Portunus系統(tǒng)級接口設(shè)計與驗證系統(tǒng)范文

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摘要：隨著航天領(lǐng)域電氣系統(tǒng)復(fù)雜程度以幾何級數(shù)的速度增加，難以在樣機制造之前發(fā)現(xiàn)諸如系統(tǒng)中設(shè)備之間的干擾、匹配問題，造成樣機試制一輪一輪展開，研發(fā)周期和研發(fā)成本都急劇上升，急需通過有效的手段縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。因此，開展了系統(tǒng)級接口設(shè)計與驗證系統(tǒng)相關(guān)研究，在Por－tunus軟件基礎(chǔ)上進行適應(yīng)性二次開發(fā)，建立供電線路仿真模板、載荷設(shè)備突變仿真模板和電纜模型庫，用于系統(tǒng)供配電線路設(shè)計時的評估與指導(dǎo)，改進之前在線路設(shè)計中通常需要依靠經(jīng)驗，需要通過系統(tǒng)匹配實驗才能對供電性能進行評估的被動設(shè)計方式。

關(guān)鍵詞：portunus軟件；接口設(shè)計與驗證系統(tǒng)

1概述

基于現(xiàn)有航天地面電氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度，系統(tǒng)間的接口設(shè)計往往依賴于設(shè)計師的經(jīng)驗及設(shè)備接口匹配驗證的結(jié)果，并且在實物匹配過程中設(shè)備之間的干擾通過現(xiàn)有的技術(shù)手段很難預(yù)見，而設(shè)備之間的干擾必然導(dǎo)致設(shè)備方案的修改和實物的返工，這就會對影響系統(tǒng)的研制進度。為此，以Portunus系統(tǒng)仿真軟件為基礎(chǔ)仿真平臺，通過開發(fā)電力電纜電氣參數(shù)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(fā)供配電線路仿真模板；開發(fā)含有不同載荷設(shè)備的供電系統(tǒng)仿真模板，從而實現(xiàn)分層次、分系統(tǒng)的對供電電纜、供電線路以及供電系統(tǒng)進行性能仿真評估及分析，輔助系統(tǒng)間接口設(shè)計及驗證工作。

2技術(shù)實現(xiàn)路線

系統(tǒng)間的接口設(shè)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(shè)備的載荷特性以及供電線路的傳輸特性，以實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)載荷匹配為最終的目標(biāo)。基于Portunus商用軟件作為線路仿真基礎(chǔ)工具，通過行為級建模，模擬電源和負載載荷設(shè)備的電氣輸入輸出特性；綜合考慮電纜幾何結(jié)構(gòu)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(shù)，實現(xiàn)對于電纜線路的建模，并根據(jù)實際設(shè)計參數(shù)在Por-tunus中建立詳細的電纜電氣模型才能在仿真時得到準(zhǔn)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(yōu)化，對各具體工具模塊進行編程設(shè)計，開發(fā)Por-tunus系統(tǒng)仿真軟件，實現(xiàn)線路仿真所需的基礎(chǔ)工具模塊。用戶界面采用圖形創(chuàng)建工具，實現(xiàn)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(chǔ)元件算法模型，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲直接建模、傳遞函數(shù)建模和流程圖建模等功能，通過開發(fā)SPICE網(wǎng)表接口和VHDL-AMS編程接口，可調(diào)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(zhí)行過程中調(diào)用相應(yīng)的SPICE求解核算法或VHDL-AMS求解算法對相應(yīng)模塊進行計算；通過開發(fā)C/C++接口元件模塊，實現(xiàn)對外部C代碼的調(diào)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(xiàn)C/C++代碼元件庫。后處理工具的開發(fā)集成不同的數(shù)據(jù)處理算法，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的函數(shù)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(shù)據(jù)的導(dǎo)出、顯示等功能需求。通過開發(fā)同其他軟件交互的接口工具，實現(xiàn)同其他軟件的聯(lián)合仿真功能。

