Portunus系統級接口設計與驗證系統范文
本站小編為你精心準備了Portunus系統級接口設計與驗證系統參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
摘要：隨著航天領域電氣系統復雜程度以幾何級數的速度增加，難以在樣機制造之前發現諸如系統中設備之間的干擾、匹配問題，造成樣機試制一輪一輪展開，研發周期和研發成本都急劇上升，急需通過有效的手段縮短研發周期、降低研發成本。因此，開展了系統級接口設計與驗證系統相關研究，在Por－tunus軟件基礎上進行適應性二次開發，建立供電線路仿真模板、載荷設備突變仿真模板和電纜模型庫，用于系統供配電線路設計時的評估與指導，改進之前在線路設計中通常需要依靠經驗，需要通過系統匹配實驗才能對供電性能進行評估的被動設計方式。
1概述
基于現有航天地面電氣系統的復雜程度，系統間的接口設計往往依賴于設計師的經驗及設備接口匹配驗證的結果，并且在實物匹配過程中設備之間的干擾通過現有的技術手段很難預見，而設備之間的干擾必然導致設備方案的修改和實物的返工，這就會對影響系統的研制進度。為此，以Portunus系統仿真軟件為基礎仿真平臺，通過開發電力電纜電氣參數提取算法模塊、電力電纜通用RLC電路模型及部分常用成纜模型，形成線纜模型庫；開發供配電線路仿真模板；開發含有不同載荷設備的供電系統仿真模板，從而實現分層次、分系統的對供電電纜、供電線路以及供電系統進行性能仿真評估及分析，輔助系統間接口設計及驗證工作。
2技術實現路線
系統間的接口設計與驗證過程中需要綜合考慮供電電源的供電特性、負載設備的載荷特性以及供電線路的傳輸特性，以實現最優的系統載荷匹配為最終的目標。基于Portunus商用軟件作為線路仿真基礎工具，通過行為級建模，模擬電源和負載載荷設備的電氣輸入輸出特性；綜合考慮電纜幾何結構和排列方式的多樣性，分析電纜各電氣元件的耦合特性并提取元件參數，實現對于電纜線路的建模，并根據實際設計參數在Por-tunus中建立詳細的電纜電氣模型才能在仿真時得到準確的輸電特性。
2.1線路仿真
針對用戶界面、建模工具、求解核、后處理工具、元件模型庫及外部擴展接口的要求，通過底層算法的編寫和優化，對各具體工具模塊進行編程設計，開發Por-tunus系統仿真軟件，實現線路仿真所需的基礎工具模塊。用戶界面采用圖形創建工具，實現可繪制原理圖的交互界面并集成各種工具模塊滿足對模型建模的需求。如圖1所示。集成各種基礎元件算法模型，可以實現網絡拓撲直接建模、傳遞函數建模和流程圖建模等功能，通過開發SPICE網表接口和VHDL-AMS編程接口，可調用元件庫中的接口模塊進行模型的SPICE建模和VHDL-AMS語言建模，在仿真執行過程中調用相應的SPICE求解核算法或VHDL-AMS求解算法對相應模塊進行計算；通過開發C/C++接口元件模塊，實現對外部C代碼的調用，在仿真過程中可以建立用戶模塊并將C代碼編譯生成的dll文件耦合起來，實現C/C++代碼元件庫。后處理工具的開發集成不同的數據處理算法，可以實現對數據的函數計算、特征值計算、傅里葉分析等處理，同時集成各種工具滿足對數據的導出、顯示等功能需求。通過開發同其他軟件交互的接口工具，實現同其他軟件的聯合仿真功能。
2.2電纜模型庫建模
