3.3.4 实时仿真计算机认知实验
1.实验目的
（1）了解iHawk实时仿真机SimWB仿真环境的基本操作流程。
（2）学习MATLAB／Simulink建模方法和C语言建模方法。
（3）理解数字量与字符串变量的转换过程，掌握串口映射方法，实现串口通信。
2.实验内容
（1）建立典型能源系统半实物仿真架构，并操作完整半实物仿真流程。
（2）建立正弦变化的输出功率模型，用于生成电子负载功率加载指令。
（3）建立串口通信映射接口，实现iHawk仿真机对电子负载的功率控制。
3.实验设备及软件
本实验所需的设备主要包括实时仿真计算机、电子负载、光伏阵列模拟器（本实验用作可编程直流电源）、客户端、仿真环境及仿真建模软件等，如表3-8所示。
表3-8 本实验所选用设备及软件
4.实验过程
1）设备连接
如图3-31所示，在未上电状态下，将光伏阵列模拟器与电子负载相连，通过专用的TTL-RS232串口线，将电子负载远程控制器接口与实时仿真机MOXA串口的1通道相连，采用一根网线将客户端与iHawk实时仿真机相连。
图3-31 实时仿真计算机实验设备连接
2）建立电子负载控制指令模型
打开MALTAB／Simulink软件，如图3-32所示。建立周期为50 s，在［20 W，100 W］区间的正弦函数：
图3-32 建立功率指令模型并设置固定步长
（a）仿真模型及运行结果；（b）设置求解器
设置仿真机时间为50 s，采用固定步长为0.1 s，选择ode3求解器，运行仿真结果如图3-32（a）所示。
3）编译下载仿真模型，构建RTDB变量
（1）登录实时仿真机，如图3-33所示。在Simulink模型界面，由SimWB无缝集成接口打开MATLAB套件工具界面（ML Toolkit GUI）。输入iHawk实时仿真机网络地址（92.168.31.100）、用户名称（如ZXH）、登录密码，然后单击“Connect”按钮连接到iHawk实时仿真机（又称服务器）。
（2）建立实时数据库（real time data base，RTDB）。选择“RTDB Creator”选项卡，进入RTDB变量提取界面，选择前缀为“SW”的标志提取RTDB变量。注意：须将Simulink模型中需要纳入实时数据库中的模块名称加前缀“SW”，本示例中将输出引脚模块名称定义为“SWPOut”（图3-33），并定义RTDB名称为“EleLoad_PowCtrl”，如图3-34（a）所示。
图3-33 SimWB无缝集成接口
图3-34 建立RTDB并生成可执行代码
（a）建立RTDB；（b）生成代码
（3）编译Simulink模型。单击“Code Generator”选项卡，进入代码生成导出并编译界面，如图3-34（b）所示，保持默认值，单击“Generate，Export，and Make”按钮，编译模型。观察MATLAB命令行窗口，可看到生成和编译过程，并可看到编译成功的提示信息。
4）建立通信映射和仿真测试
启动SimWB软件。在客户端启动SIMulation Workbench Control Center，可见SimWB控制中心软件界面，如图3-35所示。然后，依次从第1步设置到第8步。
图3-35 SimWB控制中心软件界面
第1步，加载所建立的RTDB。单击“New／Select RTDB”，进入实时数据库选择界面，如图3-36所示。按照标记序号，先选中所建立的“EleLoad_PowCtrl”库，再单击“加载”图标按钮。
图3-36 选择所建立的RTDB
第2步，确认模型输出变量提取成功。单击“Analog Points”，进入浮点型变量定义界面，展开变量树，可以观察到所建立的变量SWPOut已被成功提取，且识别为double型输出变量，名称为“ele_load_pow.SWPOut”，已自动包含了Simulink模型文件的名称，如图3-37所示。
图3-37 Simulink模型输出功率变量提取成功
第3步，定义字符串变量。单击“String Points”，进入字符串变量定义界面，如图3-38所示。按照标记顺序操作，建立字符串变量EleLoad_PowCmd，并将其定义为输出类型。
图3-38 建立字符串输出变量
