实时仿真技术

? 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。
? 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。
? 对于图10．1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10．2所示的离散相似系统框图。
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如果按式(10-1)→式(10-2) →式(10-3) →式(10-4)这一顺序计算
Hale Waihona Puke Baidu
上述的差分方程，各公式都是可计算的。
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如果对于图10．1所示的系统进行实时仿真，并假设积分调节器是一
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
求仿真结束。 实时仿真程序结构如图 10．4所示。
? [ 例10．1] 已知在互联电力系统负荷频率分散最优 输出控制系统中，某区域电网模型如图 10．5所示。 求外界负荷ΔP L阶跃变化1％时，实时观察系统的频 率响应Δf的数值。
? 第10章 实时仿真技术 ? 10．1 概 述
? 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。
? 下面介绍几种在实时仿真系统中常用的实时仿 真算法。
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1．欧拉法
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2 ．高阶实时仿真算法
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3 ．离散相似法
? 10．3 实时仿真程序设计
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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
? 10．2 实时仿真算法
? 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。
? 10．2．1 差分公式的可计算性
? 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。
? 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。
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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
? 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，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。
? 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。
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。
? 10．2．2 差分方程的快速性
? 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。
实物，扰动源也是实际的，此时，离散相似系统框图如图10．3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
? 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。