Моделирование тягового привода в MATLAB Simulink. Учебно-методическое пособие

УДК 621.333(075.8) Ш 875

Рецензенты: д-р техн. наук, доцент В. Н. Аносов канд. техн. наук, доцент Е. А. Спиридонов

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия

Штанг А. А.

Ш 875 Моделирование тягового привода в MATLAB Simulink: учеб.- метод. пособие / А. А. Штанг, А. В. Мятеж, М. В. Ярославцев.– Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016.– 48 с.

ISBN 978-5-7782-2836-8

В пособии собраны теоретические сведения и методические указания, необходимые для выполнения цикла лабораторных работ магистрантам направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника». Пособие может также использоваться при обучении моделированию различных физических систем в среде Simulink.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение ……………………………………………………. 4

Часть I. Теоретические сведения

1.1.Общие сведения о построении моделей в Simulink … 6

1.2.Элементы группы Simulink …………………………… 9

1.3.Элементы группы SimPowerSystems ………………… 17

1.4.Примеры решения некоторых задач ………………… 20

1.4.1.Простейшие математические

ифизические расчеты ………………………………... 20

1.4.2.Моделирование колебательного движения

маятника (общее решение) …………………………... 23 1.4.3. Моделирование колебательного движения

маятника (частные случаи) ………………………….. 27

1.4.4.Наполнение бака водой …………………………….. 29

1.4.5.Моделирование электрической цепи ……………… 32

Часть II. Методические указания к лабораторным работам

Лабораторная работа № 1. Моделирование тяговой передачи транспортного средства ……………………. 34

Лабораторная работа № 2. Моделирование системы управления асинхронным тяговым приводом ………. 38

Лабораторная работа № 3. Моделирование инвертора …. 43

Основные англоязычные термины ……………………. 47

3

В В Е Д Е Н И Е

Имитационное моделирование при помощи специализированных вычислительных пакетов является мощным современным средством исследования различных физических объектов и проектирования разнообразных технических систем. Применение имитационного моделирования наиболее эффективно для объектов, не допускающих приближенного аналитического описания по причине существенной нелинейности. Численное решение описывающих такие системы нелинейных дифференциальных уравнений позволяет получить характеристики протекающих в них процессов с любыми заранее заданными точностью и шагом по времени.

Особенностью пакета Simulink является представление моделируемых систем в виде набора взаимосвязанных звеньев. Описание модели в нём не требует записи характеризующих моделируемый объект дифференциальных уравнений в явном виде, что делает работу с моделью простой и наглядной.

Это пособие предназначено для знакомства с общими принципами моделирования физических систем в среде Simulink и изучения свойств асинхронного тягового привода. Оно состоит из двух частей. В первой части приводится описание среды имитационного моделирования Simulink и рассматриваются примеры создания в ней моделей различных физических объектов. Вторая часть представляет собой методические указания к выполнению лабораторных работ по модели-

4

рованию тягового электропривода. Несмотря на детальность описания среды моделирования Simulink, оно не является всесторонним. Ожидается, что студенты уже приобрели некоторый опыт работы в ней, изучая курс теории автоматического управления.

Эффективное выполнение лабораторных работ требует предварительной подготовки. Авторы предполагают, что перед выполнением работы студенты самостоятельно ознакомятся с необходимыми теоретическими сведениями из первой части пособия и будут готовы ответить на контрольные вопросы, необходимые для создания модели. На занятиях проводятся консультации по построению моделей и защита лабораторных работ. Таким образом, цикл работ состоит из 3-4 лабораторных занятий и самостоятельной работы по подготовке к работам и оформлению отчетов.

Первая часть пособия может быть также использована для ознакомления с Simulink при разработке моделей различных физических систем, не связанных с тяговым приводом. Помимо элементов, общих для всех разрабатываемых в Simulink моделей, в ней кратко рассмотрена работа с предназначенной для моделирования силовых электрических цепей библиотекой SimPowerSystems.

5

Часть I

ТЕ О Р Е Т И Ч Е С К И Е С В Е Д Е Н И Я

1.1.Общие сведения о построении моделей в Simulink 1.1.1. Запуск Simulink 2009

Simulink – это графическая среда в составе вычислительного пакета прикладных программ MATLAB, предназначенная для моделирования различных естественных и технических систем. Файлы созданных в нём моделей могут быть открыты из MATLAB. Библиотека элементов открывается по

нажатию кнопки .

