（计算机应用技术专业论文）继电控制系统仿真技术研究.pdf

硕士学位论文 摘要 继电控制系统是最早采用的控制系统之一，其控制动作可靠、控制装置比较简单， 在各种场合中得到了广泛应用。在继电控制系统的设计、运行和维护等各阶段，都需要 对其进行功能分析。借助计算机对继电控制系统进行功能仿真，有利于提高工作效率、 减少工程设计人员的工作负荷、提高继电控制系统的可靠性。因此，研究和设计继电控 制系统的计算机仿真方法具有理论和应用价值。 本文在对国内外继电控制系统计算机仿真成果进行深入研究和分析的基础上，针对 继电控制系统电气联系信息提取和事件时序模拟不够完善的问题开展研究，给出了较好 的解决方案，取得的成果如下： 1 针对继电控制系统包含大量开关元件的特点，将其电气联系抽象为开关网络。 对从广义开关网络中提取出两点间连接矩阵的方法进行了研究，利用t a r j a n 的拓扑图块 划分算法、开关网络中的不可分二端图概念等设计了较有效的算法。在此基础上，利用 开关网络的理论，较好的获得了负载元件的电气联系开关函数。 2 对于继电控制系统中事件时序的把握，我们没有拘泥于其物理上的时间次序， 而是从逻辑上来考虑事件的先后相继关系，提出了逻辑清晰的“批”概念。结合继电控 制系统中事件的传递方式等特性、参考逻辑仿真方法中时间映射法的基本思想，设计了 事件仿真算法。 3 本文利用继电控制线路的通用工程图表达方式，设计了获取继电控制系统的非电 气联系和输入输出器件的算法。按照系统仿真理论，结合继电控制系统的特性，给出了 对其进行功能仿真的基本框架功能引擎。在以上工作的基础上，实现了一个利用 c a d 对继电控制系统进行仿真的原型系统，并对继电控制系统进行了仿真试验，验证 了系统的正确性。 关键词：仿真；c a d ；继电控制系统；开关网络；开关函数：“批”概念 继电控制系统仿真技术研究 a b s t r a c t r e l a yc o n t r o ls y s t e m ，o rc o n t a c t o rc o n t r o ls y s t e m ，i so n eo ft h ef i r s t l yu s e dc o n t r o l s y s t e m s i th a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d sn o w , d u et oi t sr e l i a b l ec o n t r o la n ds i m p l ed e v i c e s t h ef u n c t i o no far e l a yc o n t r o ls y s t e mm u s tb ea n a l y s e dw h e ni ti sb e i n gd e s i g n e d a n ds o d u r i n gt h ep r o c e s so ft h es y s t e mr u n n i n ga n db e i n gm a i n t a i n e d s i m u l a t i n gr e l a yc o n t r o l s y s t e m s b yc o m p u t e rc a l lh e l pt oe n h a n c ee f f i c i e n c y , r e d u c ee n g i n e e r s w o r kl o a d ，a n d i m p r o v er e l i a b i l i t yo f r e l a yc o n t r o ls y s t e m s t h e r e f o r e ，i ti sv a l u a b l et os t u d yh o w t os i m u l a t e r e l a yc o n t r o ls y s t e m sb yc o m p u t e ra n dd or e s e a r c ho ni t sc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d s w eh a v ei n v e s t i g a t e dd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e si nc o m p u t e rs i m u l a t i o no fr e l a y c o n t r o ls y s t e m sd e e p l y ；a n df o u n dt h e r ea r et w oi s s u e sw h i c hh a v e n tb e e nr e s o l v e dp e r f e c t l y ： e x t r a c t i n g e l e c t r i c a lc o n t a c ti n f o r m a t i o n sa n ds i m u l a t i n g e v e n t s s e q u e n t i a l q u a l