一种低轨卫星网络仿真系统的设计与实现
这是一篇关于低轨卫星网络,拓扑变化,虚拟化,分布式扩展,半实物仿真的论文, 主要内容为在天地一体化信息网络的发展趋势下,低轨卫星网络逐渐成为研究热点。由于真实的卫星网络造价高昂,需要构建仿真系统为网络协议提供评估及验证环境。低轨卫星网络具有拓扑高动态变化、节点规模庞大、流量模型复杂的特点,因此仿真系统需要支持星座动态拓扑模型的定义、卫星节点的分布式部署以及真实卫星网络流量的承载,这给系统的设计带来了挑战。本文针对上述功能需求,结合离散事件模拟技术和虚拟化仿真技术,提出了一种低轨卫星网络仿真系统设计方案。系统采用分层设计,包括控制层、资源管理层、载体层及任务调度层。在控制层,设计了仿真网络抽象模型,并在内部时钟激励下产生链路通断离散事件,反映网络的高动态拓扑变化。在载体层,基于Docker容器和Linux虚拟网络设备设计了仿真网络载体,并设计了载体的分布式部署和半实物扩展方案,基于载体进行离散事件仿真。在资源管理层,基于Shell与SSH进行仿真资源的管理,设计了一种仿真节点与主机的映射算法进行仿真资源的部署。在任务调度层,设计了一种多线程任务调度机制,实现离散事件的高性能调度。本文基于上述方案进行了系统的工程实现,详细描述了系统中类模型的设计与实现。此外,本文基于上述仿真系统,设计并实现了一种集中式路由机制,支持高动态拓扑变化下的路由快速收敛及网络抗毁。本文对上述系统进行了功能验证与性能测试。通过对四个网络场景的仿真,验证了系统具备仿真网络的构建及管理功能,支持高动态拓扑变化与大规模节点的仿真,支持真实业务流量的承载、分布式扩展及半实物扩展。性能测试结果表明,在4核16GB内存主机上单机部署的仿真系统,承载100个卫星节点需要473.35MB,支持40条星间链路的同时通断和1Gbps的网络吞吐量。相比于单线程调度,基于多线程的任务调度机制将CPU利用率提高了 45%,仿真效率平均提高了 60%。
船舶操纵及远程监控半实物仿真系统设计与实现
这是一篇关于半实物仿真,船舶操纵,远程监控,船舶运动控制,主机遥控的论文, 主要内容为近年来,由于全球贸易的蓬勃发展,船舶朝着大型化、高速化、集装箱化发展,带来航海人力资源紧缺、航行安全等一系列问题,对船舶操纵设备提出了更高的要求,并且随着网络技术和信息技术的广泛应用,船舶操纵系统也正朝着分布型、网络型和智能型的方向发展。在这样的大背景下,本文选取部分实船物理设备,运用半实物仿真方式,搭建控制台,结合制导算法、虚拟现实、云服务器等技术,设计并实现了一套船舶操纵及远程监控半实物仿真系统。本系统的功能核心是在仿真环境基础上实现船舶操纵与远程监控,其中船舶操纵包括航迹控制与航速控制,航迹控制的关键性能参数是航迹偏差,航速控制为船舶柴油主机转速,而远程监控功能的关键指标是远程通信的实时性。按照上述关键参数设计本系统,根据功能需求将其划分为船舶操纵控制台、船舶运动与主推进联合控制仿真软件、船舶远程监控平台三部分进行设计与实现。首先,搭建船舶操纵控制台。第一步,选取自动舵,对船舶航向与航迹进行控制;第二步,以车钟为核心设计船舶主机控制模拟台,控制船舶航速;第三步,由水平转台和电罗经组成船舶运动操纵控制模拟转台,用来模拟船舶航行过程中航向的改变。完成了各设备之间的硬件连接,实现了数据采集和数据通信,建立了硬件操作环境。其次,基于MFC框架实现船舶运动与主推进联合控制仿真软件。设计船舶运动制导控制仿真单元,通过船舶运动数学模型产生船舶运动数据,引入动态虚拟小船制导算法(dynamics virtual ship,DVS)帮助自动舵实现航迹控制,并且动态显示船舶运动趋势;基于Web技术实现了船舶柴油主机遥控仿真单元,构建了船舶主机遥控系统操作环境;利用Vega技术设计船舶运动虚拟仿真单元,建立船舶运动三维场景,实时显示船舶运动姿态;设计船舶操纵与监控仿真单元,作为整个仿真软件的核心,利用以太网和My SQL数据库实现仿真软件内部数据交互,将各个仿真单元整合起来,完成对船舶航迹航速的综合控制。然后,引入云服务器和Web技术,构建船舶远程监控平台。基于云服务器和MQTT协议解决了数据远程传输问题,远程用户通过访问云服务器上的My SQL数据库即可获取数据。远程监控站是远程监控平台功能最强大的部分,它同样基于MFC框架开发,可以实现远程视频监控,实时显示船舶运动与主机主要参数,以及远程设定航线与车令。除此之外,远程监控平台还提供了Web应用程序,用户可以通过手机、平板等移动设备,随时随地监视船舶运动状态。最后,对整个仿真系统性能进行测试。首先设置了绕障和转弯两种特殊工况,然后在不同控制模式下,测试系统在这两种工况的运行情况,之后再进一步测试系统操纵性能,最后检验远程通信的实时性,证明了本文研究的船舶操纵及远程监控半实物仿真系统真实性与可靠性。
