基于JAVA和MATLAB混合編程的水泵水輪機(jī)全特性構(gòu)造系統(tǒng)

曾 威，楊建東，凌 宇

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基于JAVA和MATLAB混合編程的水泵水輪機(jī)全特性構(gòu)造系統(tǒng)

曾 威1，楊建東1，凌 宇2

（1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

結(jié)合面向?qū)ο缶幊痰腏ava語言和具有強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算功能的Matlab語言，闡述了使用Java語言與Matlab混合編程的基本方法。基于建立的水泵水輪機(jī)全特性曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Matlab實(shí)現(xiàn)了任意比轉(zhuǎn)速全特性的構(gòu)造方法。將Matlab運(yùn)行環(huán)境下的m文件封裝到Java虛擬機(jī)上的主函數(shù)中，編制出了面向?qū)ο蟮娜匦詷?gòu)造軟件系統(tǒng)。就具體的工程實(shí)際案例，利用該系統(tǒng)構(gòu)造得到某水泵水輪機(jī)的全特性曲線，表明了本文混合編程可靠性。構(gòu)造結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明系統(tǒng)采用的構(gòu)造方法的正確性。

Java； Matlab；聯(lián)合編程；水泵水輪機(jī)；全特性曲線

0 前言

抽水蓄能電站具有儲(chǔ)能發(fā)電功能，有效調(diào)節(jié)了電力系統(tǒng)發(fā)供用的動(dòng)態(tài)平衡問題，得到了大力的發(fā)展[1]。該類電站運(yùn)行方式的變換十分頻繁，故其過渡過程直接影響電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。水泵水輪機(jī)是抽水蓄能電站的關(guān)鍵性設(shè)備，其全特性是抽水蓄能電站設(shè)計(jì)的重要資料，同時(shí)也是水力過渡過程計(jì)算中最重要的邊界條件。然而在抽水蓄能電站可行性設(shè)計(jì)階段、招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，水泵水輪機(jī)真機(jī)全特性曲線一般無法確定，故很多情況下，調(diào)節(jié)保證計(jì)算只能套用其他水泵水輪機(jī)的全特性曲線。但是由于國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站的數(shù)目有限，一般設(shè)計(jì)院和科研單位所能獲取的全特性曲線數(shù)據(jù)也是十分有限。故有必要通過一定的數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)程序來預(yù)測(cè)全特性曲線。

Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能可以很好將全特性構(gòu)造的方法轉(zhuǎn)化為程序代碼，但是Matlab可視化編程能力很低?；谶@種考慮，采用Matlab與其他面向?qū)ο蟮某绦蜻M(jìn)行交互可以更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)全特性構(gòu)造軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]，[3]就是采用這種方法實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)特性曲線的變換和其他相關(guān)處理。

利用Java語言對(duì)于一些較為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算程序編程十分繁瑣，編程效率極低。但Java具有跨平臺(tái)性、可移植性等優(yōu)點(diǎn)，故可以利用Java對(duì)Matlab編程進(jìn)行互補(bǔ)。文獻(xiàn)[4]探討了Java和Matlab混合編程的基本方法和原理。

1 Java和Matlab混合編程原理

根據(jù)所介紹的Java和Matlab各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，兩種程序承擔(dān)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。其中在Java虛擬機(jī)（JVM）上完成對(duì)系統(tǒng)界面和組件的設(shè)計(jì)，在Matlab運(yùn)行環(huán)境（MCR）中完成系統(tǒng)功能所涉及的計(jì)算和繪圖。其中，Java主函數(shù)操控Matlab程序，而Matlab程序所處理的數(shù)據(jù)需要傳遞到Java主函數(shù)進(jìn)行下一步的計(jì)算。Java和Matlab交互的基本原理如圖1所示。

圖1 Java和Matlab交互原理

1.1 Java程序訪問Matlab

在系統(tǒng)中，Java程序訪問Matlab是通過對(duì)象模型COM（Common Object Model）實(shí)現(xiàn)的。它是不同的應(yīng)用程序和語言之間共享二進(jìn)制代碼的代碼標(biāo)準(zhǔn)，不依賴于任何語言和操作系統(tǒng)。在Matlab中構(gòu)建COM需要使用Combuilder完成Matlab算法到COM的轉(zhuǎn)換。

將Matlab函數(shù)包裝成一個(gè)或多個(gè)Java類，從而形成一個(gè)Java組件或被Java程序調(diào)用。具體表現(xiàn)為將Matlab環(huán)境下的m文件生成Java環(huán)境中的jar文件。在Java中引入Matlab相關(guān)包及建立的包和類，即可在Java類文件中使用jar文件。

