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1、用于模拟装置操作的系统和方法专利名称：用于模拟装置操作的系统和方法技术领域：本发明总体上涉及硬件模拟，更具体地涉及提供用于模拟装置操作(plant operation )的系统和方法。背景技术：通常，针对模拟的装置模型来测试装置的控制系统。出于成本和 安全的因素，激发了模拟的装置模型的使用。对于真实装置或者样机 的测试成本更高，这是由于需要真正的硬件部件。对于真实装置的重 复模拟来说，真实装置部件的软件模型通常更便宜并且更容易处理。 此外，控制系统在某些测试条件下的行为响应会导致真实装置的一个 或多个部件的故障，由此会危害到该装置的安全。除了低成本以及更 加安全的优点之外，该模拟的装置模型还在
2、以边界条件测试该系统时 提供了灵活性而不会损害该真实装置。控制系统与模拟的装置模型通 过一组用于模拟控制系统响应的输入-输出(I/O)命令的接口连接可 以称作半实物(Hardware-In-The-Loop， HIL )模拟。通常，控制系统包括实时运行的控制器。然而，到控制器和模拟的装置模型的模拟i/o可以不实时操作。因此，由装置模型提供给控制器的响应可能与控制器工作的频率不匹配。因此，该HIL模拟可能 与具有真实装置的控制器的实际响应产生分歧。与模型计算时间相耦合的I /O存取时间会在受控装置的闭环响应 中引入延迟。此外，市场上可以买到的用于模拟装置模型的软件建模 包具有不会使针对某些建模命
3、令的等待时间最小化的响应时间。因此，需要减少装置模型中的响应时间和等待时间的、用于模拟 装置操作以及使装置模型更适于实时或者接近实时模拟的系统和方 法。还需要一种考虑到基于装置的需要而实施高速和低速模拟的系 统。发明内容根据本发明的示例性实施例，公开了 一种用于模拟装置的系统。该系统可以包括控制器，该控制器包括用于执行对该装置的控制命令 的装置操作逻辑。该系统还可以包括与控制器通信的模拟器，该模拟 器可以包括具有至少一个高带宽模型的高带宽硬件，该高带宽模型至少具有第一装置性状(behavior)。该控制器还可以包括具有至少一 个低带宽模型的至少一个处理器，该低带宽模型至少具有第二装置性 状。根
4、据本发明的另 一 个示例性实施例，公开了 一种用于模拟装置的 方法。该方法可以包括提供包含用于执行对该装置的控制命令的装置 操作逻辑的控制器。该方法还包括提供与控制器通信的模拟器。与模 拟器通信的该控制器可以包含高带宽硬件和至少一个处理器。该方法 还可以包括通过高带宽硬件对至少具有第一装置性状的高带宽模型 进行建模。而且，控制器中的至少一个处理器可以对至少具有第二装 置性状的低带宽模型进行建模。该方法还可以包括将至少一个控制命 令从控制器发送到模拟器，并且至少部分地响应于发送控制命令以及 至少部分地基于高带宽模型或者低带宽模型中的至少一个，在控制器 处从模拟器接收对所述至少一个控制命令的至少一
5、个响应。根据本发明的又一个示例性实施例，公开了一种用于模拟装置的 系统。该系统可以包括具有用于执行对装置的控制命令的装置操作逻 辑的控制器。该系统还可以包括与控制器相通信的模拟器。该控制器 可以包括至少一个现场可编程门阵列，其由至少具有第 一装置性状的至少一个高带宽模型构成，以及包括至少一个处理器，其由至少具有 第二装置性状的至少一个低带宽软件模型构成。此外，控制器和模拟 器可以借助至少 一个串行链路进行通信，由此控制器可用于向模拟器 发送至少一个控制命令或者诊断命令。模拟器还至少部分地响应于控 制命令或者诊断命令并且至少部分地基于高带宽模型或低带宽模型 中的至少一个，使用串行链路将对于所述控