可逆式机组半实物仿真平台硬件系统设计与实现
这是一篇关于抽水蓄能电站,可逆式机组,半实物仿真,可编程计算机控制器,I/O接口的论文, 主要内容为抽水蓄能电站在电网中承担着重要作用，我国已建成多座抽水蓄能电站，还有一大批抽水蓄能电站正在建设或将要开始建设，由于抽水蓄能电站水头高，流道复杂，可逆式机组工况转换频繁，为保证电网稳定和水泵水轮机自身安全，需要调节性能优良的控制策略来对其进行控制。在真实机组上进行控制策略试验风险大，或引发重大安全事故；同时模型试验周期长、资金投入大，纯数字仿真与实际物理系统有着明显差异，故本文设计了一种可逆式机组半实物仿真平台。 本文通过查阅相关书籍文献，对可逆式机组半实物仿真平台进行需求分析与平台架构研究，确定了被控对象仿真系统与实物控制器相结合的平台构成。完成平台硬件选型与设计，被控对象仿真系统在仿真机上运行，选定贝加莱X20系列作为控制系统，并设计信号调理电路使仿真机与控制器输入输出相适应，最后通过仿真测试校验平台性能。 与通用半实物仿真平台类似，可逆式机组半实物仿真平台具有良好的平台架构。可逆式机组的模型仿真系统与实物控制器无缝连接，可在控制器后台进行独立的控制策略开发，也可联机进行仿真实验。除此之外可逆式机组半实物仿真平台具有良好的扩展性，可根据需要单独修改仿真模型，也可独立于仿真模型添置控制系统的硬件设备。本平台配有可靠高效的接口模块，模型仿真系统与控制器之间有真实物理信号的传递，输入输出可以直接测量。本平台实物控制器可应用于工业现场控制，模型仿真系统可用于控制器产品的开发。 在可逆式机组半实物仿真平台上开展控制策略研究无事故风险，同时具有研发周期短，实验成本低，操作简单方便等良好特性。本平台具有一定的实用价值。
基于云平台的温室控制系统设计与非方控制方法研究
这是一篇关于温室环境,云控制系统,云计算,半实物仿真,区间控制,RTD-A控制器的论文, 主要内容为近些年来,随着“智慧农业”的发展以及对新型农业栽培的重视,市场开发了多个种类的温室环境监控方案,但在控制方法上多采用本地控制,此类控制方法有无法应用复杂算法、程序替换不方便等各种缺陷。因此本文引入一种新概念系统“云控制系统”与温室被控环境结合进行新型温室控制系统设计,同时,温室被控对象作为典型的非方瘦系统为控制算法设计带来了新的挑战。本文针对上述存在的问题,设计了以云平台为基础、云控制器为中心的温室控制系统,并对非方瘦系统的控制算法进行了研究,提出了基于RTD-A控制器的非方瘦系统控制方法。首先,本文分析了目前应用的温室环境监控系统,针对已有系统存在的各类缺陷,进一步分析系统的需求功能,设计了基于Zstack的云平台端、现场采集控制终端以及监控端的系统总体框架,同时确立了各端应该完成的功能与流程。然后,本文进行了所设计系统的具体开发。首先是现场采集控制终端,除了数据采集和控制执行功能外,设备还具有上传数据的功能,通过Wi-Fi无线网络经由路由器与云平台进行数据交互;其次是基于Zstack的云平台端,该端由三个部分部署组成,即管理节点、数据节点和计算节点,平台端用于记录与计算现场传回的环境数据,并供监控端进行数据的读取与查看;在监控端方面,开发了监控端网页,用以管理控制区域、添加控制参数等并可进行历史数据的显示。其次,选择以半实物仿真系统对基于云平台的温室控制系统进行实际运行测试。根据系统验证需求对仿真验证的逻辑系统方法进行设计,基于MATLAB-GUI和Simulink进行模拟温室环境的构建,随后以设计的模拟温室环境为基础,在实际的通信环境下进行了 PID算法的仿真控制实验。最后,本文针对温室环境滞后大、时延高且为“瘦”系统的特点,提出了基于RTD-A控制器的非方瘦系统区间控制方法,考虑到非方瘦系统自由度低的问题,结合区间控制思想,解决设定值控制在瘦系统控制上的可行性问题;在此基础上,将控制方法实际应用于温室环境的非方瘦系统模型,进行了算法的仿真,结果证明算法适应性良好且控制效果优异。
基于METSIM软件的竖炉过程控制仿真系统的设计与开发
