實時仿真的概念
2017-04-13
電力與電力電子系統由于其自身的特點，一般不太允許或者比較難在真實實際系統上進行教學和科研實驗，主要原因有需要確保實際電力系統安全和穩定運行，以及實際電力與電力電子系統一般都具有電壓等級高、功率大，實驗較危險（尤其是故障實驗）等原因。因此傳統人們一般是通過純軟件建模，或者微縮的物理模型（動模實驗室）的方式來進行電力與電力電子系統實驗。
電力系統實時仿真是隨著硬件技術、實時操作系統、電力系統建模等新技術發展起來的實驗和研究方式，實時仿真裝置的基本原理是用運行著數學模型的實時計算機系統來模擬實際系統的行為，這樣科研人員就可以通過實時仿真器來測試控制器，對控制設備進行非常接近真實情況的測試與驗證。這樣通過實時仿真器進行測試與驗證的方式也常被稱為硬件在環仿真測試 (Hardware-in-the-loop Testing)，或者半實物仿真測試等。下面 2 張圖展示的是兩種不同的研究和測試混合動力汽車里的電機驅動部分的控制器的方式，分別是同實際的物理設備構成閉環，以及同實時仿真器構成閉環。這兩幅圖既展示了實時仿真的概念，也可以看到實時仿真的一個特點是控制器同實時仿真設備的接口和控制器與真實設備的接口是完全一致的，這樣可以方便的讓科研人員和學生從實時仿真實驗過渡到實際設備的控制上。
通過實際物理設備研究與測試控制器
通過實時仿真方式研究與測試控制器
通過實時仿真方式研究與測試控制器
實時仿真相比純軟件仿真的優勢
在實時閉環仿真測試中，控制器是真實的實際硬件控制器；相對而言，純軟件仿真驗證的方式有些過于理想化；而通過實時閉環仿真的方式在真實的硬件控制器上驗證控制算法與控制策略，能更好驗證算法的實際可行性。同時對于教學和科研而言，實時仿真的方式可以讓學生接觸到實際的控制設備，可以讓學生在很安全的環境下學習如何將理論和控制策略轉化為在實際控制設備上運行的代碼，了解控制器和真實物理對象的接口，學習信號采集，PWM 脈沖發生等實際的硬件知識。學生可以自己動手配置、連線、調試，通過示波器觀察實際的信號等，這樣可以更好的培養學生的實際動手能力，有利于培養其操作能力、分析調試能力、設計能力和創新意識。
實時仿真相比小功率物理系統的優勢
1 實時仿真裝置一套設備可以仿真多種控制對象或多個不同的電網拓撲， 達到這些目的只需要更換數學模型。
2 實時仿真便于進行各種短路、低電壓穿越等故障實驗；即使是小功率的物理系統在進行這些故障實驗時還是比較危險的。
3 安全可靠，不帶有強電，適合學生和科研人員嘗試、調試和研究控制算法與控制策略。同時減小了實驗室的維護工作量，避免了實際設備（例如開關器件，電機等）由于實驗誤操作帶來的燒毀以及損壞帶來的經濟損失以及維修所耗費的時間精力。
正是由于實時仿真（硬件在環仿真、半實物仿真）的如上優點，這樣的開發方式已經被視為現代的控制開發流程中不可缺少的一步，對于縮短控制器的研發周期，確保產品的質量都有非常重要的意義。
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