6、制命令或者诊断命令的至 少一个响应输送到控制器。本领域技术人员通过以下的详细说明、附图和所附的权利要求将 进一步理解本发明的其它实施例、方面和特征。以上已经概括地描述了本发明，现在将参照附图，这些附图不一定是按照比例画出的，在附图中图1是根据本发明一个实施例示出在控制器与实时模拟的装置模 型之间的接口的示例性装置模拟系统的示意图示；图2是根据本发明 一个实施例示出用于实时模拟装置模型的方法 的一个实例的流程图。具体实施例方式现在将在下文中参照附图更完整地描述本发明的示例性实施例， 在附图中示出了本发明的一些实施例而不是全部。实际上，本发明可 以具体化为许多不同的形式，并且不应认为限于本文中提出
7、的实施 例；而是，所提供的这些实施例是为了使本说明书满足适用的法律要 求。贯穿本文相同的附图标记表示相同的元件。公开的是例如通过半实物(HIL)系统对装置进行实时模拟的方 法和系统。根据本发明的一个示例性实施例，控制器与该系统的模拟 器/装置模型相接口连接。该控制器可以包括用于实时或近实时地执行 高速任务以及通用的低速任务的独立的专用硬件部件。高带宽硬件可 以包括内置现场可编程门阵列(FPGA)或者特定用途集成电路(ASIC)，并且可以在硬件本身上执行任务。然而，可以由控制器的 处理器中的低带宽固件来执行通用的低速任务。该控制器还与模拟装 置的模拟器相连。模拟器的配置可以是控制器的镜像。该模拟
8、器可以 包括具有内置FPGA或者ASIC的高带宽硬件。FPGA或者ASIC可以 包括用于实时或者近实时地实施模拟的高带宽模型。模拟器还可以包 括具有用于实施通用的低速模拟的低带宽模型的处理器。响应于来自 控制器的控制或者诊断命令，模拟器可以至少根据第一装置性状或者 第二装置性状至少在高带宽模型或者低带宽软件模型之一中来实施 模拟。因此，该系统和方法允许协调组合的高带宽和低带宽模型的不 同部分的时序执行，从而使它们能够尽可能接近实时地工作。图l是示出控制器102与实时模拟的装置模型之间的接口的示例 性装置模拟系统100的示意图。而且，图1示出了本发明的示例性实 施例，其中控制器102可以通过串行
9、链路108与至少一个模拟器106 相连。在示例性实施例中，该串行链路108可以是高速串行链路(HSSL)。该HSSL有助于控制器102与模拟器106之间的高速通信。6而且，该串行链路108可以用于将来自控制器102的至少一个控制或 者诊断命令发送到模拟器106。类似的是，还可以通过串行链路108 将模拟器106对于控制器命令的响应传递至控制器102。参照图1，控制器102可以包括两个主要的硬件部件处理器IIO 和高带宽硬件112。在示例性实施例中，控制器102中的高带宽硬件 112可以用作通信主机114。处理器110和高带宽硬件112可以包括 用于执行对于装置104和模拟器106的控制命令的装
10、置操作逻辑的计 算机可执行指令。高带宽硬件U2可以被配置用于控制器102的实时 操作，并且处理器IIO可以被配置用于基于装置104性状的低速或者 伪实时操作。在本发明的示例性实施例中，高带宽硬件112可以包括 FPGA,同时处理器IIO至少可以包括固件116。处理器IIO和高带宽 硬件U2可以通过高速数字通信总线U8相互通信。在本发明的示例 性实施例中，高速数字通信总线115可以是外部部件互连(PCI)总 线。与控制器102相连的模拟器106还可以包括两个部件高带宽硬 件120和处理器122。在示例性实施例中，模拟器106中的高带宽硬 件120可以用作通信目标124。高带宽硬件120可以是I/
11、O板的一部 分(图中未示出)并且可以包括至少一个FPGA，该FPGA实现至少 针对第一装置性状的高带宽模型126。在本发明的示例性实施例中， 第一装置性状可以是电性状、热性状、化学性状或者机械性状中的至 少一个，其本质上可以是实时的或者近实时的。FPGA中实现的高带 宽模型126可以存储用于模拟实时或近实时装置性状的逻辑。在示例 性实施例中，为了减少等待时间，实时或者近实时模拟中的采样速率 可以在纳秒(nanosecond)数量级，例如在一个实例中约为50-100 纳秒。尽管传统的处理器设计根椐一组指令按顺序操作，但是FPGA 处理器能够并行地执行操作。因此，FPGA非常适于通过减少软件模 型
