Основні відомості про систему MatLab simulink

Система MatLab Simulink призначена для моделювання різних систем структурної схеми. Є можливість моделювати як передатними функціями, так і силовими електричними елементами, що описуються складними диференціальними рівняннями (наприклад асинхронний двигун).

У даній системі надається можливість проектувати власні блоки шляхом завдання опису у вигляді диференціальних рівнянь з використанням М-функцій. Це надає проектувальнику необмежені можливості створення моделей.

Для забезпечення працездатності блоків, усередині яких доводиться вказувати змінні (наприклад, задавати коефіцієнти в передавальній функції в загальному вигляді) передбачений апарат М-файлів. Дані файли містять у собі перелік всіх змінних та інструкцій, які будуть використані у структурній схемі. Це дозволяє легко змінювати параметри елементів схеми, не втручаючись у саму схему.

Далі ми розглянемо основні блоки, необхідні під час моделювання систем керування електроприводами.

Безперервні блоки (Continuous)

Ця бібліотека блоків містить блоки, необхідні моделювання аналогових систем. Короткий опис даних блоків:

Integrator - аналоговий інтегратор;

Derivate – ланка аналогового диференціювання;

Transfer Fсn – лінійна аналогова ланка, задана своєю передатною функцією;

State-Space - лінійна аналогова система, задана у вигляді рівнянь стану, тобто у вигляді системи рівнянь, представленої у формі Коші;

Zero-Pole - лінійна; аналогова система, задана своїми нулями та полюсами;

Memory - блок пам'яті, що виконує затримку на один крок модельного часу;

Transport Delay - Блок пам'яті, що виконує затримку, що встановлюється в полі налаштування;

Variable Transport Delay – блок пам'яті, із зміною затримкою.

Блок Transfer Fcn найчастіше використовуються під час моделювання систем управління. Передатна функція лінійної безперервної ланки автоматичного регулювання у загальному випадку записується у вигляді:

Коефіцієнти чисельника: цієї функціїaiслід ввести в поле Numerator, починаючи з коефіцієнтаатпри старшій похідній. Аналогічно заповнюється поле знаменника передавальної функції Denominator, починаючи з коефіцієнта bn .

Дискретні блоки (Discrete)

Дискретні блоки необхідні побудови цифрових систем управління. Опис основних блоків:

Zero-Order-Hold - екстраполятор нульового порядку;

Unit Delay – блок затримки сигналу;

Discrete-Time Integrator - дискретний інтегратор;

Discrete State-Space – блок завдання дискретної ланки матрицями його стану;

Discrete Filter – блок завдання дискретної ланки через дискретну передавальну дробово-раціональну функцію щодо 1/Z;

Discrete Transfer Fсn – блок завдання дискретної ланки через дискретну передавальну дробово-раціональну функцію щодо Z;

Discrete Zero-Pole – блок завдання дискретної ланки через вказівку значень нулів та полюсів дискретної передавальної функції щодо 1/Z.

First-Order Hold - екстраполятор першого порядку;

Блок Unit Delay забезпечує затримку вхідного сигналу на задану кількість кроків модельного часу. Параметрами налаштування блоку є: Initial condition (початкове значення сигналу) та Sample time (час затримки), що задається числом кроків модельного часу.

БлокDiscrete-Time Integrator виконує чисельну інтеграцію вхідного сигналу. Більшість параметрів цього блоку збігаються з параметрами блоку Integrator розділу Continuous. Відмінності полягають у наступному: у блоці дискретного інтегратора є додатковий параметр – метод чисельного інтегрування (Integrator method). За допомогою списку можна вибрати один із трьох методів:

- Прямий метод Ейлера (лівих прямокутників);

- Зворотний метод Ейлера (правих прямокутників);

Друга відмінність – замість параметра Absolute tolerance введено параметр Sample time, який визначає крок інтегрування в одиницях кроків модельного часу.

Математичні блоки (Math)

Ці блоки виконують математичні операції над сигналами (додавання, віднімання, множення і т.д.). Короткий опис основних блоків:

Sum - аналоговий суматор, що дозволяє алгебраїчно підсумовувати будь-яке число сигналів на вході і має один вихід;

Product - обчислювач, який формує на виході результат множення або поділу двох і більше вхідних сигналів. Як параметри налаштування вказується число входів і вид операції;

Gain - аналоговий підсилювач;

Mat Function – блок, що дозволяє вибрати одну з математичних функцій у полі налаштування та включити її в модель;

Trigonometric Function - ланка формування на виході тригонометричної функції вхідного сигналу. Вибір функції забезпечується у полі налаштування;

Abs – блок, що формує на виході абсолютне значення вхідного сигналу, у функціональних схемах напівпровідникового електроприводу відіграє роль випрямляча;

Sign - блок-реле, що реагує на знак вхідного сигналу. Значення вихідного сигналу встановлюється у вікні налаштування;

Bitwise Logical Operator - універсальний блок, що реалізує будь-яку логічну функцію;

Algebraic Constraint – блок, що дозволяє структурну модель включати систему алгебраїчних рівнянь.