i t y w e f o c u s e do nt h e s et w oi s s u e sa n dp r o v i d i n gab e t t e rs o l u t i o n ，t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w em o d e le l e c t r i c a lc o n t a c t sa sas w i t c h e dn e t w o r k w eh a v es t u d i e dh o wt od i s t i l la c o n n e c t i o nm a t r i xb e t w e e nt w on o d e si nag e n e r a l i z e ds w i t c h e dn e t w o r k ；u s i n gt a r j a n sg r a p h p a r t i t i o na l g o r i t h ma n dn o n s e p a r a b l et w o t e r m i n a lg r a p hc o n c e p t ，w ep r o p o s e da ne f f e c t i v e a l g o r i t h m b a s e do nt h i s ，a n db yd i n to fs w i t c h e dn e t w o r kt h e o r y , w ea c c e s s e daw a yt og e t e l e c t r i c a lc o n t a c t s _ 一s w i t c h e df u n c t i o n so f l o a de l e m e n t s 2 o ns i m u l a t i n ge v e n t s s e q u e n t i a l q u a l i t y , w eg a v ea ni d e ao f b a t c h ：i n s t e a do f c o n f o r m i n gt oe v e n t s p h y s i c a lt i m ep r e c i s e l y , w ec o n s i d e ra b o u tt h e i rl o g i c a ls e q u e n c e w e p r o p o s e da ne v e n t ss i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ei d e a “b a t c h ”，c o n s i d e r i n gs p r e a d i n g q u a l i t yo f e v e n t sa n dt i m e - m a p p i n gl o g i cs i m u l a t i n gm e t h o d s 3 w ea l s op r o v i d e da l g o r i t h m st og e tn o n - e l e c t r i c a lc o n t a c t sa n de x p o r t i n g i m p o r t i n g c o m p o n e n t sf r o mr e l a y c o n t r o l s y s t e m s ；d e p e n d i n g o n g e n e r i ce n g i n e e r i n gd r a w i n g e x p r e s s i o n ，t h e s ea l g o r i t h m sc a ni d e n t i f yn o n - e l e c t r i c a lc o n t a c t s u n d e rt h es y s t e ms i m u l a t i o n t h e o r y , a n dt a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr e l a yc o n t r o ls y s t e m si n t oa c c o u n t ，w ed e s i g n e dar e l a y c o n t r o ls y s t e m ss i m u l a t i o nf r a m e w o r k - - t h ef u n c t i o n a le n g i n e b a s e do na l la b o v ew o r k ，w e i m p l e m e n t e dac a ds i m u l a t i o np r o t o t y p es y s t e mf o rr e l a yc o n t r o ls y s t e m s ；an u m b e ro f r e l a y c o n t r o ls y s t e m sw e r