全电推进气电混合动力船舶能量管理策略实时仿真研究
这是一篇关于混合动力船舶,能量管理,模型预测控制,能量宏观描述,实时仿真的论文, 主要内容为船舶的绿色发展已成为航运业发展的必然趋势,应用混合动力、电气化技术和使用清洁能源是实现船舶节能减排的有效途径。液化天然气作为船舶燃料具有储存效率高、环保性能好等优点,具有广阔的发展前景。内河船舶航行工况多变、机动性要求高,应用于内河船舶的天然气发动机因船舶负荷的剧烈变化,会出现气耗高、动态响应差等问题。随着电池储能技术的不断发展,船用天然气发动机结合动力电池构成气电混合动力船舶,以动力电池强大的能量时序调节能力提高系统运行能效,成为实现绿色航运的重要途径。与单一能源结构相比,混合动力系统复杂性更高,如何兼顾系统稳定性、经济性与环保性等多个目标,成为了绿色船舶领域的研究热点,本文以全电推进气电混合动力内河船舶为对象,针对混合动力系统的能量管理策略,展开以下研究:首先,针对全电推进船舶气电混合动力系统,遵循从元件到系统的建模过程,采用理论分析、仿真建模、数值计算等方法,分别对天然气发电系统、动力电池系统以及负载等进行建模;针对天然气发动机,在GT-Power软件中搭建仿真模型,获取天然气发动机的燃气消耗率曲线和万有特性曲线;基于能量宏观描述法反演控制规则,构建出全电推进船舶气电混合动力系统能量管理策略仿真验证平台架构,为后续能量管理策略的研究奠定基础。然后,采用基于动态规划的能量分配策略,对典型功率需求的气电混合动力系统进行能量分配,得到全局优化下的最优能量分配结果,供基于确定规则和模型预测控制的能量分配策略作对比参考;以天然气发动机工作在燃气消耗率高效区间、动力电池承担功率波动高频部分、天然气发动机承担低频部分为原则,设计基于确定规则的能量分配策略;以天然气发动机气耗最小为目标函数,设计基于模型预测控制的能量管理策略,将目标函数求解问题转化为二次规划问题,分析目标函数求解的方法。最后,分别选取能量宏观描述方法和MATLAB/Simulink-Simscape Power Systems建模方法进行离线仿真,验证能量宏观描述法建模的有效性,并对比两种仿真方法的效率;针对两种能量管理策略,基于Speedgoat搭建实时仿真平台,验证两种能量管理策略下,全船在相同工况下的气耗。本文以全电推进气电混合动力船舶为对象,提出采用能量宏观描述法对系统进行建模,结合能量宏观描述法的反演控制规则,设计混合动力系统能量管理策略,并基于Speedgoat搭建了实时仿真验证平台,对所提方法的有效性进行验证。在实现设计目标的基础上,在相同的仿真步长下,能量宏观描述建模方法仿真时间较Simscape Power Systems建模方法缩短了94.78%;在基于模型预测控制的能量管理策略下,全船燃气消耗较确定规则的能量管理策略减少5.83%。
基于混合现实的直升机后缘襟翼控制虚拟仿真平台设计与开发
这是一篇关于后缘襟翼,实时仿真,混合现实,WPF,HoloLens,Unity3D的论文, 主要内容为在直升机研究领域,振动问题一直存在,严重时会影响机体寿命和驾驶员健康状态,而带有主动控制后缘襟翼(Actively Controlled Trailing Edge Flap,ACF)的直升机旋翼是降低振动水平的最有力的方法之一。在直升机后缘襟翼控制的前期理论研究中,缺乏统一的仿真平台进行数据管理和三维可视化显示,本文将微软Holo Lens混合现实技术与实时仿真技术相结合,搭建了综合性的仿真平台,致力于为直升机后缘襟翼控制理论研究提供一种新型的仿真验证环境,实现直升机后缘襟翼控制的实时仿真验证、仿真数据管理、全息视景演示和人机交互等功能。本文通过设计仿真平台总体方案,完成主控软件、混合现实全息视景和人机交互系统的研发工作,主要研究内容如下:(1)针对直升机后缘襟翼控制实时仿真和混合现实全息显示功能,对仿真平台功能和性能需求进行分析,设计了混合现实虚拟仿真平台的总体方案,包括平台功能结构设计以及软硬件开发环境选择。(2)针对仿真平台数据管理和监控需求,基于微软WPF(Windows Presentation Foundation)技术,结合MVVM Light开源框架开发上位机主控软件。