基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统的制作方法.docx

基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统的制作方法基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统的制作方法本发明给出了一种基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，采用可编程逻辑控制器等建立半实物仿真系统，通过输入输出模块模拟执行元件和传感器的工作，给出了可编程逻辑控制器中发电机组启动过程、稳定运行、扰动运行以及环境温度等状态仿真方法，仿真基于历史运行数据建立模型，避免了由于缺乏机理研究造成的建模困难本发明提供的仿真系统能够在设计阶段为低温低压环境下的发电机组运行平台的研制提供验证和测试手段，同时基于数据的仿真方法对其他复杂装备的运行仿真也有借鉴意义专利说明】基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统【技术领域】 [0001] 本发明涉及一种基于低温低气压环境发电机组运行仿真系统，特别是一种基于数 据的发电机组运行仿真系统，属于极地装备自动控制【技术领域】背景技术】 [0002] 运行仿真技术通过深入研究具体系统功能与作用机制，建立一定的系统模型，对 系统进行试验研究通过仿真可以有效缩短产品设计与测试时间，减少设计成本，因此是复 杂装备设计和验证过程中的重要一环随着控制工程、系统工程以及计算机技术的不断发 展，仿真技术已经从简单系统走向复杂系统，从连续系统仿真走向离散事件系统仿真，从模 拟仿真走向数字仿真与虚拟仿真，从实物仿真走向半实物仿真，应用领域覆盖各行各业。

[0003] 南极Doma A区域被认为是南极大陆上除地磁极点，低温冰点和地球极点之后地球 上最佳的天文观测台址为在此区域开展科考探索，需要一套支撑平台，以保障天文观测和 其他科学探测任务的可靠进行，实现整年无人值守自动运行南极科考支撑平台为天文观 测提供电源和环境保护，其由能源系统、结构与温控系统、控制系统、数据存储以及通信系 统等组成，是一套复杂的自动化装备系统采用燃油发电机组提供能源，南极内陆的极端自 然环境对科考支撑平台运行提出了严苛的性能要求，为了获得可靠稳定的平台，需要对系 统各关键部分尤其是能源系统进行持续的优化和改进 [0004] 南极科考支撑平台运行于南极内陆，在现场进行研制和实验是不现实的由于 缺乏极端环境对平台燃油发电系统运行影响的经验及依据，如果采用研制一运行一改 进一再研制的模式，不仅会大幅增加成本，还将加长系统研制周期因此，有必要采用运 行仿真系统，从而可以在设计阶段提供研制与试验环境，对平台各关键技术进行系统分析， 尤其是通过运行环境仿真为平台控制系统功能测试提供必要条件这里所指的环境仿真是 通过模拟控制系统所需采集的相关物理参数（如发电机组电压，工作环境温度等）并根据 控制系统命令更新变化物理参数，以此提供控制系统运行环境。

[0005] 运行仿真主要通过接收控制系统控制信号，进而根据一定的规律模拟燃油发电机 组的运行逻辑，并为主控系统提供各类传感器信号与起停状态信号一种实现方法是设计 信号发生电路，但是由于主控系统采集信号种类不同需要设计不同的电路，而且控制系统 所需采集的信号数量较多，需要设计大量电路来提供信号，并且对每个信号发生电路都必 须进行测试才能应用，这种方法研制周期较长而且各路模拟信号要随时根据控制系统的 控制作用发生变化，这对于众多的信号发生电路而言将是较为繁杂的另一种方法是采用 半实物仿真，其技术特点是在采用计算机仿真基础上，在仿真回路中接入部分实物进行仿 真采用半实物仿真可以用实物（如传感器、控制计算机、执行机构）来取代原有的部分数 学模型，从而得到更精确的信息这些方法在仿真中都需要对对象的运行规律和物理特性 有一定的了解，从而可以建立一定的模型，在目前对极端环境下燃油发电机组运行特性还 缺乏一定的机理研究情况下，如果能够充分利用系统历史运行中积累的数据，从中寻找运 行规律并建立仿真系统，则更能反映系统实际运行状态发明内容】 [0006] 本发明的目的是提供一种基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，以 实现科考支撑平台发电机组在控制系统作用下运行状态的仿真。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是： [0008] 基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统主要由可编程逻辑控制器 (PLC)、输入输出（I/O)站点和监控计算机组成PLC中包括启动过程状态仿真模块、稳定运 行状态仿真模块、扰动运行状态仿真模块和运行环境温度仿真模块等仿真算法运行仿真 系统与发电机组控制系统相连 [0009] 上述可编程逻辑控制器是运行仿真系统的计算中心，根据各仿真模块的功能模拟 低温低气压环境下发电机组的运行状态及信号输入与输出输入输出（I/O)站点用于控制 信号输入和状态信号输出，每个输入输出站点由若干PLC输入模块和输出模块构成，输入 输出（I/O)站点的数量根据仿真系统信号数量确定采用PLC模拟量和数字量输入模块，分 别采集控制系统的模拟量输出和数字量输出控制信号；采用PLC模拟量和数字量输出模块 分别用于运行仿真系统的模拟量和数字量信号输出，为控制系统提供信号输入为了仿真 温度传感器信号输出，在输入输出站点中采用模拟量输出模块，可编程逻辑控制器对输出 温度值进行工程量变换，控制系统对其进行采集并进行相应的工程量变化得到温度值输 入输出站点的输入模块和控制系统的输出模块之间，以及输入输出站点的输出模块和控制 系统的输入模块之间，对应的信号端口具有相适应的电平，或通过信号转换电路使相互之 间的电平相适应，使模块对应端口相连。