这是一篇关于竖炉还原焙烧,磁选管回收率,METSIM,半实物仿真,过程模拟的论文, 主要内容为竖炉还原焙烧过程是磁铁矿选矿过程中的关键工序,竖炉焙烧质量直接影响后续的磨矿和磁选工序的工艺指标：金属回收率和精矿品位,因此必须严格控制其生产指标：磁选管回收率。但该过程中不确定性因素多,如多变量间耦合严重、大滞后,关键工艺参数难以在线检测或实时测量,从而导致这些变量难以控制,对竖炉生产过程运行品质的影响难以定性或定量进行评估,一般通过运行优化控制可以实现对磁选管回收率的控制。运行优化控制的投资需要进行大量工业现场实验,成本高、风险大。为了降低现场调试的风险和成本,如何建立竖炉焙烧过程的实验仿真平台成为了重要的研究课题。现有仿真软件大多用于稳态模拟,缺乏竖炉模型单元；而且,仿真软件无法与控制系统连接；针对特定工艺对象开发的学术模型缺乏热力学数据库支撑,无法解决由矿石组分变化引起的热力学参数改变问题。针对以上问题,本文依托东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室“973”项目《复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究》的子课题“具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础与半实物仿真实验平台的研究”,采用冶金过程模拟软件METSIM搭建了竖炉过程半实物仿真系统,利用METSIM软件的热力学数据库、物性数据库和基本单元搭建了竖炉过程动态模型,自主开发数据通信接口软件,实现了仿真对象与PLC过程控制系统的连接,为竖炉运行优化控制方法提供了仿真实验的平台。本文的主要研究内容如下：(1)设计并开发了基于METSIM软件的竖炉焙烧过程的动态工艺模型。利用METSIM软件丰富的物性数据库,搭建了竖炉过程的METSIM模型,同时根据PLC控制回路层的要求,配置了模型的DDE动态数据交互接口,实现了竖炉焙烧过程的动态仿真。(2)设计并开发了对基于EXCEL VBA的数据通信接口软件的远程访问功能。基于DDE-OPC数据通信机制,实现竖炉焙烧过程仿真对象与控制系统的连接。(3)设计并开发了基于罗克韦尔软件的竖炉焙烧过程基础回路控制系统。针对竖炉焙烧过程的燃烧室温度、加热煤气流量和还原煤气流量,开发了PID基础控制回路。(4)设计并开发了基于RSView32软件的竖炉焙烧过程的监控界面。通过组态模块、趋势图等实现了过程控制变量和PID参数的在线调整,同时将重要过程指标数据进行实时显示。(5)将上述开发的控制系统与已有的竖炉运行优化系统进行联合仿真实验,验证了整个仿真实验系统的实用性和有效性。
基于半实物仿真系统的时间敏感网络调度算法研究
这是一篇关于时间敏感网络,半实物仿真,时间感知整形,调度算法的论文, 主要内容为近年来随着物联网技术的不断发展,自动驾驶、远程医疗等新兴工业应用得到快速的发展。这些新的应用对网络的实时性能提出了更高的要求。由于传统以太网通信技术无法保障时间敏感流的确定性传输,IEEE 802.1工作组提出了时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)。TSN通过时间同步、流量调度、路径控制和网络用户配置等机制,实现对时间敏感流的低时延、低抖动和高可靠性传输。TSN协议并未制定具体的流量调度方案,合理的流量调度算法是实现时间敏感流确定性传输的关键。同时,新的调度算法在落地实施之前需要在网络仿真平台进行前期功能验证。针对这些问题,本文主要完成以下工作:(1)设计并实现了TSN半实物仿真系统。针对TSN半实物仿真问题,对OMNeT++仿真软件和NeSTiNg仿真框架进行分析,并设计实现了实时调度机制和半实物仿真接口。同时针对真实设备和真实程序的半实物仿真,设计开发了两种不同的半实物仿真接口。之后利用对比实验,对本文所设计的半实物仿真接口进行验证分析。最后通过真实物理实验系统、软件仿真系统以及半实物仿真系统的实验结果对比,验证本文所开发的半实物仿真系统性能。实验结果表明,本文设计实现的TSN半实物仿真系统可以提供更贴近真实的仿真效果。(2)提出了一种基于自适应时隙窗口的调度算法。针对TSN中动态变化的网络流量,提出了根据时间敏感流时延动态调节对应时隙窗口的调度算法。首先对TSN流量调度问题进行分析建模,然后根据时间敏感流时延选择被调节的交换机端口,并根据时延动态调节对应时隙窗口大小。最后,在软件仿真环境和半实物仿真环境下设计对比实验,验证本文所提算法的可行性。实验结果表明,本文所提出的调度算法相比于参考算法更适用于动态流量调度问题,不仅能保障时间敏感流的传输,还有效减小由于流量变化造成的网络抖动。
