基于风电机组高精度模型与实时仿真器的风电场数字孪生软件系统的设计与开发
这是一篇关于风电场数字孪生,软件系统,上位机软件,数据服务平台,孪生应用示例的论文, 主要内容为随着经济不断发展,人类社会对一次能源的需求不断增长,导致碳排放日益增长。为应对日益严重的环境问题,各国均提出了碳排放目标,我国在2020年9月提出了双碳减排目标。随着风电和光伏技术逐渐成熟并大规模并网,新能源特别是风电已经逐渐成为电力供应的重要来源,但电网风电渗透率的提高导致电网稳定分析较为困难。此外,随着近年风力发电机向着大型化、大容量化方向不断发展,风电机组设计验证、检修和维护要求不断提升。信息技术的不断发展使得数字孪生的技术条件逐渐成熟。数字孪生技术可以基于物理实体参数,在虚拟空间构建数字孪生体,充分汇总仿真数据和实测数据,实现风电信息监测、数据监控分析、三维模型可视化和并网稳定性分析等多种功能,是解决现有风力发电问题的可行途径之一。在数字孪生五维模型中,系统需要具备可视性与可互动性等特征,因此需具备软件系统简化仿真和运维操作,方便用户对风电实体进行监控和分析。软件系统可以利用大数据、云计算和人工智能等信息技术对物理实体进行刻画、模拟和展示,是对系统进行监控与分析的理想途径。为构建风电场数字孪生软件系统,本文梳理了系统的需求和功能,设计并开发了基于云的风电场数字孪生软件系统,包括上位机软件、数据服务平台和应用示例三部分。本文的主要工作如下:(1)在OpenFAST的风电高精度模型和风电仿真平台(硬件实时仿真器)的基础上,本文分别设计并开发了本地上位机软件以及基于云平台的B/S架构的上位机软件,可分别实现本地仿真管控与网络仿真管控功能。首先,为提升人机交互友好性,软件均对当前风电模型进行了重新划分,并参考Bladed、DIgSILENT/PowerFactroy和CloudPSS等进行行了软件的页面设计和规划。其次,软件集成了 NERL的多个功能模块,并在云平台部署了运行环境与各项可执行程序,实现了风速生成、模型构建、仿真管控、数据分析等功能。再次,软件可与硬件仿真平台建立连接,实现了实时仿真的启停控制和数据回收。最后,软件内置了数据分析和绘图程序,能够方便用户进行数据分析和图像绘制,进行数据观测。(2)针对风电场数字孪生系统中的海量仿真数据和实测数据处理问题,本文设计了数据服务平台。首先,数据服务平台为实测数据和仿真数据设置了数据处理环节,能够完成数据解析和降噪。其次,数据服务平台设置了数据关联和评估环节,能够对传输数据进行关联和重要性评估。最后,数据服务平台采用时序数据库与文本数据库结合的存储方案存储孪生数据,并设定了 Json格式的数据接口方便数据调用。(3)为拓展风电场数字孪生系统的应用场景,软件系统针对风电机组与风电场两个典型场景设计并开发了孪生应用示例,包括风电机组监测系统和风电场监控系统。二者均基于Web进行开发,部署在云服务器上,用户可通过浏览器直接访问。其中,风电机组监测系统可以实现风电机组的三维模型可视化,数据监测等功能;风电场监控系统集成了多项分析程序,能够提供风电场拓扑展示、控制系统展示、频率扫描和稳定域分析等多种服务。
自动变速箱电磁阀检测系统研究
这是一篇关于电磁阀检测系统,卡尔曼滤波算法,压力控制,遗传PID算法,上位机软件的论文, 主要内容为电磁阀在自动变速箱里有着重要的作用,其性能的优劣关乎到整个变速箱能否正常的工作。鉴于以往的电磁阀检测设备操作繁琐复杂,并且技术落后,本文在与某企业合作的项目为背景,采用理论分析与实验相结合的方法,将微处理器作为控制核心,结合数据通信与传感器技术,开发了一套自动变速箱电磁阀检测系统,重点对电磁阀检测系统的控制策略进行了研究。本文首先设计了一个电磁阀液压数据采集系统,通过设计实验,分析影响因素对液压系统中油液压力的影响。