電路、電力電子系統(tǒng)、電氣控制模擬仿真新工具-PLECS工具箱

1、.電氣系統(tǒng)仿真-PLECS工具箱：.；第 PAGE 13 頁(yè) 共 NUMPAGES 13 頁(yè) 提 綱 引 言. 1緒 論. 1PLECS工具箱.4優(yōu) 勢(shì). 6運(yùn)用領(lǐng)域. 7客 戶. 8競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品. 9運(yùn)用答應(yīng). 10晉級(jí)維護(hù). 11交 貨. 12未來(lái)產(chǎn)品. 13引 言電氣系統(tǒng)的仿真通常采用MATLAB或者SPICE軟件，但他們都有各自的缺陷。PLECS是一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)于Simulink環(huán)境下的工具箱，適用于電氣系統(tǒng)的仿真。當(dāng)被仿真的系統(tǒng)既含有電路部分，又含有復(fù)雜的控制方案時(shí)，PLECS提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的仿真手段。緒 論隨著科學(xué)技術(shù)、仿真實(shí)際及計(jì)算機(jī)的不斷開(kāi)展，仿真技術(shù)在不斷的提高,在如今的科學(xué)研討中，仿

2、真技術(shù)大大提高了科學(xué)研討程度，縮短了科學(xué)研討周期、降低了科學(xué)研討本錢(qián)及風(fēng)險(xiǎn)、促進(jìn)了各不同領(lǐng)域?qū)W科間的交融、加速了科研成果轉(zhuǎn)化為消費(fèi)力。如今,越來(lái)越多的技術(shù)人員采用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)電氣系統(tǒng)來(lái)進(jìn)展仿真。當(dāng)前適用于電氣系統(tǒng)的仿真軟件廣義上可以分為兩大類:電路仿真軟件和系統(tǒng)仿真軟件。電路仿真軟件以SPICE和SABER為代表。當(dāng)技術(shù)人員運(yùn)用這類仿真軟件來(lái)對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)展仿真時(shí)，必需在仿真環(huán)境中描畫(huà)各個(gè)電氣元件和各個(gè)元件之間的電氣銜接。對(duì)此，人們通常采用網(wǎng)絡(luò)表(netlist)來(lái)描畫(huà)電氣系統(tǒng)，或者在仿真軟件中繪制電路圖來(lái)描畫(huà)電氣系統(tǒng)。仿真軟件將以等效的數(shù)學(xué)模型對(duì)電路進(jìn)展仿真。雖然運(yùn)用這類軟件可以很方便地對(duì)只包含

3、電子電路的電氣系統(tǒng)進(jìn)展仿真，但是這類軟件不適用于仿真含有復(fù)雜控制構(gòu)造的電氣系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真軟件以MATLAB為代表。它在科學(xué)研討特別是電子信息科學(xué)中有著極為廣泛的運(yùn)用。它的典型運(yùn)用包括：(1) 數(shù)學(xué)和計(jì)算；(2) 運(yùn)算法那么；(3) 建模、仿真；(4) 數(shù)據(jù)分析、研討等等。它的特點(diǎn)在于其強(qiáng)大的矩陣計(jì)算才干和豐富的工具箱。運(yùn)用系統(tǒng)仿真軟件時(shí)，電氣系統(tǒng)必需采用相應(yīng)的微分方程或代數(shù)方程來(lái)描畫(huà)。當(dāng)知系統(tǒng)的傳送函數(shù)時(shí)，運(yùn)用系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)展仿真是非常方便的。但是當(dāng)被仿真的系統(tǒng)含有電路部分，仿真就變得非常困難。由于假設(shè)電路部分以簡(jiǎn)化的傳送函數(shù)來(lái)表示，那么很多細(xì)節(jié)會(huì)被忽略。假設(shè)采用Simulink提供的根本模塊

