電氣控制模擬仿真新工具-PLECS工具箱

提綱引言…….１緒論……..１PLECS工具箱…………….４優(yōu)勢…………………..６應(yīng)用領(lǐng)域…………………..７客戶…………………..８競爭產(chǎn)品…………………..９使用許可………………….１０升級維護………………….１１交貨………………….１２未來產(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點。PLECS是一個運行于Simulink環(huán)境下的工具箱，適用于電氣系統(tǒng)的仿真。當被仿真的系統(tǒng)既含有電路局部，又含有復雜的控制方案時，PLECS提供了一個簡便的仿真手段。緒論隨著科學技術(shù)、仿真理論及計算機的不斷開展，仿真技術(shù)在不斷的提高,在如今的科學研究中，仿真技術(shù)大大提高了科學研究水平，縮短了科學研究周期、降低了科學研究本錢及風險、促進了各不同領(lǐng)域?qū)W科間的融合、加速了科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。現(xiàn)在,越來越多的技術(shù)人員采用計算機來對電氣系統(tǒng)來進展仿真。當前適用于電氣系統(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。當技術(shù)人員使用這類仿真軟件來對電氣系統(tǒng)進展仿真時，必須在仿真環(huán)境中描述各個電氣元件和各個元件之間的電氣連接。對此，人們通常采用網(wǎng)絡(luò)表(net

list)來描述電氣系統(tǒng)，或者在仿真軟件中繪制電路圖來描述電氣系統(tǒng)。仿真軟件將以等效的數(shù)學模型對電路進展仿真。雖然使用這類軟件可以很方便地對只包含電子電路的電氣系統(tǒng)進展仿真，但是這類軟件不適用于仿真含有復雜控制構(gòu)造的電氣系統(tǒng)。

系統(tǒng)仿真軟件以MATLAB為代表。它在科學研究特別是電子信息科學中有著極為廣泛的應(yīng)用。它的典型使用包括：(１)數(shù)學和計算；(２)運算法那么；(３)建模、仿真；(４)數(shù)據(jù)分析、研究等等。它的特點在于其強大的矩陣計算能力和豐富的工具箱。使用系統(tǒng)仿真軟件時，電氣系統(tǒng)必須采用相應(yīng)的微分方程或代數(shù)方程來描述。當系統(tǒng)的傳遞函數(shù)時，使用系統(tǒng)仿真軟件進展仿真是十分方便的。但是當被仿真的系統(tǒng)含有電路局部，仿真就變得十分困難。因為如果電路局部以簡化的傳遞函數(shù)來表示，那么很多細節(jié)會被忽略。如果采用Simulink提供的根本模塊(如開關(guān)和觸發(fā)器)來構(gòu)造模型，那么相當費時費力。在對電氣系統(tǒng)的仿真中，我們遇到的系統(tǒng)經(jīng)常是既含有電路局部，又含有復雜的控制方案，例如電氣傳動系統(tǒng)。為了對這樣一類電氣系統(tǒng)進展快速而準確的仿真，我們需要一個把兩類仿真軟件的優(yōu)點結(jié)合起來的仿真工具。PLECS工具箱為我們提供了這樣一個解決方案。Simulink是MATLAB應(yīng)用最廣泛的一個軟件包，它是針對動態(tài)系統(tǒng)進展建模、分析、仿真物理系統(tǒng)和數(shù)學系統(tǒng)的重要工具。它以MATLAB的核心數(shù)學、圖形和語言為根底，可以讓用戶輕松的完成從算法開發(fā)、仿真或模擬驗證的全過程。Simulink常用的模塊有Sources模塊庫、Sinks模塊庫、Continues模塊庫、Discrete模塊庫、MathOperations模塊庫等等。每個模塊庫又有對應(yīng)的模塊。如Sources模塊庫，它里面有SineWave模塊、FromWorkspace模塊等。這里就不作詳細說明。PLECS工具箱PLECS工具箱是由瑞士蘇黎士工學院的JostAllmeling和WolfgangHammer開發(fā)。這個工具箱是特別為電力電子系統(tǒng)的仿真而開發(fā)，同時，它還適用于仿真既含有電路局部又含有復雜的控制方案的系統(tǒng)。PLECS是基于MATLAB的Simulink為運行環(huán)境,可以與Simulink并行被使用,也可以作為Simulink的一個工具箱,和Simulink下的其他模塊并列存在.熟悉Simulink的用戶,會很輕松的掌握PLECS軟件的編輯原理.根本原理：PLECS工具箱的算法是基于狀態(tài)空間的。當電路中只包含線性元件時，從數(shù)學的角度，這個電路就可以用相應(yīng)的微分方程來描述。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工具箱會產(chǎn)生對應(yīng)的狀態(tài)方程，并把這些狀態(tài)方程封裝在一個子系統(tǒng)中，嵌入在Simulink的工作環(huán)境中。在仿真的每一步中，子系統(tǒng)從外部獲得輸入狀態(tài)矢量，然后通過Simulink計算得出矢量Y。

