中南大学工厂供电课程设计报告1111.docx
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中南大学工厂供电课程设计报告1111
中南大学
工程训练报告
课题名称:
基于MATLAB的电力电子系统仿真
专业班级:
自动化0801班
学号:
0909080228
姓名:
钟彦达
指导老师:
桂武鸣老师
引言
20世纪60年代发展起来的电力电子技术,使电能可以变换和控制,产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置,为工业生产、交通运输、楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术。
为了更高效的利用电能,不断的有新控制技术和算法出现。
那么如何验证这些算法的好坏呢?
建立模型仿真是最有效,最经济的一种形式。
在实际的工程应用中,我们要经常需要改善系统的运行性能,提高系统的效益。
而系统又通常是复杂的非线性的,在仿真的基础上加以实现就比较容易。
电力电子技术仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的电力系统模块环境中。
在MATLAB提示符下键入powerlib命令。
这个命令将打开simulink窗口。
同时展示了电力系统模块工具箱中的不同子模块工具箱。
在psb中几乎提供了组成电力系统的所有元件,元件模型丰富,包括:
同步机,异步机,变压器,直流机,线性和非线性,有名的和标么值系统的,不同仿真精度的设备模型库,单相,三相的分布和集中参数的传输线,单相,三相断路器及各种电力系统的负荷模型,电力半导体器件库以及控制测量环节,信号显示和模块连接等一般可以在simulink工具箱中找到。
第一章MATLAB基础
1.1MATLAB介绍
MATLAB是一种科学计算软件。
MATLAB是MatrixLaboratory(矩阵实验室)的缩写,这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。
早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。
由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式,并且有绘图功能,有用户自行扩展的空间,因此特别受到用户的欢迎,使它成为在科技界广为使用的软件,也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。
MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出,历经升级,到2001年已经有了6.0版,现在MATLAB6.1、6.5、7.0版都已相继面世。
早期的MATLAB在DOS环境下运行,1990年推出了Windows版本。
1993年,Mathworks公司又推出了MATLAB的微机版,充分支持在MicrosoftWindows界面下的编程,它的功能越来越强大,在科技和工程界广为传播,是各种科学计算软件中使用频率最高的软件。
MATLAB比较易学,它只有一种数据类型(即64位双精度二进制),一种标准的输入输出语句,它用解释方式工作,不需要编译,一般人门后经过自学就可以掌握。
如果有不清楚的地方,可以通过它的帮助(help)和演示(demo)功能得到启示。
学习MATLAB的难点在于,它有大量函数,这些MATLAB函数仅基本部分就有7∞多个,其中常用的有200-300个,掌握和记忆起来都比较困难。
1993年出现了SIMULINK,这是基于框图的仿真平台,SIMULINK挂接在MATLAB环境上,以MATLAB的强大计算功能为基础,以直观的模块框图进行仿真和计算。
SIMULINK提供了各种仿真工具,尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库,为系统的仿真提供了极大便利。
在SIMULINK平台上,拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图,并对模型进行仿真。
在SIMULINK平台上,仿真模型的可读性很强,这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时,需要熟悉记忆大量M函数的麻烦,对广大工程技术人员来说,这无疑是最好的福音。
现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK,SIMULINK的版本也在不断地升级,从1993年的MATLAB4.0/SIMULINK1.0版到2001年的MATLAB6.1/SIMULINK4.1版,2002年即推出了MATLAB6.5/SIMULINK5.0版。
MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了,它已经成为一个高级计算和仿真平台。
