本出版品提供了網路研討會的轉錄 。這場網路研討會由工程師 Mikhail Peselnik 主持 .)
今天我們將了解到，我們可以調整模型以實現模擬結果的保真度和準確性與模擬過程的速度之間的最佳平衡。這是有效使用模擬並確保模型的詳細程度適合您想要執行的任務的關鍵。
我們還將學習：
- 如何透過使用最佳化演算法和平行計算來加速模擬；
- 如何將模擬分佈在多個電腦核心上，加速參數估計和參數選擇等任務；
- 如何使用 MATLAB 自動執行模擬和分析任務來加快開發速度；
- 如何使用 MATLAB 腳本進行諧波分析並使用自動報告產生記錄任何類型測試的結果。
我們將從飛機電氣網路模型的概述開始。我們將討論我們的模擬目標是什麼，並研究用於創建模型的開發過程。
然後我們將經歷這個過程的各個階段，包括初始設計——我們在其中澄清需求。詳細設計 - 我們將查看電網的各個組件，最後我們將使用詳細設計的模擬結果來調整抽像模型的參數。最後，我們將了解如何在報告中記錄所有這些步驟的結果。
這是我們正在開發的系統的示意圖。這是一個半飛機模型，包括發電機、交流母線、各種交流負載、變壓整流器單元、帶有各種負載的直流母線和電池。
開關用於將組件連接到電網。當組件在飛行過程中開啟和關閉時，電氣條件可能會變更。我們想要在這些變化的條件下分析飛機電網的這一半。
飛機電氣系統的完整模型必須包括其他組件。我們沒有將它們包含在這個半平面模型中，因為我們只想分析這些組件之間的相互作用。這是飛機和造船業的常見做法。
模擬目標：
- 確定各種組件以及連接它們的電源線的電氣要求。
- 分析不同工程學科組件之間的系統交互作用，包括電氣、機械、液壓和熱效應。
- 並在更詳細的層面上進行諧波分析。
- 分析變化條件下的供電質量，並查看不同網路節點的電壓和電流。
這組模擬目標最好透過使用不同細節程度的模型來實現。我們將看到，隨著開發過程的進行，我們將擁有一個抽象和詳細的模型。
當我們查看這些不同模型變體的模擬結果時，我們發現系統層級模型和詳細模型的結果是相同的。
如果我們仔細觀察模擬結果，我們會發現，儘管模型的詳細版本中存在由功率元件切換引起的動態，但整體模擬結果是相同的。
這使我們能夠在系統層級執行快速迭代，以及在粒度層級對電氣系統進行詳細分析。這樣我們就可以有效地實現我們的目標。
現在讓我們談談我們正在使用的模型。我們為電網中的每個組件建立了多個選項。我們將根據我們要解決的問題選擇要使用的組件變體。
當我們探索電網發電方案時，我們可以用循環對流型變速發電機或直流耦合頻率發電機來取代整合式驅動發電機。我們可以在交流電路中使用抽像或詳細的負載組件。
同樣，對於直流網絡，我們可以使用抽象的、詳細的或多學科的選項，考慮其他物理學科的影響，例如力學、水力學和溫度效應。
有關模型的更多詳細資訊。
在這裡您可以看到發電機、配電網路以及網路中的組件。該模型目前設定為使用抽象組件模型進行模擬。透過指定組件消耗的有功功率和無功功率，可以簡單地對執行器進行建模。
如果我們將此模型配置為使用詳細的組件變體，則執行器已建模為馬達。我們有永磁同步馬達、變流器以及直流母線和控制系統。如果我們查看變壓器整流器單元，我們會發現它是使用電力電子設備中使用的變壓器和通用電橋進行建模的。
我們還可以選擇一個系統選項（在 TRU DC Loads -> Block Choices -> Multidomain），該選項考慮與其他物理現象（在燃油泵中）相關的影響。對於燃油泵，我們看到我們有一個液壓泵，液壓負載。對於加熱器，我們考慮了溫度效應，當溫度變化時，溫度效應會影響該組件的行為。我們的發電機是使用同步馬達建模的，我們有一個控制系統來設定該馬達的電壓場。
使用名為 Flight_Cycle_Num 的 MATLAB 變數選擇飛行週期。在這裡，我們看到來自 MATLAB 工作區的數據，該工作區控制某些電網組件何時開啟和關閉。此圖 (Plot_FC) 顯示組件開啟或關閉時的第一個飛行週期。