基于Simulink Real-Time实时仿真技术开发了实时仿真模块,实现了实时仿真过程的控制和管理功能;基于TCP/IP协议和Protobuf-net序列化技术开发了服务端网络通信模块,实现了与Holo Lens客户端之间的仿真数据传输功能;基于SQL Server开发了数据库管理模块,实现了对仿真数据的存储与读取功能。(3)针对直升机后缘襟翼控制仿真可视化需求,基于Unity3D游戏引擎开发了全息视景内容。基于混合现实工具包(Mixed Reality Toolkit,MRTK)开发了全息UI界面;基于TCP/IP协议开发了客户端网络通信模块,接收主控软件发送过来的实时仿真数据,实现了基于数据驱动的全息视景演示效果。(4)针对仿真平台人机交互功能需求,基于MRTK开发了包含手势、语音和凝视交互在内的人机交互系统,同时为了方便非Holo Lens用户体验混合现实内容,开发了基于Vuforia和ARCore的第三人称视角展示功能。最后,建立了直升机旋翼动力学标称模型,在实时环境下进行了基于H∞最优控制的直升机后缘襟翼控制仿真实验,仿真结果验证了本平台的实时性和功能可靠性。同时,进行了混合现实第三人称视角演示实验,验证了空间定位和位置状态同步功能的有效性。
基于TTP/C协议线控刹车系统仿真的设计与实现
这是一篇关于TTP/C协议,线控刹车,冗余设计,C-SIM,实时仿真的论文, 主要内容为随着人类科学技术的进步,汽车制动系统走过了由机械液压传动到电子控制的历程。但汽车电器的增加,同样使汽车电器之间信息交互的桥梁——线束占据了车内的有效空间,增加了装配和维修的难度,提高了整车成本,而且妨碍了整车可靠性的提高。随着信息技术日益渗透到各个行业中去,网络化成为汽车电子技术发展的必然趋势。 汽车网络化的发展使原有的很多控制方式发生了革命性的变化。目前各大汽车厂商投巨资开发基于车用网络的X-线控技术,在未来将是汽车中十分重要的技术。这种系统是从飞机控制系统引来的,但技术的日益成熟和成本的下降使之可以引入到汽车驾驶上,就成为线控驾驶,应用到制动上就有线控刹车BBW。 本文在介绍了汽车网络的发展历程、种类以及刹车系统采用线控形式的必要性,并分析比较了各种车用网络性能之后,选用TTP/C协议作为线控刹车系统的通信网络协议。在整个设计和实现仿真的过程中,主要做了以下工作: 首先,对TTP/C协议作了简要的分析。TTP/C协议的网络由各个节点和两条互冗的信道组成,节点中的MEDL和CNI是最重要的两部分,是协议的核心。同时协议也可以按照功能分为不同的逻辑层次,这些层次是TTP/C控制器的功能描述。协议只定义了两种帧在通信网络上传输:I -帧和N-帧,节点在传送这些帧的时候,以TDMA为媒体访问方式。节点在运行时,根据不同的情况可以有多个模态,因此传送的N-帧的数据也就有所不同,这些信息都存放在MEDL中。以上的结构和机制使TTP/C协议在可靠性方面有更为良好的表现。协议使用总线保护器,从根源上克服了以事件触发方式的车用网络无法避免的混串音故障,并结合成员关系算法,使出现在时域和值域上的故障在一个TDMA周期内就能得以发现。这些特点使此网络协议适合应用到对可靠性要求非常高的系统中去。 其次,在不影响对线控刹车系统进行仿真的前提下,对协议的功能进行了裁减,实现了协议的软件仿真模型。协议中的数据结构、算法以及总线保护器和物理信道都是模拟的对象。 对于数据结构中的常量参数,有的是协议中已经定义好的了,有的则是需要设计者自己来设定,如信道传输速度和帧中的数据域长度等等。CNI的数据结构包括状态区、控制区和报文区三部分。由于整个数据结构非常复杂,所以在定义时先定义三个区中的各个域,然后合成到各个区中,最后形成CNI数据结构。在定义裁减掉的域的时候,有的定义了没有用到,有的根本就没有定义。对于MEDL中的数据结构,很多和模拟无关的参数,根本就没有定义;模态地址入口中的一些数据结构协议中没有具体给出,本模型中添加了很大一部分参数。
基于TTP/C协议线控刹车系统仿真的设计与实现