Simulink是運行在MATLAB環(huán)境中的用來對動態(tài)系統(tǒng)進展建模、仿真和分析的軟件包。對于建模，Simulink提供了一個圖形化的用戶界面。Simulink被廣泛地用于控制系統(tǒng)的仿真。但是Simulink不能承受用戶以網(wǎng)絡(luò)表或電路圖形式輸入的電路系統(tǒng)。PLECS工具箱擴大了Simulink的功能，使我們可以在Simulink的環(huán)境中以網(wǎng)絡(luò)表的形式建立電路局部的模型。建模后的電路模型將以子系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)在Simulink中。系統(tǒng)中控制局部的建?？梢酝ㄟ^調(diào)用Simulink中的各種工具箱來完成。在對仿真系統(tǒng)進展建模以后，電路局部可以接收來自控制局部的電壓、電流信號及開關(guān)信號。而在仿真過程中，電路局部又將仿真的結(jié)果以電壓量、電流量的形式傳遞給控制局部。通過兩個局部的交互作用，可以完成比較復雜的仿真任務(wù)，并且可以利用MATLAB強大的計算功能來分析仿真的結(jié)果。PLECS提供了涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動等電氣系統(tǒng)中常見的根本元件和仿真模型，主要由兩大局部組成：內(nèi)建元件和庫元件。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，開關(guān)等元件；而庫元件那么主要有：IGBT、GTO、晶閘管、二極管、雙路開關(guān)、三路開關(guān)、異步電機等的仿真模型。用戶也可以根據(jù)自己的需求用內(nèi)建元件來構(gòu)建所需的電路元件。實際上，PLECS的庫元件正是采用內(nèi)建元件來構(gòu)成的。PLECS區(qū)別于以往傳統(tǒng)的模擬仿真應(yīng)用軟件,主要有以下一些顯著特點：兼容性好：與Simulink結(jié)合高效的編輯原理元器件的理想化：A便于操作：一個理想的開關(guān)轉(zhuǎn)化，不會讓我們擔憂諸如導通電阻或吸收電容這樣的參數(shù)問題.通常,我們可能不知道這些數(shù)值,特別是系統(tǒng)模擬所可能產(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)勢就表達在這里.B穩(wěn)定性好：在模擬電路的搭建時，使用吸收電路往往使模擬系統(tǒng)復雜性增加,彈性系數(shù)也會上升.有些模塊通常會要求固定時步模擬或使用彈性系數(shù)解算器.而PLECS在沒有緩沖器的條件下,就可以讓您在Simulink的所有固定時步和可變時步解算器中進展自由選擇.C速度快：傳統(tǒng)的一些電路模擬程序,轉(zhuǎn)化瞬間的計算十分繁瑣.有限斜率強制縮短了程序運行步驟的時間.在PLECS中,這個問題就容易解決.只需要通過理想開關(guān)的即時運行就可以實現(xiàn).每個轉(zhuǎn)化過程只需要兩步.在某種程度上大大加快了模擬速度.

特殊的程序庫除了標準的參數(shù)如電流電壓,有源器件外,PLECS還提供了一些特別的元件.在程序庫里,你可以找到很多半導體元器件,如開關(guān),斷路器.變流器和三相變壓器等等.為了模擬電子驅(qū)動,我們在PLECS里還可以找到交流或直流發(fā)電機,如感應(yīng)發(fā)電機或永磁同步發(fā)電機.優(yōu)勢PLECS軟件具有強有力的競爭性,其優(yōu)勢如下：將自己的功能集成在Simulink中，仿真系統(tǒng)電路局部的仿真由PLECS工具箱完成，而控制局部仍可以利用Simulink自身強大的功能，兩者的結(jié)合使各自的優(yōu)點得到了充分發(fā)揮；描述電路的語言簡單明了，易于編程，易于修改；

