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1、第8章定制模块 8 1定制非线性模块8 2S函数的编写及应用 8 1定制非线性模块8 1 1非线性电感模块 例8 1 定制一个非线性电感元件 当电压在0 120V时 电感恒定为2H 当电压超过120V时 电感元件饱和 电感降低到0 5H 图8 1所示为该非线性电感对应的磁通 电流特性曲线 单位为p u 其中VB 120 sqrt 2 V fB 50Hz 图8 1例8 1的磁通 电流特性曲线 解 1 理论分析 显然电感元件上电压v和电流i具有如下关系 其中 为电感元件上的自感磁链 由式 8 1 可以得到磁链 为因此电感上的电流i为 8 3 8 2 8 1 可见 可以用受控电流源表示该非线性电感元
2、件 该电流源受控于电流源两端的电压 2 按图8 2搭建非线性电感模型 该模型包括一个电压表模块 一个可控电流源模块 电流源的电流方向为箭头所示方向 一个积分模块和一个用于描述磁通 电流饱和特性的查表模块 选用的各模块的名称及提取路径见表8 1 图中有一个信号输出口m 输出非线性电感模块上的磁通和该模块两端的电压值 图8 2非线性电感模型 表8 1例8 1非线性电感模型中包含的模块 图8 3例8 1的查表模块参数设置 打开查表模块参数对话框 按图8 3设置参数 该图中的参数实际上就是图8 1的磁通 电流特性 其余模块的参数采用默认设置 3 将搭建好的非线性电感模型组合为一个子系统并命名为Nonl
3、inearInductance后 按图8 4所示搭建仿真系统 选用的各模块的名称及提取路径见表8 2 图8 4例8 1的仿真系统图 表8 2例8 1仿真电路模块的名称及提取路径 该系统中含有两个电压源 一个峰值为120V 50Hz 相角为90 的交流电压源Vs和一个幅值为0的直流电压源VDC 串联RLC支路为纯电阻电路 其中电阻元件R 5W 在仿真参数对话框中设置变步长ode23tb算法 仿真结束时间为1 5s 4 开始仿真 设置直流电压源幅值为0 开始仿真 图8 5所示为仿真最后5个周期的波形 图中波形从上到下依次为非线性电感元件上的磁通 电流和电压 此时 电压未超过极限值120V 电感为2
4、H 对应的电流幅值Im为 8 4 磁链 为与观测到的波形一致 8 5 图8 5仿真波形图 VDC 0V 将直流电压源的幅值改为1V 再次仿真 按理论分析 直流电压源单独作用时 电路中的电感相当于短路 因此观测的仿真电流中应该含有一个直流电流 该电流值为1V 5 0 2A 观察仿真最后5个周期的波形如图8 6所示 图中波形从上到下依次为非线性电感元件上的磁通 电流和电压 由于对1V直流电压源分量进行了积分运算 导致磁通饱和 因此电流波形发生畸变 由图可见 此时电流增大到0 575A 图8 6仿真波形图 VDC 1V 通过FFT模块提取电流信号中的基频和直流分量 如图8 7所示 图中波形为非线性电
5、感元件电流的基频分量和直流分量 可见 基频电流增大到0 27A 直流电流分量为0 2A 与理论分析值一致 图8 7基频和直流电流分量 尽管在例8 1中已经建立了一个非线性电感模块 但是该模块外观并不完美 下面将对该非线性电感模块进行封装 创建对话框 图标和说明文档 并通过对话框来设定非线性电感的磁通 电流特性 使它看起来和SIMULINK库提供的其它模块一样完整 单击图8 4中 非线性电感元件 图标 打开菜单 Edit Masksubsystem 弹出封装子系统编辑窗口如图8 8所示 选择 文档 Documentation 标签页 在 封装类型 Masktype 文本框中输入文字 非线性电感
