dSPACE实时仿真系统及其在风力发电系统中的应用

dSPACE实时仿真系统及其在风力发电系统中的应用dSPACE实时仿真系统采用dSPACE实时仿真系统进行控制系统设计开发DS1103单板系统简介dSPACE实时仿真系统在风力发电系统中的应用目录1

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE实时仿真系统采用dSPACE实时仿真系统进行控制系统设计开发DS1103单板系统简介dSPACE实时仿真系统在风力发电系统中的应用目录2

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB传统的控制系统的开发设计方法传统上，进行控制系统设计一般包括系统建模、算法设计、软硬件的设计以及性能测试等；涉及控制理论、机电技术、软件开发、电路设计等多个领域知识。dSPACE实时仿真系统设计人员不仅需要进行软件编程和查错，还需进行硬件电路的设计，一方面对科研人员能力要求较高，再者会导致开发时间过长。对于这种顺序的开发过程，一旦发现错误，就必须从头开始重新进行设计，延误项目进度。3

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB计算机离线仿真技术在传统的控制系统开发过程中，对于系统建模和算法设计多采用计算机离线仿真手段，计算机仿真通过数学模型实现对实际系统的仿真。但这种仿真的真实性很大程度上依赖于模型的精确程度。对于某些复杂的时变多变量系统的数学模型很难准确的建立，使得计算机仿真的应用受到限制。dSPACE实时仿真系统4

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB实时仿真技术又称为半实物仿真技术，把计算机仿真的数学模型直接下载到实时硬件中，并连接真实设备和测试仪器，完成系统的联合仿真和实验。（LabVIEW、dSPACE、RT-LAB、RTX等）dSPACE实时仿真系统能够对控制算法或系统模型在运行过程中的具体状态进行准确描述，直观地验证仿真结果。提高了仿真结果的置信度。提高设计和开发效率，降低开发费用。5

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE实时仿真系统dSPACE(digitalSignalProcessingAndControlEngineering)实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和Simulink的无缝连接。dSPACE产品结构

dSPACE软件RTI（离线工具与实时工具的接口）

ControlDesk（测试和实验软件工具）

dSPACE硬件单板系统组件系统dSPACE实时仿真系统6

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE产品应用领域dSPACE实时仿真系统Page

7Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE硬件体系单板系统CPU与外围I/O集成DS1103及DS1104处理器板组件系统处理器板I/O板多处理器系统其他扩展箱单主机多系统的连接板连接器和LED板dSPACE实时仿真系统8

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE硬件产品——单板系统DS1103通过单一板实施快速控制原型设计填补DS1102和标准组件系统之间的空白支持高性能处理器PowerPCPPC604e内置综合I/O功能

8D/A20A/D32数字I/ORS232/RS422

三相及单相PWMCAN接口dSPACE实时仿真系统9

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE软件体系实现软件算法代码生成Matlab/Simulink/RTWC语言开发RTI编译器实验软件ControlDeskMLIB/MTRACECLIB产品代码生成软件TargetLinkdSPACE实时仿真系统10

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE软件体系dSPACE实时仿真系统11

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE软件产品——实现软件RTI离线工具与实时工具的接口结合Simulink和

Stateflow框图模型自动在实时硬件上运行以图形化方式对所有I/O接口进行设置结合RTW自动代码生成并下载到实时硬件上支持软件和硬件中断等任务模式自动激活编译器编译和链接模型支持多处理器系统dSPACE实时仿真系统RTWMATLABSimulinkStateflowRT-SoftwareRT-HardwareReal-TimeInterface12

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE软件产品——实验软件ControlDesk将多种功能集成在一个软件之中dSPACE实时仿真系统13

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE软件产品——实验软件ControlDesk硬件管理虚拟仪表、数据采集变量管理参数管理dSPACE实时仿真系统14

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE实时仿真系统采用dSPACE实时仿真系统进行控制系统设计开发DS1103单板系统简介dSPACE实时仿真系统在风力发电系统中的应用目录15

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB当今社会，市场对产品的需求呈现多样性、快速性的趋势，控制器的开发面临着多样性需求和快速开发之间的矛盾；对控制系统鲁棒性和可靠性的要求也日趋增加，并行工程(即：设计、实现、测试和生产准备同时进行)被提上了日程。dSPACE为这些问题的解决创造了一个良好的环境，在开发过程中dSPACE为快速控制原型(RCP)和硬件在回路仿真(HILS)提供了统一的应用平台。在快速控制原型中dSPACE作为控制器与实验对象相连，通过Controldesk观察控制算法的性能，如果控制算法不理想，可以很快地进行反复修改设计，反复实验直到找到理想的控制方案。在硬件在回路仿真中dSPACE充当控制对象，模拟控制对象产生的信号，用来检验开发的控制算法正确性和可靠性。采用dSPACE进行控制系统设计开发16

