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”計劃已經(jīng)成功完成了在地球軌道上的探索飛行測試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）的機組成員工作，這是一架繞月飛行的無人駕駛飛機。

四個太陽能電池組和四個鋰離子電池組件將為“獵戶座”飛船的生命支持、推進、導(dǎo)航和其他系統(tǒng)提供動力。為了確保這些系統(tǒng)能夠在長時間的深空任務(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”動力系統(tǒng)模型進行仿真。

“我們在Simulink中創(chuàng)建的多節(jié)點電力模型使我們比以前使用的單節(jié)點模型能更精確地進行仿真” ，洛克希德馬丁公司的獵戶座項目電力系統(tǒng)主管分析師Hector Hernandez如是說。“Simscape Power Systems使得仿真整個電網(wǎng)并仿真更真實的行為變得更加容易。我們現(xiàn)在有能力測量不同組件之間的電壓下降，這讓我們更深入地了解整個系統(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，當工程師們試圖檢查越來越多的測試用例時，模型卻變慢了，偶爾也會崩潰。由于這是一個單節(jié)點電源模型，所以該團隊不能用它來評估整個系統(tǒng)中的電壓下降，或者評估電能質(zhì)量要求。

洛馬公司需要建立一個“獵戶座”電力系統(tǒng)的多節(jié)點模型，包括它的發(fā)電、儲能和配電組件，然后運行仿真來驗證設(shè)計、測試故障條件、驗證系統(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來對獵戶座飛船的電力系統(tǒng)進行建模和仿真。

為了對太陽能電池陣列建模，該團隊創(chuàng)建了一個用Simscape語言編寫的定制太陽能電池模型。為了計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，太陽能電池陣列的指向角、陰影以及太陽、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，該團隊使用了SimscapePower Systems組件庫的標準塊和使用Simscape語言開發(fā)的定制塊，創(chuàng)建了一個鋰離子電池模型。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語言，團隊創(chuàng)建了一個自定義的電源負載塊，以仿真飛船的推進、引導(dǎo)和其他系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時開啟和關(guān)閉狀態(tài)下所產(chǎn)生的不同負載。使用集成的電力系統(tǒng)模型，該團隊對各種任務(wù)工況進行了模擬。他們監(jiān)測任務(wù)和負載變化，仿真故障場景，包括電池故障、開關(guān)卡死和在上升和在軌階段的太陽能陣列故障，以便在開發(fā)過程中評估對電力的影響。這些結(jié)果被用來指導(dǎo)開發(fā)針對失敗情況的可能性與協(xié)議。

使用Simscape Power Systems，我們創(chuàng)建了一個連接電力和熱域的集成電力系統(tǒng)模型，由此我們在任務(wù)級仿真中掌握了整體藍圖。如果我們需要對太陽能電池板的發(fā)動機進行建模，我們也有能力將這些機械部件整合起來。

—— Lockheed Martin

Hector Hernandez

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

利用MATLAB，該團隊對仿真結(jié)果進行了后處理與可視化，并利用美國宇航局的國際空間站內(nèi)部電力系統(tǒng)模擬器產(chǎn)生的結(jié)果進行了驗證。

結(jié)果

開發(fā)時間減少了三分之二。“用Simscape Power Systems和Simscape語言，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間”，Hernandez說，“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。“我們已經(jīng)用Simscape建立了一個定制的組件庫，包括電力配電組件，以及電氣、熱和軌道力學(xué)塊”，Hernandez說，“從EFT-1中重用幾個組件使我們能夠?qū)M-1程序進行快速的轉(zhuǎn)回評估。”

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，“和我一起工作的NASA工程師們都喜歡Simscape模型，因為模型比低級代碼更直觀。”