es i m u l a t e do ni ta n dt h er e s u l t sw e r ec o r r e c t k e y w o r d s ：s i m u l a t i o n ；c a d ；r e l a yc o n t r o ls y s t e m s ；s w i t c h e dn e t w o r k ；s w i t c h e df u n c t i o n i d e a “b a t c h ” 硕士学位论文 插图索引 图1 1 系统仿真框架 图1 2 简单继电控制线路实例 图2 1 电路拓扑实例 图3 1 不可分二端图 图3 2 可简化分析的二端图 图3 3 可能的事件冲突实例 图3 4 鼠笼式电动机正反转控制 图4 1 功能引擎 图4 2 非电气联系表 图4 3 仿真原型系统界面 图4 46 i o k v 电源进线二次电路图继电保护控制部分( 经过简单替换) 图4 5 图4 4 中继电控制线路的输入器件 图4 6 对图4 4 继电控制系统手动合闸功能的仿真结果 v 1 0 ， 坨 嬲 船 弘 如 钉 们 蛎 们 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 弦痧鼋 日期：扩年月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者潞 鳄匆秀日期抄占年r 月2 日 导师签名：励芦墨 日期：纱易年r 月z o 日 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 现代工农业生产中所使用的生产机械大多是由电动机来拖动的。因此，电力 传动装置是现代生产机械中的一个重要部分，它由电动机、传动机构和控制电动 机的电气设备等三个主要环节所组成。为了提高生产率，使电动机能按照生产机 械所需的预定顺序进行工作，通常可以采用一些诸如继电器、接触器及按钮等控 制电器来实现生产过程的自动控制。这些主要由继电器、接触器和按钮等电器所 组成的控制系统一般称为继电器接触器控制系统。 随着建筑业智能技术的发展，对建筑电气设备控制提出了越来越高的要求。 为满足这些要求，采用了许多新的控制元件，如电子器件、晶闸管器件以及传统 的继电器、接触器等，通过可编程器件、计算机及网络的应用进行系统的集成， 为智能建筑提供了控制保证，但继电一接触控制仍是控制系统中最基本、应用最 广泛的控制方法u j 。 为了使电网安全高效运行，需要对电力系统进行不问断的检测、保护和控制。 当需要对电网进行切换等操作时，保护控制系统要保证操作人员、电网和用电设 备的安全。当电网中发生各种故障时，保护控制系统要完成各种判断、动作，将 故障本身限制在最小的范围内，将故障造成的损失降低到最小。电力系统的保护 部分一般叫做继电保护系统，因其最初是由继电器等电气器件组成的控制系统而 得名。现在，信息技术被引入了继电保护系统，微机保护、基于网络的信息收集 和控制指令的发布等技术得到了广泛的应用，在此情况下，继电控制系统仍然起 到了基础性的作用。 继电控制系统的主要优点是控制装置比较简单。对于同样的功率，继电控制 装置的重量和体积在各类控制系统中几乎是最小的，所以广泛应用于飞行控制中。 在最速控制系统和最省燃料控制系统中，控制规律也可采用继电特性来实现。 继电控制系统指利用具有继电特性的器件进行控制的系统，是应用最早的控 制系统。继电特性指在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态的特性。在生 产生活中使用的各种设备或系统中，控制系统可以说起到了一个神经中枢的作用。 尽管控制理论和控制系统不断发展，继电控制系统始终占据了重要的地位。 随着设备和系统自动化、智能化程度的提高，继电控制系统也变得越来越复 杂，对其有效性、可靠性也提出了更高的要求。面对这种发展带来的挑战，提高 继电控制系统仿真技术研究 和改善继电控制系统的性能和运行的技术水平，就成为了十分重要的环节。但是 对继电控制系统进行人工分析是费时费力的，有必要研究计算机辅助分析方法， 即继电控制系统的功能仿真。与此同时，c a d 和系统仿真等计算机技术的迅猛发 展，给继电控制系统的设计和运行分析带来了许多技术进步的机遇。 1 2 系统与系统仿真 系统是一个经常出现在各种场合的词汇，系统可以用来描述各方面的事物。 按照事物联系的广泛性，任何事物都不是相互割裂的，我们说到系统时，一般指 一个内部联系比较紧密，与其他事物相对独立的系统。正因如此，系统的涵义是 很广泛的，要给其精确地下一个定义是不太容易的。文献 3 1 1 4 介绍了系统与系统 仿真的基本概念。一般说来，系统是指相互联系又相互作用着的对象的有机集合， 它对外呈现出一定的特性或行为或者能够实现一定的功能。 本文讨论的继电控制系统就是一个系统的实例。继电器件、按钮、手动开关 元件等是其中的主要实体，他们有在一定的条件下通断等属性；这些实体之间存 在着电气和非电气的联系；整个系统在控制的过程中会产生一定的变化；系统能 实现特定的控制功能。 根据系统的物理特征可将系统粗略地分成两大类：工程系统( 如电气机械机电 化工热力等) 及非工程系统( 如经济交通管理生态等) 。