如果我們將模型調整為 Tuned 版本，我們可以使用此腳本 (Test_APN_Model_SHORT) 來運行模型並在三個不同的飛行週期中對其進行測試。第一個飛行週期正在進行中，我們正在各種條件下測試系統。然後，我們自動配置模型以運行第二個和第三個飛行週期。完成這些測試後，我們會得到一份報告，其中顯示了這三項測試的結果與先前的測試運行的比較。在報告中，您可以看到模型的螢幕截圖、顯示發電機輸出的速度、電壓和發電功率的圖表螢幕截圖、與先前測試的比較圖，以及電網品質分析的結果。
在模型保真度和模擬速度之間找到平衡點是有效使用模擬的關鍵。當您為模型添加更多細節時，計算和模擬模型所需的時間就會增加。針對您要解決的特定問題自訂模型非常重要。
當我們對電能品質等細節感興趣時，我們會添加電力電子開關和實際負載等效果。然而，當我們對電網中各個組件產生或消耗能量等問題感興趣時，我們將使用複雜的模擬方法、抽象負載和平均電壓模型。
使用 Mathworks 產品，您可以為目前問題選擇正確的詳細程度。
為了有效地設計，我們需要組件的抽像模型和詳細模型。以下是這些選項如何融入我們的開發流程：
- 首先，我們使用模型的抽象版本來闡明需求。
- 然後，我們使用細化的需求來詳細設計組件。
- 我們可以在模型中結合組件的抽象版本和詳細版本，從而允許組件與機械系統和控制系統的驗證和組合。
- 最後，我們可以使用詳細模型的模擬結果來調整抽像模型的參數。這將為我們提供一個快速運行並產生準確結果的模型。
您可以看到這兩個選項（系統和詳細模型）是相輔相成的。我們使用抽像模型來澄清需求的工作減少了詳細設計所需的迭代次數。這加快了我們的開發進程。詳細模型的模擬結果為我們提供了一個運行快速並產生準確結果的抽像模型。這使我們能夠實現模型的詳細程度與模擬正在執行的任務之間的匹配。
世界各地的許多公司都使用 MOS 來開發複雜的系統。空中巴士公司正在為A380開發基於MOP的燃油管理系統。該系統包含20多個泵浦和40多個閥門。您可以想像可能發生的不同故障場景的數量。透過模擬，他們每個週末可以運行超過十萬次測試。這讓他們相信，無論出現何種故障情況，他們的控制系統都可以處理它。
現在我們已經了解了模型和模擬目標的概述，我們將逐步完成設計過程。我們將首先使用抽像模型來闡明系統需求。這些細化的要求將用於詳細設計。
我們將了解如何將需求文件整合到開發過程中。我們有一份大型需求文檔，概述了我們系統的所有需求。將需求與整個專案進行比較並確保專案滿足這些需求是非常困難的。
使用 SLVNV，您可以直接連結需求文件和 Simulink 中的模型。您可以直接建立從模型到需求的連結。這使得驗證模型的特定部分是否與特定需求相關變得更容易，反之亦然。這種溝通是雙向的。因此，如果我們正在查看某個需求，我們可以快速跳到模型以查看如何滿足該需求。
現在我們已經將需求文件整合到工作流程中，我們將細化電網的需求。具體來說，我們將研究發電機和輸電線路的運作、尖峰和設計負載要求。我們將在各種電網條件下對它們進行測試。那些。在不同的飛行週期中，當不同的負載開啟和關閉時。由於我們只關注功率，因此我們將忽略電力電子裝置中的開關。因此，我們將使用抽像模型和簡化的模擬方法。這意味著我們將調整模型以忽略我們不需要的細節。這將使模擬運行得更快，並允許我們在長飛行週期中測試條件。
我們有一個交流電源，它通過一系列電阻、電容和電感。電路中有一個開關，在一段時間後打開，然後再次關閉。如果運行模擬，您可以看到連續求解器的結果。 (V1) 您可以看到與開關開啟和關閉相關的振盪被準確顯示。
現在讓我們切換到離散模式。雙擊 PowerGui 模組並在 Solver 標籤中選擇離散求解器。您可以看到現在已選擇離散求解器。讓我們開始模擬吧。您將看到結果現在幾乎相同，但精度取決於所選的取樣率。