2.2電纜模型庫建模

2.2.1電纜電氣參數(shù)提取電力電纜的基本結(jié)構(gòu)由線芯(導(dǎo)體)、內(nèi)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(shù)有自阻抗和導(dǎo)體間的互阻抗，以及導(dǎo)體的并聯(lián)導(dǎo)納等，以圖3基本結(jié)構(gòu)為例，通過理論分析可得到電纜的電氣參數(shù)，包括：導(dǎo)體自阻抗、金屬護套自阻抗、導(dǎo)體和護套間的互阻抗、導(dǎo)體和護套間電容、護套和等效地間電容。其中，各阻抗參數(shù)和電容參數(shù)由電纜的導(dǎo)體材料、幾何結(jié)構(gòu)以及多跟導(dǎo)體的不同排列方式?jīng)Q定。因此，在進行電纜仿真之前，需要按照電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)和排列方式的不同，調(diào)用電氣參數(shù)提取算法計算出各條電纜RLC電路模型的元件參數(shù)。以3根單芯等間距排列的電纜為例，通過電纜參數(shù)提取模塊可建立相應(yīng)的RLC矩陣為：電阻矩陣描述了每根單芯電纜中導(dǎo)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(dǎo)體和金屬護套的電感特性，同時也描述了各導(dǎo)體和金屬護套之間的相互耦合關(guān)系。電容矩陣描述了每根電纜中導(dǎo)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(jié)構(gòu)變化以及電纜排列方式的不同，所建RLC矩陣的階數(shù)以及各矩陣中的參數(shù)也會不同，針對特定的電纜結(jié)構(gòu)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(shù)，完成對各具體成纜模型參數(shù)的修正。2.2.2電纜建模由于電纜的設(shè)計種類和排列方式千變?nèi)f化，所以電纜參數(shù)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(yīng)首先考慮電纜基本結(jié)構(gòu)，在Portunus中實現(xiàn)其電氣參數(shù)提取的通用算法；然后，按照實際使用電纜的不同結(jié)構(gòu)和不同排列方式建立各自的電路模型，并根據(jù)通用算法計算和修正各電路模型中的RLC參數(shù)，通過封裝實現(xiàn)各成纜產(chǎn)品的建模，進而形成電纜模型庫。其中，電纜電氣參數(shù)提取模塊可通過VHDL-AMS建模工具，編程計算各電路參數(shù)并將結(jié)果輸出。對參數(shù)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(diào)用所建的參數(shù)計算模塊仿真模型，雙擊電纜參數(shù)模塊可以彈出電纜參數(shù)列表，在Value列中可填入實際電纜參數(shù)，Default列中參數(shù)為通用電纜的默認參數(shù)，通常不用更改。若有些參數(shù)需要實時變化，可將參數(shù)端口開放后由外部模塊進行控制。參數(shù)列表中給出了電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，如表1所示，輸入電纜設(shè)備廠家提供的相應(yīng)參數(shù)后，可直接計算得到電纜的RLC電氣參數(shù)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(diào)整電纜電氣參數(shù)，模擬電源供電頻率的變化，實現(xiàn)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(shè)置各模塊參數(shù)及工況，分析系統(tǒng)供電線路正常工作、故障模式兩種不同工況的供電品質(zhì)、線纜壓降、浪涌電流等性能。仿真模板可重復(fù)運行，運行結(jié)果收斂并一致。仿真運行如果出現(xiàn)不能正確往下進行，或運行結(jié)果發(fā)散時，通過調(diào)整算法參數(shù)或其他技術(shù)方法，使仿真能夠完整、重復(fù)執(zhí)行，結(jié)果收斂。使用開發(fā)的仿真工具，動態(tài)直觀地觀察仿真運行的過程、結(jié)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(shù)和輸出參數(shù)，快速生成相似產(chǎn)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(wěn)態(tài)和動態(tài)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(shè)置短路故障模塊，可以設(shè)定故障發(fā)生的時刻，仿真分析故障發(fā)生后的線路輸電特性。供電線路建模仿真實現(xiàn)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(shè)備載荷建模及系統(tǒng)載荷突變仿真

在Portunus中按照負載設(shè)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(shè)備模塊進行耦合連接，形成供電系統(tǒng)仿真模板，通過設(shè)置各子模塊和模板電路的參數(shù)，進行系統(tǒng)性能仿真。對于系統(tǒng)中多個載荷設(shè)備共用一個母線的情況，設(shè)置某個負載功率突變條件，仿真其對母線以及其他用電設(shè)備的影響。可按照仿真要求對載荷設(shè)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(shè)備，進行原理建模，模擬載荷設(shè)備的基本端口特性，仿真邏輯功能轉(zhuǎn)換時的輸出特性，切實暴露系統(tǒng)真實存在和設(shè)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(shè)備載荷系統(tǒng)仿真可以實現(xiàn)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(shè)備載荷仿真，最終實現(xiàn)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(shù)模塊模擬，并將時間函數(shù)模塊的輸出與電源參數(shù)進行關(guān)聯(lián)。單相電纜模型采用模型庫中的Singlephasecable，其中，電纜電氣參數(shù)RLC值由電纜參數(shù)計算模型Cableparam計算輸出，并關(guān)聯(lián)到電纜模塊參數(shù)中，Cableparam模塊通過設(shè)置電纜的結(jié)構(gòu)和材料特性參數(shù)對單位長度的電纜參數(shù)進行計算。當(dāng)調(diào)用Cableparam模塊時，各參數(shù)默認值自動賦值給各參數(shù)，當(dāng)需要調(diào)整某參數(shù)時只對相應(yīng)參數(shù)進行設(shè)置即可。Cableparam模塊中，輸入接口為傳輸頻率，可以在外部設(shè)置線路工作頻率參數(shù)，在將source模塊的輸出關(guān)聯(lián)到該接口參數(shù)中。用戶界面中添加On-SheetDisplay模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示將計算結(jié)果進行表格展示，如圖8所示。

3.2載荷設(shè)備突變仿真

以Boost變換器為模板進行載荷設(shè)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(shè)置頻率為50Hz，振幅設(shè)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(shè)置為5mF，Boost電路采用設(shè)備庫中的Boost模塊，該模塊輸出設(shè)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(shè)定為50ohm，由切入開關(guān)控制，負載切入時刻設(shè)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(jié)語

基于Portunus的系統(tǒng)級接口設(shè)計與驗證系統(tǒng)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(shè)備的建模、仿真和性能分析，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)接口中的供電品質(zhì)、線纜壓降的模擬。此系統(tǒng)可應(yīng)用于涉及大量設(shè)備的火箭電氣系統(tǒng)中，在樣機制造之前通過模擬發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)接口間的干擾、匹配問題，縮短了設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。

參考文獻

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作者：馬宗瑞，韓雨桐，岳瑋 單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所