尽管这两个系统的物理本质 截然不同，但是有几点是相同的： f 1 ) 它们都由一些相互关联的实体组合而成； ( 2 ) 组成系统的实体具有一定的特征也具有一定的属性； ( 3 ) 系统由于各种原因会发生变动，我们把系统内部发生的变化过程称为活 动； ( 4 ) 系统对外界呈现出一定的特性，这种特性不是实体属性的简单相加。 虽然系统形形色色，但是它总是由一些实体组成的，每个实体有一些主要的 属性，整个系统有它自己的主要活动。因此，实体、属性与活动就构成了系统的 三大要素。 为了研究、分析与设计系统，需要对这些系统进行试验测试。有两种试验的 方案：一种是直接在真实系统上进行；另一种则是按真实系统本身或预期设计构 造一个模型，在模型上进行。由于种种原因而不能直接在真实系统上做试验，则 可以采取第二种方案，实际上，第二种方案在很多情况下是一种最佳的选择，而 不是无条的替代品。在模型上做试验成为对系统进行分析、研究的十分有效的手 段，这就是对系统的仿真。 硕士学位论文 仿真一词译自英文s i m u l a t i o n ，另一个曾用的译名是模拟。1 9 6 1 年，gw m o r g e n t h l e r 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为仿真意指在实际系统尚不存 在的情况下对于系统或活动本质的复现。近4 0 年来，仿真技术的发展使人们对其 认识与理解得以深化。 从广义上说，为了分析研究，首先建立系统的模型，然后在模型上进行试验， 这一过程就称为系统仿真。目前，工程技术界比较通用的定义是：系统仿真是通 过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。简言之，系统仿真是对 系统动态模型的实验。 综上所述，系统、模型与仿真三者之间有着十分密切的关系。系统是我们的 研究对象，模型则是系统特性的一种表述，而仿真则包含两个过程：建立模型及 对模型进行试验。 系统仿真的分类 系统仿真的分类方法主要有以下几种【5 l ： ( 1 ) 根据模型分类 物理仿真。按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型， 进行试验，就称为物理仿真。 数学仿真。按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型， 进行试验，就称为数学仿真。 并在物理模型上 并在数学模型上 物理一数学仿真( 半实物仿真) 。某些系统的研究中还把数学模型及物理模型以 及实物联合在一起进行试验。也即将系统的一部分写成数学模型，并将它放到计 算机上，而另一部分是构造其物理模型或直接采用实物，然后将它们联接成系统 进行试验，这种仿真就称为数学一物理仿真或称半实物仿真。 其中数学仿真比较经济、方便，计算机为数学模型的建立与试验提供了较大 的灵活性，因此数学仿真一般就是在计算机上对系统的数学模型进行试验，简称 计算机仿真。由于数学仿真即计算机仿真的发展，提出了大量具有共性的技术问 题，因而系统仿真才逐渐发展为一门独立的学科。通常讲系统仿真就是指计算机 仿真。 f 2 ) 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 系统动态模型的时间标尺可以和实际系统的时间标尺不同，前者受仿真时钟 控制，而后者受实际时钟控制。 实时仿真。即仿真时钟与实际时钟是完全一致的。 欠实时仿真。即仿真时钟比实际时钟慢。 超实时仿真。即仿真时钟比实际时钟快。 ( 3 ) 根据系统模型的特性分类、 连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化( 包括由于数据采集是在 1 继电控制系统仿真技术研究 离散时间点上进行的因此数据是非连续的) 的系统，建立其数学模型，并将它放在 计算机上进行试验。这类系统的数学模型包括连续模型、离散时间模型及连续 离散混合模型。其基本特点是能用一组方程式来描述。 离散事件仿真是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱 动而发生变化的系统，建立其数学模型，并将它放在计算机上进行试验。这类系 统的状态量是由于事件驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，也 即是离散变化的，所以称为离散事件系统。这类系统的数学模型一般很难用数学 方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。 本文对继电控制系统的仿真是一个数学的、欠实时的、离散事件仿真，这是 由继电控制系统自身的特性和我们仿真的目的决定的。系统本身是一个由事件驱 动发生变化的系统，并且本文的仿真在于验证系统功能的正确性。 系统仿真基本框架结构 现在的很多文献中，对仿真的定义基本上是基于同一个观点：为了分析与研 究已经存在的或尚未建成的系统，首先建立该系统的模型，并将它放到计算机上 进行实验，这一过程就称为仿真。