路来实现升压功能，以电导增量法实现MPPT的控制，其原理就是通过对比光伏发电电池阵列的瞬时导抗以及导抗的变化量来实现MPPT功能，从典型光伏电池输出功率P-V特性随温度变化曲线中[6]可以得到光伏发电并网系统的输出功率具有最大功率点处功率对电压的导数为0这一特性，即：

电导增量法中的核心问题就是判断式（5）所示的关系能否成立[7]，当式（5）成立，即输出电导的变化量和负的输出电导相等就表明此刻光伏并网的P-V曲线斜率为零，即达到了最大功率点MPP；若不成立就要根据算式（5）的大小关系来判断功率曲线斜率的正负：当输出电导的变化量大于负的输出电导时，表明此时光伏并网的P-V曲线斜率为正；当输出电导的变化量小于负的输出电导时，表明此刻的光伏并网P-V曲线斜率为负[8]。图3为搭建的基于电导增量法的MPPT模型。

2 并网逆变器的控制策略

两级式光伏并网逆变器拓扑结构如图4所示。本文搭建的三相光伏发电并网模型及仿真是在大电网的输出三相平衡且稳定性较高，电感、功率开关管等元器件均为理想器件，并且不计开关过程和死区时间的条件下进行的。在三相坐标静止坐标系中，三相光伏并网逆变器的数学模型可以根据基尔霍夫定律表述如式（6）所示：

式中：ia,ib,ic是并网逆变器的输出电流；ua,ub,uc是并网逆变器的输出电压；ea,eb,ec是三相电网的电压；r是逆变器的输出阻抗；L是交流端的滤波电感。

为得到同步旋转d-q坐标系下的数学模型，对式（6）所描述的数学模型进行了同步坐标变换，最后得到三相光伏并网逆变器数学模型如式（7）所示：

通过解耦和PI调节，可推导出在d-q坐标系中三相并网逆变器的电流前馈解耦算式：

综上，便可得出两级式三相光伏并网逆变器的控制策略，如图5所示。

由图5可以看到，为得到光伏并网逆变器所需要的PWM波，首先，并网逆变器需要通过最大功率点追踪得到V*dc，在与Vdc做差后得出误差信号；其次，将得出的误差信号通过PI调节后得到有功电流参考值id*；再次，通过id*和iq*和并网逆变器的输出的有功电流和武功电流的采样值做差后得出误差值；最后，将次误差通过解耦和PI调节后，再经过SVPWM变换即可。SVPWM变换也就是电压空间矢量脉宽调制，依托平均值等效原理，由三相变流器输出的指令电压于复平面中合成电压空间矢量，并且通过三相逆变器不同的开关模式，产生PWM波，目的就是使输出的波形能够尽量接近正弦理想波形[9]。

3 光伏发电系统并网模型及仿真

通过本文前面的分析和搭建的模型，建立如图6所示的三相光伏发电并网系统，本系统采用双环控制，具体的参数如下：Tref=25℃，Sref=1 000 W/m2;Voc=64.2 V,ISC=5.96 A;Vm=54.7 V,Im=5.58 A；采样时间=0.000 1 s，ΔD=0.000 1;fs=10 000 Hz;L=4e-3 H；三相对称，ea=311×sin(100πt)。

图7和图8即为三相光伏并网系统的三相电流和电压的仿真图。从仿真图中电流和电压所反应出的标准正弦曲线可以准确地验证本文所采用的控制策略的正确性。

图9为MPPT中直流端电压Vdc的仿真图。从图中可以看出在一个周期内直流端电压达到稳态。图10为IdIq的仿真图，图中Iq一直近乎保持在0，说明本文所搭建的仿真模型能够保持较好的单位因数并网。

图11为光伏阵列的输出功率和并网逆变器的输出功率，从图中可以看出光伏阵列和并网逆变器的输出功率非常近似。

4 结论

本文首先对光伏阵列和最大功率点追踪的原理进行了介绍，然后建立了光伏阵列的仿真模型，通过Boos电路与电导增量法来实现光伏并网的MPPT控制。搭建了MPPT仿真模型，通过对光伏并网逆变器的控制策略的分析和运用，最后完整地建立了一个两级式三相光伏并网系统模型，并通过仿真验证了本系统控制策略的正确性且具有较好的动态性能，为后续的光伏并网的相关研究提供了有力支持。

摘要：为了真实地模拟光伏发电并网系统,针对光伏发电并网的最大功率点追踪,给出了基于电导增量法的控制方法,提高了光伏电池阵列的工作效率。利用Boost电路实现MPPT控制,以SVPWM变换形成PWM波,在此基础上分别从光伏发电并网系统的各重要组成部分出发,建立了一套两级式三相光伏并网发电系统模型。最后,通过仿真对所搭建模型的动态性能进行验证。仿真结果表明,该模型能够真实地反映三相光伏发电并网系统的实际运行特性,具有较好的动态性能。

关键词：光伏并网系统,光伏阵列,并网逆变器,SVPWM

参考文献

[1]李冬辉,王鹤雄,朱晓丹,等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):208-214.

[2]孙自勇,宇航,严干贵,等.基于PSCAD的光伏阵列和MPPT控制器的仿真模型[J].电力系统保护与控制,2009,37(19):61-64.

