CN116482975A - 一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法与平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法，包括进行基于AMESim‑Simulink的联合仿真，对模型进行参数调试和修正；将船舶能量管理策略模型编译成相应代码并下载到控制器中；对Simulink中的接口S‑function函数进行编译，模型生成实时代码，将模型下载到dSPACE中，与控制器结合进行实时仿真；实现部分动力***仿真模型实物化，将船舶实际工况作用到负载模拟***中，构建符合实际的虚拟测试场景，进行虚实融合的硬件在环仿真测试；将软件仿真、实时仿真、硬件在环仿真的结果进行对比，根据预设指标进行评估验证。本发明将软件仿真模型和小比例验证平台进行有效融合，船舶能量管理策略的验证可在任意虚拟模型或平台设备中进行验证，操作灵活，能有效降低成本提高验证效率。
Description
技术领域
本发明属于船舶能量管理领域，具体涉及一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法与平台。
背景技术
新能源(LNG、锂电池、甲醇、光伏)的应用和配套的能效智能控制技术是研究的重点。多能源混动动力船舶动力推进形式、电力供应结构多样，高效的能量管理策略是船舶节能、稳定运行的关键。但如何在安全、经济的情况下验证能量管理策略的效果是当前研究的难点。
目前，船舶能量管理策略的测试验证多以虚拟仿真为主，即通过仿真软件对船舶动力***以及控制策略进行建模、仿真验证，在经济性和安全性方面有着明显优势，但准确性、时序性与实际存在差距，可信度较低。实船测试实验，可以真实反应船舶能量管理策略的有效性，但成本巨大，安全性、可重复性差。此外，船舶航行工况复杂，测试场景存在随机性强、重复性差等问题。因此，在实船测试前进行策略的有效性验证时重要的一环。其中，基于实时仿真器的仿真验证研究逐渐流行。该方法将船舶能量管理策略嵌入到控制器中，其它动力模型、储能、负载等都编译到实时仿真器中，其特点是除了含算法的控制器其余均为仿真模型。这种方式能够进行实时在线调参操作，具有灵活、低成本、测试效率高等优势，但由于多能源船舶动力***和负载的复杂性，仅用模型难以表征其动态性能，因此难以促进策略的推广。另一种方法是搭建等比例、全功率的船舶动力***仿真平台，将控制策略作用到平台中进行效果验证。这种验证方式更接近真实情况，但成本、不确定性等因素较大。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法与平台，将软件仿真模型和小比例验证平台进行有效融合，船舶能量管理策略的验证可在任意虚拟模型或平台设备中进行验证，操作灵活，能有效降低实验成本并提高验证效率。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法，应用于一种虚实融合的船舶能量管理策略验证平台，该平台包括：小比例验证平台、功率放大器、控制器、船舶工况数据库、基于平台结构的AMESim动力***仿真模型、基于Simulink的船舶能量管理策略模型和虚拟测试场景；其中，小比例验证平台至少包括dSPACE实时仿真器、负载模拟***和控制器件，dSPACE实时仿真器用于将虚拟模型和小比例验证平台连接，实现船舶能量管理策略的硬件在环实时仿真验证；负载模拟***，用于实现船舶营运负载的等效模拟，通过船舶实际工况数据构建出全方位、多维度的测试场景；控制器件包括DC/DC转换器、AC/DC整流器和DC/AC逆变器；本方法包括以下步骤：
S1、在AMESim中搭建基于小比例验证平台的多能源的动力***仿真模型，在Simulink中搭建多能源的船舶能量管理策略模型，进行基于AMESim-Simulink的联合仿真，对动力***仿真和船舶能量管理策略模型进行参数调试和修正；
S2、在上位机中将船舶能量管理策略模型经过Real-timeWorkshop编译成相应代码并下载到控制器中；通过AMESim搭建的动力***仿真模型对Simulink中的接口S-function函数进行编译，将动力***仿真模型生成实时代码，通过上位机将该动力***仿真模型模型下载到dSPACE中，由dSPACE运行整个动力***仿真模型并与控制器结合，进行实时仿真；
S3、将dSPACE中的I/O接口与小比例验证平台连接，实现部分动力***仿真模型实物化，将船舶实际工况作用到负载模拟***中，构建符合实际的虚拟测试场景，再将控制器经过功率放大器与控制器件相连，进行虚实融合的硬件在环仿真测试；
