Учебное пособие Номер государственной регистрации электронного издания в фгуп нтц информрегистр 0321300817
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
Simulink, будучи заранее тщательно отлаженными, создают у начинающих поль- зователей неоправданное представление о легкости моделирования и ис- следования режимов работы электротехнических устройств. На самом деле достоверность результатов моделирования в значительной степени зависит от тщательности подготовки модели и по большому счету тре- бует проведения сравнения хотя бы для одного варианта с аналитиче- скими расчетами или экспериментальными данными. При моделирова- 10 нии студент должен понимать, что делает, и действовать не бездумно, а очень и очень осмысленно, понимать, что модель избавляет от трудоем- ких расчетов, но от необходимости знать и думать – нет. После создания модели необходимо задать параметры блоков, соответствующие кон- кретным элементам электроустановки. Обычно параметры принимаются по каталогам, но данные, содержащиеся в каталогах, не в полной мере соответствуют тем, которые необходимо вводить в окно параметров блока, особенно это касается исходных данных, принимаемых по ката- ложным данным отечественных заводов-изготовителей оборудования. Расчет параметров и подготовка модели даже не очень сложной системы требуют серьезных знаний и немалых трудов по ее отладке. По большо- му счету студент при использовании готовых блоков должен четко представлять, как в принципе может быть смоделирован тот или иной объект и как это выполняется в программе MATLAB. В данном пособии подробно рассмотрены способы моделирования и представления в расчетах различных элементов, образующих систему сельского электроснабжения, показано, по каким схемам и с какими до- пущениями выполняется моделирование этих же элементов в программе MATLAB. Большое внимание уделено подготовке и определению пара- метров объектов систем электроснабжения для моделирования в про- грамме. На примерах элементов системы сельского электроснабжения показано, как, используя каталожные данные отечественных заводов- изготовителей оборудования, конкретных элементов электроустановки, получить требуемые величины настроек блоков. В пособии приведено выборочное описание блоков пакета Simulink и его расширения SimPowerSistems, используемых для моделирования систем электроснабжения, описание блоков составлено по литератур- ным источникам [1 –12], с учетом изменяющихся версий программы. Приведены основы работы в системе MATLAB + Simulink. В пособии выполнены моделирование и исследование конкретных режимов работы системы сельского электроснабжения, которые могут рассматриваться как база для дальнейшего самостоятельного изучения и исследования отдельных вопросов дисциплины. Пособие предназначено для студентов старших курсов, в первую очередь магистрантов, оно может оказаться полезным для аспирантов и специалистов, занимающихся проектированием, эксплуатацией и иссле- дованием режимов работы систем сельского электроснабжения. 11 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОДЕЛИРОВАНИИ В ПРОГРАММЕ MATLAB Моделирование применяется для познания свойств оригинала путем исследования не самого объекта, а его модели. Моделирование оправдано в том случае, если создание модели проще, чем создание оригинала, кроме того, применительно к системам электроснабжения оно позволяет моделировать режимы и ситуации, крайне нежелатель- ные для реальных систем (короткие замыкания, провалы напряжения, перенапряжения и т.п.). В принципе, в зависимости от способа реализации моделей их можно разделить на физические модели и математические модели. Физические модели представляют собой идентичные оригиналу устройства уменьшенных габаритов, которые имеют ту же физиче- скую природу. Они наиболее точно описывают поведение реального объекта, но варьирование их параметрами затруднено, а создание са- мой модели очень дорого. Математические модели представляют собой описания объекта в виде математических соотношений. Математическая модель, опи- сывающая поведение объекта во времени, называется имитационной моделью. Имитационное моделирование является одним из видов компь- ютерного моделирования. При этом под имитацией понимают прове- дение на компьютерах различных экспериментов с моделями, кото- рые представлены в качестве некоторого набора компьютерных про- грамм. В настоящее время