2.2.1電纜電氣參數提取電力電纜的基本結構由線芯(導體)、內絕緣層、金屬護套(屏蔽層)和外絕緣層4部分組成。如圖3所示，是一根含有以上4個部分的電纜截面圖。電纜的電氣參數有自阻抗和導體間的互阻抗，以及導體的并聯導納等，以圖3基本結構為例，通過理論分析可得到電纜的電氣參數，包括：導體自阻抗、金屬護套自阻抗、導體和護套間的互阻抗、導體和護套間電容、護套和等效地間電容。其中，各阻抗參數和電容參數由電纜的導體材料、幾何結構以及多跟導體的不同排列方式決定。因此，在進行電纜仿真之前，需要按照電纜結構參數和排列方式的不同，調用電氣參數提取算法計算出各條電纜RLC電路模型的元件參數。以3根單芯等間距排列的電纜為例，通過電纜參數提取模塊可建立相應的RLC矩陣為：電阻矩陣描述了每根單芯電纜中導體和金屬護套的電阻特性，該電阻值可以直接由阻抗計算公式得到。電感矩陣描述了每根單芯電纜中導體和金屬護套的電感特性，同時也描述了各導體和金屬護套之間的相互耦合關系。電容矩陣描述了每根電纜中導體和護套之間以及護套和參考地之間的電容特性。隨著電纜結構變化以及電纜排列方式的不同，所建RLC矩陣的階數以及各矩陣中的參數也會不同，針對特定的電纜結構和排列方式，可以由阻抗計算公式及電容計算公式分別計算需要修正的RLC參數，完成對各具體成纜模型參數的修正。2.2.2電纜建模由于電纜的設計種類和排列方式千變萬化，所以電纜參數的計算很難完全涵蓋所有的情況。故在電纜模型庫建模時，應首先考慮電纜基本結構，在Portunus中實現其電氣參數提取的通用算法；然后，按照實際使用電纜的不同結構和不同排列方式建立各自的電路模型，并根據通用算法計算和修正各電路模型中的RLC參數，通過封裝實現各成纜產品的建模，進而形成電纜模型庫。其中，電纜電氣參數提取模塊可通過VHDL-AMS建模工具，編程計算各電路參數并將結果輸出。對參數計算模塊進行編譯、封裝后可在界面元件庫中找到所建的模塊，將該模塊拖入工作界面中可對其進行仿真計算。調用所建的參數計算模塊仿真模型，雙擊電纜參數模塊可以彈出電纜參數列表，在Value列中可填入實際電纜參數，Default列中參數為通用電纜的默認參數，通常不用更改。若有些參數需要實時變化，可將參數端口開放后由外部模塊進行控制。參數列表中給出了電纜的結構設計參數，如表1所示，輸入電纜設備廠家提供的相應參數后，可直接計算得到電纜的RLC電氣參數在完成后電纜模型庫建模后，通過外部接口接入，可以通過調整電纜電氣參數，模擬電源供電頻率的變化，實現電路仿真功能。
2.3供電線路建模及仿真
按照電路子模塊功能建立各部件的行為級模型。使用電纜模型庫的通用算法模塊和電纜電路模型，同供電線路其他子模塊進行耦合連接，生成仿真模板。設置各模塊參數及工況，分析系統供電線路正常工作、故障模式兩種不同工況的供電品質、線纜壓降、浪涌電流等性能。仿真模板可重復運行，運行結果收斂并一致。仿真運行如果出現不能正確往下進行，或運行結果發散時，通過調整算法參數或其他技術方法，使仿真能夠完整、重復執行，結果收斂。使用開發的仿真工具，動態直觀地觀察仿真運行的過程、結果。模板具有開放性，支持用戶編輯修改模板拓撲、工況、模型參數和輸出參數，快速生成相似產品的仿真模板。供電線路模板可以對不同的配電方式下的穩態和動態過程進行模擬，其中，電源可以采用理想AC和DC電壓源，負載可以采用阻性、容性和感性負載模塊進行模擬。可以仿真線路正常工作時各條線路的輸電特性，同時可以仿真線間短路及線路絕緣失效等工況。如圖5所示線路仿真模板拓撲中，兩條不同的輸電電纜分別帶有阻性負載和容性負載，在線路中可以設置短路故障模塊，可以設定故障發生的時刻，仿真分析故障發生后的線路輸電特性。供電線路建模仿真實現了對直流供電和交流供電的仿真，可以模擬多根電纜平行排列、多根電纜交錯排列、電纜短路故障、電纜絕緣失效等多種情況，并支持阻性負載、感性負載和容性負載。
2.4設備載荷建模及系統載荷突變仿真