現在我可以選擇複雜模擬模式，設定頻率（因為只能在特定頻率下獲得解）並再次運行模擬。您將看到僅顯示訊號幅度。透過點擊該區塊，我可以執行一個 MATLAB 腳本，該腳本將在所有三種模擬模式下按順序運行模型，並將結果圖繪製在彼此之上。如果我們仔細觀察電流和電壓，我們會發現離散結果接近連續結果，但完全一致。如果查看電流，您會發現存在一個在模擬的離散模式中未註意到的峰值。我們看到，複雜模式允許您僅看到幅度。如果查看求解器步驟，您會發現複雜求解器只需要 56 個步驟，而其他解算器需要更多步驟才能完成模擬。這使得複雜模擬模式的運行速度比其他模式快得多。
除了選擇適當的仿真模式之外，我們還需要具有適當詳細程度的模型。為了闡明電網中組件的功率需求，我們將使用一般應用的抽像模型。動態負載區塊可讓我們指定元件在網路中消耗或產生的有功功率和無功功率。
我們將根據一組初始要求定義無功功率和有功功率的初始抽像模型。我們將使用理想源塊作為來源。這將允許您設定網路上的電壓，您可以使用它來確定發電機的參數，並了解它應該產生多少電力。
接下來，您將了解如何使用模擬來最佳化發電機和輸電線路的功率需求。
我們有一組初始要求，包括網路中組件的額定功率和功率因數。我們也具備該網路可以運作的一系列條件。我們希望透過在各種條件下進行測試來完善這些初始要求。我們將透過調整模型以使用抽象負載和來源並在各種操作條件下測試要求來實現這一點。
我們將配置模型以使用抽象負載和發電機模型，並查看在各種操作條件下產生和消耗的電力。
現在我們將繼續 詳細設計。 我們將使用細化的需求來詳細設計，並將這些詳細的組件與系統模型結合以檢測整合問題。
如今，在飛機上發電有許多選擇。通常，發電機透過與燃氣渦輪機通訊來驅動。渦輪機以可變頻率旋轉。如果網路必須具有固定頻率，則需要將網路中的可變渦輪軸速度轉換為恆定頻率。這可以透過在發電機上游使用整合式恆速驅動器，或使用電力電子設備將變頻交流電轉換為恆頻交流電來完成。還有一些具有浮動頻率的系統，其中網路中的頻率可以改變並且能量轉換發生在網路中的負載處。
這些選項中的每一個都需要發電機和電力電子設備來轉換能量。
我們有一台可變速旋轉的燃氣渦輪機。此渦輪機用於旋轉發電機軸，產生變頻交流電。可以使用各種電力電子選項將此可變頻率轉換為固定頻率。我們想評估這些不同的選擇。這可以使用 SPS 來完成。
我們可以對每個系統進行建模，並在不同條件下執行模擬，以評估哪種選項最適合我們的系統。讓我們切換到模型，看看這是如何完成的。
這是我們正在使用的模型。來自燃氣渦輪機軸的可變速度被傳送至發電機。循環變流器用於產生固定頻率的交流電。如果運行模擬，您將看到模型的行為。上圖顯示了燃氣渦輪機的變速。您會看到頻率正在改變。第二張圖中的黃色訊號是發電機輸出端某一相的電壓。這種固定頻率交流電是使用電力電子設備透過變速產生的。
讓我們看看如何描述交流負載。我們的連接到燈、液壓泵和執行器。這些組件使用 SPS 中的區塊進行建模。
SPS 中的每個模組都包含配置設置，可讓您適應不同的組件配置並調整模型的詳細程度。
我們配置模型來運行每個組件的詳細版本。因此，我們有足夠的能力來模擬交流負載，並且透過在離散模式下模擬詳細組件，我們可以看到有關電網中正在發生的情況的更多細節。
我們將使用該模型的詳細版本執行的任務之一是分析電能品質。
當系統中引入負載時，可能會導致電壓源波形失真。這是一個理想的正弦曲線，如果負載恆定，這樣的訊號將出現在發生器的輸出處。然而，隨著可開啟和關閉的組件數量增加，該波形可能會失真並導致如此小的過衝。
電壓源波形中的這些尖峰可能會導致問題。由於電力電子設備的切換，這可能會導致發電機過熱，這可能會產生大的中性線電流，並且還會導致電力電子設備不必要的切換，因為他們預計訊號不會出現這種反彈。
諧波失真可以衡量交流電源的品質。在不斷變化的網路條件下測量該比率非常重要，因為品質會根據打開和關閉的組件而變化。使用 MathWorks 工具可以輕鬆測量該比率，並且可以在各種條件下自動進行測試。
了解有關 THD 的更多信息，請訪問 .