4、(如開(kāi)關(guān)和觸發(fā)器)來(lái)構(gòu)造模型，那么相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在對(duì)電氣系統(tǒng)的仿真中，我們遇到的系統(tǒng)經(jīng)常是既含有電路部分，又含有復(fù)雜的控制方案，例如電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。為了對(duì)這樣一類電氣系統(tǒng)進(jìn)展快速而準(zhǔn)確的仿真，我們需求一個(gè)把兩類仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的仿真工具。PLECS工具箱為我們提供了這樣一個(gè)處理方案。Simulink是MATLAB運(yùn)用最廣泛的一個(gè)軟件包，它是針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)展建模、分析、仿真物理系統(tǒng)和數(shù)學(xué)系統(tǒng)的重要工具。它以MATLAB的中心數(shù)學(xué)、圖形和言語(yǔ)為根底，可以讓用戶輕松的完成從算法開(kāi)發(fā)、仿真或模擬驗(yàn)證的全過(guò)程。 Simulink常用的模塊有Sources模塊庫(kù)、Sinks模塊庫(kù)、Continues模

5、塊庫(kù)、Discrete模塊庫(kù)、Math Operations模塊庫(kù)等等。每個(gè)模塊庫(kù)又有對(duì)應(yīng)的模塊。如Sources模塊庫(kù)，它里面有Sine Wave模塊、From Workspace模塊等。這里就不作詳細(xì)闡明。PLECS工具箱PLECS工具箱是由瑞士蘇黎士工學(xué)院的Jost Allmeling和Wolfgang Hammer開(kāi)發(fā)。這個(gè)工具箱是特別為電力電子系統(tǒng)的仿真而開(kāi)發(fā)，同時(shí)，它還適用于仿真既含有電路部分又含有復(fù)雜的控制方案的系統(tǒng)。PLECS是基于MATLAB的Simulink為運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境,可以與Simulink并行被運(yùn)用,也可以作為Simulink的一個(gè)工具箱,和Simulink下的其他模塊并

6、列存在. 熟習(xí)Simulink的用戶,會(huì)很輕松的掌握PLECS軟件的編輯原理.根本原理：PLECS工具箱的算法是基于形狀空間的。當(dāng)電路中只包含線性元件時(shí)，從數(shù)學(xué)的角度，這個(gè)電路就可以用相應(yīng)的微分方程來(lái)描畫(huà)。即：Dx/dt = Ax + Bu (x、u為矢量)Y = Cx + Du (x、y、u均為矢量)在建立電路模型后，PLECS工具箱會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的形狀方程，并把這些形狀方程封裝在一個(gè)子系統(tǒng)中，嵌入在Simulink的任務(wù)環(huán)境中。在仿真的每一步中，子系統(tǒng)從外部獲得輸入形狀矢量，然后經(jīng)過(guò)Simulink計(jì)算得出矢量Y。 Simulink是運(yùn)轉(zhuǎn)在MATLAB環(huán)境中的用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)展建模、仿真和分析

7、的軟件包。對(duì)于建模，Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面。Simulink被廣泛地用于控制系統(tǒng)的仿真。但是Simulink不能接受用戶以網(wǎng)絡(luò)表或電路圖方式輸入的電路系統(tǒng)。PLECS工具箱擴(kuò)展了Simulink的功能，使我們可以在Simulink的環(huán)境中以網(wǎng)絡(luò)表的方式建立電路部分的模型。建模后的電路模型將以子系統(tǒng)的方式呈如今Simulink中。系統(tǒng)中控制部分的建模可以經(jīng)過(guò)調(diào)用Simulink中的各種工具箱來(lái)完成。在對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)展建模以后，電路部分可以接納控制部分的電壓、電流信號(hào)及開(kāi)關(guān)信號(hào)。而在仿真過(guò)程中，電路部分又將仿真的結(jié)果以電壓量、電流量的方式傳送給控制部分。經(jīng)過(guò)兩個(gè)部分的交互作用，可

