基于MatlabSimulink的仿真方法研究(2)

　　作者简介:简清华(19612),男,江西新余人,工程师;从事计算机管理及其应用方面的教学工作。

基于Matlab Simulink 的仿真方法研究

简清华,杨高波

(华东交通大学电气与信息工程学院,南昌330013)

　　[摘　要]　本文介绍了运用Matlab 工具箱之一的动态仿真工具Simulink 进行仿真的方法,并结合一个异步电动机的实例,对仿真过程中出现的一些热点问题如提高仿真速度、仿真结果分析等进行了深入的阐述。同时对Simulink 与G UI 的接口也作了介绍。

[关键词]　Matlab ;Simulink ;异步电动机

[中图分类号]TP391.9　[文献标识码]A 　[文章编号]100020682(2001)0420041203

R esearch on a simulation method on Matlab Simulink

J I AN Qing 2hua ,Y ANG G ao 2bo

(Electrical &Information School o f East China Jiaotong University ,Nanchang 330013,China )

　　Abstract :This paper presents a simulation tool called simulink ,one of the Matlab toolboxes.The paper al 2

s o expounds s ome central issues ,such as how im prove the simulation speed ,the analysis of simulation results and s o on during the simulation in combination with an exam ple of asynchronous m otor.The interface of simulink and G UI is als o discussed.

　　K ey w ords :Matlab ;Simulink ;Asynchronous m otor

　　Matlab 是Mathw orks 公司推出的当今国际上最为流行的软件之一。由于它提供了功能强大的矩阵运算、数据处理能力,人们首先称之为演算纸式语言。Matlab 提供了众多的工具箱,Simulink 是Matlab 的主要工具箱之一,其主要的功能是对动态系统做适当的分析,从而在可以做出实际系统之前,预先对系统进行仿真和分析,并可以做适当的实时修正,增强系统的性能,减少系统反修改的时间

,实现高效开发系统的目的。

1　Matlab Simulink 仿真简介

　　Simulink 可以仿真线性或非线性系统,并能够

建构连续时间或离散时间或是二者混合的系统,甚至支持多采样频率(multrate )系统,也就是不同的系统以不同的采样频率进行组合,可以仿真较大较复杂的系统。

Simulink 提供了丰富的模型库供构建完整的系统使用。其模型库包括:源环节、汇环节、线性环节、

非线性环节、连续环节及其它环节。它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可以大大提高仿真的效率和可靠性。更为可贵的是它的开放性,用户可以根据自己的需要开发自己的模型,并通过封装后添加到模型库中,以后就象调用Simulink 自身提供的模型库一样只需简单调用就可以了。

2　使用Matlab Simulink 仿真的步骤

图2—1　Matlab S imulink 仿真步骤

　　运用Matlab Simulink 进行动态系统仿真步骤如

图2—1所示,仿真首先应依据待仿真对象相关理论知识建立其数学模型,(一般首先在纸上进行,然后在计算机上进行)。根据仿真结果显示来判断模型的正确与否和仿真方法恰当与否。一般来讲,建立的数学模型不一定第一次就正确,尤其是将数学模型用闭环系统在计算机上表示不一定正确,故需要

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一个模型分析和模型修正的过程。

3　仿真的方法及实例

　　随着电力电子变流技术的交流电机理论的发

展,出现了许多新型变流装置和交流电机调速控制方法。众所周知,交流异步电机本身是一个非线性、强耦合的对象,再加上在交流装置的非正弦供电的条件下运行,使经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法不能完全适应现代交流调速系统。采用计算机的仿真方法来分析研究交流电机及其调速系统是解决这类工程问题的一种有效工具。这里以一个异步电动机的仿真模型为例。311　建模及用Simulink 模块表示模型

采用计算机仿真方法研究控制系统时,最关键的问题是建立控制对象的仿真模型。本文不具体讨论建模的方法,这里参考一个现存的静止两相坐标系下的鼠笼异步电动机模型。模型建立后,所需的工作就是将数学模型(数学方程式或方程组,可含积分、微分等环节)用Simulink 正确而简洁地表示。一般要先采用线性变换的方法如矩阵消元法等对方程或方程组进行化简,再将化简后的方程用闭环系统表示出来。最后从Simulink

的模型库中选用合适的模块表示闭环系统。

随着系统规模和复杂性的增加,模型也在不断增大。为了减少模型窗口中的模块的个数,可以对功能相同的模块进行分组,然后采用把分组分别组成一个子系统subsystem 的办法使复杂问题简单化。同时,有助于建立递阶结构的框图。

经过分组和封装后与实际系统相同的模型图如图3—1所示。输入为电机的三相交流电压,输出为电机的转速和三相交流电流。图3—1中的Subsys 2tem 展开如图3—2所示。图3—2可进一步展开。