采用压力传感器对系统中的压力进行采集,经过数据采集卡传输到电脑上进行数据的存储,并结合卡尔曼滤波算法对数据进行处理,最后对系统的稳定性进行分析。根据实验结果可知,设计的电磁阀液压数据采集系统能够稳定的模拟电磁阀在实际工作时所需要的压力和温度等环境,同时也为后续控制算法的设计提供了稳定的液压系统环境。采用STM32单片机作为控制核心,设计了自动变速箱电磁阀检测系统的压力控制策略。针对系统中存在着许多影响因素,使得液压系统中压力波动较大,不符合电磁阀在被检测时所需要的压力环境的问题,对压力控制系统进行了理论分析,并对控制电路中的器件进行了选择。根据PID算法的控制优点和遗传算法的特性,将两者进行结合,设计遗传PID算法。将PID算法用于系统压力控制,并采用遗传算法对其进行优化。通过实验验证与结果分析,得出基于遗传算法的PID控制策略能够很好的对系统压力进行控制,并且检测系统能够较稳定的得出待测电磁阀输出端压力关于电流的PI特性曲线。为了实现自动变速箱电磁阀检测系统中数据的图形化处理,方便操作人员对电磁阀的质量进行判断,本文基于Windows平台采用Visual Basic开发了一款上位机软件,使其与检测设备之间进行通信。该软件具有用户界面、设备控制、实时数据采集、数据库存储数据等功能,能够实时的绘制待测电磁阀输出端压力关于电流的PI特性曲线,同时也能够在软件上根据电磁阀的类型设置不同的标准参考线,用来与绘制的电磁阀PI特性曲线进行对比,以此对电磁阀质量的优劣进行分析。
基于LXI总线的大规模矩阵开关软件设计
这是一篇关于LXI总线,矩阵开关,上位机软件的论文, 主要内容为随着以太网技术被引入仪器领域,局域网仪器扩展(LAN Extensions for Instrumentation,LXI)设备应运而生。在自动测试系统(Automatic test system,ATS)中,开关使用的概率只低于控制器。而国内对矩阵开关产品的研发重视程度较低,且存在开关规模小、切换速度慢等问题。因此,开发大型高性能LXI总线矩阵开关对自动化测试系统的建设具有重大意义。本文基于LXI总线标准,以矩阵开关设备作为验证平台,深入探讨了如何设计和实现符合LXI C类标准的大规模矩阵开关软件。本文的主要内容如下:1.从需求分析出发,结合LXI仪器规范与矩阵开关的硬件设计完成了软件的总体方案设计,同时,系统把龙芯2k1000开发板作为嵌入式平台并移植了中标麒麟操作系统。2.实现了LXI总线C类协议。通过研究远程过程调用协议(Remote Procedure Call,RPC)技术和VXI-11协议,在本嵌入式控制器中搭建了RPC服务器,VXI-11协议规范和Web服务器,于此实现了基于LXI总线的网络发现机制。3.根据矩阵开关的功能、规范中语法的格式和特点,设计了可编程仪器标准命令(Standard Commands for Programmable Instruments,SCPI)程控命令集,完成了命令解析器的设计和实现。4.通过对仪器硬件继电器的布局分析,基于布局特点和实际使用情况,设计了一个尽可能简单、经济、小规模的自检程序来实现整个设备内部数千个继电器的功能检测。5.通过本嵌入式控制器实现浏览器访问仪器的功能。分析了Web服务器和超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP),并根据仪器功能设计了相关网页,实现了用网页访问矩阵开关设备。6.在国产操作系统上完成了可互换虚拟仪器(Interchangeable Virtual Instruments,IVI)驱动和直接I/O驱动的编写,并实现基于驱动的上位机软件设计。本文完成了大规模矩阵开关的软件设计,使其能够满足LXI C类标准的要求,并且通过测试和验证,证明了各部分功能模块符合课题要求。