[3]赵平,严玉廷.并网光伏发电系统对电网影响的研究[J].电气技术,2009(3):41-44.

[4]周念成,闫立伟,王强刚.光伏发电在微电网中接入及动态特性研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(14):119-127.

[5]李翠霞.光伏发电系统控制器的研究[D].天津:天津大学,2009.

[6]全凤丽.并网光伏电站引起的电压波动与闪变的研究[D].西安:西安交通大学,2011.

[7]黄瑶,黄洪全.电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制[J].现代电子技术,2008,31(22):18-19.

[8]汤济泽,王丛岭,房学法.一种基于电导增量法的MPPT实现策略[J].电力电子技术,2011(4):73-75.

电动汽车动力系统的建模与仿真研究 第9篇

1 电动汽车的动力参数设计

1.1 动力与参数设计要求。

电动汽车的发展一直受到动力传动系统的限制, 目前这一问题如何解决已经称为电动汽车研究领域的一个热点。电动车运用锂离子电池组以动力参数的匹配设计为基础, 对电动车的动力性能与续使里程进行仿真分析。关于动力的设计要求需要满足以下几点:第一最高车速需要大于等于110km/h;第二最大的爬坡度要保证在35km/h的前提下大于或者等于25%;加速时间应该在0-50km/h以内时小于等于10秒, 在50-80km/h时也要小于或者等于10秒;在定速40km/h情况下续使里程要大于或者等于160km。另外, 在电动车本身的参数方面:汽车满载质量达到1500kg, 车轮半径为305mm, 迎风面积为2.0平方米, 路面滚动阻力系数0.02, 空气阻力系数0.3, 传动效率0.92。以上为纯电动汽车的动力与参数的设计要求。

1.2 驱动电机的选择。

对于电动汽车来说电驱动机就相当于人的心脏一样重要, 为电动汽车一切的活动提供能量来源, 电动机的设计理念就是将电能转化为机械能从而驱动电动汽车行驶, 进行空间移动;或者是做相反的转化, 即将机械能转化为电能对电动汽车进行充电或者对其再生制动。使用者最为关注的就是电动汽车的动力性能, 而电动机直接影响到动力性能, 具有较大功率电动机的车辆在爬坡和加速方面都有更高的性能, 这是因为大功率的电动机的后背功率也随之增大。但是大功率电动机的体积与质量也相应的有所增加, 这对续使里程有一定影响。在参数与性能的满足方面, 选用交流感应电动机, 电机的最大功率根据最高车速确定, 最大爬坡功率根据一定速度下的最大爬坡度确定, 加速功率由加速性能确定, 但是总体上必须满足动力源提供的总功率要大于最大功率、最大爬坡功率以及加速功率三者之中的最大值。另外, 对于驱动电机的而定功率可以利用动力源总功率与电机过载系数之比求得。

1.3 动力电池组参数的确定。

目前在电动汽车的领域中锂电池就有较高的能量密度, 单位工作电压一般为3.7V左右较高, 另外由于其充电效率高、寿命长等特点较为常用, 所以锂离子电池在车用电池中最为广泛, 一直以来因为其性能好和复合环保的理念而反应良好。所以选用规格为3.2V/80Ah的磷酸铁锂离子电池组, 至于选电池数量的确定应该根据实际续使里程进行。P= (v/3600b) * (mg*f+C*Av^2/21.15) 是电动汽车经过一次充电之后在速度v的情况下匀速行驶路程S之后功率P需要满足的公式, 将功率P与电动车所需用电设备功率的消耗相加, 求出在行驶路程S之后一共需要的总功率P1, 最后利用P1求出所需电池的数量, 即利用路程S与1000P1的乘积与匀速行驶的速度v、放电深度b、单体电池的电压u、以及单体电池的容量C死者的乘积之比。

1.4 匹配结果分析。

经过以上理论的计算得出电动汽车的主要参数如下:对于电动机这个主要的传动部件来说, 峰值功率的设计参数为59k W, 额定功率设计参数为20 k W, 额定转速的参数值为每分钟3600转, 最高转速参数设计在在每分钟8000转左右;另外一个传动部件单体电池采用磷酸锂离子电池, 额定容量为80Ah, 额定电压选取3.2V, 电池内阻大约为0.001欧姆, 使用电池数量一个110个;传动系数主减速比为4.333, 固定减速比在二档的情况下满足1.947, ;其他车体方面的系数为整备质量1265kg, 满载时质量为1565kg, 电动汽车长度为3850毫米, 宽度为1785毫米, 高度为1665毫米, 滚动阻力系数0.015, 空气阻力系数0.3。以上为根据参数的设计需要匹配得到的结果, 以此为依据进行模型设计与仿真分析。

2 建立仿真模型

2.1 ADVISTOR仿真程序简介。

美国国家能源可再生能源实验室在1994年的时候通过多年的研究分析研制出了适用于多种车辆的计算机仿真程序ADVISTOR, 该软件可以建立完整的电动汽车整车仿真模型。通过对反震模型的分析可以找出电动机、电池组、加速器以及变速器之间存在的问题, 并且对参数进行科学合理的修改使其满足要求。此外, 近年来Cruise仿真软件也较为常用。