1.2 數(shù)據(jù)交互

由于不同編程語言對(duì)數(shù)據(jù)定義的方式不一致，因此在Java和Matlab混合編程時(shí)就必須考慮數(shù)據(jù)間的傳遞問題。Matlab的應(yīng)用程序接口僅僅只能處理mxArray結(jié)構(gòu)體，而在Java中不能創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型與之匹配，所以兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞只能通過Matlab提供的指針變量進(jìn)行交互[2]。

2 水泵水輪機(jī)全特性構(gòu)造的基本理論和方法

2.1 水泵水輪機(jī)全特性曲線

其中，下標(biāo)N表示水輪機(jī)工作區(qū)最高效率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，為效率。

本系統(tǒng)收集了25套全特性曲線，比轉(zhuǎn)速覆蓋范圍為70-180（m:kw）。隨比轉(zhuǎn)速的變化，全特性曲線的變化規(guī)律十分明顯。當(dāng)兩水泵水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速相近時(shí)，其全特性曲線也十分相近。基于這一規(guī)律，利用數(shù)學(xué)表達(dá)方法表示出全特性曲線隨比轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，從而可獲得任意比轉(zhuǎn)速的全特性曲線。

為方便構(gòu)造過程中的數(shù)學(xué)運(yùn)算，按照象限將全特性曲線分為圖2中的八個(gè)區(qū)間，其中分界線與全特性曲線交點(diǎn)的連線定義為特征交線，圖中用圓圈表示。

2.2 水泵水輪機(jī)全特性特征交線構(gòu)造

采用表1中的擬合模型，分別對(duì)所收集的各套全特性曲線的各條特征交線進(jìn)行數(shù)值擬合。每次擬合可獲得各條特征交線的擬合系數(shù)、（或、、）。對(duì)于全特性曲線中的一條特定特征交線，其擬合系數(shù)可以建立與比轉(zhuǎn)速之間的相關(guān)關(guān)系，即擬合系數(shù)均可以表示為比轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式，帶入數(shù)值擬合模型即可得到任意比轉(zhuǎn)速的特征交線方程。

表1 特征交線擬合模型

2.3 水泵水輪機(jī)全特性變換

水泵水輪機(jī)全特性曲線在不同的象限其變化形式有很大的差異，一、二、五、六區(qū)間特性曲線很大一部分均近似線性變化，其他區(qū)間均為弧形變化。針對(duì)這種差異，對(duì)于不同區(qū)間的特性曲線采用不同的變換方法。為解決分區(qū)帶來的各區(qū)曲線的耦合問題，將特性曲線標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將其分界線的交點(diǎn)轉(zhuǎn)化為1（特性曲線上點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)分別除以橫、縱分界線上的數(shù)值）。

特性曲線在反S區(qū)間和駝峰區(qū)的多值現(xiàn)象阻礙了數(shù)學(xué)運(yùn)算，故必須消除。線性變化區(qū)間特性曲線可交換橫、縱坐標(biāo)，弧形變化區(qū)間可將曲線以原點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)化到極坐標(biāo)，根據(jù)這種數(shù)學(xué)變換，即可消除多值現(xiàn)象。

2.4 任意比轉(zhuǎn)速全特性曲線構(gòu)造

圖3 第一區(qū)間空間網(wǎng)格與平面網(wǎng)格

3 全特性構(gòu)造軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照上一章內(nèi)容，水泵水輪機(jī)全特性構(gòu)造軟件系統(tǒng)可以對(duì)應(yīng)分為四大模塊。圖4給出采用Java語言編寫的軟件主界面，其中包含了四個(gè)模塊，分別為：數(shù)據(jù)讀入、特征提取、全特性變換和全特性構(gòu)造。

對(duì)應(yīng)于全特性構(gòu)造的方法，軟件設(shè)計(jì)流程與思路可用圖5中的框圖概括，具體包括：

（1）進(jìn)入模塊一，讀入某一套全特性曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)所讀入的數(shù)據(jù)運(yùn)算數(shù)據(jù)所包含開度以及每條開度的長(zhǎng)度，分析結(jié)果供后面模塊調(diào)用。軟件也可顯示平面坐標(biāo)下的特性曲線和三維坐標(biāo)下的空間特性曲線。

（2）進(jìn)入模塊二，根據(jù)讀入的全特性曲線數(shù)據(jù)，提取全特性曲線的特征點(diǎn)（包括高效點(diǎn)和高效點(diǎn)所在開度與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)）、特征交線。并對(duì)特征交線擬合處理，得到擬合參數(shù)。