S4、将软件仿真、实时仿真、硬件在环仿真的结果进行对比，根据预设指标进行评估验证；预设指标包括电池SOC、网压波动、设备运行效率区间、节能减排效果和仿真时间。
船舶能量管理策略模型包括模糊控制、模型预测控制、等效油耗最小策略以及基于智能优化算法的控制，用于根据负载需求功率对各动力设备进行功率分配，使各动力设备在高效区间运行。
动力***仿真模型包括主机模块、电池模块、其它新能源设备模块、轴带电机模块和负载模块，用于设计测试过程中平台对应参数，并根据船舶能量管理策略分配的结果进行PID控制输出。
还提供一种虚实融合的船舶能量管理策略验证平台，包括：小比例验证平台、功率放大器、控制器、船舶工况数据库、基于平台结构的AMESim动力***仿真模型、基于Simulink的能量管理策略模型和虚拟测试场景；其中，
所述小比例验证平台包括：
多能源动力装置，其包括电机、磁粉制动器、蓄电池、超级电容、离合器和齿轮箱，用于模拟船舶多能源混合动力***，利用小功率设备实现多能源的高效集成和模拟；
测控***，其包括上位机、传感器、CAN通讯和控制器件，用于平台数据的实时采集、传输、设备监测和高效控制；其中，上位机用于实时监测动力***仿真模型和船舶能量管理策略模型的参数；传感器用于采集各动力设备的电流、转速和转矩；CAN通讯用于控制信号的传输；控制器件包括DC/DC转换器、AC/DC整流器和DC/AC逆变器；
负载模拟***，用于实现船舶营运负载的等效模拟，通过船舶实际工况数据构建出全方位、多维度的测试场景；
dSPACE实时仿真器，用于将虚拟模型和小比例验证平台连接，实现船舶能量管理策略的硬件在环实时仿真验证；
所述功率放大器，用于将dSPACE实时仿真输出的信号进行放大，产生真实的功率信号；
所述控制器，用于承载船舶能量管理策略模型编译转换后的C代码；
所述船舶工况数据库，用于向动力***模型或复杂模拟***输入船舶功率-时间曲线；
所述基于平台结构的AMESim动力***仿真模型，用于根据船舶能量管理策略模型的对各动力设备的分配结果，控制输出各动力设备的运行参数，并反馈给船舶能量管理策略模型；
所述基于Simulink的船舶能量管理策略模型，用于根据船舶功率-时间曲线对各动力设备进行功率分配，并提供参考功率；
所述虚拟测试场景，用于进行基于平台的半实物仿真验证的测试场景模拟。
船舶能量管理策略模型包括模糊控制、模型预测控制、等效油耗最小策略以及基于智能优化算法的控制，用于根据负载需求功率对各动力设备进行功率分配，使各动力设备在高效区间运行。
动力***仿真模型包括主机模块、电池模块、其它新能源设备模块、轴带电机模块和负载模块，用于设计测试过程中平台对应参数，并根据船舶能量管理策略分配的结果进行PID控制输出。
还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述方法的步骤。
还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)进行虚拟软件模型的联合仿真，验证并调试船舶能量管理策略和动力***的参数，为后续虚实融合的仿真验证提供精确的模型基础；从多个角度分析联合仿真的结果，为能量管理策略对比提供依据。
(2)多维度测试场景：将船舶实际的航行工况，作用到负载模拟***中，构建出全方位的测试场景，弥补了虚拟场景不真实的缺点，保证了测试的实用性；提出了软件仿真、实时仿真、半实物仿真结合的方法和评估指标，能够从多维度进行测试验证。
(3)虚实有机耦合：基于功率放大器和实时仿真器，将仿真模型和平台进行有机融合，够实现设备和模型的相互替代，可以在模型复杂情况下选择实物代替，也可在实物昂贵的情况下选择虚拟模型来开展测试；此外，还能进行多能源协调控制、网压控制等，具有灵活多变的特点，验证过程可长时间重复运行，能节省大量人力、物力和时间成本。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例中小比例验证平台的结构示意图；
图3为本发明实施例中负载模拟***的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了如下技术方案：一种虚实融合的船舶能量管理策略验证平台，包括：小比例验证平台，功率放大器，控制器，船舶工况数据库，基于平台结构的AMESim动力***仿真模型，基于Simulink的能量管理策略模型和虚拟测试场景；
所述的小比例验证平台包括：
多能源动力装置，包括电机、磁粉制动器、蓄电池、超级电容、离合器、齿轮箱等设备，用于模拟船舶主机、螺旋桨、储能***以及清洁能源动力等船舶多能源混合动力***，利用小功率设备实现多能源的高效集成和模拟；