准确的说，这实际上应该叫做计算机仿真，不 过，随着建模技术的发展和计算机计算能力的提高，现在大多数仿真都离不开计 算机技术了。1 9 8 4 年o r e n 提出：“仿真是一种基于模型的活动”，并给出了仿真 的基本概念框架：建模一实验一分析【6 】。 o r e n 认为仿真包括了三个基本要素( 见图1 1 ) ： ( 1 ) 仿真问题的描述 任何一个仿真问题都由模型与实验两部分组成，这一点与传统的仿真定义是 完全一致的。而任何一个数学模型，不论采用什么样的建模方法，又都由两部分 组成：一个参数模型及一组参数值。当我们给定了一个参数模型，同时又赋予它 具体的参数值后就形成一个特定的模型。 另外实验也可分为两部分：实验框架及仿真运行控制。一个实验框架可以定 义为一组条件，在该条件下，系统可被观测或进行实验。具体来讲实验框架可由 以下四部分组成：( a ) 可观测变量；( b ) 初始条件；( c ) 终止条件：( d ) 对数据的采 集及压缩的具体说明。 ( 2 ) 行为产生器 它是一套对模型进行实验的软件。比如连续系统仿真中的数值积分计算程序。 由它可以产生一组系统状态变量随着时间变化的数据( 称为模型行为) 。 ( 3 ) 模型行为的处理 行为处理包括对行为进行分析以及将行为显示出来。 根据以上分析可以清楚地看出，整个仿真过程包含了三个主要步骤：建模、 实验及分析，它们分别对应于上述三个要素。这种规范化的认识形成了仿真的基 d 硕十学位论文 本概念框架：建模一实验一分析三段式。 图1 1 系统仿真框架 1 3 通用开关电路仿真方法的局限性 开关电路一般可由外部时钟控制或内部控制，继电控制线路属于内部控制。 他们广泛应用于通信网络和电力电子系统等电气工程中。开关电路可大致分类如 下： ( 1 ) 时钟控制开关的电路，典型的如开关电容( s c ) 网络和使用n m o s 晶体管 或c m o s 对实现的开关电流( s i ) 网络等。 ( 2 ) 外部控制开关的电路，如整流器和可变电压调节器，其中的开关一般是 二极管或者三极管。 ( 3 ) 包含内部控制和外部时钟开关的电路。如s c 和s i 冗余采样一调节 器等。 上世纪7 0 年代初出现的s c 网络和上世纪8 0 年代末出现的s i 电路激起了人 们对开关电路分析的计算机方法研究的广泛兴趣，研究也取得了迅速的发展。近 期在数模电路与片上系统复合上取得的进展进一步激发了对这个领域的兴趣。 时变特性、不完全的电荷迁移、非连续的初始条件，这些特性显著地增加了 分析开关电路的复杂性。自上世纪7 0 年代初以来，人们在开关电路的计算机设计 和分析方法方面做了大量工作。期间，涌现了多种计算机方法，如理想s c 网络 【7 】【8 】、非理想s c 网络和普通周期线性开关( p s l ) 电路9 】【1 0 】【l l 】【1 2 i 的频域分析方法， 带内部控制开关的非线性电路的时域分析方法【l 1 4 】、p s l 电路的噪声分析”】、周 期非线性开关( p s n ) 电路的扰动分析【1 6 】、p s l 、非线性电路及一电路响应和噪 声分析的采样数据仿真( s d s i m ) 算法等1 7 】 1 8 】【19 1 。因为其多方面的优越性，建立电 继电控制系统仿真技术研究 路方程的最通用的方法是修改节点法( m n a ) 2 。 通用开关电路的计算机仿真是针对晶体管、电阻、电容等进行建模的，可以 有直流、交流和瞬态分析模型以及噪音模型之分等等，可以对电路进行时域、频 域、噪声等分析。 通用开关电路的计算机方法并不适用于对继电控制系统进行仿真： ( 1 ) 此类方法建立方程时都要严格的获得某一时刻的电感电容等信息。在很 多情况下，获得继电控制系统的这些信息是不可能的，也是没有必要的； ( 2 ) 此类方法一般只能处理电气方面产生的联系。在继电控制系统中，非电 气联系具有举足轻重的作用，很难用此类方法对其建立方程。 1 4 继电控制系统仿真要解决的两个主要问题 1 4 1 控制系统仿真 所谓控制系统的计算机仿真就是以控制系统的数学模型为基础，借助计算机 对控制系统的动态特性进行实验研究。控制系统的仿真的基本过程包括：建立系 统的数学模型，包括系统的不可变部分的数学模型和控制器的数学模型，并得到 整个闭环系统的数学模型；建立仿真模型，一般是对系统的数学模型做离散化处 理，得到相应的仿真模型；编制仿真程序并运行；分析仿真结果，并得出相应的 结论【2 。 控制系统仿真的主要研究内容是通过系统的数学模型和计算方法，编写程序 运算语句，使之能自动求解各环节变量的动态变化情况，从而得到关于系统输出 和所需要的中间各变量的有关数据、衄线等，以实现对控制系统性能指标的分析 与设计。 对于继电控制系统来说，主要包括：建立继电控制线路的数学模型并获得参 数值，本文中采用开关网络和非电气联系表给线路信息建模：建立系统的控制过 程的数学模型，这在本文中通过事件仿真算法实现；然后就是进行仿真试验了。 1 4 2 两个主要问题 图1 2 是一个最简单的继电控制系统。正如上文所述，继电控制系统利用具 有继电特性的器件进行控制。继电器件一般是驱动元件和开关元件两类元件的组 - 合( 图中的k m 就是一个继电器，由至少三仑元件组成，其中一个为外部主电路中 的常开开关) ，驱动元件上加载信号的改变会驱使同一器件中开关的通断状态改 6 硕士学位论文 变，器件的继电特性就是这样实现的。 