Нелінійні блоки (Nonlinear)

Блоки бібліотеки нелінійних елементів виконують нелінійні перетворення вхідних величин. Основні блоки цієї бібліотеки:

Saturation – підсилювач з обмеженням. Величина вихідного сигналу при позитивному та негативному вхідному сигналі встановлюється у вікні налаштування;

Quantizer – блок, що забезпечує квантування вхідного сигналу за рівнем. Розмір сходинки задається у вікні настройки. У системах управління такі блоки є частиною аналого-цифрових перетворювачів;

Dead Zone - блок, що реалізує зону нечутливості;

Relay - реле з регульованою зоною нечутливості та встановлюваною величиною позитивного та негативного вихідного сигналу;

Switch — ключ, який перемикається, коли вхідний сигнал стає рівним або більшим за задане в полі налаштування;

Сигнали та системи (Signals and Systems)

Основні блоки цієї бібліотеки, необхідні для моделювання СУЕП:

In, Out – вхідний та вихідний блоки, що забезпечують зв'язок між підсистемами ієрархічної моделі;

Mух - блок, що дозволяє об'єднати кілька вхідних сигналів в один вектор, кількість входів задається у вікні налаштування;

Bus Selector – блок виділяє з приєднаної до порту шини необхідні сигнали. У вікні налаштування блоку є два списки – вхідний та вихідний.

Demux – блок, який поділяє вхідний вектор на його складові, кількість цих складових визначає кількість виходів у поліналаштування;

Subsystem – блок-заготівля для створення моделі підсистеми;

Віртуальні прилади для спостереження та реєстрації процесів (Skins)

До складу основних віртуальних приладів входять:

Scope – осцилоскоп для спостереження тимчасових залежностей;

XY Graph – графобудівник у системі декартових координат;

То Workspace - пристрій для передачі результатів моделювання в робочий простір з метою їх подальшої обробки;

Джерела сигналів (Sources)

Набір блоків містить практично всі джерела сигналів для дослідження електроприводу. Можливе завдання довільної дії з файлу – блок From File. Крім джерел детермінованих впливів з різною функціональною та тимчасовою залежністю є джерела випадкових впливів із різними законами розподілу. З кожним графічним елементом пов'язане вікно налаштувань. Відповідні поля містять вибір форми періодичного сигналу (Wawe form), встановлення амплітуди сигналу (Amplitude), встановлення частоти (Frequency) і вибір одиниць вимірювання встановленої частоти (у меню, що розкривається, пропонується два варіанти: герці і радіани в секунду).

Основний блок для дослідження систем керування електроприводів –Step (завдання ступінчастого сигналу з регульованою величиною імпульсу та часом дії).

Джерела електричної енергії (Electrical Sources)

Ця бібліотека належить до розділу Силові системи (SimPowerSystems) і містить джерела постійної та змінної напруги та струму. Основні блоки:

AC Current Source – джерело змінного струму;

AC Voltage Source – джерело змінної напруги;

DC Voltage Source – джерело постійної напруги.

Керовані джерела цієї бібліотеки дозволяють зв'язати структурні або функціональні схеми основних бібліотек Simulink Library з елементами пакета Power System Blockset. У вікні налаштування блоків є поле Measurements, що дозволяє підключати блоки для вимірювання параметрів.

Бібліотека силових елементів напівпровідникових перетворювачів (Power Electronics)

Ця бібліотека містить сім типів одиночних силових елементів та моделі різних напівпровідникових перетворювачів, представлених одним універсальним блоком (Universal Bridge).

Основний блок цієї бібліотеки – IGBT (модель мосту на IGBT транзисторах). Цей блок корисний при низькорівневому моделюванні частотно-керованих електроприводів змінного струму, оскільки IGBT модуль є основною частиною інвертора.

Бібліотека електричних машин (Machines)

Ця бібліотека містить синхронні, асинхронні машини та машини постійного струму. Усі машини можуть бути представлені як у абсолютних, так і відносних одиницях. Універсальний блок вимірювання (Measurement demultiplexer) дозволяє виміряти необхідні змінні стани машини.

---