实时仿真技术

1、v第10章 实时仿真技术v101 概 述v 实时仿真是指仿真模型的时间比例与真实系统的时间比例完全相同的仿真，要求仿真系统实时接收动态输入，并产生实时动态输出。这种仿真不但可以应用于控制系统的分析、研究与设计，而且可以广泛的应用于大型控制系统操作人员的培训和教育，从而避免了在实际控制系统中由于操作不当所带来的危险性及高昂的代价。此外，随着微型计算机的飞速发展，各种新型的微机控制装置不断出现，这些装置在使用前必须经过严格的调试、检验。为此，也必须进行实时仿真，以检验控制装置在整个控制系统中的实用性及安全性。v 实时仿真系统即一般我们所说的仿真机，由仿真计算机、数据接口、环境模拟输出设备三大部分组

2、成，是一种有人在回路中的物理仿真。它利用计算机不断计算对象及环境的运动方程，然后通过运动系统、视景系统、音响系统及仪表系统等将被仿真对象的实时运动情况表述出来。 v 火电站仿真训练器就是一个实际的实时仿真系统的例子，可以用来培训运行操作人员，考核运行人员实际操作能力和分析判断能力。该系统的环境模拟输出设备包括控制台、显示仪表面板、运行监视器组成，他们与火电站控制室中的实际设备几乎一样，所不同的地方是，从控制台出来的操作信号不是去现场的执行器，而是通过数据接口去计算机，各种显示仪表及运行监视器的信号也并非来自现场的变送器而是同样来自计算机。v此外，在系统中加入了指导员台，用来控制整个仿真器的运行

3、，可以设置故障并记录操作人员的操作过程，可以替代实际电站中的就地操作员做就地操作。仿真训练器的计算机主要完成锅炉、汽轮机、电气部分的模型计算任务以及运行监控系统的模型计算。由于计算量较大，应采用运行速度快的计算机。v 此外，实时仿真技术还广泛应用于航空飞行领域、船舶汽车领域、核电站领域等。不但培训了大量的操作人员，而且对科学研究做出了大量贡献。v102 实时仿真算法v 在实时仿真系统里，由于有实物参与，因此要求仿真时间与被仿真系统时间相同，这就对实时仿真算法有特殊的要求：第一，要求差分方程是可计算的；第二，要求快速计算一个步长内的所有差分方程。下面分别论述这两个问题。v1021 差分公式的可计

4、算性v 实时仿真与非实时仿真不同，不是所有的差分公式都是可以计算的。为了说明这个问题，下面看一个例子。v 对于图101所示的单回路系统进行非实时仿真时，可用离散相似法在每个环节入口处加入离散-再现环节，得到如图102所示的离散相似系统框图。 v 如果按式(10-1)式(10-2) 式(10-3) 式(10-4)这一顺序计算上述的差分方程，各公式都是可计算的。 v 如果对于图101所示的系统进行实时仿真，并假设积分调节器是一实物，扰动源也是实际的，此时，离散相似系统框图如图103所示。 计算(k+1)T时刻的x2时，需要已知在此时刻控制器输出量m，由于这个计算是在kT到(k+1)T这段时间内完成

5、的，在这段时间内实际控制器无论如何也输出不了(k+1)T时刻的值 v 不难看出，如果按式(10-7)式(10-8)这一顺序计算，上述的差分方程在kT到(k+1)T这段时间内是可计算的。v 由此，可以得到这样一个结论：在实时仿真系统里，如果某环节的输入来自于实物，则在该环节的差分方程式的右端不能需要(k+1)T时刻的输入值。也就是说在计算一开始，必须取得该环节的输入量。v 在一个大的实时仿真系统里，有众多的环节的输入来自于实物，如果把输入来自于实物的环节与输入来自于非实物的环节分别来设计差分方程，势必造成很多麻烦。所以，在许多场合下，并不是把这些环节分开，而是要求在计算一开始，必须取得所有环节的

6、所有输入量。也就是说，实时仿真时只对所用差分方程进行限制，即所有差分公式右端不需要(k+1)T时刻的输入值。v1022 差分方程的快速性v 前面已经提到，实时仿真时，计算速度是首要的，其次才是仿真精度。但是，有些系统对仿真精度要求也较高。因此，实时仿真技术中的一项重要研究内容是在满足计算速度的前提下，怎样提高仿真精度。v 下面介绍几种在实时仿真系统中常用的实时仿真算法。v 1欧拉法v 2高阶实时仿真算法v 3离散相似法v103 实时仿真程序设计v 实时仿真是指仿真时系统的响应速度与实际系统响应速度一致，即仿真时间应严格与自然时间相等。这就要求在一个计算步距内把所有的差分方程计算一遍，当计算完差分方程后，系统处于等待状态或执行其他任务，当下一个计算步距到来时，再计算一遍所有的差分方程，周而复始，直至用户要求