2.2 动力性能仿真结果。

在仿真时由于ADVISTOR车辆仿真软件的电动汽车系统模型所以选用比较典型的ECE-EUDC典型工况, 在仿真时得出车速、核电状态、电动机功率随时间变化的曲线图, 并且得出仿真结果如下:最高车速的仿真结果为115.7km/h满足最高车速大于等于110km/h的要求, 最大爬坡度的仿真结果为在35km/h的状态下达到了27.5%满足参数设计要求的25%, 另外在加速方面0-50km/h的加速时间为5.4秒, 50-80km/h的加速时间为6.6秒, 与参数设计要求的小于等于10秒相比, 加速性能良好。

2.3 续使里程的仿真结果分析。

通过仿真分析之后, 电动汽车在负载150kg、以40km/h匀速行驶, 最大续使里程可以达到165.7km, 完全满足设计参数的要求。由电动机汽车的能源消耗仿真图可以得到动力电池、电动机和变速器一系列部件的能源转换情况与利用效率。另外, 在燃油方面, 在该循环工况下循环里程为10.93时, 耗油量为6.4L/100km, 当循环里程为65.4时耗油量为3.9 L/100km;在循环工况为40km/h的循环工况下, 循环里程为154km, 耗油量2.2 L/100km。在ECE-EUDC循环路况下的耗油量比40km/h匀速工况条件下的耗油量较高的原因是前者需要对电动车频繁启动、加速与减速。综合分析来看, 该电动汽车的燃油量与续使里程都较为合理。

结束语

电动汽车的使用既迎合了环境保护的理念, 又促进的节能减排的进行, 本文利用ADVISTOR仿真软件设置典型的循环路况, 通过对仿真曲线与结果的分析得出了该数学模型下所需求的参数与仿真结果基本符合。此外, 文章还对燃油与续使里程的经济性进行了分析, 结果也都符合要求。此外, 还得出在电池与电动机之外还有一些因素对电动车的性能有较大的影响, 为日后电动车的设计提供了依据。

参考文献

[1]钟磊, 高松, 张令勇.纯电动轿车动力传动装置参数匹配与动力性仿真[J].山东理工大学学报:自然科学版, 2010.

同步化物流配送系统建模与仿真研究 第10篇

供应链上各环节的协同运作是生产制造企业顺利生产的基本要求,也是提升企业核心竞争力的发展需要。如今JIT和精益化生产等各种先进生产方式在制造业的广泛应用,同步化的物流配送环节就是首要考虑的关键问题。物流配送系统的建模与仿真也已发展成为物流方法研究的一个重要手段。

本文以同步化物流配送系统的配送模式作为研究对象, 从分布在 不同区域 的零部件 仓库发货 到达CPD总库能与CPD总库向生产线上进行配送保持同步性 ,同时能满足发货仓库与非发货仓库的及时补货。从而能在规定时间内将全部所需零件配送至生产线,保证生产线顺利生产为目标,构建一个合理化的仓库布局模型,考虑实际过程当中其他不确定因素,建立基于Flexsim软件的仿真模型。文章主要工作有:( 1) 对汽车零配件配送物流与制造过程同步化运作的构成部分进行研究,并建立评价指标体系;( 2) 建立同步化物流配送系统数学模型;( 3) 建立基于Flexsim软件的系统仿真模型;( 4) 对仿真结果进行分析,验证模型的科学性和可行性。

一、同步化物流配送系统

同步化物流配送系统是基于精益物流的思路来对生产物流系统进行规划的成果,以实现精益生产的目标。

( 一) 精益化

精益化生产是一种哲学,源于日本工业界,是由日本丰田大野耐一提出的,其核心思想是消除生产中的浪费。在致力于消除生产浪费的过程中,丰田采用了“准时化”、“零库存”、“ 一个流生产”、“自动化”等高效的管理方式,为精益化生产的发展提供了有利的条件。精益生产方式强调人的积极性,突出团队精神,全员参与,建立共同价值观,培养集体荣誉感。精益化生产融合了工业工程、质量控制、设备管理、价值工程等多项现代化管理模式,创造出多种新的方式。精益化物流便是精益生产的一个重要组成部分。精益化物流规划 的思路( 如图1所示) 。

同步化物流是在益化物流中达成精益生产效果较为突出的一种物流模式。

( 二) 同步化物流

汽车零部件物流配送是汽车制造商对汽车制造过程中所需的原材料、零部件进行的采购及生产工作。汽车装配所需要的零部件种类繁多、数量大、生产地域广,导致了零部件组织及管理的难度。零部件的完好质量、准确时间、准确数量及适度库存就是为了保证物流配送作业与汽车装配制造保持 同步。因此,汽车零部件配送物流就是为了满足汽车装配过程中的零部件种类、数量、时间及库存,保证装配生产的连续性。保证零部件配送物流与汽车装配制造同步的方法及方式多种多样,但低成本、高效率、准确性的配送模式是其关键。

二、同步化物流配送系统模型

传统的生产企业物流配送模式是以经济订货批量为基础的物流配送模式,注重物流配送系统的运输成本及仓储成本最小化。其采用的模型如下:

其中,Q为经济订货批量,A为企业需求量,F为订货成本,C为存储成本。

在同步化物流配送系统中,汽车生产车间的物流系统最为复杂,其规划效果也最为明显,由于汽车零部件种类及数量比较大,且零部件单车装配数量一定,因此在生产车间物流系统规划时,需要考虑的影响因素比较复杂。汽车生产体系关注的不仅有物流成本问题,还应考虑到生产效率、汽车装配节拍、物流运输满载率、零部件的装载比例、零件车间库存量、设备设施布局及物流成本等等因素。

同步化物流配送模型的各项影响因素的参考符号有:汽车零部件种类n,零件的单车装配量ai( i=1,2…n) ,零件包装器具的容量bi( i=1,2…n) ,零件器具单包装体积vi( i=1,2…n) ,车辆装载容量V,生产节拍p,运输车辆数量k,车辆装载零件种类wj( j=1,2…k) ,单车运输及装卸时间Tj( j=1,2…k) , 零件运至 生产工位 时间ti( i=1 ,2…n) , 零件车间 库存量qi( i=1,2…n) ,物流配送系统各环节的成本cl( l=1,2…m) ,车间仓库面积S,各零件面积si( i=1,2…n) ,车间物流配送成本C。

( 一) 同步化物流配送的假设条件

1.物 流配送零件的合格率为 100%, 即所有零部件都可 直接装配。

2.汽车生产车间向仓储库房要货反应时间极短 ,可 近似 为无要货提前时间。

3.零部件库房采取批量生产 、分批配送的方式满足装配 车间的生要求。

4.所有零部件都在库房内存储 ,无需机械加工。

( 二) 同步化物流配送系统的数学模型

在汽车生产车间零部件物流配送系统规划过程中,结合各品种的零部件仓库分布在不同区域的特点,通常的配送模式很难满足企业所要求的精益化生产策略,所以建立数学建模来设计一个合理化的仓库布局来形成一个同步化物流配送系统。其数学模型如下:

三、实例分析

本文以某第三方物流公司为某汽车制造企业当中一条装配线进行零部件产前物流配送为实例,生产车间的生产节拍为200s,汽车装配零件种类为18种,车间库存面积为800m2, 拥有6台运输车辆,运输车辆的容量为45m3,满载率为65%, 装配零部件的信息( 如表1所示) 。

根据研究实例的现实情况及实际影响因素,其物流运营成本为

假设实际物流配送过程中,每辆运输车辆所装载的零件种类固定,即六辆运输卡车固定运送几种零件。1号车运送零件1~7,2号车运送零件8,3号车运送零件9~11,4号车运送零件12~15,5号车运送零件16,6号车运送零件17~18。车间仓储区要求保证安全库存为120分钟。

将上页表1中的数据代入同步化物流配送系统数学模型进行计算。

安全库存量qi=36ai,各零件的安全仓储面积为其中,δ为车间安全仓储系数,,为低储箱数,为整数。

零件安全库存面积求和并代入物流通道系数1.2,则车间安全库存面积为634m2, 因此车间库存面积可以满足安全库存面积。

实际物流配送作业中,车间库存存储的零部件量一定高于安全库存面积,因此需要采用同步化物流配送系统的数学模型和经济订货批量发计算每种零件库存箱数gi,其计算过程如下:

得出零件车间仓储箱数( 如表3所示) 。

多种零件库存布局规划过程可通过Flexsim仿真处理, 得到合理、科学、可行的布局方案。

四、Flexsim

Flexsim采用面向对象技术 ,并具有三维显示功能 ,该软件的突出特点在于建模快捷方便和显示能力强大该软件功能强大,可以提供原始数据拟合、输入建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真试验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等功能,也提供了与其他工具软件的接口。

Flexsim仿真建模基本步骤 :

1.选 择实体 :根据建模系统要实现的功能 ,对应 Flexsim 实体功能,选择合适的实体,建立模型与实际系统的映射关系。如果没有合适的实体,需要自己建立。

2.构建模型布局:根据系统布局,从对象库中拖放所需的 对象到建模视图中。

3.定 义对象流程 :根据对象之间的关系 ,连接相应端口 , 构建模型的逻辑流程。

4.编辑对象参数:模型中各实体要实现实际系统功能 ,就 必须对其参数进行设定,必要时要自己编程来实现一定功能。

5.运行调试模型 :首先对模型进行编译 ,然后运行 ,进行观察,如果与实际不符,重新设置参数,再重复编译运行,直到实现其功能为止。

将同步化物流配送系统的数学模型计算出的各项数据, 编入Flexsim的模块中,通过实例演示,得到合理化布局( 如图2所示) 。

根据Flexsim仿真出的布局图可以看出,在同步化供应的情况下,规划人员从生产车间装配效益为出发点,通过合理的配置物流资源,按照生产需求进行物流配送,实现了准时化的生产物流配送模式。同时,数值结果也体现了同步化物流配送系统与传统物流配送系统的不同,传统物流配送系统主要追求生产作业最优化及运输与库存成本最小化,属于分散式管理模式,而同步化物流配送系统则是追求生产装配、物流配送系统这个整体系统最优化,采用的是先进的物流供应集成化管理思想。