测控***，包括上位机、传感器、CAN通讯、控制器件等，用于平台数据的实时采集、传输、设备监测和高效控制；其中，上位机用于实时监测所述动力***模型和能量管理策略模型的参数；传感器用于采集动力设备的电流、转速、转矩等参数；CAN通讯用于控制信号的传输；控制器件主要包括DC/DC转换器、AC/DC整流器，DC/AC逆变器。
负载模拟***，用于实现船舶营运负载的等效模拟，可通过船舶实际工况数据构建出全方位、多维度的测试场景；
dSPACE实时仿真器，用于将虚拟模型和小比例验证平台连接，实现船舶能量管理策略的硬件在环实时仿真验证；
所述功率放大器，用于将dSPACE实时仿真输出的信号进行放大，产生真实的功率信号驱动电机等待测的功率器件；
所述的控制器，用于承载所述能量管理策略模型编译转换后的C代码；
所述的船舶工况数据库，用于向动力***模型或复杂模拟***输入船舶功率-时间曲线，
所述的基于平台结构的AMESim动力***仿真模型，用于根据能量管理策略模型的对动力设备的分配结果，控制输出动力设备的运行参数，并反馈给能量管理策略模型；
所述基于Simulink的能量管理策略模型，用于根据功率-时间曲线对各动力设备进行功率分配，并提供参考功率；
所述的虚拟测试场景，用于开展基于平台的半实物仿真验证的测试场景模拟。
本发明还提供了一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法，包括以下步骤：
步骤1：在AMESim中搭建基于小比例验证平台的多能源混合动力***仿真模型，在Simulink中设计多能源船舶能量管理控制策略模型，开展基于AMESim-Simulink的联合仿真，并对模型进行参数调试和修正；
步骤2：在上位机中将能量管理策略模型经过Real-timeWorkshop编译成相应代码，下载到控制器中；AMESim搭建的动力***模型利用Simulink中的接口S-function函数，经过编译，将动力***仿真模型生成实时代码，通过上位机将该动力***仿真模型下载到dSPACE中，由dSPACE运行整个动力***模型并与控制器结合，开展实时仿真；
步骤3:将dSPACE中的I/O接口与小比例仿真验证平台连接，实现部分仿真模型实物化，将船舶实际工况作用到负载模拟***中，构建符合实际的虚拟测试场景，再将控制器经过功率放大器与平台的控制器件相连，开展虚实融合的硬件在环仿真测试；
步骤4：将软件仿真，实时仿真，硬件在环仿真的结果进行对比，从电池SOC、网压波动、设备运行效率区间、节能减排效果、仿真时间等方面进行评估，体现虚实融合仿真测试的优越性。
进一步地，所述的步骤1中的多能源混合动力***仿真模型包括主机模块、电池模块、其它新能源设备模块、轴带电机模块、负载模块，用于设计测试过程中平台对应参数，并根据能量管理策略分配的结果进行PID控制输出。
所述步骤1中多能源船舶能量管理控制策略模型包括模糊控制、模型预测控制、等效油耗最小策略以及基于智能优化算法的控制，旨在根据负载需求功率对各动力设备进行功率分配，使设备在高效区间运行，达到节能、减排的效果。
图2为小比例验证平台示意图，由多能源动力装置、测控***、负载模型***和dSPACE实时仿真器四部分组成。多能源动力***包括电机、磁粉制动器、蓄电池、超级电容、燃料电池、齿轮箱、离合器，其中，蓄电池、超级电容、燃料电池等并联到直流母线上，通过轴带电机与模拟主机并联到齿轮箱上为负载供能，该结构包含了多种动力源和不同推进形式的集成，能够模拟不同类型的船舶动力***，通用性较强。测控***包括包括上位机、传感器、CAN通讯、控制器件等，传感器布置到上述动力设备中采集转速、转矩、电流等数据，通过CAN通讯将数据实时传输到上位机中，上位机中能量管理策略根据反馈数据实时输出控制信号，作用到控制器件中对动力设备进行有效控制。负载模拟***如图3所示，利用机器学***台的结合媒介，将AMESim动力***模型经编译嵌入到该设备中，利用ControlDesk进行在线实时调参，可将部分动力模型通过I/O接口与平台对应实物设备连接，可实现动力设备在仿真过程中的虚实交替，将模型负载的设备用实物代替、成本昂贵的设备用虚拟模型代替，增强了测试的灵活性和经济性。
所述的能量管理策略模型是基于Simulink搭建，船舶能量管理策略包括模糊逻辑控制、模型预测控制、等效油耗最小策略等，旨在根据负载需求功率对各动力设备进行功率分配，并输出参考信号为底层设备模型的控制提供参考。所述的动力***模型是基于AMESim软件搭建，主要是与平台参数对应的虚拟仿真模型，通过S-funtion函数与Simulink交互，将策略模型的输出为参考，利用PID控制等对动力***进行功率跟踪控制，设备输出又反馈到策略模型中，形成虚拟联合的闭环仿真。如图1所示，虚实融合的船舶能量管理策略验证方法流程如下：
