NASA的“獵戶座”飛船將能夠搭載人類到包括火星在內(nèi)的深空目的地。“獵戶座”計(jì)劃已經(jīng)成功完成了在地球軌道上的探索飛行測(cè)試1（EFT-1）任務(wù)，洛克希德馬丁公司的工程師們正在為探索任務(wù)1（EM1）的機(jī)組成員工作，這是一架繞月飛行的無(wú)人駕駛飛機(jī)。

四個(gè)太陽(yáng)能電池組和四個(gè)鋰離子電池組件將為“獵戶座”飛船的生命支持、推進(jìn)、導(dǎo)航和其他系統(tǒng)提供動(dòng)力。為了確保這些系統(tǒng)能夠在長(zhǎng)時(shí)間的深空任務(wù)中獲得足夠的能量，洛克希德馬丁公司的工程師們使用Simulink和Simscape Power Systems開發(fā)的“獵戶座”動(dòng)力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。

“我們?cè)赟imulink中創(chuàng)建的多節(jié)點(diǎn)電力模型使我們比以前使用的單節(jié)點(diǎn)模型能更精確地進(jìn)行仿真” ，洛克希德馬丁公司的獵戶座項(xiàng)目電力系統(tǒng)主管分析師Hector Hernandez如是說(shuō)。“Simscape Power Systems使得仿真整個(gè)電網(wǎng)并仿真更真實(shí)的行為變得更加容易。我們現(xiàn)在有能力測(cè)量不同組件之間的電壓下降，這讓我們更深入地了解整個(gè)系統(tǒng)的電力質(zhì)量。”

挑戰(zhàn)

幾年前，洛克希德馬丁公司的工程師們?yōu)镹ASA的星座計(jì)劃開發(fā)了一種電力系統(tǒng)模型，使用的是微軟Excel和Visual Basic(VBA)。然而，當(dāng)工程師們?cè)噲D檢查越來(lái)越多的測(cè)試用例時(shí)，模型卻變慢了，偶爾也會(huì)崩潰。由于這是一個(gè)單節(jié)點(diǎn)電源模型，所以該團(tuán)隊(duì)不能用它來(lái)評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)中的電壓下降，或者評(píng)估電能質(zhì)量要求。

洛馬公司需要建立一個(gè)“獵戶座”電力系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)模型，包括它的發(fā)電、儲(chǔ)能和配電組件，然后運(yùn)行仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)、測(cè)試故障條件、驗(yàn)證系統(tǒng)性能和執(zhí)行任務(wù)分析。他們想要的是一種視覺模型，讓NASA的同事們能夠立即理解，而不用去檢查低層次的代碼。

獵戶座電力系統(tǒng)模型。該模型使工程師能夠模擬大量的任務(wù)概要，以驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和能力。

解決方案

洛克希德馬丁公司的工程師使用Simulink和Simscape Power Systems來(lái)對(duì)獵戶座飛船的電力系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。

為了對(duì)太陽(yáng)能電池陣列建模，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)用Simscape語(yǔ)言編寫的定制太陽(yáng)能電池模型。為了計(jì)算陣列的精確電流電壓(IV)曲線，該模型考慮了每塊翼板上的電池單元數(shù)量，太陽(yáng)能電池陣列的指向角、陰影以及太陽(yáng)、行星紅外和阿爾貝多等引起的熱效應(yīng)。此外，還考慮了輻射、污染、與微隕星和軌道碎片的碰撞等造成性能下降的因素。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)使用了SimscapePower Systems組件庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)塊和使用Simscape語(yǔ)言開發(fā)的定制塊，創(chuàng)建了一個(gè)鋰離子電池模型。該模型描述了電池的滯后效應(yīng)、溫度和電池的充電狀態(tài)。

繼續(xù)使用Simscape語(yǔ)言，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)自定義的電源負(fù)載塊，以仿真飛船的推進(jìn)、引導(dǎo)和其他系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)開啟和關(guān)閉狀態(tài)下所產(chǎn)生的不同負(fù)載。使用集成的電力系統(tǒng)模型，該團(tuán)隊(duì)對(duì)各種任務(wù)工況進(jìn)行了模擬。他們監(jiān)測(cè)任務(wù)和負(fù)載變化，仿真故障場(chǎng)景，包括電池故障、開關(guān)卡死和在上升和在軌階段的太陽(yáng)能陣列故障，以便在開發(fā)過(guò)程中評(píng)估對(duì)電力的影響。這些結(jié)果被用來(lái)指導(dǎo)開發(fā)針對(duì)失敗情況的可能性與協(xié)議。

使用Simscape Power Systems，我們創(chuàng)建了一個(gè)連接電力和熱域的集成電力系統(tǒng)模型，由此我們?cè)谌蝿?wù)級(jí)仿真中掌握了整體藍(lán)圖。如果我們需要對(duì)太陽(yáng)能電池板的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，我們也有能力將這些機(jī)械部件整合起來(lái)。

—— Lockheed Martin

Hector Hernandez

他們還仿真了大量的任務(wù)工況，以確保太陽(yáng)能電池陣列和電池的大小正確，并在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的日食場(chǎng)景中考察電力系統(tǒng)的性能。這些仿真的輸入是受控系統(tǒng)狀態(tài)和用MATLAB生成的負(fù)載工況的時(shí)間軸。

利用MATLAB，該團(tuán)隊(duì)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了后處理與可視化，并利用美國(guó)宇航局的國(guó)際空間站內(nèi)部電力系統(tǒng)模擬器產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

結(jié)果

開發(fā)時(shí)間減少了三分之二。“用Simscape Power Systems和Simscape語(yǔ)言，與使用VBA相比，我們開發(fā)獵戶座電力系統(tǒng)模型少用了大約三分之二的時(shí)間”，Hernandez說(shuō)，“Simscape很直接;它使我們能夠比VBA更快更高效地創(chuàng)建自定義組件。”

建立了可重用組件庫(kù)。“我們已經(jīng)用Simscape建立了一個(gè)定制的組件庫(kù)，包括電力配電組件，以及電氣、熱和軌道力學(xué)塊”，Hernandez說(shuō)，“從EFT-1中重用幾個(gè)組件使我們能夠?qū)M-1程序進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)回評(píng)估。”

低層次編碼最小化。“有了Simulink和Simscape Power Systems，我不需要自己寫代碼求解系統(tǒng)方程。我構(gòu)建了自定義的塊，以圖形方式連接它們，并讓求解器自己完成工作”，Hernandez說(shuō)，“和我一起工作的NASA工程師們都喜歡Simscape模型，因?yàn)槟Ｐ捅鹊图?jí)代碼更直觀。”