这是一篇关于TTP/C协议,线控刹车,冗余设计,C-SIM,实时仿真的论文, 主要内容为随着人类科学技术的进步,汽车制动系统走过了由机械液压传动到电子控制的历程。但汽车电器的增加,同样使汽车电器之间信息交互的桥梁——线束占据了车内的有效空间,增加了装配和维修的难度,提高了整车成本,而且妨碍了整车可靠性的提高。随着信息技术日益渗透到各个行业中去,网络化成为汽车电子技术发展的必然趋势。 汽车网络化的发展使原有的很多控制方式发生了革命性的变化。目前各大汽车厂商投巨资开发基于车用网络的X-线控技术,在未来将是汽车中十分重要的技术。这种系统是从飞机控制系统引来的,但技术的日益成熟和成本的下降使之可以引入到汽车驾驶上,就成为线控驾驶,应用到制动上就有线控刹车BBW。 本文在介绍了汽车网络的发展历程、种类以及刹车系统采用线控形式的必要性,并分析比较了各种车用网络性能之后,选用TTP/C协议作为线控刹车系统的通信网络协议。在整个设计和实现仿真的过程中,主要做了以下工作: 首先,对TTP/C协议作了简要的分析。TTP/C协议的网络由各个节点和两条互冗的信道组成,节点中的MEDL和CNI是最重要的两部分,是协议的核心。同时协议也可以按照功能分为不同的逻辑层次,这些层次是TTP/C控制器的功能描述。协议只定义了两种帧在通信网络上传输:I -帧和N-帧,节点在传送这些帧的时候,以TDMA为媒体访问方式。节点在运行时,根据不同的情况可以有多个模态,因此传送的N-帧的数据也就有所不同,这些信息都存放在MEDL中。以上的结构和机制使TTP/C协议在可靠性方面有更为良好的表现。协议使用总线保护器,从根源上克服了以事件触发方式的车用网络无法避免的混串音故障,并结合成员关系算法,使出现在时域和值域上的故障在一个TDMA周期内就能得以发现。这些特点使此网络协议适合应用到对可靠性要求非常高的系统中去。 其次,在不影响对线控刹车系统进行仿真的前提下,对协议的功能进行了裁减,实现了协议的软件仿真模型。协议中的数据结构、算法以及总线保护器和物理信道都是模拟的对象。 对于数据结构中的常量参数,有的是协议中已经定义好的了,有的则是需要设计者自己来设定,如信道传输速度和帧中的数据域长度等等。CNI的数据结构包括状态区、控制区和报文区三部分。由于整个数据结构非常复杂,所以在定义时先定义三个区中的各个域,然后合成到各个区中,最后形成CNI数据结构。在定义裁减掉的域的时候,有的定义了没有用到,有的根本就没有定义。对于MEDL中的数据结构,很多和模拟无关的参数,根本就没有定义;模态地址入口中的一些数据结构协议中没有具体给出,本模型中添加了很大一部分参数。
基于TTP/C协议线控刹车系统仿真的设计与实现
这是一篇关于TTP/C协议,线控刹车,冗余设计,C-SIM,实时仿真的论文, 主要内容为随着人类科学技术的进步,汽车制动系统走过了由机械液压传动到电子控制的历程。但汽车电器的增加,同样使汽车电器之间信息交互的桥梁——线束占据了车内的有效空间,增加了装配和维修的难度,提高了整车成本,而且妨碍了整车可靠性的提高。随着信息技术日益渗透到各个行业中去,网络化成为汽车电子技术发展的必然趋势。 汽车网络化的发展使原有的很多控制方式发生了革命性的变化。目前各大汽车厂商投巨资开发基于车用网络的X-线控技术,在未来将是汽车中十分重要的技术。这种系统是从飞机控制系统引来的,但技术的日益成熟和成本的下降使之可以引入到汽车驾驶上,就成为线控驾驶,应用到制动上就有线控刹车BBW。 本文在介绍了汽车网络的发展历程、种类以及刹车系统采用线控形式的必要性,并分析比较了各种车用网络性能之后,选用TTP/C协议作为线控刹车系统的通信网络协议。在整个设计和实现仿真的过程中,主要做了以下工作: 首先,对TTP/C协议作了简要的分析。TTP/C协议的网络由各个节点和两条互冗的信道组成,节点中的MEDL和CNI是最重要的两部分,是协议的核心。同时协议也可以按照功能分为不同的逻辑层次,这些层次是TTP/C控制器的功能描述。协议只定义了两种帧在通信网络上传输:I -帧和N-帧,节点在传送这些帧的时候,以TDMA为媒体访问方式。