SIMULINK原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱,在使用中易编程、易拓展,并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。
它能支持连续系统和离散系统的仿真,支持连续离散混合系统的仿真,也支持线性和非线性系统的仿真,并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真,也就是不同的系统能以不同的采样频率组合,这样就可以仿真较大、较复杂的系统。
因此,各科学领域根据自己的仿真需要,以MATLAB为基础,开发了大量的专用仿真程序,并把这些程序以模块的形式都放入SIMULINK中,形成了模块库。
SIMULINK的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。
现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录,在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容,之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录,逐级打开模块库浏览器(SIMULINKLibraryBrowser)的目录,就可以看到这些模块。
从SIMULINK4.1版开始,有了电力系统模块库(PowerSystemBlockset),该模块库主要由加拿大HydroQuebec和TECSIMIr阳口lational公司共同开发。
在SIMULINK环境下用电力系统模块库的模块,可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。
本书中电力电子和电力拖动控制系统的仿真就是在MATLAB/SIMULINK环境下,主要使用电力系统模块库和SIMULINK两个模块库进行。
通过电力电子电路和电机控制系统的仿真,不仅展示了MATLAB/SIMULINK的强大功能,并且可以学习控制系统仿真的方法和技巧,研究电路和系统的原理和性能。
由于SIMULINK和MATLAB的密切依存关系,在介绍SIMULINK之前,必须首先介绍MATLAB0MATLAB的一些基本命令和函数,尤其是MATLAB的绘图功能,是在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真中要经常使用的。
但是本书主要是介绍电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真,因此对MATLAB只介绍与本书有关的内容。
MATLAB功能强大,有关MATLAB的书刊已经很多,对MATLAB更深入的要求,可以阅读其他介绍MATLAB的书籍。
1.2MATLAB环境
在桌面上双击MATLAB快捷方式图标,或者在开始菜单里点击MATLAB的选项,即可进入MATLAB环境。
进入MATLAB环境,即打开了MATLAB窗口)。
环境包括MATLAB标题栏、主菜单栏和常用工具栏。
在默认显示状态时,在工具栏下有三个子窗口,左边上方窗口显示MATLAB联机说明书目录或工作间的内容,两者可以通过子窗口下方的LaunchPad和Workspace键切换。
左边下方窗口将显示己执行的命令(CommandHistory巧)。
右方窗口是MATLAB的命令子窗口,这是MATLAB的主要工作窗口,在这个窗口中,在提示符》后逐行输入MATLAB命令,回车后,命令就能立即得到执行。
如图1-1所示。
图1-1MATLAB的工作环境
1.2.1MATLAB的主菜单
MATLAB的主菜单有File、Edit、View、Web、Window和Help六项。
点击菜单命令,就会显示下拉子菜单的内容。
这些菜单的内容与其他应用程序的菜单区别不大,因此只选择一些主要内容进行说明。
1.File(文件)菜单
(1)New"创建一个新文件,有三种文件,即"M-file"、"Figure"、"Model"可选。
选择"Model"即可进入SIMULINK环境,以绘制仿真模型方式对电路和系统仿真,这是本书介绍的主要仿真方式。
(2)Open打开一个名为"work"的文件夹,这是MATLAB默认的保存文件的地方。
只要文件保存时没有另外指定文件保存的路径,MATLAB系统就将文件保存在"work"文件夹中。
(3)CloseCommmandWindow,点击该项可以切换窗口显示。
(4)叮mportData"为打开MATLAB..work"文件夹中带有.mat后缀的数据文件,并将数据放到工作间(Workspace)中备用。
(5)SaveworkspaceAs…为保存工作间(Workspace)中的数据。
(6)SetPath…为打开MATLAB的路程浏览器,搜索MATLAB所有文件的路径。
(7)Preferences…可以打开一个MATLAB的参数设置对话框,供用户改变工作环境的外观和相关操作的属性。
(8)Print…为打印。
2.Edit(编辑)菜单
Edit(编辑)菜单中包括了撤消(Undo)、恢复(Redo)、剪切(Cut)、复制(Copy)、粘贴(Paste)、特殊帖贴(PasteSpecial"')、全选(SelectAll)、清除(Delete)等命令,这些命令都要在选中目标后才能操作。