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABRCP与HIL采用dSPACE进行控制系统设计开发与控制对象实物连接快速控制原型Real-TimeWorkshopCodePlantModelControllerModel模型控制对象模型控制器

模型与控制器实物连接硬件在回路仿真Real-TimeWorkshopCode快速控制原型(RCP)硬件在回路仿真(HIL)17

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB快速控制原型(RCP：RapidControlPrototyping)技术快速控制原型，是在集成了良好的便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具的基础上，进行控制系统的反复修改设计及离线仿真、实时仿真，从而将错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。还可以利用旁路（BYPASS）技术将原型电控单元（ECU：ElectronicControlUnit）或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。采用dSPACE进行控制系统设计开发18

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB采用dSPACE进行控制系统设计开发19

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB硬件在环仿真

(HIL：HardwareintheLoop)技术硬件在环仿真，是在新的控制系统设计结束、已开发出ECU并制成产品型控制器后，将产品型控制器与控制对象的仿真模型连接起来进行仿真，从而测试产品型控制器的性能。产品型控制器开发完成后需要在闭环下对其进行详细测试，但由于种种原因如：极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试难以进行；或为了缩短开发周期，希望在控制器运行环境不存在的情况下（如：控制对象与控制器并行开发），对其进行测试。因此，需要进行半实物仿真(HIL)，以在开发阶段的早期及时掌握更多信息，从而降低设计风险。采用dSPACE进行控制系统设计开发20

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB采用dSPACE进行控制系统设计开发21

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB采用dSPACE进行控制系统设计开发dSPACEV-Cycle产品开发流程22

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle产品开发流程1采用dSPACE进行控制系统设计开发功能设计及离线仿真MATLAB/Simulink建立对象数学模型设计控制方案进行离线仿真23

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle产品开发流程2采用dSPACE进行控制系统设计开发快速控制原型dSPACE原型实验室进行控制器测试的可靠方案通过自动代码生成工具可以在几分钟内把框图变成实时的实验多种规格的硬件适用于不同的计算能力与I/O要求24

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle产品开发流程采用dSPACE进行控制系统设计开发目标代码生成TargetLink从MATLAB/Simulink生成定点代码可靠性、效率、可读性能与手工代码媲美对于不同的控制器与编译器可选择不同的优化方法自动定标（scaling）25

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle产品开发流程4采用dSPACE进行控制系统设计开发目标代码生成硬件在环仿真快速控制原型对模型进行标定校正功能设计及离线仿真硬件在环仿真模拟被控对象的各种工况在线实时监控和标定各种仿真参数实现测试自动化，且测试过程可复现实现高速运算，满足电控单元测试的实时性要求；易于维护和扩展测试能力。26

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/dSPACE集成开发环境采用dSPACE进行控制系统设计开发控制对象理论模型的建立初步控制系统设计通过离线仿真对控制系统测试生成模型实时代码通过ControlDesk采集数据及观测、修改变量定义模型I/O27

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE实时仿真系统采用dSPACE实时仿真系统进行控制系统设计开发DS1103单板系统简介dSPACE实时仿真系统在风力发电系统中的应用目录28

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABDS1103简介dSPACE推出的DS1103PPC控制器板是迄今为止所有单板系统中功能最强大、I/O最丰富的开发系统。为了不给开发带来任何限制，DS1103采用了PowerPC处理器来进行浮点运算。DS1103拥有大量I/O接口，使其可以满足各种RCP应用要求。DS1103集成有ADC、DAC，还配有数字I/O。DS1103还配备一个以TI公司的TMS320F240DSP为核心的I/O从处理器子系统，可用来满足特殊的I/O要求。这种DSP可提供三相PWM信号发生器，尤其适于电气驱动方面的应用。DS1103拥有多路数字/模拟增量编码器接口，板载测速控制器，可对数字或模拟增量编码器位置信号进行解析，非常便于应用到电气驱动控制和机器人设计中。单板系统DS110329

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABDS1103集成有Infineon的CAN控制器，可以适应汽车及自动化方面的应用。DS1103可以插入dSPACE扩展箱或PC机中使用。由PC机负责提供电源，完成程序下载。所有的实时计算都是由PPC控制器板独立执行，只有dSPACE的试验工具软件并行运行于PC主机上。单板系统DS110330

