实时仿真的概念
2017-04-13
电力与电力电子系统由于其自身的特点，一般不太允许或者比较难在真实实际系统上进行教学和科研实验，主要原因有需要确保实际电力系统安全和稳定运行，以及实际电力与电力电子系统一般都具有电压等级高、功率大，实验较危险（尤其是故障实验）等原因。因此传统人们一般是通过纯软件建模，或者微缩的物理模型（动模实验室）的方式来进行电力与电力电子系统实验。
电力系统实时仿真是随着硬件技术、实时操作系统、电力系统建模等新技术发展起来的实验和研究方式，实时仿真装置的基本原理是用运行着数学模型的实时计算机系统来模拟实际系统的行为，这样科研人员就可以通过实时仿真器来测试控制器，对控制设备进行非常接近真实情况的测试与验证。这样通过实时仿真器进行测试与验证的方式也常被称为硬件在环仿真测试 (Hardware-in-the-loop Testing)，或者半实物仿真测试等。下面 2 张图展示的是两种不同的研究和测试混合动力汽车里的电机驱动部分的控制器的方式，分别是同实际的物理设备构成闭环，以及同实时仿真器构成闭环。这两幅图既展示了实时仿真的概念，也可以看到实时仿真的一个特点是控制器同实时仿真设备的接口和控制器与真实设备的接口是完全一致的，这样可以方便的让科研人员和学生从实时仿真实验过渡到实际设备的控制上。
通过实际物理设备研究与测试控制器
通过实时仿真方式研究与测试控制器
通过实时仿真方式研究与测试控制器
实时仿真相比纯软件仿真的优势
在实时闭环仿真测试中，控制器是真实的实际硬件控制器；相对而言，纯软件仿真验证的方式有些过于理想化；而通过实时闭环仿真的方式在真实的硬件控制器上验证控制算法与控制策略，能更好验证算法的实际可行性。同时对于教学和科研而言，实时仿真的方式可以让学生接触到实际的控制设备，可以让学生在很安全的环境下学习如何将理论和控制策略转化为在实际控制设备上运行的代码，了解控制器和真实物理对象的接口，学习信号采集，PWM 脉冲发生等实际的硬件知识。学生可以自己动手配置、连线、调试，通过示波器观察实际的信号等，这样可以更好的培养学生的实际动手能力，有利于培养其操作能力、分析调试能力、设计能力和创新意识。
实时仿真相比小功率物理系统的优势
1 实时仿真装置一套设备可以仿真多种控制对象或多个不同的电网拓扑， 达到这些目的只需要更换数学模型。
2 实时仿真便于进行各种短路、低电压穿越等故障实验；即使是小功率的物理系统在进行这些故障实验时还是比较危险的。
3 安全可靠，不带有强电，适合学生和科研人员尝试、调试和研究控制算法与控制策略。同时减小了实验室的维护工作量，避免了实际设备（例如开关器件，电机等）由于实验误操作带来的烧毁以及损坏带来的经济损失以及维修所耗费的时间精力。
正是由于实时仿真（硬件在环仿真、半实物仿真）的如上优点，这样的开发方式已经被视为现代的控制开发流程中不可缺少的一步，对于缩短控制器的研发周期，确保产品的质量都有非常重要的意义。
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