图12 简单继电控制线路实例 在继电控制系统中，各种器件中的各元件通过电路线相连，一般还有激励电 源给整个线路供电。同一器件中的开关之间一般也存在联系，这种联系一般是非 电气联系。要对继电控制系统进行功能仿真，首要的问题就是使用适当的模型或 者说方式来描述这些联系和有效的获得元件间的联系，包括元件间的电气联系、 驱动元件和对应开关、同一器件中开关问的非电气联系。这也就是系统仿真中的 建立仿真模型。 通过元件间的各种联系，驱动元件上的信号加载情况就会反映到开关元件上， 促使开关状态发生改变。开关状态的改变又会引起驱动元件线路通断发生改变， 从而使驱动元件上的信号加载情况发生变化，依次进行直至满足终止条件终止。 我们把驱动元件上的信号加载改变、开关状态改变等称为一个个事件。系统功能 仿真的第二个问题就是要适当的模拟事件的时序特性及其传递，当然这要基于获 得的联系上。也就是系统仿真中的行为产生器的构造，或者说编制仿真程序。这 就是本文围绕解决的两个问题。 1 5 研究现状 继电控制系统的计算机仿真的研究工作有很长的时间了，在不同的阶段都涌 现出了不少的特点与改进的方法。文献【2 2 】提出继电控制系统的一种链式图分析 方法，可以说对其功能分析提供了一个思路，但是基本上不能在计算机上自动实 现。文献【2 3 】提出了基于电位搜索的电气控制系统逻辑仿真的算法，但是对控制 回路图形的拓扑特点缺乏充分的分析，应用到继电控制线路的逻辑仿真中会有一 定的局限性。文献 2 4 1 中提到了继电保护元件动作逻辑的案例组织法，但逻辑关 系制约于确定的动作时序，既不灵活，也容易产生一定的逻辑错误。文献 2 5 】过 于侧重于控制电路图形的组织与管理，没有把图形信息的拓扑与回路逻辑的关系 阐述清楚。 近期也有一些更成熟的研究成果。文献 2 6 】把继电控制线路抽象为拓扑图， 7 继电控制系统仿真技术研究 试图在此基础上获得线路的状态，设计了一种功能分析算法，此算法在每一步功 能模拟时都要遍历全图，效率较低，当线路规模很大时甚至无法处理。文献【2 7 】 基于事先对继电控制线路的分析，将其抽象为相关元件的逻辑表达式。这种方法的 问题是不能自动适应继电控制线路的变化，并且对特定应用领域的相关知识有较 强的依赖。文献【2 8 基于继电控制线路的开关特性把开关网络 2 9 的理论引入到它 的功能仿真中，此方法的主要不足在于：对单个元件开关函数的获取是通过从继 电线路中抽象出来的拓扑图进行宽度搜索来获得的，这只在特定的拓扑结构图中 才是可行的，通用性不强。 此外，近期的这些研究在模拟继电控制线路中的事件时序时采用的都是时 间片的方法，对事件的行为的模拟算法也是在此基础上设计的。由于是人为的 将事件规定为在某个时间片内同时，此方法会引起事件冲突，文献 2 6 】自己提出 的改进算法需要人工干预，仿真起来工作繁重、也难免顾此失彼。另外，怎样去 确定各个事件都发生在哪个时刻也可能是一个问题。 总而然之，现有的一些成果中，在各个方面分别取得了不少进展，但对本文 提出的两个问题的解决还是不够完善。 1 6 本文主要工作 随着系统的发展，对继电控制系统进行功能分析越来越繁琐复杂。因此，对 继电线路进行功能仿真关键是自动化程度要尽可能高，本文针对现在继电控制线 路通常基于c a d 软件进行设计的实际情况，利用c a d 实现了继电控制系统的功 能仿真原型系统，本文的主要工作如下： ( 1 ) 设计了从广义开关网络中提取出拓扑图的算法，本文采用连接矩阵存储 拓扑图。 开关网络指边为开关变量的拓扑图，它可以作为电路、计算机网络等事物的 数学模型在电路分析、网络系统分析等方面得到了广泛应用，如用来判断网络 的可靠性等【3 0 】【3 1 】。以开关网络为模型来分析电路或者网络系统，首先就要获得其 拓扑图，本文对获得拓扑图的方法进行的研究具有一定的应用价值。 本文将继电控制系统的电气联系抽象为开关网络，使用链表表示非电气联系。 这样，在电气联系的层次上，继电控制线路就是一个广义开关网络。与之对应， 为了去除电路线等冗余元素，采取深度遍历和广度遍历结合的方法来生成线路对 应的连接矩阵。 ( 2 ) 、提出了给两点问连接矩阵降阶的有效算法。 鉴于对电路或网络系统的分析在很多情况下都是针对某两点间的网络进行 的，研究怎样有效获得两点间的拓扑信息也是很有意义的。 硕士学位论文 按开关网络的理论，开关网络中两点间的路径乘积可以通过对两点间二端开 关网络对应的连接矩阵进行特定运算得到。利用不可分二端图概念和经典的 t a r j a n 块划分算法，本文给出了从连接矩阵中获取两点间最小连接矩阵的算法。 本文( 1 ) ( 2 ) 项的工作具有通用性，并不只局限于对继电控制系统的处理。 ( 3 ) 提出了模拟继电控制线路中事件时序的批概念，并给出了事件仿真 算法。 考虑到时间片方法的不足，根据继电控制系统中事件的固有特点，本文 提出了批的概念来模拟事件的时序特性。二者的本质区别在于：时间片是 人为的划分模拟的时间步长，将同一步长内发生的事件视为同时；批概念 则把逻辑上一批发生的事件归为同时，而不关心一批的具体时长，有效的避免了 事件冲突。