接下來我們來看看如何進行 使用仿真進行電能品質分析。
我們有一個飛機電氣網路的模型。由於網路中的各種負載，發電機輸出的電壓波形會發生畸變。這導致食品品質下降。這些負載在飛行週期的不同時間被斷開和上線。
我們想要評估該網路在不同條件下的電能品質。為此，我們將使用 SPS 和 MATLAB 自動計算 THD。我們可以使用 GUI 互動式計算比率，或使用 MATLAB 腳本自動化。
讓我們回到模型並透過範例向您展示這一點。我們的飛機電氣網路模型由發電機、交流母線、交流負載、變壓整流器和直流負載組成。我們希望在不同條件下測量網路中不同點的電能品質。首先，我將向您展示如何僅針對生成器以互動方式執行此操作。然後我將向您展示如何使用 MATLAB 自動執行此程序。我們將首先運行模擬來收集計算 THD 所需的數據。
此圖 (Gen1_Vab) 顯示發電機各相之間的電壓。正如您所看到的，這不是完美的正弦波。這意味著網路的電能品質受到網路上的組件的影響。模擬完成後，我們將使用快速傅立葉變換來計算 THD。我們將開啟powergui區塊並開啟FFT分析工具。您可以看到該工具自動載入了我在模擬過程中記錄的資料。我們將選擇 FFT 窗口，指定頻率和範圍，並顯示結果。可以看到諧波失真率為2.8%。在這裡您可以看到各種諧波的貢獻。您了解如何以互動方式計算諧波失真係數。但我們希望自動化這個過程，以便計算不同條件下和網路中不同點的係數。
我們現在將了解可用於直流負載建模的選項。
我們可以對純電力負載以及包含來自不同工程領域的元素（例如電和熱效應、電氣、機械和液壓）的多學科負載進行建模。
我們的直流電路包括變壓器整流器、燈、加熱器、燃油泵和電池。詳細模型可以考慮其他領域的影響，例如，加熱器模型考慮電氣部件的行為隨溫度變化的變化。燃油泵考慮了其他區域的影響，以了解它們對組件行為的影響。我將回到模型來向您展示它的樣子。
這是我們使用的模型。正如您所看到的，現在變壓器整流器和直流網路是純電氣的，即僅考慮電域的影響。他們簡化了該網路中組件的電氣模型。我們可以選擇該系統的變體（TRU DC 負載 -> 多域），以考慮其他工程領域的影響。您會看到，在網路中我們具有相同的組件，但我們添加了其他效果，而不是電氣模型的數量 - 例如，對於擊球手，溫度物理網路考慮了溫度對行為的影響。在泵浦中，我們現在考慮泵浦和系統中其他負載的液壓效應。
您在模型中看到的元件是由 Simscape 庫模組組裝而成的。有用於電氣、液壓、磁力和其他學科的會計模組。使用這些區塊，您可以創建我們稱之為多學科的模型，即考慮到各種物理和工程學科的影響。
其他區域的影響可以整合到電網模型中。
Simscape 模組庫包含用於模擬其他領域（例如液壓或溫度）效果的模組。透過使用這些元件，您可以建立更真實的網路負載，然後更準確地定義這些元件可以運行的條件。
透過組合這些元素，您可以建立更複雜的元件，以及使用 Simscape 語言建立新的自訂學科或領域。
專門的 Simscape 擴充功能中提供了更進階的元件和參數化設定。考慮到效率損失和溫度影響等影響，這些庫中提供了更複雜和詳細的組件。您也可以使用 SimMechanics 對 3D 和多體系統進行建模。
現在我們已經完成了詳細設計，我們將使用詳細模擬的結果來調整抽像模型的參數。這將為我們提供一個運行速度快的模型，同時仍產生與詳細模擬結果相符的結果。
我們從抽象組件模型開始開發過程。現在我們有了詳細的模型，我們希望確保這些抽像模型產生相似的結果。
綠色顯示我們收到的初始要求。我們希望抽像模型的結果（此處以藍色顯示）與詳細模型模擬的結果（以紅色顯示）接近。