基于负载功率预测的燃料电池应急电源能量流MPC研究
这是一篇关于燃料电池应急电源系统,能量管理,PMPC,序列二次规划,半实物仿真的论文, 主要内容为为加快节能减排的进程,实现“碳达峰”和“碳中和”的战略目标,发展以燃料电池为主的新能源应急电源系统成为当前应急电源产业发展的紧迫任务。为了降低燃料电池混合应急电源系统的氢耗量,本文以2台燃料电池模块和锂电池组成的应急电源系统为对象,提出基于BP神经网络的负载功率预测模型,将该模型应用到基于模型预测控制的能量管理策略框架中,提出了基于负载功率预测的模型预测控制能量管理策略。本文主要研究内容如下:首先对燃料电池应急电源系统的能量源开展了分析,确定了“2台燃料电池+锂电池”并联的系统结构,搭建了系统各部件的仿真模型,主要包括燃料电池、锂电池和DC/DC变换器,并根据实际测试数据验证了所搭建模型的准确性。其次,对燃料电池应急电源系统的负载功率进行预测。分别建立了新陈代谢灰色模型(MGM)、新陈代谢灰色马尔科夫模型(MGMM)和BP神经网络预测模型3种短期负荷预测模型。将3种预测模型在同一数据集上的预测结果进行对比。仿真结果表明,相较于MGM和MGMM,BP神经网络预测模型对短期负载功率具有更高的预测精度。然后,设计了基于负载功率预测的模型预测控制(PMPC)能量管理策略。将等效消耗最小(ECMS)控制策略的目标函数从瞬时延伸为局部,作为模型预测控制(MPC)的目标函数,从而实现了由瞬时优化到局部优化的转变。将BP神经网络预测出的控制时域内的负载功率与MPC相结合,提出了PMPC能量管理策略,分别将PMPC控制策略与MPC、ECMS、逻辑门限值控制策略进行比较。仿真结果表明,负载功率波动较大时,PMPC相比于MPC、ECMS、逻辑门限值控制策略在氢耗量方面分别能够减少5.45%、7.63%和10.33%。最后,针对模型预测控制的目标函数求解问题,本文提出了基于序列二次规划(SQP)的非线性规划求解算法,取得了可较好的求解速度和求解精度。为了验证应急电源系统能量管理策略的可行性与有效性,本文搭建了基于d SPACE的燃料电池混合应急电源半实物仿真平台。实验结果表明,PMPC相比于MPC、ECMS、逻辑门限值控制策略,在氢耗量方面分别能够减少5.02%,7.48%和10.07%,提高了燃料电池的工作效率,减少了锂电池的输出功率波动。
卫星通信链路及联合仿真平台的设计与实现
这是一篇关于联合仿真技术,半实物仿真,卫星通信链路,低噪声放大器,ADS,System Vue的论文, 主要内容为卫星通信系统已广泛应用于通信、交通、军事等领域,并发挥着重要作用。然而,卫星通信链路中存在着各种噪声和干扰,干扰分析对于提高通信系统通信质量起着至关重要的作用。如何确保信息传输的安全、顺畅,以及阻止信息的干扰和破坏已成为急需解决的问题。随着计算机技术的发展,仿真技术以其高性能、低研制成本、低风险以及较短的研发周期等特点,逐渐成为科研领域的重要研究手段。因此,论文围绕卫星通信链路和联合仿真平台的设计与实现,完成了以下工作：1.总结分析当前卫星通信仿真技术并详细介绍了本文使用的通信系统仿真工具。通过对卫星通信链路的理论分析,包括卫星通信系统组成、基本传输工作过程、链路中的干扰分析以及卫星转发器通信性能分析等,并对通信链路进行仿真参数预设。2.基于SystemVue软件对卫星通信链路进行仿真设计和实现。并使用ADS软件对低噪声放大器进行优化设计,着重研究通信卫星转发器前端的低噪声放大器的抗干扰性能；介绍了低噪声放大器的半实物仿真技术,使用硬件实物代替低噪声放大器的仿真模型,将仿真系统和半实物仿真相结合,搭建完整的半实物仿真测试平台。3.通过Matlab与SystemVue软件的联合,设计并实现可进行仿真参数设置、仿真运行控制以及测试结果显示功能的联合仿真平台界面。对仿真平台进行多次试验,比较了预期结果和实测结果,测试结果证明该联合仿真方法是可行的,为实际应用提供一定的参考。
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