1.将AMESim多能源动力***仿真模型中储能设备电池、超级电容的SOC以及动力设备的转矩(T)、功率(P)等作为控制策略的输入，根据输入参数设计合适的能量管理策略，如模型预测控制、等效油耗最小策略等，以油耗、排放等最小为目标对动力设备进行功率分配，将分配结果反馈给***模型利用PID等进行功率跟随、转速转矩控制等，使设备按策略的要求在高效率的区间运行。其中，动力***仿真模型的负载模块是基于船舶工况数据进行设计的。
2.可将上位机中的船舶能量管理策略模型利用Real-timeWorkshop编译器编译成可执行的代码下载到控制器中，开展验证工作时，策略在上位机中或是在控制器中都是可根据实际情况进行选择的。动力***仿真模型通过S-function函数作用到Simulink中，再利用编译器的编译生成实时代码下载到dSPACE中。dSPACE设备有配套的ControlDesk软件，可开展模型的实时在线调参，随后将dSPACE设备与控制器或上位机的控制策略模型连接，可开展策略的实时仿真验证。
3.考虑到实时仿真器件输出的控制信号受到受到器件本身的限幅，故将所述的包含能量管理控制策略的控制器经过功率放大器与平台中的控制器件(DC/DC、AC/DC、DC/AC)连接；利用dSPACE的I/O接口将动力***模型与平台设备对连接，使真实设备和仿真模型进行交互或替换。其中，设备的运行参数需要经过缩小后才能dSPACE中，进而在上位机中进行观测。同时，将船舶实际工况作用到负载模拟***中，可在验证平台上构建出符合实际的测试场景，增强了能量管理测试验证的可靠性。运行相关设备，即可开展虚实融合的硬件在环仿真测试。
4.上述的虚拟软件仿真、实时仿真和硬件在环仿真并不是先后割裂的，二是有机融合的，其中动力设备、负载、能量管理策略都可以在实物或者仿真模型中进行选择，其操作的灵活性、经济性能大大提高。进一步的，可将测试结果进行横向(不同控制策略)或纵向(同种控制策略下不同测试方法)对比，最后从电池(超级电容)SOC变化、储能设备寿命(充放电时间)、网压波动、设备运行效率区间、节能减排效果、仿真时间等进行全方面多角度的评估。
上述步骤可在实船验证前解决多种问题，如能量管理策略的调试、策略作用到实际设备中的效果观测、多能源混合动力***的功率分配、不同推进形式的动力耦合协调控制等，开展虚实融合船舶能量管理策略验证在安全性、经济性和灵活性和可重复性上具有明显优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法，其特征在于，应用于一种虚实融合的船舶能量管理策略验证平台，该平台包括：小比例验证平台、功率放大器、控制器、船舶工况数据库、基于平台结构的AMESim动力***仿真模型、基于Simulink的船舶能量管理策略模型和虚拟测试场景；其中，小比例验证平台至少包括dSPACE实时仿真器、负载模拟***和控制器件，dSPACE实时仿真器用于将虚拟模型和小比例验证平台连接，实现船舶能量管理策略的硬件在环实时仿真验证；负载模拟***，用于实现船舶营运负载的等效模拟，通过船舶实际工况数据构建出全方位、多维度的测试场景；控制器件包括DC/DC转换器、AC/DC整流器和DC/AC逆变器；本方法包括以下步骤：
S1、在AMESim中搭建基于小比例验证平台的多能源的动力***仿真模型，在Simulink中搭建多能源的船舶能量管理策略模型，进行基于AMESim-
Simulink的联合仿真，并对动力***仿真模型和船舶能量管理策略模型进行参数调试和修正；
S2、在上位机中将船舶能量管理策略模型经过Real-timeWorkshop编译成相应代码并下载到控制器中；通过AMESim搭建的动力***仿真模型对Simulink中的接口S-function函数进行编译，将动力***仿真模型生成实时代码，通过上位机将该动力***仿真模型下载到dSPACE中，由dSPACE运行整个动力***仿真模型并与控制器结合，进行实时仿真；
S3、将dSPACE中的I/O接口与小比例验证平台连接，实现部分动力***仿真模型实物化，将船舶实际工况作用到负载模拟***中，构建符合实际的虚拟测试场景，再将控制器经过功率放大器与控制器件相连，进行虚实融合的硬件在环仿真测试；
S4、将软件仿真、实时仿真、硬件在环仿真的结果进行对比，根据预设指标进行评估验证；预设指标包括电池SOC、网压波动、设备运行效率区间、节能减排效果和仿真时间。
