Создание и исследование моделей электротехнических систем в среде Matlab Simulink

1. Создание и исследование моделей электротехнических систем в среде Matlab Simulink

2. СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ MATLAB Система MATLAB (от слов Matrix Laboratory — матричная лаборатория) создана в 1970 г. Это программный продукт, который состоит из большого количества специальных программ, позволяющих решать широкий спектр математических и технических задач из разных областей науки и техники.

3. Система MATLAB содержит около 60-ти различных комплектов команд (так называемых "Toolboxes"), соответствующие различным разделам математики, математической физики, проектирования, связи, экономики и т.д. Одним из компонентов оболочки Matlab является среда визуального моделирования Simulink.

4. Интерфейс Matlab /Simulink Работа с пакетом Simulink начинается с запуска системы MATLAB с помощью выведенного на «Рабочий стол» ярлыка, либо через кнопку на панели задач Пуск/Программы/MATLAB. При запуске системы MATLAB появляется рабочее окно системы, содержащее: • название окна — MATLAB

5. панель меню File, Edit, View, Web, Window, Help • панель инструментов, на которой расположены известные в большинстве своем кнопки, но среди них имеется кнопка , имеющая всплывающую подсказку Simulink; • наборное поле командного окна; • строку состояния.

7. Запуск пакета Simulink Запуск пакета Simulink осуществляется одним из следующих способов: с помощью упомянутой кнопки на панели инструментов (при этом вызывается окно браузера, называемое также окно обозревателя библиотеки — Simulink Library Browser); набором в строке командного окна слова Simulink (также вызывается окно браузера); последовательным выбором пунктов меню File/New/Model (открывается окно для создания S- или SPS-модели);

8. Окно браузера библиотеки Simulink

9. Окно браузера библиотеки Simulink содержит: 1) панель с названием окна — Simulink Library Browser; 2) панель меню; 3) панель инструментов с кнопками; 4) окно с названием выбранного раздела библиотеки; 5) левое окно со списком разделов библиотеки 6) правое окно для вывода содержания открытого раздела или подраздела библиотеки в виде пиктограмм; 7) строку состояния окна.

10. Библиотека Simulink При вызове окна браузера автоматически открывается раздел библиотеки Simulink в левой (подстрочное подменю в виде дерева) и правой (пиктограммы подразделов) частях окна. С разделами в левой части правила работы общие для подобных списков: в пиктограмме свернутого узла дерева знак «+», а у развернутого «-». Щелчком ЛК мыши по указанному знаку можно развернуть или свернуть узел дерева.

11. На панели меню окна браузера имеются 4 меню: • File (файл) — работа с файлами библиотеки: создание новой модели, открытие или закрытие mdl-файла. • Edit (редактирование) — добавление блоков в выделенную модель и их поиск по указанному названию. • View (вид) — управление показом элементов интерфейса. • Help (помощь) — вызов справки по окну браузера.

12. Окно для создания модели • Для построения модели необходимо вызвать окно браузера и окно модели. Если открыто первое из них, то второе следует открывать ЛК мыши по пунктам меню File/New/Model, либо кнопкой окна браузера • В том случае, когда на рабочем столе имеется только окно для создания модели, вызов окна браузера осуществляется по пунктам • меню View/Library Browser окна модели или кнопкой окна MATLAB (аналогичная кнопка имеется на панели инструментов окна модели).

13. Окно модели

14. Окно модели содержит следующие области: • панель названия окна или имени модели; • панель меню; • панель инструментов; • окно для непосредственного создания модели; • строка состояния, содержащая сведения о состоянии модели.

15. Назначение пакета Simulink 1. Пакет Simulink служит для блочного моделирования различных устройств и систем. Он имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок – схем. Графический редактор пользователя позволяет осуществлять визуальное программирование.