结语

本文以同步化 物流配送 系统的配 送模式作 为研究对 象,从分布在不同区域的零部件仓库发货到达生产车间仓库,能与生产车间仓库向生产线上进行配送保持同步性,同时能满足发货仓库与非发货仓库的及时补货。从而能在规定时间内将全部所需零件配送至生产线,保证生产线顺利生产为目标,构建一个合理化的仓库布局模型,考虑实际过程当中 其他不确 定因素 ,建立基于Flexsim软件的仿 真模型。同步化物流配送系统的数学模型包含生产装配物流配 送系统的影响因素广泛,保证生产调度与物流配送系统的同步性,降低了物流配送成本,具有一定的实用价值和理论参考价值。

机电系统建模与仿真 第11篇

摘 要：以某越野车为样车，首次建立了装有动力调节悬架系统的车辆动力学频域模型，采用阻抗传递矩阵获得油路的阻抗阵，通过数值优化迭代寻根方法，求解模态特征值，并与建立的不带横向稳定杆的整车模型和带横向稳定杆的整车模型进行模态参数对比和模态分析.结果表明，动力调节悬架系统使车辆在保持原有乘坐舒适性的同时，能有效抑制转弯时车体的侧倾运动，且大幅降低簧下的扭转刚度，越野路面时车轮能充分接触地面，提高车辆通过性能.

关键词：模态分析；动力调节悬架系统；整车动力学模型；阻抗阵

中图分类号：U463.33 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）10-0008-08

Abstract：This paper took an SUV vehicle as the prototype， established a frequency-domain model of vehicle with KDSS-fitted， based on the transfer matrix method to derive the impedance matrix of hydraulic subsystem， solved the eigenvalue in numerical optimization iteration method， compared and analyzed the modal parameters of KDSS-fitted vehicle， ARB-fitted vehicle and no-ARB-fitted vehicle model. The results indicate that KDSS is able to effectively reduce the roll motion of sprung mass in the same way as anti-roll bar， and simultaneously maintain the ride comfort performance. At the same time， the wheel torsion stiffness， compared with ARB， is greatly reduced. This gives the wheels full contact with the ground and improves the passing ability of the vehicle.

Key words：modal analysis；kinetic dynamic suspension system； vehicle dynamics model； impedance matrix eigenvalue identification

汽车横向稳定杆（Anti-Roll Bar， ARB）能提高侧倾刚度，抑制转弯时车身侧倾，但ARB将左右车轮互联，在通过越野路面时，降低了车辆的通过性和越野性.针对这一问题，目前主要的解决方法有主动式横向稳定杆、液压互联悬架、主动悬架及动力调节悬架系统（Kinetic Dynamic Suspension System， KDSS）等.

主动式横向稳定杆一方面能平衡车身的侧倾力矩，提高车辆稳定性，另一方面能调节力矩的分配，从而调节汽车的动力特性，保证车辆的通过性.Gosselin-Brisson等[1]设计的一款主动式横向稳定杆，对越野路面的通过性及乘客舒适性都有很大的提高；Cronje等[2]设计的主动横向稳定器与半主动悬架结合，实现越野车在平顺性、操稳性模式之间的切换；李显生[3]对装有主动横向稳定器的实车进行了多项实验研究.

液压互联悬架系统是一套悬架辅助系统，不同的互联形式和结构对车辆行驶性能影响不同.郭孔辉等[4]提出多种液压式耦联悬架系统以改善车辆的操稳性和通过性；文献[5-7]提出了液压悬架不同的互联方式，对车辆有抗侧倾、抗俯仰、抗垂向和消扭等不同的作用效果，在频域和时域对液压互联悬架进行了理论推导和试验验证.

主动悬架能够根据车辆的运动状态，实时调节悬架的刚度和阻尼，但需要较大的能量输入，且成本较高.Aoyama等[8]研发的主动油气悬架系统将压力控制阀同小型蓄能器和液压油缸相结合以降低能量损耗，并实现对刚度和阻尼的调节；郭孔辉等[9-11]建立了车辆模型，从车辆平顺性和操稳性出发，设计最优控制器；周兵等[12-14]对主动悬架控制器进行了深入研究和有效设计.

KDSS包含断开式横向稳定杆及液压系统[15]，相比于传统横向稳定杆，兼具抗侧倾和消扭性能；相比于液压互联悬架，结构更为简单；相比于主动和半主动悬架，成本更低，无电子控制部分.该技术虽已运用到丰田公司的部分高端越野车上，但缺乏深入系统的理论分析.本文通过建立KDSS频域模型，结合整车7自由度模型，与传统的不带ARB车辆和带ARB车辆进行整车性能对比分析，从理论上验证KDSS能提高车辆侧倾刚度，降低簧下扭转刚度，且对车身垂向刚度和俯仰刚度影响很小.

3 结果分析

根据表2～表4的结果，对装有KDSS整车分别与不带ARB、带ARB的车辆进行模态对比分析.

安装KDSS之后，越野车的各模态产生了变化.相对于不带ARB车辆的侧倾模态频率1.5 Hz，装KDSS车辆增大到1.546 Hz，说明KDSS能提高整车的侧倾刚度，而侧倾模态的阻尼比变化很小，说明在不考虑作动器和管路阻尼的情况下，KDSS对原车阻尼影响很小；相对于不带ARB悬架车辆的俯仰模态频率3.36 Hz，装KDSS车辆增大到3.4 Hz，说明KDSS对整车的抗俯仰性能有所提高，但幅度较小；车身垂向模态的固有频率从1.95 Hz 增大至 1.96 Hz，幅度很小，可以忽略.以上结果证明安装KDSS之后整车车身侧倾模态的固有频率提高了，对车身垂向模态和俯仰模态的影响不大，装有KDSS车辆的车身侧倾刚度提高可以有效地提高车辆在转弯时的安全性，抑制车辆侧翻现象的发生.

