航天器电源系统建模与仿真_航空航天

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序

航天器是典型的信息-物理系统（Cyber-Physical System，CPS），集中体现了通信、计算和控制的信息物理融合的系统特征。电源系统是航天器关键分系

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前　言

本书立足于航天器电源系统总体设计、分析和仿真验证。电源系统负责航天器上电能的供给、贮存、调节、分配和传输，是航天器的“心脏”和“血液”，是决定航天器在轨安全可

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第1章　绪　论

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1.1　航天器电源系统简介

航天器电源系统是航天器上产生、储存、调节、变换和分配电能的系统，简称电源系统。电源系统的基本功能是通过某种物理变化或化学变化，将光能、核能或化学能转换成电能，根

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1.1.1　太阳电池阵

光伏电源系统中的能量来源于太阳电池阵，太阳电池阵是由多个封装完备的单体太阳电池按供电要求以串、并联方式互联后铺设在太阳电池帆板上而成的。航天器上的太阳电池阵有

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1.1.2　储能电池

储能电池是将化学能转化成电能的装置，一般而言，储能电池由正极板、负极板、隔膜、电解液和外壳构成。航天器储能电池通常采用多个单体蓄电池串联或并联，以蓄电池组的形式

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1.1.3　电源控制装置

1.1.3.1　能量传输方式航天器电源系统拓扑结构形式的选取应该考虑到轨道、星蚀、功率量级及有效载荷的特殊要求等因素。航天器的飞行任务不同，其航天器电源系统的

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1.1.4　总体电路

总体电路作为航天器电源系统的重要组成部分，担负着合理分配和安全可靠地馈送电能、配电控制等任务。总体电路的主要功能包括：①对航天器各分系统设备的电源分配；②航天

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1.2　系统建模与仿真概述

航天器电源系统的供电质量及可靠性程度直接影响着整颗卫星的性能，通过计算机技术对电源系统进行建模和仿真分析，对于提前暴露设计问题，提高系统可靠性具有较大的意义。航

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1.2.1　系统建模方法

1.2.1.1　机理建模机理建模（演绎建模）：一般是在若干简化假设条件下，以各学科专业知识为基础，通过分析系统变量之间的关系和规律，获得系统的解析型数学模型，

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1.2.2　通用建模语言

1.2.2.1　C语言 C语言是一种面向过程的语言，用户创建过程或函数来执行他们的任务。面向过程的语言很容易学习，因为它遵循算法来执行相应的语句。要使用面向过程

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1.3　航天器电源系统仿真需求

在进行航天器系统设计与研发时，为了检验航天器的设计方案是否达到设计目标以及满足任务需求，往往需要及时地对设计方案进行验证。根据航天器研制任务需要，利用航天器系统

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1.4　航天器电源系统仿真软件

航天器电源系统的仿真软件没有通用的商业软件。一些实力雄厚的研究机构根据自己的需要开发专用仿真软件，这类仿真系统开发周期较长、系统较庞大，要求开发者具有较为雄厚的

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1.4.1　通用电路仿真软件

1.4.1.1　IsSpice IsSpice是美国Intusoft公司推出的一种商业仿真软件，是ICAP/4软件集成系统的重要组成部分。ICAP/4软件集成系

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1.4.2　专用的航天器电源系统仿真软件

国外用于测试评估的软件一般均详细地考虑了航天任务和各种环境因素对航天器电源系统的影响，并且配备了航天器电源系统部件设计参数的数据库资源，再加上精确的数学模型和完

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第2章　Modelica语言建模与仿真基础

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2.1　Modelica概述

Modelica作为面向对象编程的规范化数学建模语言，适用于结构复杂且性能要求高的仿真计算应用，特别是适合建立与时间相关的复杂系统数学行为模型，实现对动态系统的

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2.2　模型要素

Modelica模型由变量、方程与算法、嵌套类三个要素组成，下面结合VanDerPol实例介绍模型中的各个要素。(https://www.daowen.com)

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2.2.1　变量

变量：表示模型的属性，通常代表某个物理量。VanDerPol模型声明了两个变量x和y，变量的类型都是Real，变量的start属性值（即仿真开始时刻的值）都为1

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2.2.2　方程与算法

Modelica使用方程与算法描述模型的行为，表达变量之间的约束关系。方程：非因果行为，如等式方程、if方程、for方程、连接方程、when方程或信息方程（纯

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2.2.3　连接

Modelica将模型与外界的通信接口定义为连接器，并用一种称作连接器类（connector）的受限类来描述。连接表示了组件之间的相互联系，连接器包含连接中需要

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2.2.4　类与类型

类是Modelica语言的基本结构元素，是构成Modelica模型的基本单元。类的实例称为对象或组件，实例化的类称为对象或组件的类型。类中可包含变量、嵌套类、算

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2.3　建模功能

Modelica是面向对象的多领域物理系统建模语言，支持面向对象建模、陈述式建模、连续离散混合建模和多领域统一建模等建模功能。下面从这4个角度分别介绍Model

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2.3.1　面向对象建模

2.3.1.1　组件与对象组件（Component）：Modelica语法规范中将“组件”定为专门术语，对应于工程建模中的零件/部件或者元件/器件。从面向对象

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2.3.2　陈述式建模

对于一个物理系统而言，各组成部分内部及各组成部分之间的物理关系本身并没有因果性，因此，模型中应当是对模型行为自然描述而无须考虑计算顺序。这种基于方程的建模方式称

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2.3.3　连续离散混合建模

实际物理模型的动态特性可以是连续时变的，也可以是分段连续时变的，如二极管、物体之间的摩擦力等，还可以是离散时变的，即系统状态只在某些离散时间点上发生变化。动态连

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2.3.4　多领域统一建模

Modelica对于多领域耦合模型统一描述的基本原理是，从能量的角度出发，按照广义基尔霍夫定律和能量守恒定律构造多领域耦合模型，从而以数学方程统一地描述多领域物

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2.4　方程

方程以陈述式的方式表达约束和关系，不指定数据流向和控制流。按方程所在的区域，又可分为声明区域方程和方程区域方程。在声明区域的方程有两种：声明方程和变型方程。

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2.4.1　声明方程

声明方程是在变量声明的同时给定变量的约束，这种约束在整个仿真期间必须成立。例如： (https://www.daowen.com) 在声明变量v的同时，给定v与

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