基于风电机组高精度模型与实时仿真器的风电场数字孪生软件系统的设计与开发
这是一篇关于风电场数字孪生,软件系统,上位机软件,数据服务平台,孪生应用示例的论文, 主要内容为随着经济不断发展,人类社会对一次能源的需求不断增长,导致碳排放日益增长。为应对日益严重的环境问题,各国均提出了碳排放目标,我国在2020年9月提出了双碳减排目标。随着风电和光伏技术逐渐成熟并大规模并网,新能源特别是风电已经逐渐成为电力供应的重要来源,但电网风电渗透率的提高导致电网稳定分析较为困难。此外,随着近年风力发电机向着大型化、大容量化方向不断发展,风电机组设计验证、检修和维护要求不断提升。信息技术的不断发展使得数字孪生的技术条件逐渐成熟。数字孪生技术可以基于物理实体参数,在虚拟空间构建数字孪生体,充分汇总仿真数据和实测数据,实现风电信息监测、数据监控分析、三维模型可视化和并网稳定性分析等多种功能,是解决现有风力发电问题的可行途径之一。在数字孪生五维模型中,系统需要具备可视性与可互动性等特征,因此需具备软件系统简化仿真和运维操作,方便用户对风电实体进行监控和分析。软件系统可以利用大数据、云计算和人工智能等信息技术对物理实体进行刻画、模拟和展示,是对系统进行监控与分析的理想途径。为构建风电场数字孪生软件系统,本文梳理了系统的需求和功能,设计并开发了基于云的风电场数字孪生软件系统,包括上位机软件、数据服务平台和应用示例三部分。本文的主要工作如下:(1)在OpenFAST的风电高精度模型和风电仿真平台(硬件实时仿真器)的基础上,本文分别设计并开发了本地上位机软件以及基于云平台的B/S架构的上位机软件,可分别实现本地仿真管控与网络仿真管控功能。首先,为提升人机交互友好性,软件均对当前风电模型进行了重新划分,并参考Bladed、DIgSILENT/PowerFactroy和CloudPSS等进行行了软件的页面设计和规划。其次,软件集成了 NERL的多个功能模块,并在云平台部署了运行环境与各项可执行程序,实现了风速生成、模型构建、仿真管控、数据分析等功能。再次,软件可与硬件仿真平台建立连接,实现了实时仿真的启停控制和数据回收。最后,软件内置了数据分析和绘图程序,能够方便用户进行数据分析和图像绘制,进行数据观测。(2)针对风电场数字孪生系统中的海量仿真数据和实测数据处理问题,本文设计了数据服务平台。首先,数据服务平台为实测数据和仿真数据设置了数据处理环节,能够完成数据解析和降噪。其次,数据服务平台设置了数据关联和评估环节,能够对传输数据进行关联和重要性评估。最后,数据服务平台采用时序数据库与文本数据库结合的存储方案存储孪生数据,并设定了 Json格式的数据接口方便数据调用。(3)为拓展风电场数字孪生系统的应用场景,软件系统针对风电机组与风电场两个典型场景设计并开发了孪生应用示例,包括风电机组监测系统和风电场监控系统。二者均基于Web进行开发,部署在云服务器上,用户可通过浏览器直接访问。其中,风电机组监测系统可以实现风电机组的三维模型可视化,数据监测等功能;风电场监控系统集成了多项分析程序,能够提供风电场拓扑展示、控制系统展示、频率扫描和稳定域分析等多种服务。
采空区内部温度场无线监测系统及温度预报模型研究