8、以完成比較復(fù)雜的仿真義務(wù)，并且可以利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能來(lái)分析仿真的結(jié)果。PLECS提供了涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)等電氣系統(tǒng)中常見(jiàn)的根本元件和仿真模型，主要由兩大部分組成:內(nèi)建元件和庫(kù)元件。內(nèi)建元件包括:電阻、電感、電容、電流源、電壓源、變壓器、安培表、伏特表，開(kāi)關(guān)等元件;而庫(kù)元件那么主要有:IGBT、GTO、晶閘管、二極管、雙路開(kāi)關(guān)、三路開(kāi)關(guān)、異步電機(jī)等的仿真模型。用戶也可以根據(jù)本人的需求用內(nèi)建元件來(lái)構(gòu)建所需的電路元件。實(shí)踐上，PLECS的庫(kù)元件正是采用內(nèi)建元件來(lái)構(gòu)成的。PLECS區(qū)別于以往傳統(tǒng)的模擬仿真運(yùn)用軟件,主要有以下一些顯著特點(diǎn):兼容性好：與Simulink結(jié)合高效的編

9、輯原理元器件的理想化:A 便于操作:一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化，不會(huì)讓我們擔(dān)憂諸如導(dǎo)通電阻或吸收電容這樣的參數(shù)問(wèn)題.通常,我們能夠不知道這些數(shù)值,特別是系統(tǒng)模擬所能夠產(chǎn)生的寄生效應(yīng),也是很少被關(guān)注的,這樣,PLECS元件理想化優(yōu)勢(shì)就表達(dá)在這里.B 穩(wěn)定性好: 在模擬電路的搭建時(shí)，運(yùn)用吸收電路往往使模擬系統(tǒng)復(fù)雜性添加,彈性系數(shù)也會(huì)上升.有些模塊通常會(huì)要求固定時(shí)步模擬或運(yùn)用彈性系數(shù)解算器.而PLECS在沒(méi)有緩沖器的條件下,就可以讓您在Simulink的一切固定時(shí)步和可變時(shí)步解算器中進(jìn)展自在選擇.C 速度快: 傳統(tǒng)的一些電路模擬程序,轉(zhuǎn)化瞬間的計(jì)算非常繁瑣.有限斜率強(qiáng)迫縮短了程序運(yùn)轉(zhuǎn)步驟的時(shí)間.在PLECS

10、中,這個(gè)問(wèn)題就容易處理.只需求經(jīng)過(guò)理想開(kāi)關(guān)的即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn).每個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程只需求兩步.在某種程度上大大加快了模擬速度.特殊的程序庫(kù)除了規(guī)范的參數(shù)如電流電壓,有源器件外,PLECS還提供了一些特別的元件.在程序庫(kù)里,他可以找到很多半導(dǎo)體元器件,如開(kāi)關(guān),斷路器.變流器和三相變壓器等等.為了模擬電子驅(qū)動(dòng),我們?cè)赑LECS里還可以找到交流或直流發(fā)電機(jī),如感應(yīng)發(fā)電機(jī)或永磁同步發(fā)電機(jī).優(yōu) 勢(shì)PLECS軟件具有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)性,其優(yōu)勢(shì)如下:將本人的功能集成在Simulink中，仿真系統(tǒng)電路部分的仿真由PLECS工具箱完成，而控制部分仍可以利用Simulink本身強(qiáng)大的功能，兩者的結(jié)合使各自的優(yōu)點(diǎn)得到了充分發(fā)

11、揚(yáng);描畫(huà)電路的言語(yǔ)簡(jiǎn)單明了，易于編程，易于修正;由于采用了形狀空間的方法，仿真速度快本錢(qián)低；在時(shí)間和步驟上，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的系統(tǒng)模擬軟件 支持固定時(shí)步、可變時(shí)步方式一切的電路元件都被理想化，甚至還包括能夠產(chǎn)生的寄生效應(yīng)規(guī)范平臺(tái)，無(wú)挪動(dòng)本錢(qián)，不受計(jì)算機(jī)根底設(shè)備變化的影響兼容性好 (作為Simulink的工具箱或與Simulink獨(dú)立并行運(yùn)用熟習(xí)Simulink的用戶很容易掌握)快速模擬工程技術(shù)及研發(fā)上的新構(gòu)思新理念提供更快的模擬系統(tǒng)和所要求的無(wú)微調(diào)參數(shù)綜上所述，采用PLECS工具箱，可以在Simulink任務(wù)環(huán)境中高效率地完成對(duì)電氣系統(tǒng)的仿真和分析，為分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜的電氣系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的仿真手