6、在 封装说明 Maskdescription 多行文本框中输入该模块的简单说明和注意事项 在 封装帮助 Maskhelp 多行文本框中输入该模块的帮助文件 图8 8封装子系统编辑窗口 文档标签页 选择 参数 Parameters 标签页如图8 9所示 通过点击按键添加 删除 移动项目 按图8 9分别添加额定电压 额定频率 线性电感和饱和特性 其中 在 变量说明 Prompt 列中输入各变量的简单说明 在 变量名 Variable 列中输入各变量的名称 注意这些变量是可以被封装的子系统作为已知参数调用的 因此 这些变量名应该是容易记忆的 同时SIMULINK不区分大小写 在 类型 Type 列中
7、选择参数的类型 可选的类型有 文本框 edit 列表框 checkbox 和 下拉框 popup 可计算 Evaluate 和 可调用 Tunable 列为可选项 选中 可计算 Evaluate 列后 SIMULINK首先对用户输入的表达式进行计算 然后再将计算结果赋值给变量 否则SIMULINK直接把用户输入的表达式作为一个字符串赋值给变量 选中 可调用 Tunable 列将允许该参数在仿真过程中被修改 图8 9封装子系统编辑窗口 参数标签页 选择 初始化 Initialization 标签如图8 10所示 在 初始化命令 Initializationcommands 窗口中输入如下命令并提
8、取电流变量Current vect和磁通变量Flux vect 图8 10封装子系统编辑窗口 初始化标签页 单击 确定 OK 按键 关闭封装子系统编辑窗口 接下来 将定义的电流变量Current vect和磁通变量Flux vect传递到非线性电感元件的查表模块中 通过菜单 Edit lookunderMask 进入图8 2所示的 非线性电感元件 窗口 打开查表模块对话框 设置输入 输出参数如图8 11所示 确认后退出 非线性电感元件 子系统 回到主窗口中 双击 非线性电感元件 图标 出现图8 12所示的参数对话框 输入额定电压 额定频率 线性电感值和磁通 电流饱和特性 现在可以开始仿真了 仿
9、真波形和图8 6完全相同 图8 11查表模块中参数的设置 图8 12非线性电感元件参数的设置 回到仿真主窗口 继续为该模块定制一个图标 使得该模块像SIMULINK的任何一个模块一样漂亮 选中非线性电感模块 通过菜单 Edit EditMask 打开封装子系统编辑窗口 选择 图标 Icon 标签如图8 13所示 图8 13封装子系统编辑窗口 图标标签页 在 画图命令 Drawingcommands 窗口中输入命令plot Current vect Flux vect 在 透明度 Transparency 下拉框中选择 透明 Transparent 单击 确定 OK 按键或者 应用 Apply
10、按键后退出子系统编辑窗口 可以看见磁通 电流饱和特性曲线出现在非线性电感模块上 由于选择透明处理 输入 输出端口的名称也一并显示在该模块上 封装后的非线性电感模块图标如图8 14所示 当然 也可以选择 不透明 Opaque 这样 输入 输出端口的名称被图形覆盖了 图8 14非线性电感模块图标 8 1 2定制非线性电阻元件非线性电阻元件的建模方法和非线性电感元件的建模方法类似 本节不再利用查表方式建立电压电流关系 而是直接由电压电流的数学关系建立表达式 例8 2 定制一个非线性MOV电阻元件 搭建电路 观测效果 解 1 理论分析 金属氧化物压敏电阻MOV的电压电流具有以下关系 8 6 其中 v
11、i为瞬时电压和电流 V0为钳制电压 I0为钳制电压对应的参考电流 用来定义非线性特性 通常在 10 50 间取值 因此 本例可以用受控电流源来表示该非线性电阻元件 受控电流源受控于该电源两端的电压 2 按图8 15搭建非线性MOV电阻模型 该模型包括一个电压表模块 一个可控电流源模块 电流源的电流方向为箭头所示方向 一个传递函数模块和一个自定义的函数模块 选用的各模块的名称及提取路径见表8 3 图中有一个信号输出口m 输出非线性电阻模块的电压值 图8 15非线性电阻模型 表8 3例8 2非线性电阻模型中包含的模块的名称及提取路径 本例利用数学函数模块直接建立非线性MOV的电压电流特性 由于纯电