第4步，I／O变量映射。单击“I／O Mappings”，进入通信接口设置选项卡，如图3-39所示，按图中标识的1～6编号执行操作。光标定位在00号通道（Channel）输出（Output）位置处，右端字符串变量列表中，勾选EleLoad_PowCmd变量。然后，设置RS232通信协议，发送数据字节长度为20，发送周期为50 ms，波特率为115 200，无校验，字节长度为8位，1位停止位。
图3-39 串口变量映射
第5步，自定义C语言串口输出驱动。单击“User Programs”进入C模型编程界面，如图3-40所示，按图中所示的1～7编号执行操作。首先，选择所建模型所属的实时数据库RTDB为EleLoad_PowCtrl。然后，定义所建立的子项目名称，本示例为“EleLoad_PowOut”，单击“新建”图标按钮，即可生成对应项目文件夹和C语言程序模板文件，即“EleLoad_PowOut.c”。双击该文件，可以看到程序框架已经给出；在此基础上进行编程后，再编译生成可执行文件即可。
图3-40 自定义串口输出驱动
电子负载上电并初始化完成后，即可接收指令控制。出于安全考虑，建议在仿真机调试过程中不给电子负载上电。功率控制通常需要顺序执行三条指令——切换到恒功率模式（C W）、启动负载（ON）、更新功率（PW），其格式和定义如图3-41所示。其中，功率值是以4字节的十六进制数发送的，因此，需要将浮点型功率数值先转换为4位十六进制数，再填充到PW指令“功率值”处。然后，计算得到校验码后，才能获得某个功率下的完整指令。关于指令的定义详细介绍参见《ZY87系列可编程直流电子负载用户使用手册》。
图3-41 电子负载控制指令
第6步，建立仿真测试数据流。单击“Tests”，进入测试数据流设置界面，如图3-42所示，按照图中的1～5编号执行操作。新建测试并命名（本示例为EleLoad_PowC trl），并选择所属RTDB。然后，右键添加所建立模型的可执行文件，包括所建立的Simulink模型编译的可执行文件和C模型编译的可执行文件，左键拖动连接各部分的数据流向。
图3-42 仿真测试数据流
注意：在这一部分，如果单击右键后在列表中找不到模块4或5的可执行文件，则检查文件路径，比如在图3-42中的Project Folder是否正确选择了路径，正常需要Simulink和C语言生成的可行执行文件都在一个路径下，本示例中都需要在shelhuei的文件路径下。
第7步，建立测试启动窗口。单击“Test Sessions”，进入测试阶段启动界面，如图3-43所示，按图中的1～3编号执行操作，即可启动测试，观察右上角，若正常计数则说明启动成功。
图3-43 新建测试阶段
第8步，仿真过程实时图表显示设置。返回主界面，单击“RT Viewer”，进入显示设置界面，如图3-44所示，按照图中编号执行操作。首先，选中需要实时显示的变量，如“SWPOut”和“EleLoad_PowCmd”；然后，单击“Add to Table”按钮，即可在右端列表中显示变量的实时变化过程，如图3-44（a）所示。对于浮点型变量，单击选中变量后，单击“Add to Charts”按钮，即可通过曲线图实时显示变量的动态变化，如图3-44（b）所示。
图3-44 仿真过程实时显示
（a）添加到列表，观察数据值变化
图3-44 仿真过程实时显示（续）
（b）添加到曲线图，直观显示
5）实时仿真测试
（1）电力系统准备。在确认实时仿真机的测试处于停止运行状态后，分别给光伏阵列模拟器和电子负载上电。其中，光伏阵列模拟器采用恒压源模式，设定电压为25 V，设定电流为5 A。在确认电子负载处于“Off”状态且空载后，在光伏阵列模拟器按【开／关】键，开始供电，并从电子负载显示面板上观察输入电压是否正常。
（2）启动半实物仿真测试。在SimWB的“Test Sessions”界面中启动仿真，仿真运行正常后，观察电子负载的实际执行情况，判断其与仿真机提供的功率指令是否一致。
5.讨论与思考
（1）功率模型已经在Simulink环境中建立，为何还需要建立C语言模型？
（2）半实物仿真测试过程是在客户端上运行，还是在服务器上运行？
（3）如果仿真过程电子负载没有正常运行，如何判断电子负载接收到的指令是否正确？
（4）如果网络通信物理连接正常，供电也正常，客户端和服务器独立均工作正常，但已注册的用户通过客户端未能登录服务器，该从哪些方面进行检查修复？
（5）参考《ZY87系列可编程直流电子负载用户使用手册》中的电压和电流读取指令，增加实时仿真机对电子负载的电流和电压状态读取功能。