Система MatLab Simulink предназначена для моделирования различных систем по структурной схеме. Имеется возможность моделировать как по передаточным функциям, так и по силовым электрическим элементам, описывающимся сложными дифференциальными уравнениями (например асинхронный двигатель).
В данной системе предоставляется возможность проектировать собственные блоки, путём задания описания в виде дифференциальных уравнений с использованием М-функций. Это предоставляет проектировщику неограниченные возможности в создании моделей.
Для обеспечения работоспособности блоков, внутри которых приходится указывать переменные (например задавать коэффициенты в передаточной функции в общем виде) предусмотрен аппарат М-файлов. Данные файлы содержат в себе перечень всех переменных и инструкций, которые будут использованы в структурной схеме. Это позволяет легко изменять параметры элементов схемы, не вмешиваясь при этом в саму схему.
Далее мы рассмотрим основные блоки, необходимые при моделировании систем управления электроприводами.
Непрерывные блоки (Continuous)
Данная библиотека блоков содержит блоки, необходимые для моделирования аналоговых систем. Краткое описание данных блоков:
Integrator – аналоговый интегратор;
Derivate – звено аналогового дифференцирования;
Transfer Fсn – линейное аналоговое звено, заданное своей передаточной функцией;
State-Space – линейная аналоговая система, заданная в виде уравнений состояния, то есть в виде системы уравнений, представленной в форме Коши;
Zero-Pole – линейная; аналоговая система, заданная своими нулями и полюсами;
Memory – блок памяти, выполняющий задержку на один шаг модельного времени;
Transport Delay — блок памяти, выполняющий задержку, устанавливаемую в поле настройки;
Variable Transport Delay – блок памяти, с переменой задержкой.
Блок Transfer Fcn наиболее часто используются при моделировании систем управления. Передаточная функция линейного непрерывного звена автоматического регулирования в общем случае записывается в виде:
Коэффициенты числителя: этой функции aiследует ввести в поле Numerator, начиная с коэффициента атпри старшей производной. Аналогично заполняется поле знаменателя передаточной функции Denominator, начиная с коэффициента bn.
Дискретные блоки (Discrete)
Дискретные блоки необходимы для построения цифровых систем управления. Описание основных блоков:
Zero-Order-Hold – экстраполятор нулевого порядка;
Unit Delay – блок задержки сигнала;
Discrete-Time Integrator – дискретный интегратор;
Discrete State-Space – блок задания дискретного звена матрицами его состояния;
Discrete Filter – блок задания дискретного звена через дискретную передаточную дробно-рациональную функцию относительно 1/Z;
Discrete Transfer Fсn – блок задания дискретного звена через дискретную передаточную дробно-рациональную функцию относительно Z;
Discrete Zero-Pole – блок задания дискретного звена через указание значений нулей и полюсов дискретной передаточной функции относительно 1/Z.
First-Order Hold – экстраполятор первого порядка;
Блок Unit Delay обеспечивает задержку входного сигнала на заданное число шагов модельного времени. Параметрами настройки блока являются: Initial condition (начальное значение сигнала) и Sample time (время задержки), задаваемое числом шагов модельного времени.
Блок Discrete-Time Integrator выполняет численное интегрирование входного сигнала. Большинство параметров настройки этого блока совпадают с параметрами блока Integrator раздела Continuous. Отличия состоят в следующем: в блоке дискретного интегратора есть дополнительный параметр – метод численного интегрирования (Integrator method). С помощью списка можно выбрать один из трёх методов:
- прямой метод Эйлера (левых прямоугольников);
- обратный метод Эйлера (правых прямоугольников);
- метод трапеции.
Второе отличие – вместо параметра Absolute tolerance введён параметр Sample time, который задаёт шаг интегрирования в единицах шагов модельного времени.
Математические блоки (Math)
Эти блоки выполняют математические операции над сигналами (сложение, вычитание, умножение и т.д.). Краткое описание основных блоков:
Sum – аналоговый сумматор, позволяющий алгебраически суммировать любое число сигналов на входе и имеющий один выход;
Product – вычислитель, формирующий на выходе результат умножения или деления двух и более входных сигналов. В качестве параметров настройки указывается число входов и вид выполняемой операции;
Gain – аналоговый усилитель;
Mat Function – блок, позволяющий выбрать одну из математических функций в поле настройки и включить ее в модель;
Trigonometric Function – звено формирования на выходе тригонометрической функции входного сигнала. Выбор функции обеспечивается в поле настройки;
Abs – блок, формирующий на выходе абсолютное значение входного сигнала, в функциональных схемах полупроводникового электропривода играет роль выпрямителя;
Sign – блок-реле, реагирующий на знак входного сигнала. Значение выходного сигнала устанавливается в окне настройки;
Algebraic Constraint – блок, позволяющий в структурную модель включать систему алгебраических уравнений.