相对于带ARB车辆，安装KDSS车辆的车轮扭转模态固有频率从12.90 Hz 减小到12.57 Hz，有明显降低，与不带ARB车辆的车轮扭转模态固有频率相差较小，扭转固有频率的下降说明KDSS在扭转路面时会解除ARB的作用，使悬架的动挠度增大，车轮能充分接触到地面，车辆的越野性和通过性变好.对于在崎岖山路行驶的越野车辆而言，它的作用是必不可少的，并且对车身而言，减小或消除了4个橡胶套接触点扭转力的作用，释放了车身受到的扭转力，延长了车辆的使用寿命.

4 结 论

建立了装有KDSS的车辆频域模型，利用传递矩阵法推导出液压系统每个回路的阻抗阵，组成通路矩阵，运用寻根求最优特征值方法，获得了机械液压耦合系统的特征值.分析了KDSS的模态特性，与不带ARB车辆和带ARB车辆的频域模型进行了对比，结果表明，KDSS与传统ARB一样，提高了车辆侧倾刚度，并且KDSS消除了稳定杆的扭转，降低了簧下的扭转刚度， 使车轮能充分接触地面，保证了车辆良好的通过性.

参考文献

[1] GOSSELIN-BRISSON S，BOUAZARA M，RICHARD M J. Design of an active anti-roll bar for off-road vehicles[J]. Shock and Vibration，2009，16（2）：155-174.

[2] CRONJE′P H，ELS P S. Improving off-road vehicle handling using an active anti-roll bar[J].Journal of Terramechanics，2010，47（3）：179-189.

[3] 李显生.商用车行驶安全性及主动横向稳定器的研究[D]. 长春：吉林大学汽车工程学院， 2002.

LI Xian-sheng.Driving safety of commercial vehicle with active anti-roll bar[D].Changchun： College of Automotive Engineering， Jilin University， 2002. （In Chinese）

[4] 郭孔辉，陈禹行，庄晔，等.油气耦连悬架系统的建模与仿真研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2011，38（3）：29-33.

GUO Kong-hui，CHEN Yu-xing，ZHUANG Ye，et al.Modeling and simulation study of hydro-pneumatic interconnected suspension system [J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2011，38（3）：29-33. （In Chinese）

[5] SMITH W A，ZHANG N，HU W.Hydraulically interconnected vehicle suspension： handling performance[J].Vehicle System Dynamics，2011，49（1）：87-106.

[6] ZHANG N， SMITH W A，JEYAKUMARAN J.Hydraulically interconnected vehicle suspension： Background and modelling[J].Vehicle System Dynamics，2010，48（1）：17-40.

[7] 丁飞，张农，韩旭.安装液压互联悬架货车的机械液压多体系统建模及模态分析[J].机械工程学报，2012，48（6）：116-123.

DING Fei，ZHANG Nong，HAN Xu. Modeling and modal analysis of multi-body truck system fitted with hydraulically interconnected suspension [J].Journal Mechanical Engineering，2012， 48（6）：116-123. （In Chinese）

[8] AOYAMA Y， KAWABATE K， HASEGAWA S. Development of the fully active suspension by Nissan[J]. SAE Paper 901747， 1990，99（6）：77-85.

[9] 郭孔辉，余五辉，章新杰，等.自适应半主动悬架系统控制策略[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（2）：39-44.

GUO Kong-hui，YU Wu-hui，ZHANG Xin-jie，et al.Semi-active suspension adaptive control strategy [J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（2）：39-44. （In Chinese）

[10]方敏，应艳杰，汪洪波，等.基于整车转向模型的汽车主动悬架控制研究[J].中国机械工程，2006，17（4）： 431-439.

机电系统建模与仿真 第12篇

1 风能与光伏微电网系统的组成

风能与光伏微电网系统整体结构如图1 所示。风力发电和太阳能光伏发电系统为主要的能源供应系统, 后备电源和储能单元为储能系统, 储能单元由蓄电池和燃料电池设备组成。当风能与光伏系统出力过剩, 即微电网发电系统出力超过电网调度指定的负荷需求时, 通过控制储能系统, 使其吸收风光系统发出过剩功率[8]。反之, 风力发电系统和太阳能发电系统与电网负荷需求的差值由储能系统来补偿。

2 储能系统建模与控制方法

储能系统由一定数量的蓄电池组、燃料电池组及并网逆变器单元并联经就地升压变压器送入高压开关站。电荷状态 ( State of Charge, SOC) 是判断电池能量的标准, 当蓄电池的荷电状态低于其设定值 η 时, 启动燃料电池, 否则燃料电池将作为备用储能。

储能系统模型包括3 部分: 蓄电池组模型、燃料电池模型和储能系统并网综合控制策略。

2. 1 蓄电池组模型

当蓄电池处于充满状态下时, 其额定容量为Qn, 在蓄电池组放电的过程中, 电荷状态即剩余电量百分比 ( SOC) 与放电电流i ( t) 具有如下关系[9]:

式中: Mb - s为蓄电池组中电池串联个数; Mb - p为蓄电池组中电池并联个数。

以温度25 ℃时蓄电池的特性为标准, 补偿蓄电池的内阻和极化反应缺额, 由于蓄电池工作时内阻和极化反应受温度影响, 补偿因子与电池极化效应因数Ct以及电池温度Tb的关系为

式中: Cp为极化效应温度补偿因子; Cr为电阻温度补偿因子。

蓄电池组的运行电动势E与初始内电势E0的数学关系为[10]

式中: k为极化电压常数; A为电压变化系数; B为容量变化系数。

2. 2 燃料电池模型[11]

燃料电池作为蓄电池组的备用储能, 起到保障储能系统稳定运行的作用, 采用质子交换膜燃料电池常用模型, 其电压VFC与电流IFC关系为

式中: NF - S为燃料电池组所串联电池的个数; V0为开路时的电压值; Acell为电池的有效活性面积; Jn指实际运行的电流密度; J0为电池运行过程中所能达到的最大电流密度; R为欧姆电阻; m为浓度系数; n为连接损耗因数。

2. 3 储能系统控制方法

建立可再生能源电站与储能系统统一调度, 其功能定位主要有: 平抑可再生能源电站功率波动性问题和按计划调度曲线规划可再生能源电站出力情况。

2. 3. 1 平抑功率波动方式下储能系统并网综合控制方法

蓄电池组综合控制如图2 所示, 储能系统包括蓄电池控制系统和并网逆变器控制系统两部分, 蓄电池组经由电池控制系统、并网逆变器和变压器接入电网, 其中电池控制系统检测电池运行状态, 并网逆变器对蓄电池输出进行控制。

图2 中蓄电池控制器设置了有功功率限定值Pin - max、Pout - max, 电池控制器对蓄电池的充放电情况进行监测, 判断其出力情况是否正常, 当有功功率的参考值Pc超过蓄电池组收、发功率的极限时, 蓄电池控制器所设置的限值作为有功功率参考值。并网逆变器包括电流控制器、功率控制器及V/F控制器, 设置了电压和频率的限定值。在外环控制系统中, 系统设定值电压Vc、设定值频率Fc和参考值电压Vgm、参考值频率Fgm经过V/F控制器, 可以得到功率控制器的有功参考值Pc和无功参考值Qc, 功率控制器中通过有功、无功参考值和电网侧有功Pgm、无功值Qgm后, 产生电流参考值Id, c、Iq, c, 作为电流内环控制参考值。

2. 3. 2 按计划出力方式下储能系统并网综合控制方法

计划出力方式下储能系统的控制系统如图3所示, 包含电池控制系统和并网逆变器控制系统两部分, 蓄电池组作为储能系统的主电源, 燃料电池为备用电源。

在电池控制系统中, 用电池控制器对并网逆变器系统进行功率控制。用功率平衡控制器对电网负荷的有功功率Pload、无功功率Qload、风能与光伏发电系统的出力 ( Pw - pv, Qw - pv) 及其电池系统的收、发功率 ( Pb, Pbf) 进行协调控制, 输出功率的有功、无功参考值Pc、Qc经过功率控制器可以得到电流控制器的参考值Id, c、Iq, c, 再经过电流控制器得到并网逆变器同步旋转坐标系下触发脉冲Pc, md与Pc, mq, 达到储能系统同步并网目的。

3 储能系统仿真分析

在DIg SILENT/Power Factory仿真软件中对光伏与风能微电网建模后, 运行得到以下波形。

3. 1 设置风能与光伏的参数

风力发电系统初始功率为0. 1 MW, 功率因数设定为cosφ = 0. 98, 风速设置如图4 所示。光伏系统功率因数设定为cosφ = - 0. 98, 太阳辐射强度设置如图5 所示。

3. 2 储能系统功率调节

功率控制器有功、无功动态跟踪情况如图6所示。

从图6 可以看出, 当风速和太阳能辐射强度发生变化时, 风光系统功率会有一定程度的波动, 会使电网频率和电压有一定偏移。为了降低影响电能质量的功率波动, 储能系统通过定频率和电压控制策略, 使微电网的有功、无功实际值接近公用电网的有功、无功参考值, 使微电网能够向负荷提供稳定的功率。

当系统有功功率缺额 ( Pnet< 0) 、风力发电系统和光伏发电系统的功率供应不满足系统要求时, 启动蓄电池系统, 提供有功功率, 如果蓄电池的荷电状态 ( SOC) 小于25% , 启动燃料电池系统代替蓄电池补偿。蓄电池与燃料电池系统的功率变化如图7和8 所示。

4 储能系统运行特性分析

当微电网系统功率过剩时, 储能系统中蓄电池吸纳其过剩功率。当微电网系统功率不足时, 储能系统开始启动蓄电池系统, 如果蓄电池荷电状态 ( SOC) 小于25% , 开始启动燃料电池来补偿系统功率。蓄电池的功率变化和燃料电池的功率动态如图9 和图10 所示。