节点在运行时,根据不同的情况可以有多个模态,因此传送的N-帧的数据也就有所不同,这些信息都存放在MEDL中。以上的结构和机制使TTP/C协议在可靠性方面有更为良好的表现。协议使用总线保护器,从根源上克服了以事件触发方式的车用网络无法避免的混串音故障,并结合成员关系算法,使出现在时域和值域上的故障在一个TDMA周期内就能得以发现。这些特点使此网络协议适合应用到对可靠性要求非常高的系统中去。 其次,在不影响对线控刹车系统进行仿真的前提下,对协议的功能进行了裁减,实现了协议的软件仿真模型。协议中的数据结构、算法以及总线保护器和物理信道都是模拟的对象。 对于数据结构中的常量参数,有的是协议中已经定义好的了,有的则是需要设计者自己来设定,如信道传输速度和帧中的数据域长度等等。CNI的数据结构包括状态区、控制区和报文区三部分。由于整个数据结构非常复杂,所以在定义时先定义三个区中的各个域,然后合成到各个区中,最后形成CNI数据结构。在定义裁减掉的域的时候,有的定义了没有用到,有的根本就没有定义。对于MEDL中的数据结构,很多和模拟无关的参数,根本就没有定义;模态地址入口中的一些数据结构协议中没有具体给出,本模型中添加了很大一部分参数。
全电推进气电混合动力船舶能量管理策略实时仿真研究
这是一篇关于混合动力船舶,能量管理,模型预测控制,能量宏观描述,实时仿真的论文, 主要内容为船舶的绿色发展已成为航运业发展的必然趋势,应用混合动力、电气化技术和使用清洁能源是实现船舶节能减排的有效途径。液化天然气作为船舶燃料具有储存效率高、环保性能好等优点,具有广阔的发展前景。内河船舶航行工况多变、机动性要求高,应用于内河船舶的天然气发动机因船舶负荷的剧烈变化,会出现气耗高、动态响应差等问题。随着电池储能技术的不断发展,船用天然气发动机结合动力电池构成气电混合动力船舶,以动力电池强大的能量时序调节能力提高系统运行能效,成为实现绿色航运的重要途径。与单一能源结构相比,混合动力系统复杂性更高,如何兼顾系统稳定性、经济性与环保性等多个目标,成为了绿色船舶领域的研究热点,本文以全电推进气电混合动力内河船舶为对象,针对混合动力系统的能量管理策略,展开以下研究:首先,针对全电推进船舶气电混合动力系统,遵循从元件到系统的建模过程,采用理论分析、仿真建模、数值计算等方法,分别对天然气发电系统、动力电池系统以及负载等进行建模;针对天然气发动机,在GT-Power软件中搭建仿真模型,获取天然气发动机的燃气消耗率曲线和万有特性曲线;基于能量宏观描述法反演控制规则,构建出全电推进船舶气电混合动力系统能量管理策略仿真验证平台架构,为后续能量管理策略的研究奠定基础。然后,采用基于动态规划的能量分配策略,对典型功率需求的气电混合动力系统进行能量分配,得到全局优化下的最优能量分配结果,供基于确定规则和模型预测控制的能量分配策略作对比参考;以天然气发动机工作在燃气消耗率高效区间、动力电池承担功率波动高频部分、天然气发动机承担低频部分为原则,设计基于确定规则的能量分配策略;以天然气发动机气耗最小为目标函数,设计基于模型预测控制的能量管理策略,将目标函数求解问题转化为二次规划问题,分析目标函数求解的方法。最后,分别选取能量宏观描述方法和MATLAB/Simulink-Simscape Power Systems建模方法进行离线仿真,验证能量宏观描述法建模的有效性,并对比两种仿真方法的效率;针对两种能量管理策略,基于Speedgoat搭建实时仿真平台,验证两种能量管理策略下,全船在相同工况下的气耗。本文以全电推进气电混合动力船舶为对象,提出采用能量宏观描述法对系统进行建模,结合能量宏观描述法的反演控制规则,设计混合动力系统能量管理策略,并基于Speedgoat搭建了实时仿真验证平台,对所提方法的有效性进行验证。在实现设计目标的基础上,在相同的仿真步长下,能量宏观描述建模方法仿真时间较Simscape Power Systems建模方法缩短了94.78%;在基于模型预测控制的能量管理策略下,全船燃气消耗较确定规则的能量管理策略减少5.83%。
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