Нелинейные блоки (Nonlinear)
Блоки из библиотеки нелинейных элементов выполняют нелинейные преобразования входных величин. Основные блоки данной библиотеки:
Saturation – усилитель с ограничением. Величина выходного сигнала при положительном и отрицательном входном сигнале устанавливается в окне настройки;
Quantizer – блок, обеспечивающий квантование входного сигнала по уровню. Величина ступеньки задается в окне настройки. В системах управления такие блоки являются частью аналого-цифровых преобразователей;
Dead Zone – блок, реализующий зону нечувствительности;
Relay — реле с регулируемой зоной нечувствительности и устанавливаемой величиной положительного и отрицательного выходного сигнала;
Switch — ключ, который переключается, когда входной сигнал становится равным или большим заданного в поле настройки;
Сигналы и системы (Signals and Systems)
Основные блоки данной библиотеки, необходимые для моделирования СУЭП:
In, Out – входной и выходной блоки, обеспечивающие связь между подсистемами иерархической модели;
Muх – блок, позволяющий объединить несколько входных сигналов в один вектор, количество входов задается в окне настройки;
Bus Selector – блок выделяет из присоединенной к его порту шины требуемые сигналы. В окне настройки блока имеется два списка – входной и выходной.
Demux – блок, разделяющий входной вектор на его составляющие, количество этих составляющих определяет количество выходов в поле настройки;
Subsystem – блок-заготовка для создания модели подсистемы;
Виртуальные приборы для наблюдения и регистрации процессов (Skins)
В состав основных виртуальных приборов входят:
Scope – осциллоскоп для наблюдения временных зависимостей;
XY Graph – графопостроитель в системе декартовых координат;
То Workspace – устройство для передачи результатов моделирования в рабочее пространство с целью их дальнейшей обработки;
Источники сигналов (Sources)
Набор блоков содержит практически все необходимые источники сигналов для исследования электропривода. Возможно задание произвольного воздействия из файла — блок From File. Кроме источников детерминированных воздействий с различной функциональной и временной зависимостью имеются источники случайных воздействий с различными законами распределения. С каждым графическим элементом связано окно настроек. Соответствующие поля содержат выбор формы периодического сигнала (Wawe form), установку амплитуды сигнала (Amplitude), установку частоты (Frequency) и выбор единиц измерения установленной частоты (в раскрывающемся меню предлагается два варианта: герцы и радианы в секунду).
Основной блок для исследования систем управления электроприводов – Step (задание ступенчатого сигнала с регулируемой величиной импульса и временем действия).
Источники электрической энергии (Electrical Sources)
Данная библиотека принадлежит к разделу Силовые системы (SimPowerSystems) и содержит источники постоянного и переменного напряжения и тока. Основные блоки:
AC Current Source – источник переменного тока;
AC Voltage Source – источник переменного напряжения;
DC Voltage Source – источник постоянного напряжения.
Управляемые источники из этой библиотеки позволяют связать структурные или функциональные схемы основных библиотек Simulink Library с элементами пакета Power System Blockset. В окне настройки блоков присутствует поле Measurements, позволяющее подключать блоки для измерения параметров.
Библиотека силовых элементов полупроводниковых преобразователей (Power Electronics)
Эта библиотека содержит семь типов одиночных силовых элементов и модели различных полупроводниковых преобразователей, представленных одним универсальным блоком (Universal Bridge).
Основной блок из данной библиотеки – IGBT (модель моста на IGBT транзисторах). Данный блок полезен при низкоуровневом моделировании частотно-управляемых электроприводов переменного тока так как IGBT модуль является основной частью инвертора.
Библиотека электрических машин (Machines)
Эта библиотека содержит синхронные, асинхронные машины и машины постоянного тока. Все машины могут быть представлены как в абсолютных, так и относительных единицах. Универсальный блок измерений (Measurement demultiplexer) позволяет измерить требуемые переменные состояния машины.
