一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台的制作方法

本实用新型属于岸电系统仿真领域技术领域，特别涉及一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台。

背景技术：

随着海运行业的大力发展，国际海事组织在船舶排放方面的要求越来越高，岸电技术以其污染小、无噪声、成本低的特点成为了建立绿色港口的关键技术之一。然而在传统的研发过程中，尽管实物的测试调试十分必要，但岸电系统尤其是高压岸电系统现场调试十分困难且成本高昂。因此在实验室条件下对岸电系统进行仿真研究成为了研究岸电系统的重要方式。

Dspace与Matlab/simulink连接搭建的半实物仿真平台具有真实性、实时性等特点。因此在实验室条件下搭建一套基于dspace的船舶岸电一体化仿真平台以供岸电技术开发与研究，并在此平台上进行对岸电系统的故障诊断以及安全评估等问题的研究就显得十分必要。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，能够有效解决由于当前纯实物调试困难且成本高昂，且采用实际控制器不能方便快捷的对控制策略进行调整，可移植性和可拓展性较差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，其创新点在于：包括simulink仿真模拟系统、dspace控制器系统和实物系统；

所述dspace控制器系统包括总线、D/A转换器和A/D转换器，所述总线分别与D/A转换器和A/D转换器连接，且所述simulink仿真模拟系统与总线连接；

所述D/A转换器与实物系统连接，所述实物系统还与A/D转换器连接。

进一步地，所述simulink仿真模拟系统包括变频器控制模块、柴油发电机控制模块和船舶负载控制模块。

进一步地，所述simulink仿真模拟系统还包括监控系统模块，所述监控系统模块与总线连接。

进一步地，所述实物系统包括变频器、柴油发电机和船电负载装置。

本实用新型的优点在于：本实用新型基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，能够准确的模拟岸电系统电网变化、变流器及其控制系统、滤波器及功率补偿装置、柴油发电机的输出特性和负载等模型；同时该平台可以对岸电系统的故障进行诊断，对整个系统的安全状态进行评估，还可以对船舶入离港的无缝并网过程进行模拟。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台的结构示意图。

图2为一种具体的变频器模型的组成结构和连接关系示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，如图1所示，包括simulink仿真模拟系统1、dspace控制器系统2和实物系统3。

simulink仿真模拟系统1包括变频器控制模块11、柴油发电机控制模块12、船舶负载控制模块13和监控系统模块14。

dspace控制器系统2包括总线21、D/A转换器22和A/D转换器23，总线21的输出端与D/A转换器22的输入端连接， A/D转换器23的输出端与总线21的输入端连接，且simulink仿真模拟系统1中的变频器控制模块11、柴油发电机控制模块12和船舶负载控制模块13输出端均与总线21的输入端连接，监控系统模块14的输入端与总线21的输出端连接。用于将simulink仿真模拟系统1中的控制算法生成代码写入dspace控制器系统2，以及将采集到的数据从dpsace控制器系统2中发送到simulink仿真模拟系统1中监控系统模块14。

实物系统3包括变频器31、柴油发电机32和船电负载装置33，实物系统3包括变频器31、柴油发电机32和船电负载装置33的输入端均与D/A转换器22的输出端连接，实物系统3包括变频器31、柴油发电机32和船电负载装置33的输出端均与A/D转换器23的输入端连接。

本实施例变频器控制器采用电压电流环双闭环控制，通过从实物系统3采样得到的电压信号以及电流信号对变频器31进行调整，使得变频器31输出符合要求的电压电流信号。

柴油发电机控制器通过对柴油发电机32的原动机以及励磁系统建立数学模型，将从实物系统3采样到的转速信号输入原动机数学模型中，将从实物系统3采样到的电压电流信号进行解耦并输入到励磁系统的数学模型中，以此调解柴油发电机32的转速以及输出电压。

船电负载控制器采用矢量控制的方法，将从实物系统采样到的定子电压电流信号输入控制器中，实现对船电负载装置33转速和磁链的调整。

实施例中，监控系统模块14，采用支持向量机的方法通过将各个元器件的历史数据作为样本，提取各个器件的特征量，形成故障特征库，再将采集到的各个单元模块器件的实时监控数据与故障库进行对比，从而完成对电源、变压器、变频器等器件的故障诊断，以及对整个系统的安全评估。

dpsace控制器系统2中D/A转换器22发出变频器的PWM脉冲信号、柴油发电机的PWM脉冲信号、船电负载的PWM脉冲信号、开关信号控制实物系统3运行，并根据从实物系统3采集到的电压信号、电流信号和电机转速信号发送至dpsace控制器系统2中A/D转换器23，对dpsace控制器系统2发出的控制信号进行调整，且实物系统3用于根据控制器发出的控制信号完成船舶岸电一体化系统的运行。