由于采用了狀態(tài)空間的方法，仿真速度快本錢低；在時間和步驟上，簡化了傳統(tǒng)的系統(tǒng)模擬軟件

支持固定時步、可變時步模式所有的電路元件都被理想化，甚至還包括可能產(chǎn)生的寄生效應(yīng)標準平臺，無移動本錢，不受計算機根底設(shè)施變化的影響兼容性好(作為Simulink的工具箱或與Simulink獨立并行使用．熟悉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)和所要求的無微調(diào)參數(shù)綜上所述，采用PLECS工具箱，可以在Simulink工作環(huán)境中高效率地完成對電氣系統(tǒng)的仿真和分析，為分析和設(shè)計復雜的電氣系統(tǒng)提供了一個強有力的仿真手段，提高了仿真和系統(tǒng)開發(fā)的效率。應(yīng)用領(lǐng)域有電力電子系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)的公司,驅(qū)動系統(tǒng)和自動控制的實驗室等都是PLECS的潛在客戶.見下表：領(lǐng)域公司典型應(yīng)用關(guān)建字航空飛機制造商系統(tǒng)供給商飛機電力供給發(fā)動系統(tǒng)直流變頻器汽車汽車制造商系統(tǒng)供給商工程技術(shù)維修機車電力系統(tǒng)X-by-wire起動機混合電力機車燃油汽車金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管無刷直流電機開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動&自動化驅(qū)動制造商自動化控制工程技術(shù)變速驅(qū)動傳動控制機器人機電IGBT感應(yīng)式電機無傳感控制電子電腦制造商電訊醫(yī)療系統(tǒng)電子消費產(chǎn)品主要適配器不連續(xù)電源UPS電池照明聲頻放大器電磁兼容性功率因素補償軟開關(guān)高變頻交通鐵路機車系統(tǒng)制造商鐵路電氣化電車地鐵機車高速列車鐵路串聯(lián)和并聯(lián)逆變器連接參差調(diào)諧開關(guān)工業(yè)設(shè)備重工業(yè)發(fā)電電力傳輸和分配感應(yīng)加熱風力和太陽能分配發(fā)電高壓直流連接設(shè)備管理控制與時間調(diào)度程度有源濾波器晶閘管，GTO,IGCT同步發(fā)電機雙饋感應(yīng)發(fā)電機客戶目前全球已經(jīng)使用PLECS軟件的客戶有：

工業(yè)領(lǐng)域：

ABBWideHilti

SiemensA&D(自動化領(lǐng)域)

PhilipsResearchLaboratories(研究實驗室)

AlstomPowerConversion(電子領(lǐng)域)

BombardierTransportation

〔交通領(lǐng)域〕

PanasonicElectronicDevices(驅(qū)動領(lǐng)域)

SmithsAerospace〔航空領(lǐng)域〕

VestasWindSystem〔工業(yè)設(shè)備：風力發(fā)電系統(tǒng)〕……

全球重點大學及實驗室：

FloridaStateUniversity,CAPS(USA)ColoradoSchoolofMines(USA)

DLR,InstitudeofRoboticsandMechatronics(D)

UniversiteitGent,EELAB(B)

PaulScherrerInstitut(CH)

ImperialCollegeLondon,EE-C&P(UK)

……競爭產(chǎn)品用于Simulink的工具箱PowerSystemBlockset是TheMathWorks最有名的范例，這個工具箱是為了電行業(yè)所開發(fā)研制的；它不是十分適合復雜的電力電子系統(tǒng)。德國一名教授所開發(fā)的SimuPec就是一個工具箱，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客戶。獨立的程序大多數(shù)獨立程序都是和Simulink共同進展模擬使用的。歐洲的PSIM是一個低本錢的模擬軟件，它專為電力電子和電機控制而設(shè)計的。它只支持固定時步模擬。和Simulink共同進展模擬不能滿足它的工作要求。Ansoft的Simplorer專門用于電力電子方面。它支持在標準系統(tǒng)和模塊中，同時每個安裝步驟都要求嚴格。它與Simulink結(jié)合使用的共同模擬效果不是很好，而且本錢也很高。SABER是專門用于詳密裝置的模擬中，造價極高。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，因為許多制造商可以在模塊上采用很多他們自己的元器件，但是，控制方面一直還是個問題，而且還會產(chǎn)生一些如下問題：PSpicefromOrCADSIMetrixfromCatenaIntusoftSIMPLISfromTransimandCatenaPSCAD/EMTDCfromManitobaHydroEMTPandCaspocfromSimulationResearch比較,見下表：PLECSSimPowerSystemsPSIMSimplorerPSpiceSABER用于電力電子設(shè)計是否是是否否與Simulink相結(jié)合是是否否否否開式模塊構(gòu)造是否否是是是固定時步是是否否否否可變時步是是是是是是理想轉(zhuǎn)化是否否否否否易于使用是否否是否否快速是否是否否否本錢低低低中中高使用許可商業(yè)客戶允許安裝型號許可權(quán)獨立用戶名指定電腦網(wǎng)絡(luò)用戶名MATLAB許可號MAC地址Dongle許可效勞器個人