另外还有窗口命令,其中包括清除命令窗口(ClearCommandWindow)显示的内容、清除历史命令(ClearCommandHistory)窗口内容以及清空工作间(ClearWorkspace)。
3.View(查看)菜单
View(查看)菜单中的命令主要用来改变桌面上MATLAB子窗口打开的个数和排列,如选择DesktopLayout/Default默认方式,贝UMATLAB的窗口就如图1-3所示,读者只要试验几次就知道了。
4.Web(万维网)菜单
Web(万维网)菜单保存了Mathworks公司的三个网址,点击其中之一,即可进入该公司的相应网站。
5.Window(视窗)菜单
用来查看MATLAB已经打开的窗口,并选择其中某一窗口或在不同窗口之间进行切换。
6.Help(帮助)菜单
Help(帮助)菜单用于打开MATLAB的帮助窗口,用鼠标点击窗口中的帮助主题或浏览器,可以得到帮助的内容。
1.2.2MATLAB的工作栏
在MATLAB的工具栏上有九个按钮,为用户提供了常用命令的快捷方式,其功能如下:
(I)打开MATLAB的M文件(M-file)编辑器,用编辑器编辑一个M文件的新文件。
(2)打开一个已经存在的文件,它的默认方式是打开MATLABwork文件夹中的模型文件。
(3)将选中的文档剪切下来,井放到粘贴板上。
(4)复制选定的文档,并放到粘贴板上备用。
(5)将保存在粘贴板上的文档粘贴到指定的位置上。
(6)撤消最近的一次操作。
(7)恢复最近的一次操作。
(8)打开SIMULINK模块库浏览器,进入SIMULINK仿真环境。
(9)打开MATLAB帮助文件。
1.2.3MATLAB的命令窗口
MATLAB的命令窗口(CommandWindow)是MATLAB的主要工作区,是人机对话的主要环境。
在命令窗口中键入各种命令,可以得到相应的结果。
图1-4所示为在命令窗口中键入了一个简单的代数计算式:
10.5+3x4x(2.1+3.4)/12,回车后得到的计算结果是43.5。
如图1-2所示。
图1-2matlab命令窗口
1.2.4MATLAB的工作间
MATLAB的工作间(Workspace)是暂时存放MATLAB命令或程序的运行结果,以及程序(或命令)中出现的常数和变量的一个空间。
在进入MATLAB环境MATLAB工作间(Workspace)就自动同时打开。
在运行MATLAB程序时,程序中的变量就会存放到工作间中,程序运行的结果也以变量的形式保存在工作间中。
工作间的变量可以在窗口中看到,也可以用命令who或whos查看当前工作间中的所有变量。
其中,命令who只给出变量名,命令whos不仅给出变量名,还同时给出变量的大小和数据类型。
用命令clear可以清空工作间中的变量和数据。
如图1-5所示,右边窗口给出A、Al、A2三个变量的赋值,最后用命令who查看工作间的变量。
将左上窗口切换到"Workspace",通过此窗口可以显示工作间的变量及变量大小和类型。
在左下窗口则给出了在命令窗口中已经执行过的历史命令。
如图1-3所示。
图1-3通过窗口和命令查看工作间变量
1.3MATLAB绘图功能
MATLAB计算的结果是数据,这些数据放在工作间(Workspace)中,如果数据量很大,则阅读这些数据是很困难的,习惯是用曲线和图形表示。
MATLAB可以根据给出的数据,用绘图命令画出其图形,通过图形对计算结果进行描述,并且可以对图形进行处理,如加上标题、坐标、网格线和颜色等。
本书后面的仿真披形,除小部分示波器画面是用屏幕复制方法截取的以外,主要都是通过MATLAB的绘图功能进行绘制的。
绘图功能的处理能力,尚有一定限制。
因此,图形中的文字符号,与通常规范尚有一些差距。
MATLAB有很强的绘图功能,可以绘制二维图形、三维图形、直方图和饼图等。
绘图指令如图1-4所示。
图1-4绘图指令
第二章SIMULINK环境和模型库
MATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真环境,在此环境中,用户可以用点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路,并完成对系统和电路的仿真O原来的MATLAB仿真编程是在文本窗口中进行的,编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数,不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。
在SIMULINK环境中,系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达,框图之间的连线则表示了信号流动的方向。
对用户来说,只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容,就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿真,而不必去记那些复杂的函数,这无疑是受欢迎的。