12、阻模块不含状态变量 这样在SIMULINK内部运算时将产生一个代数循环 导致运算速度降低 为了解开代数环 在电压测量模块输出口加入了一个1阶滞后传递函数 按图8 16封装该非线性电阻模块 设置钳位电压为2倍的额定电压 即2 120e3 sqrt 2 sqrt 3 195 96kV 参考电流为500A 为25 图8 16封装非线性电阻模块 继续给该非线性电阻加一个图标 打开封装子系统编辑窗口 选择 初始化 标签 在 初始化命令 Initializationcommands 窗口中输入如下命令 t 0 0 0001 0 04 x sin 100 pi t y 500 x 25 选择 图标 Icon
13、 标签 在 画图命令 Drawingcommands 窗口中输入命令 plot y x 确定后退出该编辑窗口 非线性电阻模块图标如图8 17所示 图8 17非线性电阻模块图标 图8 18例8 2的仿真系统图 3 将定制的非线性电阻模块用于保护线电压为120kV的 按图8 18所示搭建的仿真系统 选用的各模块的名称及提取路径见表8 4 表8 4例8 2仿真电路模块的名称及提取路径 将交流电压源峰值设为2 3 120 sqrt 2 sqrt 3 kV 频率为50Hz 相角为0 串联RLC支路RL中 电阻元件R 1 92 电感元件L 26mH 串联RLC负荷额定电压为120 sqrt 3 kV 频率
14、为50Hz 有功功率为10MW 感性和容性无功功率为0 在仿真参数对话框中设置变步长ode23tb算法 仿真结束时间为0 1s 开始仿真 图8 19所示为仿真波形图 图中波形为非线性电阻元件上的电流和电压 图8 19仿真波形图 由波形图可见 在正常电压条件下 MOV相当于一个阻值极大的线性电阻 当电压大于200kV时 MOV内阻急剧下降并迅速导通 其上电流增加几个数量级 而电压被钳位在200kV 从而有效地保护了电路中的其它元器件不至于过压而损坏 对应的电压 电流特性如图8 20所示 图8 20实测的V I特性 8 1 3定制模块库为了方便地对定制的模块进行管理 用户还可以像SIMULINK一
15、样创建自己的模块库 在自己的库中可以添加 删除模块 或者在这个库中建立子库 当对库中某模块进行修改时 所有模型文件中的该模块都被自动修改 这样 就不需要一个个打开模型文件去进行模块修改了 在SIMULINK浏览器窗口中 点击菜单 File NewLibrary 将出现一个新的名为Library untitled的窗口 将定制的非线性电阻模块和非线性电感模块复制到新窗口中 保存新窗口 例如取名为mypsb library 新的模块库窗口如图8 21 图8 21定制的模块库 8 2S函数的编写及应用S函数是SystemFunction的简称 即系统函数 它是扩展SIMULINK功能的强有力的工具
16、在很多情况下非常有用 用户可以利用MATLAB C C 以及FORTRAN等语言来编制程序 构成S函数模块 并像标准SIMULINK模块一样直接调用 S函数使用一种特殊的调用规则 使得用户可以与SIMULINK的内部算法进行交互 这种交互和SIMULINK内部算法与内置模块之间的交互非常相似 而且可以适用于不同性质的系统 图8 22S函数模块图标 本节主要介绍利用MATLAB语言设计S函数 并通过例子介绍S函数的应用技巧 8 2 1S函数模块S函数模块在Simulink User DefinedFunctions库中 用此模块可以创建包含S函数的SIMULINK模块 S函数模块的图标如图8 22所示 S函数模块只有一个信号输入口和一个信号输出口 分别对应输入变量和输出变量 S函数模块输入端口只能接受一维的向量信号 如果S函数模块含有多个输入变量和输出变量 需要使用 信号合成 Mux 模块和 信号分离 Demux 模块 同时需要指定sizes结构的适当区域的值 注意输入变量的个数和输出变量的个数必须和S函数内部定义的输入变量和输出变量的个数相同 S函数模块自动将输入列向量的第一个值和S函
