книги / Практическое моделирование электротехнических систем и систем автоматики
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Р.А. Сажин
ПРАКТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
УДК 658.5 C12
Рецензенты:
канд. техн. наук, профессор Е.М. Васильев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
замдиректора по науке, канд. техн. наук, доцент В.Н. Зуев (ЗАО «Предприятие В-1336», г. Пермь)
Сажин, Р.А.
C12 Практическое моделирование электротехнических систем и систем автоматики: учеб.-метод. пособие / Р.А. Сажин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2017. – 140 с. ISBN 978-5-398-01720-5
Приведено описание программного пакета МАТLAB (Matrix Laboratory) и его библиотечных приложений (Simulink, SimPowerSystems),
с помощью которых студенты при выполнении лабораторных работ создают рабочие модели исследуемых электротехнических систем и систем автоматики. На конкретных примерах описана методика построения и исследования параметров моделей этих систем, а также рассмотрена методика оценки полученного результата.
Предназначено для студентов горно-нефтяного факультета вуза специальности ЭАГП.
УДК 658.5
ISBN 978-5-398-01720-5 |
© ПНИПУ, 2017 |
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа является руководством для выполнения научно-исследовательских лабораторных работ студентами специальности ЭАГП горно-нефтяного факультета. В качестве рабочего инструмента для этих исследований используется программный пакет МАТLAB (Matrix Laboratory) и его библиотеки, с помощью которых студенты создают рабочие модели исследуемых электротехнических систем и систем автоматики. Методика построения и исследования этих систем, а также оценка полученного результата рассмотрены на ряде конкретных примеров.
3
1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ НА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЕ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА «MATLAB»
Программный пакет МАТLAB (Matrix Laboratory) предназначен для моделирования объектов в процессе инженерных расчетов и исследования их параметров. Этот пакет может быть успешно применен для моделирования электротехнических систем и систем автоматики. Программный пакет МАТLAB состоит из основной программы и набора специальных подпрограмм (библиотек), предназначенных для решения (моделирования) задач определенной направленности. Для моделирования исследовательских задач электротехнических систем и систем автоматики применимы библиотеки Simulink, SimPowerSystems
и Simscape.
Эти подпрограммы пакета МАТLAB реализуются через принцип объектного программирования, в соответствии с которым пользователь создает модель из библиотечного набора стандартных функциональных блоков. При этом ему не нужно углубленно изучать языки программирования и математические методы решения этих задач, а достаточно общих знаний, необходимых для работы на компьютере в среде пакета
МАТLAB.
При моделировании пользователь имеет возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.
4
1.1.ЗАПУСК ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА MATLAB
ИПРИЛОЖЕНИЯ SIMULINK
Для запуска программы необходимо предварительно через соответствующую пиктограмму на рабочем столе запустить пакет MATLAB. При этом запуске раскрывается основное окно этого пакета, показанное на рис. 1. В этом окне расположен ярлык библиотеки Simulink, с помощью которого обеспечивается вызов всей совокупности подпрограмм пакета MATLAB. Установив курсор на поле этого ярлыка, двойным щелчком левой клавиши «мыши» раскройте набор подпрограмм Simulink. Врезультате этого на экранепоявитсяновое окно, вид которогопредставленна рис. 2.
Рис. 1. Основное окно программы MATLAB
Окно выбора библиотечных блоков Simulink Library Browser содержит следующие элементы:
1.Набор команд: File, Edit, View, Help.
2.Панель инструментов с ярлыками наиболее часто используемых команд.
3.Окно комментария для вывода поясняющего сообщения
овыбранном блоке.
4.Списокразделовбиблиотеки, реализованныйввидедерева.
5.Окно содержимого раздела библиотеки (список вложенных разделов библиотеки или блоков)
6.Строка состояния, содержащая подсказку по выполняемому действию.
5
Рис. 2. Окно разделов библиотеки Simulink
Библиотека Simulink содержит следующие основные разделы:
1.Commonly Used Blocks – блоки общего назначения.
2.Continuous – линейные блоки.
3.Discontinuities – блоки неоднородные.
4.Discrete – дискретные блоки.
5.Logic and Bit Operations – логические и битовые операции.
6.Logicup Tables – таблицы поиска.