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB单板系统DS1103DS1103架构图31

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/Simulink中RTI1103的函数库RTI1103的Simulink主视窗单板系统DS110332

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/Simulink中RTI1103的函数库RTI1103的MasterPowerPC函数库单板系统DS110333

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/Simulink中RTI1103的函数库RTI1103的DSP从处理器函数库单板系统DS110334

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE实时仿真系统采用dSPACE实时仿真系统进行控制系统设计开发DS1103单板系统简介dSPACE实时仿真系统在风力发电系统中的应用目录35

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB随着风电技术发展，风电设备在风场调试存在诸多困难。采用传统的计算机离线仿真技术，对于风电机组这样复杂的系统，很难建立精确的数学模型，所得到的控制策略因忽略了真实实物环境因素的影响难以令人信服。dSPACE在风力发电系统中的应用36

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于dSPACE实时仿真系统，利用其与仿真软件MATLAB/Simulink无缝连接的优势，采用硬件在环仿真技术，通过实时硬件与dSPACE控制器相连，构造基于dSPACE硬件在环的风电系统控制与测试系统。dSPACE在风力发电系统中的应用利用此系统不但可加快风电机组主控制器的开发周期，而且降低了控制器在真实风电机组上进行测试的风险，增加了测试的安全性及可靠性。37

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在风力发电系统中的应用38

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在双馈风电系统中的应用双馈型风力发电系统因其变流器容量小、成本低、技术成熟等优点，在许多场合，尤其是大功率领域得到广泛应用。双馈式风电系统的变流器常采用两个三相两电平电压型PWM变换器以背靠背（Back-to-Back）的形式连接。dSPACE在风力发电系统中的应用39

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在双馈风电系统中的应用实验室条件下，基于dSPACE的双馈风电系统主要由原动机、发电机及背靠背式并网变流器三部分组成。dSPACE在风力发电系统中的应用通过转接电路板与dSPACE实时仿真系统相连，实现系统的控制及实时状态采集，进行风电系统控制策略的实验与测试工作。40

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABDS1103单板系统及上位机dSPACE在风力发电系统中的应用41

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在风力发电系统中的应用双馈风力发电系统模拟实验平台42

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABControlDesk控制界面dSPACE在风力发电系统中的应用虚拟仪器可视化的测量变量可视化的模型参数在线调参数据获取

实验控制开始,停止,...参数编辑43

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB应用实例：基于滑模变结构控制的双馈风电系统网侧变流器控制策略在两相静止坐标系下，提出了一种基于滑模变结构的双环控制策略，内环将直接功率控制与滑模变结构控制相结合，既吸收了直接功率控制的快速性，也保持了滑模变结构控制的鲁棒性；外环将滑模变结构理论引入到直流母线电压的控制中，在提高了系统稳定性的同时，兼顾了系统的动态性能指标。dSPACE在风力发电系统中的应用44

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB网侧变流器维持直流母线电压的稳定。电压外环实现对输入电流波形和功率因数的控制。电流/功率内环dSPACE在风力发电系统中的应用Electr.Eng.&PowerConvers.LAB45

/58三相静止坐标系下的数学模型dSPACE在风力发电系统中的应用46

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB两相静止（α-β）坐标系下的数学模型瞬时功率Pg、Qg以及变换器输出到直流侧的功率PdcdSPACE在风力发电系统中的应用47

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB网侧变换器的瞬时有功功率、无功功率的变化率及直流母线电压的表达式dSPACE在风力发电系统中的应用48

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于SMC-DPC的系统功率内环设计控制方案设计的主要目的是得到一个输出电压控制量，使其成为变流器交流侧电压调制波，驱动开关管。dSPACE在风力发电系统中的应用49

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于SMC-DPC的系统功率内环设计将上述两式结合写成状态方程形式将上式进行变换上式为功率环使用滑模控制时的解耦关系式，采用上式结合滑模控制器可直接得到输出电压控制量，实现内环控制。dSPACE在风力发电系统中的应用Electr.Eng.&PowerConvers.LAB50

/58基于SMC的直流电压外环控制器的设计网侧变流器的直流母线电压只与有功功率有关，与无功功率无关。因此可采用外环为电压环，内环为功率环的方式对网侧变流器进行控制。定义外环滑模面函数为：当系统运行到滑模面时，外环采用指数趋近律设计滑模控制器，并同样采用饱和函数代替滑模控制器中的符号函数，可得：dSPACE在风力发电系统中的应用51

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于SMC的直流电压外环控制器的设计根据直流母线电容节点的电流关系通过上式将内外环联系在一起，系统电压外环的输出为有功功率给定值。dSPACE在风力发电系统中的应用52

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