Чтобы MATLAB корректно обрабатывал кириллические символы в именах элементов, файлов и папок, необходимо ввести в командную строку две команды:

bdclose all

set_param(0, 'CharacterEncoding', 'windows-1252')

При этом в редакторах MATLAB не должны быть открыты никакие файлы, так как первая команда приводит к их закрытию без сохранения изменений.

Созданные в Simulink модели сохраняются в виде файлов с расширением .mdl. Если в процессе записи файла произошла ошибка, файл получает расширение .err. После изменения его на .mdl в некоторых случаях появляется возможность открыть поврежденную модель.

6

1.1.2. Базовые принципы создания моделей в Simulink Устройство моделей:

•Модели состоят из блоков (элементов, звеньев), которые соединяются между собой связями, по которым происходит передача сигналов.

•Каждый сигнал представляет собой некоторую величину, зависящую от времени. Сигналы могут иметь разный физический смысл и размерность, моделируя поведение объектов различной природы.

•Строго говоря, сигналы являются аналогами переменных в «обычном» программировании. Чаще всего они соответствуют переменным вещественного типа. Кроме того, сигналы могут быть, например, логическими (принимать одно из двух значений: ноль и не-ноль) или векторными (передавать одновременно значения несколько величин).

•Звенья используются для генерации и преобразования сигналов.

•При запуске модель описывается системой дифференциальных уравнений: автоматически создается программа для её численного решения, и вычисляется значение сигналов и их производных с переменным шагом по времени, описывающих состояние системы в каждый момент.

•Расчёт запускается кнопкой с изображением стрелки. Справа от кнопки задается длительность времени (в секундах), в течение которого моделируется поведение системы.

•При запуске расчёта в строке состояния отображается ход процесса: зеленая шкала показывает степень готовности расчётной программы, синяя шкала показывает модельное время.

7

Рекомендации по созданию моделей:

Сборка схемы в Simulink – это программирование компьютера для решения системы дифференциальных уравнений. Как и любая хорошая программа, составленная на любом языке программирования, модель должна:

•Решать поставленную задачу по возможности в общем виде и минимальным числом элементов;

•Иметь наглядную структуру: элементы должны быть сгруппированы по выполняемым в модели функциям;

•Допускать удобное дополнение или замену групп элементов при её модификации;

•Иметь обозначения элементов и комментарии, позволяющие понять принцип действия схемы, физический смысл преобразований и сигналов.

Чтобы сделать представление моделей более удобным для понимания, можно использовать несколько методов.

•Форматирование блоков: через контекстное меню можно поворачивать, зеркально отражать блоки, менять их внешний вид.

•Добавление комментариев: двойной щелчок в любом месте окна позволяет добавить текстовый комментарий.

•Создание подсистем: выделив группу элементов, в контекстном меню выберите пункт «create subsystem».

8

1.2. Элементы группы Simulink

Все элементы, используемые для построения моделей, объединены в группы и подгруппы. Первой в списке групп находится группа элементов, называющаяся Simulink, как и сама среда моделирования. Она содержит базовые элементы, необходимые при создании любых моделей. Примеры наиболее важных из них приведены ниже.

В группе элементов Simulink имеется несколько подгрупп:

Подгруппа Commonly used blocks

Содержит наиболее часто используемые элементы. Все они также могут быть найдены в других подгруппах.

Подгруппа Sources

Содержит источники сигналов различной формы.

Constant – формирует сигнал не изменяющейся во времени величины.

Двойной щелчок по объекту либо пункт «Block properties» всплывающего меню открывает окно с его свойствами. Оно позволяет изменять характеристики звеньев.

Так, у блока Constant основным является свойство Constant value, позволяющее задавать выходное значение. В качестве него можно использовать как числа, так и расчётные выражения. Например, запись 2*pi/3 соответствует величине

23 2,0944...

На рисунке показан пример окна со свойствами блока.

Ramp – формирует сигнал в виде линейно нарастающей величины. В свойствах звена можно указать начальное значение сигнала Initial output, время начала нарастания Start time

9

(до этого источник выдает константу, равную начальному значению) и скорость нарастания Slope. Скорость нарастания сигнала измеряется в единицах за секунду.

Step – источник сигнала в форме ступени. В свойствах звена задаются начальное и конечное значения (Initial value и Final value), а также время перехода из одного в другое Step time.

Sine wave – источник синусоидального сигнала. Можно задать свойства: Amplitude – амплитуда сигнала, Frequency – частота (в рад/с), Phase – начальная фаза (в радианах).

Repeating sequence – повторяющаяся последователь-

10