2.根据权利要求1所述的一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法，其特征在于，船舶能量管理策略模型包括模糊控制、模型预测控制、等效油耗最小策略以及基于智能优化算法的控制，用于根据负载需求功率对各动力设备进行功率分配，使各动力设备在高效区间运行。
3.根据权利要求1所述的一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法，其特征在于，动力***仿真模型包括主机模块、电池模块、其它新能源设备模块、轴带电机模块和负载模块，用于设计测试过程中平台对应参数，并根据船舶能量管理策略分配的结果进行PID控制输出。
4.一种使用如权利要求1所述的一种虚实融合的船舶能量管理策略验证方法的平台，其特征在于，包括：小比例验证平台、功率放大器、控制器、船舶工况数据库、基于平台结构的AMESim动力***仿真模型、基于Simulink的能量管理策略模型和虚拟测试场景；其中，
所述小比例验证平台包括：
多能源动力装置，其包括电机、磁粉制动器、蓄电池、超级电容、离合器和齿轮箱，用于模拟船舶多能源混合动力***，利用小功率设备实现多能源的高效集成和模拟；
测控***，其包括上位机、传感器、CAN通讯和控制器件，用于平台数据的实时采集、传输、设备监测和高效控制；其中，上位机用于实时监测动力***仿真模型和船舶能量管理策略模型的参数；传感器用于采集各动力设备的电流、转速和转矩；CAN通讯用于控制信号的传输；控制器件包括DC/DC转换器、AC/DC整流器和DC/AC逆变器；
负载模拟***，用于实现船舶营运负载的等效模拟，通过船舶实际工况数据构建出全方位、多维度的测试场景；
dSPACE实时仿真器，用于将虚拟模型和小比例验证平台连接，实现船舶能量管理策略的硬件在环实时仿真验证；
所述功率放大器，用于将dSPACE实时仿真输出的信号进行放大，产生真实的功率信号；
所述控制器，用于承载船舶能量管理策略模型编译转换后的C代码；
所述船舶工况数据库，用于向动力***模型或复杂模拟***输入船舶功率-时间曲线；
所述基于平台结构的AMESim动力***仿真模型，用于根据船舶能量管理策略模型的对各动力设备的分配结果，控制输出各动力设备的运行参数，并反馈给船舶能量管理策略模型；
所述基于Simulink的船舶能量管理策略模型，用于根据船舶功率-时间曲线对各动力设备进行功率分配，并提供参考功率；
所述虚拟测试场景，用于进行基于平台的半实物仿真验证的测试场景模拟。
5.根据权利要求4所述的平台，其特征在于，船舶能量管理策略模型包括模糊控制、模型预测控制、等效油耗最小策略以及基于智能优化算法的控制，用于根据负载需求功率对各动力设备进行功率分配，使各动力设备在高效区间运行。
6.根据权利要求4所述的平台，其特征在于，动力***仿真模型包括主机模块、电池模块、其它新能源设备模块、轴带电机模块和负载模块，用于设计测试过程中平台对应参数，并根据船舶能量管理策略分配的结果进行PID控制输出。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115685759A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-02-03 | 武汉理工大学 | 一种基于能量优先级的节能楼宇***的控制方法 |
| CN117350496A (zh) * | 2023-10-17 | 2024-01-05 | 安徽大学 | 基于混合动作空间强化学习的远洋海岛群能量管理方法 |
-
2023
- 2023-04-13 CN CN202310399187.6A patent/CN116482975A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115685759A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-02-03 | 武汉理工大学 | 一种基于能量优先级的节能楼宇***的控制方法 |
| CN115685759B (zh) * | 2022-10-28 | 2024-04-16 | 武汉理工大学 | 一种基于能量优先级的节能楼宇***的控制方法 |
| CN117350496A (zh) * | 2023-10-17 | 2024-01-05 | 安徽大学 | 基于混合动作空间强化学习的远洋海岛群能量管理方法 |
| CN117350496B (zh) * | 2023-10-17 | 2024-05-24 | 安徽大学 | 基于混合动作空间强化学习的远洋海岛群能量管理方法 |
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