这是一篇关于采空区火灾,LoRa无线通信技术,上位机软件,LoRa通信测试,采空区温度预报的论文, 主要内容为近年来,我国煤炭产量保持持续稳定增长,在接下来很长一段时间内煤炭将保持我国主体能源的地位不变。然而在煤炭开采过程中采空区火灾严重威胁着矿井的安全生产以及煤矿工人的生命安全。目前采空区煤自燃监测手段主要有束管监测法、光纤光栅监测法、气体指标法等,但这些监测手段都存在着监测范围受限、实时性差、成本高、易损坏等问题。基于这些问题,本文基于Lo Ra无线通信技术,以温度为监测指标,对采空区内部温度场实时监测,并在此基础上基于BP神经网络建立了采空区温度预报模型,做到边监测边预报,真正做到采空区火灾早发现、早识别、早预警、早研判。本文的主要工作及相关结论如下:结合采空区的实际情况,运用先进的Lo Ra通信技术和自动化控制技术,实现了对采空区温度的远程监测和实时预警,提高了采空区安全监测的效率和精度。首先提出了无线监测系统的整体架构包括上位机、通信基站、交换机、网关以及终端节点,简要概述了系统工作时无线指令在系统各节点之间的传播以及相关节点之间的行为响应。从硬件方面对终端节点的传输模块、温度传感器和网关提出设计要求并对其进行选型,自主设计了终端节点保护外壳,终端节点保护外壳采用内外两层设计,外层提供支撑防护作用,内层提供防尘、防水、防风化及绝缘作用。运用面向对象编程、图形界面设计、软件工程管理、多线程编程等技术对上位机软件进行了系统设计和开发。上位机软件的主要功能有:射频参数设置功能、自动预警功能、终端节点温度访问功能、场强测试功能、路由设置功能,最终实现对监测区域内温度场的实时监测并将监测区域内温度场以云图的形式直观的呈现在决策者面前,随着温度数据的实时采集,温度场云图也将随之实时更新。然后对上位机软件的各项功能逐一进行了现场测试,并成功得到了监测区域内温度场的实时云图。上位机软件将可视化技术应用于采空区温度监测和预警中,提高了对采空区安全的感知能力,为决策者提供了更直观的参考依据。在实际应用场景中,Lo Ra信号在井下环境中面临着极大的衰减和干扰。为了更好地验证其通信能力,进行了监测系统通信性能的现场测试。测试覆盖了系统在不同类型巷道中的通信特性,并深入探究了终端节点在采空区内部的传输距离限制。在古交铂龙煤业020101工作面轨道辅助运输顺槽对监测系统在不同巷道内的通信性能进行了测试,得出在平直巷道中两通信基站之间的合理布距为180m,在有拐角的巷道中量通信基站之间的合理布距为125m。在兖矿能源集团济宁二号煤矿23下10工作面采空区对监测系统终端节点在采空区内部的极限传输距离进行了测试,得出在采空区内部两终端节点之间的合理布距为5m。在监测系统的基础上本文又设计了基于BP神经网络的采空区温度预报模型。该模型以过去时间的温度影响因素为训练集输入量,以过去时间的温度为训练集输出量,调整至最佳训练参数,以未来时间内的温度影响因素作为输入量进行网络仿真,输出结果为未来时间内的温度预报值。温度预报模型在兴隆庄煤矿3301(下)工作面得到了应用,表现出了较高的精度和可靠性,其温度预报结果与实际结果的最大绝对误差为0.32℃,最大相对误差为0.9%。温度预报模型的应用可以为采空区温度监测提供重要的参考依据,为矿井安全生产提供有力保障。本文设计的采空区温度无线监测系统具有成本低、适应性强、无监测盲区和采样频率高等优点。该系统能够实时获取监测区域内的温度场,以实时更新的云图形式直观呈现在决策者面前。此外,本文还开发了基于BP神经网络的采空区温度预报模型,实现了边监测边预报的效果,为决策者采取措施赢得更多时间。这些创新性的设计为采空区火灾的早期发现提供了有效的手段和科学依据。本文有图54幅,表9个,参考文献84篇。
雷达回波模拟器系统设计与实现