图3—1　经过多层封装的异步电机仿真模型

　　先对异步电动机建模,并通过Simulink 将仿真模型封装起来,使用时只需调用该模型并置入相应的参数即可。从而为异步电机调速及控制方法的仿

真研究提供了一种性能可靠、使用方便的异步电机

模型。312　仿真参数设置

仿真参数设置是仿真过程中重要的一环,它直接影响仿真所用的时间和仿真的结果

。参数设置在Simulink 菜单中的Parameter 子菜单中进行,包括如下几个典型参数

:开始时间、结束时间、最小步长、最大积分步长、容许误差、仿真方法等。

Start time 定义了仿真开始的时间,Stop time 定义了仿真时间。需注意仿真时间=仿真结束时间-仿真开始时间,它与仿真所用时间是不同的概念。仿真所用时间是指运行这样一个仿真实际所需的时间。一般来说二者并不相等。实际上,运行一个仿真所需的时间取决于很多因素,包括模型的复杂性、最大和最小步长,计算机的性能等。

图3—2　子系统Subsystem 展开图

图3—3　仿真结果曲线

　　Mininum Step Size 是指仿真开始时所使用的步长,一般采用系统默认值auto 或较小的值,不过当

系统不连续时,如果其设得过小,将有可能在不连续处产生许多点,超过系统的内存和可用资源的要求。Maximum Step Size 是指仿真过程中允许的最大步长,一般也可采用默认值atuo ,当其设得过小时,直接影响仿真所用的时间,当其设得过大时,则可能使模型变得不稳定。

容许误差含绝对误差Abos olute tolerance 和相对误差限Relative tolerance ,它决定仿真的精度和结束

仿真的条件。

由于仿真要涉及到一组常微分方程的数值积分,Simulink 为这些方程的仿真提供了许多积分方法。由于动态系统特性的多样性,没有一种方法能

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在本例中我们采用的是默认的仿真时间,变步长的积分方法Ode45,仿真结果如图3—3所示。313　仿真结果分析

Matlab提供了示波器Scope、XY graph、Display、T o w orkspace等模块供显示仿真结果,既可以用图形直接观察,也可将结果放入到Matlab工作区中将仿真所得数据进一步处理。

在图3—3右侧输出的转速直接用示波器观察,而三相电流由于其频率为50H z,在10s的仿真时间里有500个周期,如果直接用示波器观察,其波形非常密集,看不到其按正弦规律变化。为此可采用按20点取一点的方法取到所得数据。按20取1的方法是:h=size(i1);g=h(∶,1);k=1∶20∶g;所得波表如图示。左侧为其特性、比较曲线。

对于常见的仿真所用时间过长问题,可能有以下几种原因:仿真步长和容许误差过小,直接影响仿真所用时间;当模型中含有Matlab Fcn模块时,仿真每进行一步就要Matlab解释程序,会大大降低仿真速度,因此最好使用固有的Fcn模块;当由两个或两个以上的对它们各自输入直接进行前馈的模块组成反馈环时,就出现代数环。当出现代数环,仿真每步都要完成迭代,严重降低仿真速度。这时最好通过添加具有一步积分延迟的Mem ory模块切断代数环。

如果仿真结果与预期不一致有多种可能的原因。首先是仿真不恰当。如我们在本例中最初转速波形0～1s范围内不可见,我们通过改变仿真参数设置输出选项,选取优化输出refine output,优化系数由2改为3得到了完整的转速波形。影响仿真的因素很多,如前所述,一般的原则是:尝试多种积分方法,先将步长和容许误差定得稍大些,当结果基本满意时,才将步长和容许误差修正为合适的值,得到精确的仿真结果。如果通过修改仿真参数仍不能得到令人满意的仿真结果,则需要考虑仿真模型是否正确,可以修改模型以后再仿真直至结果令人满意为止。

4　Simulink与GUI的接口

　　为了方便电机参数的输入,我们设计了一个图形用户界面。实现参数的一次性输入,可以避免打开子系统中各个模块的对话框,然后逐个输入参数。有三种方法可以实现一次输入所有参数:其一通过Simulink的Mask封装功能。其二是设计简单的G UI。第三种方法是利用第三方的可视化编程工具如VisualC++、BC B等设计界面,实现其与Matlab及Simulink的交互。第三种方法较为复杂。这里采用的是第二种方法。如图4—1所示。关键是G UI

与Simulink的参数传递问题。Matlab为实现G UI,共定义了十个图形对象,通过改变其属性可以比较容易地实现G UI。G UI与Simulink之间的参数传递以Matlab的工作区w orkspace为中介,将G UI的Edit对象的T ext属性值赋给自定义的Matlab变量,再通过Matlab变量将其值送到Simulink。同样Simulink仿真结果将放入Matlab变量或文件(Mat),G UI直接使用Matlab变量或文件,也可对其先进行所需的变换再使用。

图4—1　仿真主界面

　　此外Simulink与Matlab其它工具箱RT W、State2 flow是紧密联系的整体。将这三者有效结合起来,可以实现复杂的控制系统算法。研究这三者之间的关系,是Simulink进一步应用的方向。

总之,Matlab Simulink是一个非常优秀的交互式建模、仿真与动态系统分析工具。运用它可以比较轻松地实现控制系统设计、DSP设计及通信系统设计等仿真应用动态系统的仿真。

[参考文献]

[1]　施阳等.Matlab精要及动态仿真工具S imulink[M].西北

工业大学出版社.

[2]　周明等.Matlab图形技术———绘图及图形用户接口

[M].西北工业大学出版社.

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电气传动自动化,1999.3.

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