中南大学工程训练报告17.docx
- 文档编号:8393892
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:1.92MB
中南大学工程训练报告17.docx
《中南大学工程训练报告17.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中南大学工程训练报告17.docx(32页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
中南大学工程训练报告17
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:
0909080323
姓名:
杨萌
指导老师:
桂武鸣老师
第二章SIMULINK环境和模型库11
2.1系统仿真(SIMULINK)环境11
2.2模型库浏览器12
2.3有关模块的基本操作13
2.4SIMULINK仿真步骤14
2.5电力系统模型库16
第三章电力电子器件模型17
3.1二极管模型17
3.2晶闸管模型18
3.3可关断晶闸管模型18
3.4电力场效应晶体管模型19
3.5绝缘栅双极型晶体管模型19
第四章变压器和电动机模型21
4.1变压器模型21
4.1.1单相变压器模型21
4.1.2三相变压器模型21
4.1.3互感线圈22
4.2直流电机模型22
4.3交流电机模型23
第五章电力电子变流电路仿真24
5.1建立仿真模型25
5.2设置模型参数27
5.3模型仿真28
5.4开始仿真29
心得体会33
参考文献34
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,提高了生产效率和人们的生活质量,使人类社会生产、生活发生了巨大变化。
随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展,电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高,这种变化的影响将越来越大O电力电子技术和电力拖动控制系统综合了电子电路、电机拖动、自动控制理论、微机原理和应用等多学科的知识,并且是两门实践性和应用性很强的课程。
由于电力电子器件自身的开关非线性,给电力电子电路和系统的分析带来了一定的复杂性和困难,一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电力电子电路O现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的方法,可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效,也是学习电力电子技术和电力拖动控制系统的重要手段。
仿真是在计算机平台上虚拟实际的物理系统。
早在20世纪50年代,人们就研究利用计算机的高速计算能力来帮助设计人员进行复杂的设计,以数学模型代替实际的物理器件和装置。
到20世纪60年代随着数字计算机的出现和普及、数值算法的完善,出现了大量通用的数字仿真语言及软件,并产生了控制系统计算机辅助设计软件包(CADCS),CADCS的出现对控制系统的研究起了巨大的作用。
但是使用软件包仿真对大多数用户来说还是件不容易的事情,它需要编写调用软件包的程序,要熟悉各种子程序的功能,对非专业人员来说是困难的。
现代的仿真软件,各种功能的子程序已经模块化,利用这些模块就可以方便地连接成给定系统的仿真模型,使它更适合广大工程技术人员的使用,成为科研、设计人员以及学生学习的必备工具和好助手。
现在用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真软件已有多种,其中最具影响的当推回PICE和MATLABoPSPICE是美国加州大学伯克利分校推出的集成电路分析程序SPICE的微机版,广泛应用于电子电路的设计。
早期的MATLAB主要用于控制系统的仿真和分析,经过不断扩展已经成为包含通信、电气工程、优化控制等诸多领域的科学计算软件。
这两个软件都有很好的人机对话图形界面和内容丰富的模型库,在近几年的版本中已经都包含了电力电子器件和电机的模型,可以用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。
笔者认为,这两个软件在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真方面各有特点,PSPICE的电子元器件模型种类齐全,模型精细,使用它可以从事复杂精巧的大规模集成电路的设计和制造oMATLAB的电力电子器件使用的是宏模型,主要只是反映器件的外特性,但是它有强大的控制功能,用于系统的仿真更方便。
这两者可以说是各有千秋,现在这两种软件也在互相渗透和融合,即PSPICE可以连接MATLAB,MATLAB也可以连接PSPICE。
本书仿真是在MATLAB的基础上进行的,主要考虑是MATLAB在科技界使用广泛和在系统仿真上的优势。
在这里需要指出的是,仿真也不是一域而就的,尽管现在有了很好的仿真软件,但要获得正确的仿真结果,需要对仿真对象有正确的理解,也就是仿真的电路和系统模型要正确,参数设计要合理,并要选择恰当的数值计算方法。
在仿真中出现计算不收敛,仿真中断和不能完成模型的初始化过程的情况是常有的事,这时要仔细检查模型是否正确,参数是否合适,有时还需要对模型作一定的调整和修改O出错时软件会给出一定的参考提示,但是这种提示不一定是准确的,仿真的技巧需要在实践中不断积累和提高。
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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中南 大学 工程 训练 报告 17
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)