MATLAB的工具箱已经有极其丰富的内涵,现在结合本书的内容,主要介绍SIMULINK工作环境和系统仿真(SIMULINK)和电力系统(PowerSystemBlock)两个模理库。
2.1系统(SIMULINK)仿真环境
系统仿真(SIMULINK)环境也称工具箱(Toolbox),是MATLAB最早开发的,它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两部分,主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统,是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包(CCS)的继续,现在的系统仿真(怡SI如MM町f离散系统的仿真。
由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大,后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境,成为MATLAB仿真的公共平台。
SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写,意思是仿真链接,MATLAB模型库都在此环境中使用,从模型库中提取模型放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。
所以,有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。
SIMULINK工作窗口如图2-1所示。
图2-1SIMULINK工作窗口
SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台,它具有如下特点:
(1)以调用模块代替程序的编写,以模块连成的框图表示系统,点击模块即可以输入模块参数。
以框图表示的系统应包括输入(激励源)、输出(观测仪器)和组成系统本身的模块。
(2)画完系统框图,设置好仿真参数,即可启动仿真。
这时,会自动完成仿真系统的初始化过程,将系统框图转换为仿真的数学方程,建立仿真的数据结构,并计算系统在给定激励下的响应。
(3)系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察,这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。
(4)系统仿真的数据可以用以.mat为后缀的文件保存,并且可以用其他数据处理软件进行处理。
(5)如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况,会给出一定的出错提示信息,但是这提示不一定准确,这是软件还不够完备的地方。
(6)以框图形式对控制系统进行仿真是SIMULINK的最早功能,后来在SIMULINK的基础上叉开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊控制等数10种模型库,但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平台,在此平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真。
2.2模型库浏览器
模型库是SIMULINK的重要内容,模型库中保存了控制系统中常用的典型环节的模型,在系统仿真时,只要调用这些典型环节就可以很方便地组成系统的仿真模型。
SIMULINK工具箱的模型都可以通过模型库浏览器(SIMULINKLibraryBrowser)来查找。
在模型库浏览器上有20余种模型库,包括电力系统模型库、通信系统模型库、数字信号模型库、定点处理模型库等。
浏览窗口如图2-2所示。
图2-2浏览器窗口
2.3有关模块的操作
有关模型库模块的操作很多,这些操作都可以用菜单功能和鼠标来完成这里仅介绍一些主要的、常用的操作。
1.模块的提取
用SIMULINK对系统进行仿真,首先第一步就是将需要的模块从模型库中提取出来,并放到SIMULINK的仿真平台上去(SIMULINK窗口的中间空白区)。
方法有以下两种。
(1)在模型浏览器窗口选中需要的模块(鼠标点击),选中的模块名会反色,然后在Edit菜单栏下选择"Addtocurrentmodel",这时选中的模型会出现在SIMULINK的仿真平台上。
(2)将光标指针移动到需要的模块上,按住鼠标左键将模型图标拖曳到SIMULINK的平台上,然后松开鼠标即可,这是常用的快捷方法。
2.模块的复制和粘贴
已经放到SIMULINK平台上的模块,如果系统中需要用到几个,则可以复制;如果要将平台上的模块或模型转移到另一个系统的仿真中使用,也可以采用复制的方法,其操作步骤如下:
(1)将光标指针移动到需要的模块上,点击鼠标左键,模块的四角出现4个小黑块,表明该模块已被选中,然后在Edit菜单下选择复制命令(Copy),再用粘贴命令(Paste)就可以将它复制到其他地方。
采用这种方法不仅可以复制一个模块,并且可以同时复制几个不同的模块,或者复制仿真模型的一部分乃至全部,然后转移到其他地方使用。