12、段，提高了仿真和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率。運(yùn)用領(lǐng)域有電力電子系統(tǒng)研發(fā)和消費(fèi)的公司,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)室等都是PLECS的潛在客戶.見(jiàn)下表:領(lǐng)域公司典型運(yùn)用關(guān)建字航空飛機(jī)制造商系統(tǒng)供應(yīng)商飛機(jī)電力供應(yīng)發(fā)動(dòng)系統(tǒng)直流變頻器汽車(chē)汽車(chē)制造商系統(tǒng)供應(yīng)商工程技術(shù)維修機(jī)車(chē)電力系統(tǒng)X-by-wire起動(dòng)機(jī)混合電力機(jī)車(chē)燃油汽車(chē)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管無(wú)刷直流電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)&自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)制造商自動(dòng)化控制工程技術(shù)變速驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)控制機(jī)器人機(jī)電IGBT感應(yīng)式電機(jī)無(wú)傳感控制電子電腦制造商電訊醫(yī)療系統(tǒng)電子消費(fèi)產(chǎn)品主要適配器不延續(xù)電源UPS電池照明聲頻放大器電磁兼容性功率要素補(bǔ)償軟開(kāi)關(guān)高變頻交通鐵路機(jī)車(chē)系統(tǒng)制造商鐵路電氣化電

13、車(chē)地鐵機(jī)車(chē)高速列車(chē)鐵路串聯(lián)和并聯(lián)逆變器銜接參差調(diào)諧開(kāi)關(guān)工業(yè)設(shè)備重工業(yè)發(fā)電電力傳輸和分配感應(yīng)加熱風(fēng)力和太陽(yáng)能分配發(fā)電高壓直流銜接設(shè)備管理控制與時(shí)間調(diào)度程度有源濾波器晶閘管，GTO,IGCT同步發(fā)電機(jī)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)客 戶目前全球曾經(jīng)運(yùn)用PLECS軟件的客戶有：工業(yè)領(lǐng)域：ABBWideHiltiSiemensA&D (自動(dòng)化領(lǐng)域) Philips Research Laboratories (研討實(shí)驗(yàn)室)Alstom Power Conversion(電子領(lǐng)域)Bombardier Transportation交通領(lǐng)域 Panasonic Electronic Devices (驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域) Smit

14、hs Aerospace航空領(lǐng)域Vestas Wind System工業(yè)設(shè)備：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 全球重點(diǎn)大學(xué)及實(shí)驗(yàn)室： Florida State University,CAPS (USA) Colorado School of Mines (USA)DLR,Institude of Robotics and Mechatronics (D)Universiteit Gent,EELAB (B) Paul Scherrer Institut (CH)Imperial College London,EE-C&P (UK) 競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品用于Simulink的工具箱Power System Blockset

15、是The Math Works最有名的范例，這個(gè)工具箱是為了電行業(yè)所開(kāi)發(fā)研制的；它不是非常適宜復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)。德國(guó)一名教授所開(kāi)發(fā)的SimuPec就是一個(gè)工具箱，用于模擬電力電子系統(tǒng)。柏林的ALSTOM電力轉(zhuǎn)化就是它的其中的一個(gè)客戶。獨(dú)立的程序大多數(shù)獨(dú)立程序都是和Simulink共同進(jìn)展模擬運(yùn)用的。歐洲的PSIM是一個(gè)低本錢(qián)的模擬軟件，它專為電力電子和電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的。它只支持固定時(shí)步模擬。和Simulink共同進(jìn)展模擬不能滿足它的任務(wù)要求。Ansoft的Simplorer專門(mén)用于電力電子方面。它支持在規(guī)范系統(tǒng)和模塊中，同時(shí)每個(gè)安裝步驟都要求嚴(yán)厲。它與Simulink結(jié)合運(yùn)用的共同模擬效果不