本实施例提供的基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台是一种闭环系统，系统各部分均具备通讯功能，可以实现数据交互。基于实物的模拟系统，具备实时性好，数据真实可信的特点。基于dspace的控制器系统，可以方便快捷的修改控制策略，能够更加全面的对船舶岸电系统的控制策略进行测试、修改和完善。同时通过dspace与实物连接，简化了系统结构，提高了系统的稳定性，且通过dspace作为控制器使系统具备较高的可扩展性和可移植性。

本实施例的仿真实验系统以实物系统为基础，具备真实性高，稳定性好，实时性高，可靠性高等特点。采用dspace作为控制具有很高的可扩展性和可移植性，且可以方便快捷的修改控制策略，更好的完成了船舶岸电一体化半实物系统的理论研究。

本实施例以变频器模型为例，提供一种具体的变频器模型的组成结构和连接关系示意图，如图2所示，A为dspace的数字量的输出端口，B为dspace的数字量输入端，C、D分别为D/A模块的数字量输入端和模拟量输出端，E、F分别为A/D模块的模拟量输入端和数字量输出端，G、H分别为实物变频器的模拟输入端口和模拟输出端口。

输入输出接口说明：

本实施例所用接口均为MricoLabBox所属接口。

MricoLabBox提供24通道，16位模拟输入通道，提供16通道，16位模拟输出通道，提供48通道双向数字IO。

MicroLabBox 是 dSPACE 设计开发的适应于实验室环境使用的高性能紧凑型低成本系统，可以帮助用户方便快速地建立起自己的控制、测试以及测量环境以验证控制策略的实用性。主要用于硬件在环的半实物仿真系统的搭建，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接，使MATLAB用户可以轻松掌握MicroLabBox的使用。

MicroLabBox具有强大的计算能力与极低的 I/O 延时相结合，提供了出色的实时性能。可编程的 FPGA 使您拥有高度的灵活性，同时允许您根据各种应用的需求高速运行控制回路，例如电动机控制或主动降噪及减振。

MicroLabBox 由综合的 dSPACE 软件包提供支持，其中包括用于 I/O 集成（基于模型）的 Simulink® Real-Time Interface (RTI) 以及实验软件 ControlDesk® ，从而允许在运行期间通过图形化仪器访问实时应用程序。

Dspace控制器系统2包含两个功能：控制和通讯。其中控制部分主要是dspace控制器发出控制信号对实物系统进行控制。通讯部分主要是dspace通过对实物电压电流转速等信息的采集，经过simulink算法的处理对dspace控制器发出的信号进行调整。

本实施例的dspace控制部分，包括：变频器控制部分，柴油发电机控制部分，船电负载控制部分。

以变频器控制模块11为例，dspace控制器系统2的实现过程如下：

1）利用SIMULINK搭建变频器控制模块11仿真模型，验证其控制器系统的正确性；

2）仅保留其控制器系统模型，利用RTW（Real-Time-Workshop）将保留的模型直接生成C代码，并对I/O进行配置，用硬件接口关系代替原来的逻辑连接关系；

3）利用RTI（Real-Time-Interface）将RTW生成的C代码下载到dspace中并运行；

4）利用dspace提供的测试软件如ControlDesk、MLIB/MTRACE等实现交互操作，进行综合实验和测试。

除了对船舶岸电一体化系统的控制外，dspace还集成了通讯功能，可以将实物系统中的运行数据实时的发送给simulink中的监控系统；即各单元模块的电压、电流等信号通过A/D模块发送给dspace，再由dspace通过串口将数据传送到simulink仿真系统的监控系统模块14中；监控系统模块包括，对各个单元模块器件的实时数据监控，对电源、变压器、变频器等器件的故障诊断，以及对整个系统的安全评估。

本实施例的船舶岸电一体化平台基于dspace、simulink和实物器件进行开发。Dspace作为控制器可以快捷的对控制策略进行修改，增加了系统的灵活性和可扩展性。采用实物器件与dspace连接，增强了系统的真实性和实时性，使得整个系统模型更为直观易于理解。Dspace通过所述的通讯功能从实物中获取采样信号，并通过串口将数据发送给监控系统，简化了系统结构，使系统更加稳定。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征以及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。