имеется значительное количество про- граммных комплексов, позволяющих с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизво- дить (имитировать) процессы функционирования объекта при усло- вии воздействия на него различных факторов. Среди систем компью- терного моделирования особо выделяется программа MATLAB (мат- ричная лаборатория), ориентированная в первую очередь на научно- технические вычисления и моделирование. Программа MATLAB представляет собой язык программирования высокого уровня для инженерных и научных вычислений и создания средств моделирования для различных устройств и систем. Моделирование систем электроснабжения возможно как с по- мощью создания своей программы на языке MATLAB, так и путем 12 использования моделей типовых элементов системы электроснабже- ния из пакета расширения Simulink. Пакет расширения Simulink программы MATLAB позволяет вы- полнить имитационное моделирование объектов, состоящих из гра- фических блоков с заданными параметрами. В свою очередь в пакет Simulink входит крупный пакет расширения SimPowerSistems, пред- назначенный специально для моделирования электротехнических устройств и энергетических систем большой мощности. В модель энергетической системы могут включаться блоки источников, эле- ментов, виртуальных регистрирующих приборов, графические сред- ства анимации. Приложение Simulink является своего рода «вирту- альной лабораторией», позволяющей собирать и исследовать работу многих видов электрических цепей и устройств. Получившаяся в ре- зультате «виртуальная схема» позволяет проводить все этапы иссле- дования, присущие экспериментальному или опытному образцу. В данном пособии мы рассмотрим моделирование систем электроснаб- жения с помощью пакета расширения Simulink программы MATLAB. 1.1 Запуск программы MATLAB и пакета Simulink После запуска программы MATLAB на экране появляется ос- новное окно, приведенное на рисунке 1.1. Окно программы MATLAB показано на рисунке 1.1, а на рисун- ке 1.2 показана панель инструментов программы MATLAB. Рисунок 1.1 – Основное окно программы MATLAB 13 Запуск пакета Simulink осуществляется из основного окна програм- мы набором в командной строке MATLAB команды >>Simulink или нажатием кнопки с всплывающей подсказкой «Simulink» на панели инст- рументов (рис. 1.2). Рисунок 1.2 – Панель инструментов программы MATLAB После нажатия кнопки открывается окно браузера библиотек Simulink Library Browser. Открывающееся окно обозревателя при- ведено на рисунке 1.3. Оно имеет шесть элементов. Рисунок 1.3 – Окно браузера библиотек Simulink 1 – меню обозревателя; 2 – панель инструментов; 3 – список разделов библиотеки; 4 – пик- тограммы разделов библиотеки; 5 – окно для вывода содержимого раздела библиотеки; 6 – строка состояния с указателем выполняемого действия Запуск Simulink 1 2 3 4 5 6 14 Создать новую модель Открыть существующую модель Изменить свойства окна обозревателя Настройки поиска блоков Поиск блоков Рассмотрим элементы окна обозревателя библиотеки блоков Simulink Library Browser. Меню обозревателя состоит из команд: File (Файл) – работа с файлами библиотек; Edit (Редактирование) – добавление компонентов и их поиск; View (Вид) – управление отображением панели инструментов и строки состояния; Help (Справка) – вывод окна справки по обозревателю библиотек. Панель инструментов имеет кнопки команд меню, назначение ко- торых показано на рисунке 1.4. Рисунок 1.4 – Кнопки панели инструментов обозревателя Пиктограммы разделов библиотеки на рисунке 1.3 расположены столбиком, что характерно для версий программы 7.6 (R2008a) и ни- же, в более поздних версиях принято построчное расположение пик- тограмм всех элементов, разделов и библиотек. Для сохранения на- глядности в тексте данного пособия построчное расположение пикто- грамм требует альбомного расположения рисунка, рисунок получает- ся громоздкий и слабо заполненный. Поэтому и на последующих ри- сунках будет сохранено расположение элементов библиотек столби- ком. Назначение остальных элементов окна обозревателя понятно из подрисуночных надписей рисунка 1.3. Для просмотра того или иного раздела из списка библиотеки достаточно выделить его мышью. В правой части окна Simulink Li- brary Browser при этом появится набор пиктограмм компонентов ак- тивного раздела библиотеки. На рисунке 1.5 показано окно браузера библиотеки Simulink с открытым разделом Sinks. Из открытого раз- дела библиотеки любой блок можно переместить в окно создаваемой модели. 