如是后者只需要按下鼠标左键拖拉鼠标,平台上即出现一个虚线的方框,松开鼠标,曾被虚线方框包围的所有模块四角都会出现小黑块,即表示已被选中,然后使用复制和粘贴命令就可以复制或转移到其他地方使用。
(2)在同一模型中需要复制某一模块,可以用更简捷的办法,就是在选中模块的同时按下Ctrl键拖拉鼠标,选中的模块上会出现一个小"+"号,继续按住鼠标和Ctrl键不动,移动鼠标就可以将该模块拖拉到模型的其他地方复制出一个相同的模块,同时该模块名后会自动加"1",因为在同一仿真模型中,不允许出现两个名字相同的模块。
3.模块的移动、放大和缩小
为了使绘制的系统比较美观,需要将各个调用的模块放到合适的位置上,也需要调整模块的大小比例,可以进行如下操作:
(1)移动模块仅需要将光标指针移到该模块上,点住鼠标左键,拖曳该模块到相应位置即可。
也可以在选中模块后用键盘上的上、下、左、右键移动模块。
(2)放大或缩小模块只需要在选中该模块后,将光标移到模块四角的小黑块(.)上,这时光标变成双向小箭头,按下鼠标左键按箭头方向拖动,则可调节模块图标外形的大小。
4.模块的转动
为了模块与模块之间的连线方便,有时需要转动模块的方向。
转动模块的方向只需要在选中模块后,使用Format菜单下的Flipblock和Rotateblock两条命令,Flipblock命令使模块水平反转,Rotateblock命令使模块作90。
旋转。
5.模块名的修改和移动
在每个模块的下方都有一个模块名,模块名可以修改、移动和隐藏。
修改模块名,首先用鼠标点击该模块名,点击后模块名的外侧出现小框,"Itt光标在框内闪烁,这时可以和文本文件一样,修改模块名称,模块名称可以是英文或中文。
模块名的放置位置可以调整,但只能是在模块的上方或下方,这仅需在点中模块名时不松开鼠标,直接将模块名拖动到模块的上下方即可。
如果不需要显示模块名,则首先选中模块,然后在Format菜单下点击Hidename命令即可,这时模块名被隐藏起来。
如果需要重新显示模块名,同样选中模块后,在Format菜单下选择Showname命令,隐藏的模块名会重新显示出来。
6.模块的参数设置
SIMULINK模型库里的模块放到仿真窗口之后,在使用前大多数模块都需要设置模块的参数。
模块参数的设置很简单,只要将光标箭头移到模块图标上,双击鼠标左键,这时就会弹出参数对话窗口,如图2-5所示。
图2-5中在仿真平台上有一个传递函数的模块,双击该模块就弹出了模块的对话框,框中上部是模块功能的简要介绍,下面是模块参数设置栏,在设置栏中可以按要求键入参数。
如果对参数设置有不清楚的地方,可以使用对话框下方的Help按钮取得帮助,这时会打开该模块的说明书。
参数设好后,点击OK按钮关闭对话框,模块参数就设置完毕。
一般模块的参数设置都在系统的仿真模型画好后一起进行,模块的参数在仿真的进行过程中是不能修改的。
7.模块的删除和恢复
对放在平台上的模块,如果不再需要则可以将其删除,操作步骤是选中要删除的模块后,使用键盘的Delete键来删除。
在模型浏览器中的模块是只读的不能被删除。
如果要删除已经构建了模型的某一部分或全部,可以在要删除的部分上点鼠标左键拖拉出一个方框,框内的全部模块和连线将被选中,然后按Delete键,这部分模型包括连钱就被删除。
被删除的模块和内容可以用Edit菜单下的Undo命令或按钮国恢复。
以上操作也可以使用鼠标右键,即在选中模块后点击鼠标右键,然后在打开的菜单中选择相应的选项。
8.模块的连接
使用SIMULINK仿真,系统模型是由多个模块组成的,模块与模块间需要用信号线连接,连接的方法是,将光标箭头指向模块的输出端,对准后光标变成"十"字星,这时按下鼠标左键拖曳"十"字星到另一个模块的输入端后松开鼠标左键,在两个模块的输出和输入端之间就出现了带箭头的连线,并且箭头示了信号的流向(见图2-6)。
如果要在信号线的中间拉出分支连接另一个模块(见图2-7),可以先将光标移向需要分岔的地方,同时按下键盘中的Ctrl键和鼠标则可拖拉出一根支线,然后将支线引到另一输入端口松开鼠标即可
9.信号线的弯折、移动和删除
如果信号线中间需要弯折(见图2-7),只需要在拉出信号线时,在需要弯折的地方松开鼠标停顿一下,然后继续按下鼠标左键改变鼠标移动方向就可以画出折线。
要移动信号线的位置,首先是选中要移动的线条,将光标指向该线条后点击,线条上出现小黑块(见图2-7)则表明该线已被选中,然后再将光标指向线条上需要移动那一段拖动鼠标即可。
若要删除己画好的信号线,只需在选中信号线后,按键盘中的Delete键即可。
2.4SIMULINK仿真步骤
利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如下几个步骤:
(1)根据要仿真的系统框图,在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型。
此过程要首先打开SIMULINK窗口和模型浏览器,将需要的典型环节模块提取到仿真平台上,然后将平台上的模块一一连接,形成仿真的系统框图。
一个的仿真模型应该至少包括一个源模块(S
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