在Portunus中按照負載設備模塊功能建立其行為級模型。使用電纜庫電路模型同負載設備模塊進行耦合連接，形成供電系統仿真模板，通過設置各子模塊和模板電路的參數，進行系統性能仿真。對于系統中多個載荷設備共用一個母線的情況，設置某個負載功率突變條件，仿真其對母線以及其他用電設備的影響。可按照仿真要求對載荷設備模型進行一定的簡化，對于對母線電壓、電流等特性影響不大的載荷設備，進行原理建模，模擬載荷設備的基本端口特性，仿真邏輯功能轉換時的輸出特性，切實暴露系統真實存在和設備切換的邏輯、時序問題。其中，電源、電纜、負載模塊均可按照需要搭建所需的行為級模型。圖5負載（load）為帶SVPWM控制的三相交流電機，其行為級子模塊如圖6所示。設備載荷系統仿真可以實現對交流電源、直流電源供電線路的仿真；對單路電纜和多路電纜的仿真；對AC-DC適配電源、繼電器負載、直流電機及其控制器、三相交流電機及其控制器以及FUSE的設備載荷仿真，最終實現模擬負載端諧波、模擬負載切換時序、模擬直流電機特性、模擬變頻控制下的電機特性以及模擬負載熔斷特性。
3測試驗證
3.1供電線路性能仿真
以交流傳輸電路上的電纜特性為仿真模型，其模板原理圖如圖7所示。征由軟件時間函數模塊模擬，并將時間函數模塊的輸出與電源參數進行關聯。單相電纜模型采用模型庫中的Singlephasecable，其中，電纜電氣參數RLC值由電纜參數計算模型Cableparam計算輸出，并關聯到電纜模塊參數中，Cableparam模塊通過設置電纜的結構和材料特性參數對單位長度的電纜參數進行計算。當調用Cableparam模塊時，各參數默認值自動賦值給各參數，當需要調整某參數時只對相應參數進行設置即可。Cableparam模塊中，輸入接口為傳輸頻率，可以在外部設置線路工作頻率參數，在將source模塊的輸出關聯到該接口參數中。用戶界面中添加On-SheetDisplay模塊實現數據采集與顯示將計算結果進行表格展示，如圖8所示。
3.2載荷設備突變仿真
以Boost變換器為模板進行載荷設備突變仿真測試。如圖9所示，模板由交流電源、cable線路，boost變換器及負載電阻組成。其中，交流電源E1設置頻率為50Hz，振幅設置為311。Cable傳輸線使用cable0模塊，Boost電路前級采用不控整流電路，整流橋輸出端直流電容設置為5mF，Boost電路采用設備庫中的Boost模塊，該模塊輸出設計為400V，可模擬實際電源適配器中Boost變換器的負載特性。負載電阻設定為50ohm，由切入開關控制，負載切入時刻設置步進時長0.02s。點擊運行后，模型開始運行，在界面中加入On-SheetDisplay模塊并添加負載電阻電壓、電源輸入電壓和電流波形，如圖10所示。
4結語
基于Portunus的系統級接口設計與驗證系統通過線路仿真平臺和電纜模型庫等工具，通過對電源、線路、載荷設備的建模、仿真和性能分析，最終實現對系統接口中的供電品質、線纜壓降的模擬。此系統可應用于涉及大量設備的火箭電氣系統中，在樣機制造之前通過模擬發現系統接口間的干擾、匹配問題，縮短了設備和系統的研發周期，降低了研發成本。
參考文獻
[1]李強,胡元威,董余紅,等.基于模塊的運載火箭電氣系統匹配驗證仿真[J].計算機測量與控制,2019,27(02):262-265.
[2]祝偉,張金剛,張佳寧,等.基于1553B總線的運載火箭供電測控系統設計[J].計算機測量與控制,2016,(5):21-24.
[3]楊亮,沈志軍,胡葉楠,等.DesignandImplemen-tationofaReliabilityEvaluatingToolinVirtualTest[J].計算機測量與控制,2016,024(004):275-277.
作者：馬宗瑞，韓雨桐，岳瑋 單位：北京宇航系統工程研究所