15 Рисунок 1.5 – Окно браузера библиотеки Simulink с открытым разделом Sinks Для вывода полного перечня команд Simulink надо выполнить команду >> help simulink Для MATLAB 7.6 (R2008a) это приводит к выводу: 16 1.2 Подготовка и запуск модели Процесс моделирования средствами Simulink можно разделить на нескольких этапов. Первым из них является этап составления расчетной схемы сети. Под расчетной схемой понимается электрическая схема исследуемого участка сети с нанесенными на ней параметрами, которые должны быть учтены при моделировании. Вторым этапом является компоновка модели, которая заклю- чается в выборе из библиотек Simulink необходимых блоков, их размещение в специальном окне и соединение между собой. Наибо- лее часто используемые блоки для моделирования систем электро- снабжения и места их размещение в библиотеках будут рассмотре- ны в разделах 2 – 4. 1.2.1 Создание новой модели Для создания модели сначала надо открыть окно для новой мо- дели, нажав на кнопку «Создать новую модель» (см. рис. 1.4). При этом на экране появится окно, приведенное на рисунке 1.6. Первоначально модели присваивается имя «Untitled» (безымян- ная модель). Перемещение блоков в модель осуществляется нажати- ем правой кнопкой мыши на пиктограмму выбранного блока. При этом под пиктограммой появляется выпадающий список, показанный на рисунке 1.7 для блока Display. Рисунок 1.6 – Окно новой модели 1 – наименование модели; 2 – меню модели; 3 – панель инструментов; 4 – окнодля создания схемы модели; 5 – строка состояния, с информацией о текущем состоянии модели 1 2 3 4 5 17 Переместить блок в окно модели можно, указав курсором на строку «Add to untitled» и щелкнув левой кнопкой или нажав клавиши Ctrl+I. Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсо- ром на его пиктограмму и нажать левую клавишу мыши), а затем на- жать клавишу Delete на клавиатуре. Рисунок 1.7 – Выпадающий список пиктограммы блока Display Все библиотечные блоки имеют настройку параметров, установ- ленные по умолчанию. Для просмотра и изменения параметров блока необходимо дважды щелкнуть левой клавишей мыши, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров данного блока. При вводе численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не занятая. После внесения изменений нужно воспользоваться кнопкой Apply для сохранения изменений и закрыть окно кнопкой ОК. Настройку параметров блока можно производить до или после выполнения соединений блоков. Часто при моделировании приходит- ся использовать один и тот же блок несколько раз с незначительно отличающимися параметрами. Настройку параметров такого блока лучше произвести до соединения модели, а затем остальные блоки просто скопировать с него, а изменения в каждый блок внести уже после соединения модели. Для соединения размещенных на схеме блоков между собой на- до подвести курсор мыши к порту «выход» (рис. 1.8) одного из со- единяемых блоков (при этом курсор примет форму крестика). Нажать левую клавишу мыши и, удерживая ее в нажатом положении, пере- местить курсор к порту на «вход» другого блока (курсор примет вид двойного крестика), после чего отпустить удерживаемую клавишу (рис. 1.9). В случае правильного соединения линия связи будет сплошной черного цвета. Если соединение не создано, то линия связи будет пунктирной и иметь красный цвет. Для создания линии связи добавить к безымянному справка для блока Display выход из раздела параметры блока 18 можно также выделить начальный блок (источник), затем нажать клавишу Ctrl на клавиатуре и выделить блок-приемник. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу мыши, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию, а затем на- жать клавишу Delete на клавиатуре. Рисунок 1.8 – Выходной (1) и входной (2) порты блоков Рисунок 1.9 – Соединение блоков Элементы окна модели показаны на рисунках 1.6 – 1.9. Меню модели имеет следующие команды: File (файл) – работа с файлами моделей (создание, сохранение, считывание и печать); Edit (редактирование) – изменение текущей модели; View (вид) – управление отображением панели инструментов и строки состояния (видом интерфейса); Simulation (моделирование) – задание настроек для моделирова- ния и управление процессом расчета (старт, пауза, вывод окна настройки параметров моделирования); Format (форматирование) – форматирование текущей модели 1 2 19 (изменение размера блоков, смена шрифтов, редактирование надписей, повороты блоков, использование тени от блоков, опе- рации с цветами линий блоков, их фоном и общим фоном); Tools (инструментальные средства) – применение специальных средств для работы с моделью (отладчик, линейный анализ, ре- жим реального времени RTW и т. п.); Help (справка) – доступ к справочной систем File, Edit, View и т. д. На панели инструментов модели расположены кнопки, пока- занные на рисунке 1.10. I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Рисунок 1.10 – Панель инструментов окна модели Назначение элементов панели инструментов следующее: 1. New Model – создание пустого окна модели; 2. Open Model – загрузка существующей модели (mdl-файл); 3. Save Model – сохранение текущей модели; 4. Print Model – вывод на печать схемы модели; 5. Cut – перенос выделенной части модели в буфер хранения; 6. Сору – копирование выделенной части модели в буфер; 7. Paste – вставка в окно модели содержимое буфера; 8. – переход назад; 9. Navigate forward (t) – переход вперед; 10. Go to parent system – переход из подсистемы в систему высшего уровня иерархии («родительскую систему»). Команда доступна только тогда, когда открыта подсистема; 11. Undo – отмена последней операции редактирования; 12. Redo – восстановление отмененной операции редактирования; 13. Start/Pause/Continue Simulation – запуск модели на исполнение (команда Start); после запуска модели изображение кнопки 13 ме- няется, и ей соответствует уже команда Pause (приостановить мо- делирование); для возобновления моделирования следует щелк- нуть по той же кнопке, поскольку в режиме паузы ей соответству- ет команда Continue (продолжить); 14. Stop – окончание моделирования. Кнопка становится доступной после начала моделирования, а также после выполнения команды Pause; 20 15. Simulation Stop Time – время окончания моделирования. Позво- ляет задать время окончания расчета; 16. Normal/Accelerator – обычный/ускоренный режим расчета. Инст- румент доступен, если установлено приложение Simulink Perfor- mance Tool; 17. Show when hovering – вывод значений сигналов на выходах блока при наведении на блок указателя мыши; 18. Ineremental Build – генератор кодов для инструмента Real Time Workshop (мастерская реального времени); 19. Refresh Model Blocks – обновление входных и выходных портов и параметров всех блоков модели; 20. Update diagram – обновление окна модели; 21. Build Subsystem – создание исполняемого кода подсистемы; 22. Library Browser – открытие окна обозревателя библиотек; 23. Launch model Explorer – открытие окна исследователя модели (инструмента, систематизирующего информацию о модели); 24. Toggle Model Browser – открытие окна обозревателя модели; 25. Debug – переход в режим отладки модели. В нижней части окна модели находится строка состояния, в ко- торой отображаются краткие комментарии к кнопкам панели инстру- ментов, а также к пунктам меню, когда указатель мыши находится над соответствующим элементом интерфейса. Это же текстовое поле ис- пользуется и для индикации состояния Simulink: Ready (готов) или Running (выполнение). В строке состояния также отображаются: масштаб схемы модели (в процентах, исходное значение соот- ветствует 100 %); индикатор степени завершенности сеанса моделирования (появ- ляется после запуска модели); текущее значение модельного времени (выводится только после запуска модели); используемый алгоритм расчета модели (метод решения). 1.2.2 Редактирование модели Ввод текстовых надписей. Для повышения наглядности моде- ли иногда необходимо использовать текстовые надписи. Для созда- ния надписи нужно указать мышью место надписи и дважды щелк- нуть левой клавишей мыши. После этого появится прямоугольная рамка с курсором ввода, в поле рамки вводится текст (рис. 1.11). Аналогичным образом можно изменить и существующие надписи 21 блоков моделей. Следует иметь в виду, что хотя, начиная с версии программы Simulink 6.5 (MATLAB 2006b), допустимо использование кириллических шрифтов для надписи, во избежание некорректной ра- боты программы мы делать это не рекомендуем, а в случае необходи- мости внесения письменных пояснений делать их, используя латиницу. К тому же не все версии программы выше 2006b поддерживают кирил- лический шрифт. Рисунок 1.11 – Создание текстовой надписи модели |