16、是很好，而且本錢(qián)也很高。SABER是專門(mén)用于詳密安裝的模擬中，造價(jià)極高。SPICE的研制是用于集成電路上面，它通常被電力電子領(lǐng)域所采用，由于許多制造商可以在模塊上采用很多他們本人的元器件，但是，控制方面不斷還是個(gè)問(wèn)題，而且還會(huì)產(chǎn)生一些如下問(wèn)題：PSpice from OrCADSIMetrix from CatenaIntusoftSIMPLIS from Transim and CatenaPSCAD/EMTDC from Manitoba HydroEMTP and Caspoc from Simulation Research比較,見(jiàn)下表:PLECSSimPower SystemsPSI

17、MSimplorerPSpiceSABER用于電力電子設(shè)計(jì)是否是是否否與Simulink 相結(jié)合是是否否否否開(kāi)式模塊構(gòu)造是否否是是是固定時(shí)步是是否否否否可變時(shí)步是是是是是是理想轉(zhuǎn)化是否否否否否易于運(yùn)用是否否是否否快速是否是否否否本錢(qián)低低低中中高運(yùn)用答應(yīng)商業(yè)客戶允許安裝型號(hào)答應(yīng)權(quán)獨(dú)立用戶名指定電腦網(wǎng)絡(luò)用戶名MATLAB答應(yīng)號(hào)MAC地址Dongle答應(yīng)效力器個(gè)人單獨(dú)運(yùn)用是1能夠能夠能夠多人共同運(yùn)用是學(xué)術(shù)客戶允許安裝型號(hào)答應(yīng)權(quán)獨(dú)立用戶名指定電腦MATLAB答應(yīng)號(hào)MAC地址Dongle答應(yīng)效力器個(gè)人單獨(dú)運(yùn)用是1能夠是多人共同運(yùn)用是教學(xué)運(yùn)用能夠是晉級(jí)維護(hù)運(yùn)用答應(yīng)選擇個(gè)人單獨(dú)運(yùn)用答應(yīng)：個(gè)人單獨(dú)運(yùn)用答應(yīng)允許

18、一個(gè)單獨(dú)用戶名運(yùn)用PLECS軟件。PLECS可以安裝運(yùn)轉(zhuǎn)在一個(gè)和多個(gè)電腦上例如，公司，家里，或者是筆記本電腦，但是用戶名必需是同一個(gè)。PLECS個(gè)人運(yùn)用答應(yīng)可以與單獨(dú)一個(gè)或者一組MATLAB答應(yīng)軟件共同運(yùn)用。多人共同運(yùn)用答應(yīng)：每個(gè)運(yùn)用者在電腦上都可以運(yùn)用PLECS軟件，但前提是在同一個(gè)效力器上。PLECS不限制運(yùn)用用戶；而且它還可以讓共同運(yùn)用的客戶在局域網(wǎng)的任何電腦上運(yùn)轉(zhuǎn)此軟件。它的價(jià)錢(qián)根據(jù)共同運(yùn)用此軟件用戶的人數(shù)來(lái)決議。答應(yīng)運(yùn)用期限PLECS的運(yùn)用權(quán)永久有效，但是需求定期的進(jìn)展維護(hù)。最開(kāi)場(chǎng)的費(fèi)用包含了PLECS軟件的運(yùn)用答應(yīng)，以及12個(gè)月內(nèi)的軟件維護(hù)效力費(fèi)用。超越了這個(gè)期限，維護(hù)費(fèi)用就要重新支付，不過(guò)這個(gè)的維護(hù)效力包含了產(chǎn)品的更新以及相關(guān)的技術(shù)支持。軟件維護(hù)效力產(chǎn)品更新：用戶有權(quán)要求進(jìn)展產(chǎn)品的晉級(jí)，每年