為此，我們將使用輸入訊號定義抽像模型的有功功率和無功功率。我們將建立一個參數化模型並調整這些參數，以便抽像模型的模擬結果中的有功功率和無功功率曲線與詳細模型一致，而不是對有功功率和無功功率使用單獨的值。
接下來，我們將了解如何調整抽像模型以符合詳細模型的結果。
這是我們的任務。我們有一個電氣網路中組件的抽像模型。當我們對其應用這樣的控制訊號時，輸出就是有功功率和無功功率的以下結果。
當我們將相同的訊號應用於詳細模型的輸入時，我們會得到以下結果。
我們需要抽像模型和詳細模型的模擬結果是一致的，以便我們可以使用抽像模型快速迭代系統模型。為此，我們將自動調整抽像模型的參數，直到結果匹配。
為此，我們將使用 SDO，它可以自動更改參數，直到抽像模型和詳細模型的結果相符。
要配置這些設置，我們將按照以下步驟操作。
- 首先，我們匯入詳細模型的模擬輸出，並選擇這些資料進行參數估計。
- 然後我們將指定需要配置哪些參數並設定參數範圍。
- 接下來，我們將評估參數，SDO 調整參數直到結果匹配。
- 最後，我們可以使用其他輸入資料來驗證參數估計結果。
您可以透過使用平行計算分散式模擬來顯著加快開發過程。
您可以在多核心處理器的不同核心或計算叢集上執行單獨的模擬。如果您有一項任務需要執行多個模擬（例如，蒙特卡羅分析、參數擬合或運行多個飛行週期），您可以透過在本機多核心電腦或電腦叢集上執行這些模擬來分發這些模擬。
在許多情況下，這並不比用平行 for 迴圈 parfor 取代腳本中的 for 迴圈更困難。這可以顯著加快運行模擬的速度。
我們有一個飛機電氣網路的模型。我們希望在各種操作條件下測試該網路 - 包括飛行週期、中斷和天氣。我們將使用 PCT 來加速這些測試，使用 MATLAB 來調整我們想要執行的每個測試的模型。然後，我們將在電腦的不同核心之間分配模擬。我們將看到並行測試比順序測試完成得快得多。
以下是我們需要遵循的步驟。
- 首先，我們將使用 parpool 指令建立一個工作進程池，或所謂的 MATLAB 工作進程。
- 接下來，我們將為要執行的每個測試產生參數集。
- 我們將首先按順序運行模擬，一個接著一個。
- 然後將其與並行運行模擬進行比較。
根據結果，並行模式的總測試時間大約比順序模式少 4 倍。我們從圖表中看到，功耗整體處於預期水準。可見的峰值與消費者開啟和關閉時的不同網路狀況有關。
模擬包括許多測試，我們可以透過將模擬分佈在不同的電腦核心上來快速運行。這使我們能夠評估真正廣泛的飛行條件。
現在我們已經完成了開發過程的這一部分，我們將了解如何自動建立每個步驟的文檔，如何自動執行測試並記錄結果。
系統設計始終是一個迭代過程。我們對項目進行更改，測試更改，評估結果，然後進行新的更改。記錄結果和變更理由的過程需要很長時間。您可以使用 SLRG 自動執行此程序。
使用 SLRG，您可以自動執行測試，然後以報告的形式收集這些測試的結果。該報告可能包括測試結果的評估、模型和圖表的螢幕截圖、C 和 MATLAB 程式碼。
最後，我將回顧本次演講的要點。
- 我們看到了許多調整模型的機會，以在模型保真度和模擬速度之間找到平衡，包括模擬模式和模型抽象層級。
- 我們了解如何使用最佳化演算法和平行計算來加速模擬。
- 最後，我們了解如何透過在 MATLAB 中自動執行模擬和分析任務來加快開發過程。
材料作者 — 米哈伊爾·佩塞爾尼克，工程師 .
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