PLC和各I/O站点通过控制网络或PLC扩展槽连 接监控计算机用于仿真系统参数设定和仿真过程监控，可编程逻辑控制器通过其以太网 通信模块以及交换机与监控计算机连接， [0010] 上述启动过程状态仿真模块用于模拟启动过程的电压输出为仿真发电机组在不 同环境温度下的启动过程状态，将其启动过程分为3个阶段，第一阶段发电机组开始起动， 电压缓慢上升；在第二阶段当电压达到200V时，视为发电机组启动成功；第三阶段为从启 动成功到进入稳定运行状态记T tl为第一阶段启动时间，T1为启动成功的时间，T2为进入 稳定运行的时间，U tl为第一阶段临界电压阈值，U1 = 200V为启动成功时电压阈值，U2为稳 定运行时的电压阈值，队和％不同温度时有所不同，仿真中采用一定条件的随机值对发 电机组启动过程电压输出曲线作线性化处理，不同环境温度下，各阶段电压曲线斜率有所 不同，以模拟不同温度下启动过程的快慢，温度越低时，斜率越低，启动过程越慢同时各阶 段曲线斜率为一定范围内的随机值，以模拟启动过程的随机性启动过程的三个阶段电压 曲线斜率分别近似为：【权利要求】1. 一种基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征在于：包括可编程 逻辑控制器（PLC)、输入输出（I/O)站点、监控计算机和交换机；其中，所述可编程逻辑控制 器中包括启动过程状态仿真模块、稳定运行状态仿真模块、扰动运行状态仿真模块和运行 环境温度仿真模块四个仿真模块；运行仿真系统与发电机组相应的控制系统相连。

2. 根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征 是：所述可编程逻辑控制器是运行仿真系统的计算中心，根据其内的各仿真模块的功能模 拟低温低气压环境下发电机组的运行状态及信号输入与输出；输入输出站点用于控制信号 输入和状态信号输出，每个输入输出站点由若干可编程逻辑控制器输入模块和输出模块构 成，输入输出站点的数量根据仿真系统信号数量确定；采用可编程逻辑控制器模拟量和数 字量输入模块，分别采集控制系统的模拟量输出和数字量输出控制信号；采用可编程逻辑 控制器模拟量和数字量输出模块分别用于运行仿真系统的模拟量和数字量信号输出，为控 制系统提供信号输入；为了仿真温度传感器信号输出，在输入输出站点中米用模拟量输出 模块，可编程逻辑控制器根据待输出温度值进行工程量变换，控制系统对其进行采集并进 行相应的工程量变化得到温度值；输入输出站点的输入模块和控制系统的输出模块之间， 以及输入输出站点的输出模块和控制系统的输入模块之间，对应的信号端口具有相适应的 电平，或通过信号转换电路使相互之间的电平相适应，使模块对应端口相连；可编程逻辑控 制器和各输入输出站点通过控制网络或可编程逻辑控制器扩展槽连接，可编程逻辑控制器 配置有以太网通信模块；监控计算机用于仿真系统参数设定和仿真过程监控，可编程逻辑 控制器通过其以太网通信模块以及交换机与监控计算机连接。

3. 根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征 是：所述可编程逻辑控制器中启动过程状态仿真模块用于模拟启动过程的电压输出；为仿 真发电机组在不同初始环境温度下的启动过程状态，将其启动过程分为3个阶段，第一阶 段发电机组开始起动，电压缓慢上升；在第二阶段当电压达到200V时，视为发电机组启动 成功；第三阶段为从启动成功到进入稳定运行状态；记Ttl为第一阶段启动时间，1\为启动成 功的时间，T2为进入稳定运行的时间，Utl为第一阶段临界电压阈值，U1 = 200V为启动成功 时电压阈值，U2为稳定运行时的电压阈值，UjPU2不同温度时有所不同，仿真中采用一定条 件的随机值；对发电机组启动过程电压输出曲线作线性化处理，不同初始环境温度下，各阶 段电压曲线斜率有所不同，以模拟不同温度下启动过程的快慢，温度越低时，斜率越低，启 动过程越慢；同时各阶段曲线斜率为一定范围内的随机值，以模拟启动过程的随机性；启 动过程的三个阶段电压曲线斜率分别近似为：4. 根据权利要求3所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征 是：所述^-、为启动过程三个阶段的时间间隔，初始环境温度不同时，取值有所不同；根据 历史运行数据，当初始环境温度在20°C以上时，启动时间为2-5秒，14-28秒后稳定；当初始 环境温度在l〇°C-20°C时，启动时间为5-9秒，35-50秒后稳定；当初始环境温度介于(TC到 KTC之间时，启动时间需要9-20秒，40-70秒后稳定；当初始环境温度低于(TC，启动时间需 要20-30秒，50-90秒后稳定；仿真中根据发电机组的初始环境环境温度以及以上数据随机 产生&46值。

5. 根据权利要求1所述的基于数据的低温低气压环境发电机组运行仿真系统，其特征 是：所述可编程逻辑控制器中稳定运行状态仿真模块用于模拟稳定运行状态下的电压与电 流输出；稳定运行过程中的电压电流取为随机变量，仿真中同时考虑其取值的可能大小，以 及其取某值的可能性大小；记发电机组稳定运行时输出电压为随机变量X，根据历史运行 数据中电压值的频率分布模拟计算电压值，取电压值频率分布随机值re[〇, 1]，r取三位 精度小数；将发电机组稳定运行时输出电压区间220V-270V分为四个区间，即220-230V、 230-245V、245-255V和255V-270V，其出现的频率r分别为Pl，p2,p3,p3，对应的电压输出分 别为： 若(Kr彡P1,X= 17^3(230-220)+220 ; 若P1Cr。