圖4 軟件系統(tǒng)總界面

（4）循環(huán)操作前三模塊，直到對(duì)所收集的所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行運(yùn)算后，再進(jìn)入模塊四。根據(jù)前三模塊的工作可以獲取包含不同比轉(zhuǎn)速全特性曲線的特征點(diǎn)、特征交線、各區(qū)間變換后特性曲線的數(shù)據(jù)庫(kù)。輸入待插值比轉(zhuǎn)速和待插值開度，即可插值得到全特性曲線。

圖5 軟件系統(tǒng)流程框架圖

4 實(shí)例分析

以比轉(zhuǎn)速124.6(k:mw)的水泵水輪機(jī)為例，利用本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，構(gòu)造各區(qū)的特性曲線，并自動(dòng)耦合各區(qū)曲線，結(jié)果如圖6所示。表明本文采用Java與Matlab混合編程方式的正確性。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變換結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到非常高的相關(guān)性。說明本文所采用構(gòu)造方法具有較高精度，構(gòu)造數(shù)據(jù)完全可以用于抽水蓄能電站初期設(shè)計(jì)。

圖6 構(gòu)造出的特性曲線

5 結(jié)論

（1）本文探討了Java語言和Matlab語言混合編程的有關(guān)問題，利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)全特性構(gòu)造過程中的各種復(fù)雜插值、擬合及其他數(shù)學(xué)運(yùn)算，同時(shí)采用Java面向?qū)ο蟮男再|(zhì)，封裝了Matlab運(yùn)行環(huán)境下的m文件。實(shí)現(xiàn)了將這兩種語言聯(lián)合運(yùn)行的方式應(yīng)用到水泵水輪機(jī)全特性構(gòu)造之中。

（2）基于建立的水泵水輪機(jī)全特性曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，本文將各組全特性數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，分別構(gòu)造了全特性曲線中的特征點(diǎn)、特征交線和八區(qū)間特性曲線的數(shù)據(jù)庫(kù)。其中對(duì)特性曲線構(gòu)造時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，消除了其多值現(xiàn)象。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)可以插值得到任意比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)的全特性曲線。

[1] Г.И.克里夫琴科. 水電站動(dòng)力裝置中的過渡過程[M]. 北京: 水力出版社, 1981．

[2] 唐岳灝, 楊建東. Fortran和MATLAB的混合編程在水輪機(jī)特性曲線處理中的應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)工學(xué)版, 2002, 35(2):45-49．

[3] 齊學(xué)義, 吳江, 蔡艾江. C語言和MATLAB的混合編程在水輪機(jī)特性曲線繪制與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用 [J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 31(6):51-54．

[4] 王微，楊麗萍. Java和Matlab混合編程及其應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 22(10): 1186-1189．

[5] 唐月紅, 沈慶紅, 許有信. 三元二次樣條函數(shù)及其計(jì)算（Ⅰ）—高維數(shù)據(jù)擬合[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 28(5): 614-620．

[6] 唐月紅, 沈慶紅, 許有信. 三元二次樣條函數(shù)及其計(jì)算（Ⅱ）—計(jì)算機(jī)表示[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 29(1): 32-37．

[7] 石辛民, 郝整清. 基于MATLAB的實(shí)用數(shù)值計(jì)算[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006．

The Generation of Pump-turbine Characteristics Based on Hybrid Programming Between JAVA with MATLAB

ZENG Wei1, YANG Jiandong1, LIN Yu2

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The Java language is a typical object-oriented programming, and the Matlab language has an enhanced functionality of numerical calculation. By combining these two kinds of programming languages, basic methods of hybrid programming between them were illustrated in this paper. Based on the established database of pump turbine characteristic curves with different specific speeds, the method of constructing a set of characteristics at arbitrary specific speed was realized by Matlab programming. We encapsulated the m files compiled under Matlab running environment into the main function compiled in Java virtual machine, obtaining the object-oriented software. In terms of the engineering practices, a set of whole pump-turbine characteristics was gained by this software, which conformed that the hybrid programming was reliable. Compared with the actual results, the construction results validated the method adopted in this paper to construct the pump-turbine characteristics.

Java; Matlab;hybrid programming; pump-turbines; whole characteristic curves

TV734.1；TP311.1

A

1000-3983(2014)04-0055-04

2014-03-24

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目：基于空間曲面的水泵水輪機(jī)全特性及過渡過程的研究(51039005)

曾威（1992-），男，湖北應(yīng)城人，武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要從事水泵水輪機(jī)特性和抽水蓄能電站過渡過程研究，碩士研究生

審稿人：閔英光