16. Используя наборы блок – схем пользователь с помощью мышки переносит нужные компоненты в окно модели и соединяет линиями входы и выходы блоков. То есть готовится моделирование нужной системы и устройства. 2. Simulink автоматизирует решение сложных систем алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему (модель)

17. При этом обеспечивается удобный и наглядный визуальный котроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства. Таким образом Simulink предоставляет возможности по изучению, проектирования и исследования элементов энергетических и электромеханических систем, а также систем в целом.

18. Пример блочного моделирования

19. Реализация блочного моделирования Результатом блочного моделирования в приведенном примере является расчет переходной характеристики. Переходная характеристика – это реакция системы на единичное входное воздействие. Объектом исследования в данном случае является передаточная функция, которая задается с помощью звена Transfer Fcnиз библиотеки Simulink / Continuous.

20. Передаточная функция исходной системы в общем виде представляется в виде:

21. Коэффициенты аi следует вводить в поле Numerator, начиная с коэффициента аmпри старшей производной. Аналогично заполняется поле знаменателя передаточной функции Denominator, начиная с коэффициента bn. Входное воздействие на передаточную функцию подается с помощью элемента Constantиз библиотеки Simulink / Commonly Used Blocks, а выходной сигнал регистрируется осциллографом Simulink / Sinks / Scope

22. Пример решения систем уравнений

23. Создание схемы Для создания схемы в приведенном примере в среде Matlab Simulink предусмотрены модели последовательной и параллельной R-L-C цепочек. Они находятся в библиотеке SimPowerSystems / Elements / Series RLC Branchи SimPowerSystems / Elements / Раrallel RLC Branch.

24. Подключение элементов схемы Источник переменного напряжения, который необходимо подключить к схеме, находится в библиотеке SimPowerSystems / Electrical Sources / AC Voltage Sources. Для получения и визуализации процессов необходимо подключить к схеме измерительный прибор и осциллограф.

25. Измерительные приборы находятся в библиотеке SimPowerSystems / Measurements / Voltage Measurement. Для визуализации процессов к вольтметру подсоединяют осциллограф, который находится в библиотеке Simulink / Sinks / Scope. Для того чтобы снять осциллографом графики переходных процессов, подключают на выход схемы активное сопротивление

26. При решении систем уравнений и построении переходной характеристики существенно влияет на результат выбор численного метода расчета (Solver), шага расчета (Relative tolerance), начального и конечного значения времени переходного процесса (Start time, Stop time). Это все в реализуется в Simulink спомощью решателя, обращение к которому осуществляется через позицию Simulation главного меню.

27. Simulation Параметры решателя устанавливаются с помощью окна, которое появляется при исполнении команды Parameters в позиции Simulation. В нем можно установить конкретный метод решения дифференциальных уравнений ode 45, ode23, rk 45 (метод Рунге-Кутта ), odel 13 (метод Адомса ), ode 15s ode1(метод Эйлера)

29. Построение частотных характеристик Чтобы построить частотные характеристики, нужно задать вход и выход передаточной функции с помощью команды «Linear Analysis»/«Input Point» и «Linear Analysis»/«Output Point» из выпадающего меню, при щелчке правой кнопки на входе и выходе передаточной функции. После назначения входа и выхода передаточной функции модель принимает вид

31. Расчёт частотных характеристик выполняется вызовом команды «Tools \ Control Design \ Linear Analysis» В открывшемся окне настройки «Control and Estimation Tools Manager» выбираем «Bode Response Plot» для построения частотных характеристик и нажимаем на «Linearize Model». В окне построения графика можно наблюдать в верхней части амплитудно-частотную характеристику, а в нижней части фазо -частотную характеристику

33. После выполнения команд «File\Print to Figure» и «Edit\Copy Figure» графики частотных характеристик отправляют в буфер обмена для дальнейшей обработки в графическом редакторе.

34. Запуск и остановка процесса моделирования В конце инструментальной панели Simulinkнаходятся две важных кнопки управления. Одна в виде черного треугольника (Start/Pause Simulation), которая запускает или приостанавливает начатый процесс моделирования, другая в виде черного квадратика (Stop) – останавливает процесс моделирования. Вместо кнопок можно использовать команды Startи Pauseв позиции Simulation.