借鉴逻辑仿真算法中的时间映射法“选择追踪技术”1 3 2 ，本文在批 概念下，设计了一个事件仿真算法。 ( 4 ) 在上述工作基础上，本文在a u t o c a d 2 0 0 2 上实现了一个原型系统。 使用v c + + 6 0 和o b j e e t a r x ，我们在a u t o c a d 2 0 0 2 上开发了一个电气设计 软件系统。基于上述工作，本文作者在其中实现了继电控制系统功能仿真的原型 系统。 9 些皇篁型至堡堡圣垫奎塑塞 第2 章继电控制系统及本文相关理论 在本章中，我们首先来深入认识一f 继电控制系统。我们对其中的元件、联 系、事件等进行了分析，并按功能仿真需要给其建模，这为以后的仿真打下了基 础。紧接着，本章简要介绍了开天网络的相关理论，正如我们在绪论中提到的， 在本文的继电控制系统仿真中，我们使用升关网络为其中的电气联系建模。在这 里，也简要介绍一下逻辑电路中几种常用的逻辑仿真方法。虽然不能套用已有的 逻辑仿真方法，本文的事件仿真算法还是从逻辑仿真方法中吸收了“时间映射” 和“选择追踪技术”等思想。 第一第_ 节介绍和分析继电控制系统中的元件、联系和事件及其时序特性， 在这里，还介绍了本文引入模拟事件时序的一个重要概念“批”。第三节介绍 开关网络相关理论。第四节介绍常用的逻辑仿真方法。 2 1 继电控制线路中的元件和联系 元器件和电路线是继电控制线路的物理构件，继电控制系统是通过继电器件 实现控制的，无疑，继电器件是其中最重要的构件。在本文中，将一个继电器件 分解为组成它的各个驱动元件和开关元件。其他常用的器件还有空气开关、熔断 器、转换开关、指示剡、组合器件等等。多数器件是多个电气上独立的元件的组 合，在继电控制线路工程图中以离散元件的方式表示。为便于进行功能分析，本 文把元件定义为最小的电气单元，着眼于元件而不是器件，对其进行分类和建模。 如果说元件是继电控制系统中的实体，那么电路线和元件间的各种其他作用 就实现了这个系统的联系。正是有了这些联系，继电控制系统才成为一个整体， 系统的功能才得以实现。我们把它们分为电气联系和非电气联系来分别介绍。 2 1 1 元件类别 电源元件 在继电控制线路中的激励电源在工程图中一般都表示为两个单独的电极。电 源给线路中的负载元件供电，在本文巾将其简单的抽象为带极性的两个节点。 驱动元件 功能与行为：接受信号。当信号加载情况发生变化时发出指令驱动相关触点 功能与行为：接受信号。当信号加载情况发生变化时发出指令驱动相关触点 硕士学位论文 开关改变状态。 实例：电流、电压、中间继电器的电磁铁，热继电器的热敏元件等等。 属性域： 1 i d l t y p e ln a m e is i g n a lics i g n a lpu n d e r1 其中i d 用来唯一标识一个元件，任何一个元件都有自己的i d ：t y p e 用来 标识元件的类别：n a m e 是元件所在器件的名称，在很大程度上它表明了元件之 间的非电气联系；is i g n a l 记录驱动元件的初始信号加载情况，cs i g n a l 记 录驱动元件在当前批中的信号加载情况，二者都只取0 和1 两个值；pu n d e r 为一个指向开关元件链表的指针，这些开关元件都被此驱动元件驱动。 开关元件 功能与行为：改变线路的通断。根据驱动元件的指令改变自身的通断状态。 实例：按钮的各触点开关、继电器中的各触点开关、组合开关的各触点开关 等。 属性域： 其中相同的域与前同，i s t a t e 和c s t a t e 分别记录开关元件的初始通断 状态和当前通断状态，仅取值为0 或l 。 信号元件 功能与行为：发出警示信号，起警告提示作用。 实例：指示灯、音响元件等。 属性域： i i dit y p es t a t ei 其中s t a t e 记录信号元件信号加载情况。信号元件并不驱动其他元件，不需 要更多域。 驱动元件和信号元件统称为负载元件。 连接元件 功能与行为：起连接作用，不发生任何行为动作。 实例：熔断器、连接片、插头插座等。注意一个驱动元件从其他驱动元件的 角度看，也只是一个连接元件。 詹性域： 至 囝 继电控制系统仿真技术研究 只起连接作用，不需要其他域，在提取出的拓扑图上不再存在。 2 1 2 电气联系一一负载元件的电路拓扑 由1 4 2 节中的描述可知，继电控制系统中的关键电气联系就是激励电源之 间通过驱动元件的所有可能路径的总和，这就是电路拓扑。用开关网络理论的术 语来说就叫路径乘积。 可以使用多种方式来表示或者记录负载元件的电路拓扑。一种就是直接用拓 扑图来表示，电路图就是这样的。这种表示方式的最大特点就是直观，但是并不 便于计算机直接处理，人工分析也难免有疏漏。也可以用矩阵的方式表示，这种 方式其实就是拓扑图的矩阵存储结构，缺点是占用的存储空间可能比较大，运算 起来也不是很简洁。还有一种方式是使用逻辑表达式表示，优点是便于计算，便 于存储，缺点是不直观，用计算机来处理则此缺点没那么重要了。逻辑表达式中 的各逻辑变量分别对应着路径中的某两顶点之间的边，在继电控制线路中就是某 一个元件。 图2 1 是一个电路拓扑的例子。图中的边都表示元件。