这是一篇关于回波模拟器,目标回波,多板卡集成,FPGA,上位机软件的论文, 主要内容为雷达回波模拟器是一种通过模拟各类回波信号还原测试场景,验证雷达功能模块的设备。雷达回波模拟器以其经济、灵活、稳定性高和可重复性等优点,成为雷达系统研发和性能指标测试中不可或缺的技术装备。本文针对雷达研发周期长、测试成本高、外场搭建难度大等问题,设计并研发一套多板卡集成的雷达回波模拟器系统。该系统主要用于模拟弹载雷达接收到的舰船目标回波、海杂波和干扰信号,并对回波信号进行信号处理和算法演示验证,解决了目前弹载信号处理机绝大多数软硬件功能测试都依赖雷达引导头整机的问题。雷达回波模拟器采用软硬件相结合的设计方式,使系统既符合不同种类回波信号实时输出的要求,又满足不同雷达系统和各种应用场景的需求。本文完成的主要工作概括如下:1.深入研究雷达回波模拟基础理论,仿真了四种分布的杂波及各种干扰回波样式。通过复合海表面法建模海平面,并模拟生成海杂波信号。2.搭建一台CPCI总线架构的便携式一体机。回波模拟板作为系统核心部分,采用Xilinx公司高性能V7系列FPGA芯片,主要完成目标回波生成和雷达回波合成。大容量SATA存储板采用FPGA K7主控芯片,用于存储海杂波和干扰信号,通过高速连接器与回波模拟板进行实时高速通信。主控板设计与电脑主板类似,运行上位机软件。3.从软件需求出发,设计了以界面应用层、业务逻辑层、数据链路层以及通信协议层为主体的四层上位机软件。在VS平台基于MFC实现人机交互界面设计,完成了下达参数指令、加载海杂波及干扰数据、实时采集回波数据、智能算法处理、波形展示等功能模块的开发。4.基于DDS生成线性调频信号,硬件实现参数计算、弹目轨迹模拟、距离延时控制、多普勒调制、数字上变频、数模转换、回波上传等模块。结合舰船目标回波模拟的任务需求,基于强散射点和舰船转动模型,对海面运动舰船目标进行建模仿真,并设计RAM移位寄存器实现面目标回波模拟。5.对FPGA硬件实现的弹目运动轨迹、点目标和面目标回波信号与Matlab仿真结果进行对比,实验结果表明本文所提方法的有效性及合理性。完成软硬件联调测试,系统运行稳定,数据双向通路正常,测试结果有效验证了本系统设计的合理性和功能的完整性。
基于B/S架构的农业物联网上位机软件系统设计与实现
这是一篇关于农业物联网,上位机软件,B/S架构的论文, 主要内容为农业物联网现如今已经成为焦点,甚至已经得到了国家政策的支持。智慧农业将计算机技术与农业相结合,实现农业物联网,对农业的发展有着重要的意义。本文设计实现了基于B/S架构的农业物联网上位机软件系统,使得客户机的压力减轻,大大提高了效率。对于一个农业物联网工程,每一个数据子站包含若干个模拟输入设备、数字输入设备和数字输出设备,每个子站中的设备都需要进行管理,包括实时监测数据和远程监控,因此上位机需要与数据子站、用户和数据库进行通信。本文软件系统采用B/S架构,在Node.js环境下对软件系统进行设计与实现。服务器端与数据库之间的数据交互通过node-mysql功能模块实现,服务器端与数据子站的通信通过jsmodbus功能模块进行实现,服务器端与浏览器端通过WebSocket进行实时通信。整个软件系统分为服务器端、浏览器端和数据库三个部分。服务器端具体实现与浏览器端、数据子站和数据库之间的数据交互;浏览器端实现用户对服务器和数据库的访问,也实现用户对数据子站的实时监控;数据库中用户表、设备表和日志表实现系统数据的持久化。本文按照具体功能进行模块化分配,将软件系统分为数据库模块、Modbus通信模块、设备管理模块、登录模块、数据监控模块、设备信息管理模块、历史数据查询模块和Map模块。数据库部分主要根据需求,建立数据库物理模型,完成各个功能表的设计。最后,对软件系统进行测试,测试结果表明,服务器软件运行平稳,可以与浏览器端、数据库和数据子站进行有效快速的通信。各项性能优良,系统通用性强、稳定性好,实现了上位机数据监控的基本功能,并在此基础上提供了友好的用户界面。软件系统各部分能够按照预定的要求,协调运行,达到了预期的目的。
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