在仿真过程中, 风力发电系统24 时段内输出有功、无功功率。光伏发电系统功率因数设定为0. 98 超前。

当风光系统功率过剩 ( Pnet> 0) 时, 储能系统中蓄电池吸纳其过剩功率。当风光系统功率不足 ( Pnet< 0) 时, 储能系统开始启动蓄电池系统, 如果蓄电池荷电状态 ( SOC) 小于25% , 开始启动燃料电池来补偿系统功率。

当微电网系统无功功率过剩 ( Qnet> 0) 时, 其过剩的无功功率由储能系统来吸收; 当微电网系统无功功率不足 ( Qnet< 0) 时, 其无功缺额部分由储能系统中蓄电池和燃料电池提供, 如储能系统所产生的无功功率不能满足要求, 则进行无功补偿。由此可见, 储能系统通过电压频率控制实现了风能和光伏并网联合发电系统有功、无功输出的平稳性; 通过与风力发电系统、光伏发电系统量测信息协调控制, 实现了风能与光伏微电网发电系统有效跟踪计划出力曲线运行。在一定程度上提高了并网点母线电压水平。

5 结论

1) 储能系统通过电压频率控制实现了风能与光伏并网联合发电系统有功、无功输出的平稳性。

2) 储能系统通过与风力发电系统、光伏发电系统量测信息协调控制, 实现风光储联合发电系统有效跟踪计划出力曲线运行, 在一定程度上提高了并网点的电压。

3) 通过对风能与光伏微电网的储能系统进行建模及利用DIg SILENT/Power Factory平台对平抑功率波动方式和计划出力方式下进行了仿真分析, 验证了所设计控制方法和储能系统的正确性。

摘要：为了提高风能与光伏微电网运行的稳定性, 阐述了风能与光伏微电网系统中储能系统建模与控制方法。在微电网平抑功率波动方式和计划出力方式运行情况下, 对风能与光伏微电网进行电压频率控制, 并利用DIg SILENT/Power Factory仿真实验验证所建模型及其控制方法的正确性。仿真结果表明, 风能与光伏微电网系统中储能系统通过与风力发电系统、光伏发电系统量测信息协调控制, 能够实现风光储联合发电系统有效跟踪计划出力曲线运行, 提高了风能与光伏微电网安全稳定性。

关键词：风能与光伏微电网,储能系统,控制方法,仿真分析

参考文献

[1]蔡国伟, 孔令国, 杨德友, 等.大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究[J].电网技术, 2012, 36 (1) :65-71.CAI Guowei, KONG Lingguo, YANG Deyou, et al.Research on modeling and operation characteristics analysis of large-scale wind and light complementary electricity-generating system[J].Power System Technolgoy, 2012, 36 (1) :65-71.

[2]李兴旺, 郑竞宏, 刘鹏飞, 等.微电网带负荷并网的平滑切换条件及控制策略[J].黑龙江电力, 2012, 34 (1) :62-65.LI Xingwang, ZHENG Jinghong, LIU Pengfei, et al.Conditions and control strategies of microgrid connected with load smooth swithover[J].Heilongjiang Electric Power, 2012, 34 (1) :62-65.

[3]王燕廷.微电网并网与孤岛运行模式切换的研究[D].吉林:东北电力大学, 2011.WANG Yanting.Study on the switching of micro-grid grid-connected and autonomous modes[D].Jilin:Northeast Dianli University, 2011.

[4]曾鸣, 吕春泉, 田廓, 等.智能电网对低碳电力系统的支撑作用[J].电力系统自动化, 2011, 35 (23) :31-39.ZENG Ming, LiüChunquan, TIAN Kuo, et al.Supporting function of intelligent network to low carbon power system[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35 (23) :31-39.

[5]马艺玮, 杨苹, 郭红霞, 等.风-光-沼可再生能源分布式发电系统电源规划[J].电网技术, 2012, 36 (9) :9-14.MA Yiwei, YANG Ping, GUO Hongxia, et al.Power source planning of wind-pv-biogas renewable energy distributed generation system[J].Power System Technology, 2012, 36 (9) :9-14.

[6]Jiucai Zhang, Song Ci, Sharif H., at el.Modeling discharge behavior of multicell battery.IEEE Trans.Energy Convers, 2010, 25 (4) :1133-1141.

[7]李冰, 石建磊.基于多电源联合系统的大规模风电消纳协调控制策略[J].智能电网, 2014, 2 (2) :15-21.LI Bing, SHI Jianlei.A dispatch strategy for large-scale wind/pv power accommodation based on multi-generator system[J].Smart Grid, 2014, 2 (2) :15-21.

[8]蔡国伟, 孔令国.风光储联合发电系统的建模及并网控制策略[J].电工技术学报, 28 (9) :197-204.CAI Guowei, KONG Lingguo.System modeling of wind-PV-es hybrid power system and its control strategy for grid-connect ed[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 28 (9) :197-204.

[9]郭成达.风光互补发电能量转换系统研究[D].大连:大连理工大学, 2010.GUO Chengda.Research on system of energy conversion wind/pv hybrid generating[D].Dalian:Dalian University of Technology, 2010.

[10]张宇, 俞国勤, 施明融, 等.电力储能技术应用前景分析[J].华东电力, 2008 (4) :91-93.ZHANG Yu, YU Guoqin, SHI Mingrong, et al.Review of energy storage systems[J].East China Electric Power, 2008 (4) :91-93.