7.Math Operations – блоки математических операций.
8.Model Vertifications – модели проверки.
9.Model-Wide Utilities – широкомодельные утилиты.
10.Ports & Subsystems – компоненты и подсистемы.
11.Signal Atteibutes – признаки сигнала.
12.Signal Routing – направления сигнала.
6
13.Sinks – регистрирующие устройства.
14.Sources – источники сигналов и воздействий.
15.User-Difned Functions – функции определенные пользователем.
16.Additional Math & Discrete – прикладная и дискрет-
ная математика.
Список разделов библиотеки Simulink представлен в виде дерева. Для того чтобы развернуть или свернуть конкретный узел этого дерева, достаточно, установив на него курсор, щелкнуть левой клавишей «мыши». Так, при раскрытии раздела Commonly Used Blocks появляется набор инструментальных блоков, показанный в правой колонке на рис. 3.
Рис. 3. Окно инструментального набора раздела
Commonly Ustd Blocks
7
1.2. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИЛОЖЕНИЯ SIMULINK
Создание модели из элементов библиотеки Simulink возможно только на рабочем поле соответствующего файла. Для создания этого файла необходимо в главном меню из позиции File выбрать вкладку New, а затем щелчком левой клавиши «мыши» выбрать позицию Model. При этом на мониторе появится рабочее окно файла с общим названием Untitled*.
Первую простую модель из элементов библиотеки Simulink построим на рабочем поле файла Untitled* на основе элементов раздела Commonly Used Blocks. Схема этой модели показана на рис. 4.
Рис. 4. Модель из элементов раздела
Commonly Used Blocks
Каждый из элементов этой модели выносим на поле рабочего файла. Для этого раскрываем раздел инструментальных блоков Commonly Used Blocks, в котором выбираем элемент Constant и с помощью «мыши» переносим его на рабочее поле файла Untitled*. Аналогично переносим на это поле элементы
Integrator и Scope.
8
Каждый из этих элементов имеет точки приложения входного или выходного сигнала, которые могут быть соединены соответствующими линиями связи.
Установите курсор на точку приложения выходного сигнала первого элемента Constant и переместите курсор до точки приложения входного сигала второго элемента Integrator. При наличии гарантированной связи между этими точками появится стрелка, обеспечивающая передачу сигнала в заданном ей направлении. Аналогичную связь установите между элементами
Integrator и Scope.
Согласно структуре полученной модели на вход элемента Integrator подается сигнал от элемента Constant. Выходной сигнал с элемента Integrator подается на вход регистратора Scope. Для задания величины значения константы нужно установить курсор на контур элемента Constant и двойным щелчком левой клавиши «мыши» раскрыть окно, показанное на рис. 5.
Рис. 5. Окно для выбора значения параметра элемента Constant
В этом окне в строке Constant value нужно записать число 10 и через ОК закрыть это окно. Значение величины этой
9
константы появится на контуре этого элемента в модели. В процессе создания модели можно использовать кнопки на панели инструментов рабочего файла Untitled*, показанные на рис. 6.
Рис. 6. Кнопки на панели инструментов для управления работой модели
Эти кнопки имеют следующее назначение:
1 – New Model – открыть новое (пустое) окно модели.
2– Open Model – открыть существующий mdl-файл.
3– Save Model – сохранить mdl-файл на диске.
4– Print Model – вывод на печать блок-диаграммы модели.
5– Cut – вырезать выделенную часть модели в буфер промежуточного хранения.
6– Copy – скопировать выделенную часть модели в буфер промежуточного хранения.
7– Paste – вставить в окно модели содержимое буфера промежуточного хранения.
8– Undo – отменитьпредыдущуюоперациюредактирования.
9– Redo – восстановить результат отмененной операции редактирования.
10– Library Browser – открыть окно обозревателя биб-
лиотек.
11– Toggle Model Browser – открыть окно обозревателя
модели.
12– Go to parent system – переход из подсистемы в систему высшего уровня иерархии («родительсую систему»); команда доступна, только если открыта подсистема.
13– Debug – запуск отладчика модели.
14– Start/Pause/Continue Simulation – запуск модели на исполнение (команда Start); после запуска модели на изображе-
10