12、中存在的等待时间来进行快速模拟。因此，可以在FPGA卡上实现 高速模拟。相应地，在所提出的配置中，可以通过将仅除了 1/0之外的装置 计算任务置于相同的FPGA卡上来实现基于FPGA的对装置的实时模 拟。该布置可以使FPGA目标代码被包括为更大的实时模拟模型的一 部分。可以在FPGA卡中执行C代码和FPGA硬件描述语言(HDL)代码。在另一个实施例中，可以由用于实现实时或者近实时模拟的ASIC来取代该FPGA卡。然而，在不同的测试条件下，装置模型可能表现得不同。在示例 性实施例中，可以在处理器122中执行不需要实时操作的模拟器106 的通用低速任务。而且，在本发明的示例性实施例中，第二装置性状
13、 可能基本上不需要实时执行的计算/任务，或者需要更低处理带宽的任 务，并且因此可以在处理器122中执行该第二装置性状。而且，处理 器122可以包括低带宽模型128,该低带宽模型128可以包括至少一 个具有第二装置性状的软件模拟模型。该软件模拟模型可以使用如MATLAB、 Simulink、 Saber以及Opal-RT的软件包来实现通用的低速 模拟。在本发明的一个实施例中，通用的低速任务的实例至少可以包 括家用空调的温度控制、电动机的速度控制、永/磁体同步电机(PMSM ) 的位置控制或者不需要像某些高带宽建模要求那样要快速或者作出 响应地(responsively )完成控制动作的任何控制动
14、作。在 一个实例中， 低带宽模型可以具有10-100微秒数量级的采样速率。而且，在本发 明的一个实施例中，第二装置性状可以是例如机械速度、电场、风速 或者流量(flow)中的至少一个。高速和低速单元之间的专用高速数 字通信总线118协调数据通信，并且实现模拟的定序。在处理器122 中实现了低速模拟之后，通过高速数字通信总线118和高带宽硬件120 将反馈引导到控制器102。高速模拟可以应用在多个领域。利用基于FPGA (或者其它高带 宽硬件)的模拟的应用的一些实例是风轮机、气体管道泵站、油料储 存泵站、气体压缩机、PV或者燃料电池发电机，其可以包括电动机、 电桥(power bridge )、
15、连接电容(link capacitor)、变压器、过滤器、 机械传动装置(mechanical gear)、电路板、控制器的1/0以及许多其 它电气和/或机械部件。实时或近实时才莫拟的应用的广泛实例可以是风电场(wind farm) 中的风轮机。风电场通常包括相同位置处的多个风轮机，用于产生电 力并且向电网供电。大的风电场可以包括与中电压电网互连的几十个 到近百个单独的风轮机。可以响应于模拟诸如风电场电网性状、电网 连接、调度以及电力波动控制之类的性状，来模拟和/或控制各种风轮 机和/或风电场性状。在一个实例中，风轮机中的电压波动可能会是关注点，因为风轮机产生取决于风速变化的电力，将未经调节的
16、电力注 入电网中。电压波动会影响电子设备的敏感度，从而导致许多设备的 寿命减少。因此，在不同测试条件下测试控制器的过程中，该控制器会由于 来自对变速发电机性状(或者其它风轮机或风电场性状)进行建模的 装置的实时反馈/响应而受益，从而准确地追踪控制器的性状。可以至 少部分地在风轮机系统或者至少其构成部件的模拟器上实现由控制 器至少部分地基于装置模型所提供的反馈/响应而发出的控制或者诊断命令。相应地，可以按照与图1所示的控制器102和模拟器106相 同的方式布置风轮机系统中的控制器和模拟器/装置模型，其中高带宽 硬件120实现高速模拟和其它高带宽性状。对于低风速和/或较低带宽 性状而言，反馈/响应可能不是实时的，并且可以在模拟器106的低速 处理器122中对其进行模拟。在另一个实例中，可以模拟与电网相连的风脉宽调制器(PWM) 转换器或者放大器。该PMW转换器必须以50- 100纳秒数量级的时 间解析度(timing resolution )操纵电力开关，在FPGA或