元件x 9 关于激励电源 正负极之间的电路拓扑用逻辑表达式可以表示为 ( x l + ( x 4 + x 3 幸x s ) + x 2 + ( x 5 + x 3 4x 4 ) ) + ( x 1 0 + x 1 2 + x 1 1 ) 其中的变量都是布尔变量，对应着线路中的开关。 从这个简单的例子可以看出来，要人工确定元件的电路拓扑是比较麻烦的， 幸好开关网络理论提供了一个通过连接矩阵获取线路拓扑的数学方法。 2 1 3 非电气联系 ，x f o x 1 2 x e _ 。 d f s ( v ) ，据定理知，v 是一个 割点。节点v 的l o w ( v ) 值按以下情况分别计算： ( 1 ) 若v 是第一次被访问，l o w ( v ) = d f n ( v ) 。 ( 2 ) 当回退边( v ，w ) 被检查时，置l o w ( v ) = m i n ( l o w ( v ) ，d f n ( w ) ) 。 ( 3 ) 当d f s 过程对v 的一个儿子s 扫描后返回v 时，置l o w ( v ) = m i n ( l o w ( v ) ，l o w ( s ) ) 。 t a o a n 算法要在遍历完了顶点v 的所有子孙节点后才能判断v 是否为割点， 采用的是深度遍历策略。这中策略导致了在大多数情况下，最先访问顶点所在块 最后才能输出 硕十学位论文 3 2 3 获取两点间最小连接矩阵的算法 1 、基本思想 获取两点间的最小连接矩阵，若换个蜕法，可以说本算法需要获取两顶点问 的不可分二端图块。本文获取两点问最小连接矩阵算法结合了不可分二端图的概 念和t a r j a n 块划分算法的基本思想。根据问题的需要，对t a r j a n 算法采取的搜索 策略进行了修改。算法的思想可归纳如下： ( 1 ) 引入不可分二端图概念。 除按t a r j a n 算法初始化外( 主要是初始化所有顶点的父节点、访问标志、l o w 值等) ，根据不可分二端图概念，在图中添加边( s ，e ) 。这样，问题转化为求s 、e 所在块。从s 开始遍历，首先访问边( s ，e ) 。这里s 、e 是指定的两顶点。 ( 2 ) 在遍历策略中引入“不跨过已知割点遍历”原则。 t a r j a n 块划分算法用来求取整个图的所有块，由于要在遍历了一个顶点的某 个子节点的所有后代再返回才能判断它是否割点，故采取的是d f s 遍历策略，这 就使最先访问的顶点所在的块最后输出，除非此顶点本身是割点。为了尽快的获 得包含特定顶点的块，本算法对t a r j a n 算法的搜索策略进行一定的修改，采取的 思想是“不跨过割点遍历”，这可以通过返回到了割点后直接跳到其父节点遍历实 现。在d f s 过程中计算各项点的l o w 值，若发现割点，则跳过此割点从其父节 点继续遍历，从而避免从此割点进入其他无关块。 ( 3 ) 以顶点，而不是边为操作对象。 t a r j a n 找到块对输出的是块中的边，考虑到本算法是遍历连接矩阵，采用对 顶点进行操作的策略。首先，对顶点进行操作便于在矩阵上实现，其次对顶点进 行操作，随着遍历的进行，矩阵的维数会不断减小。具体是这样实现的：d f s 堆 栈中保存的是顶点，找到一个块后，输出的也是此块相关的顶点，并据此对矩阵 进行操作：若是包含s 的块，则矩阵中仅保留此块中顶点对应的行和列，否则， 删除矩阵中对应的行和列。 本算法的目的只在于获得顶点s 、e 所在的特定块，在成功获得了指定块 后即终止，需要设定与t a r j a n 算法不同的终止条件。有以下情况： ( 1 ) 连接矩阵是一个不可分二端图，则最后总会回退到s 。因s 没有父节点， 故f a t h e r ( v ) = 0 是一个终止条件； ( 2 ) 若s 是割点，则首次回溯到s 时必定是找到了含( s ，e ) 的块。故f a t h e r ( v ) = s 也是一个终止条件： ( 3 ) s 不是割点，在图中有其他割点。因跨越割点的路径被“封堵”，故最后 还是会回退到s 。此情况下的终止条件还是f a t h e r ( v ) = 0 。 继电控制系统仿真技术研究 2 、算法描述 在理清了基本思想后，就可以较容易的写出算法了。获取两顶点s 、e 间最小 连接矩阵的算法形式化描述如下： m a t r i xg e t b l o c k ( m a t r i x m ，v e r t e xs ，v e r t e xe ) ： s 1 在图中添加一条边( s ，e ) 。 s 2 对此图中的每个顶点v ，置f a t h e r ( v ) = 0 ，v i s i t e d ( v ) = 0 ；令i = 1 ， s t a c k = 中。 s 3 置d f n ( s ) = i ，l o w ( s ) = i ；v 1 s i t e d ( s ) = 1 ，v = s ，v 压入s t a c k 中。 s 4 如果所有与v 关联的边都“已检查”，转s 6 ，否则选一未检查边f v ，w ) ， 标记为“已检查”，转s 5 。 s 5 执行下述内容后返回s 4 。 s 5 1 若v i s i t e d ( w ) = 0 ，置i = i + l