Исследование способов создания моделей элементно – узловой базы в системе моделирования Matlab / Simulink

Министерство образования  и науки РФ

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №3 по дисциплине

 «Методы математического  моделирования»

 

Исследование способов создания моделей элементно – узловой базы в системе моделирования Matlab / Simulink

 Вариант №9

 

 

 

 

Выполнили:  

	студенты гр. 361-М2           _________ Логинов А.Л           _________ Каськов Е.Э
	«   »                   2011г.
	Проверила:
	профессор каф. ТОЭ ТУСУР, д.т.н. __________Т.Н. Зайченко        «   »                   2011г.

 

 

 

 

 

2011

Цель работы: Исследовать способы создания моделей и библиотек пользователя в системе Matlab / Simulink.

 

Программа работы.

 

1.Создание эквивалентной модели устройства с использованием технологии создания подсистем(маскирования).

Выполняется на примере  моделирования устройств, заданных согласно варианту 9 :

Объект моделирования – Силовая часть импульсного непосредственного преобразователя повышающего типа без гальванической развязки входной и выходной цепей.

Требования к параметрам модели – Параметры реактивных элементов фильтра.

На рисунке 1 представлена модель непосредственного  преобразователя напряжения понижающего типа с двумя осциллографами, снимающих диаграммы сигналов с элементов схемы ( в среде моделирования  Matlab / Simulink)

Рисунок 1 – Модель НПН понижающего типа

Для осуществления моделирования  нужно задаться входными параметрами и рассчитать значения параметров элементов схемы.

Зададимся следующими входными параметрами:

• Напряжение источника питания           En = 25B
• Среднее напряжение на нагрузке             Ud=10B
• Ток нагрузки          Id=1A
• Коэффициент пульсации напряжения     kп=5%
• Частота переключения транзистора            f=1кГц

 

Рассчитаем электрические  параметры схемы при условии, что все элементы схемы идеальны.

Относительная длительность открытого состояния транзистора:

 

              (1)

 

Граничное значение индуктивности дросселя, обеспечивающее непрерывность тока в нем, определяется по выражению:

 

              (2)

Где

 

Выбираем L1=0,006 из условия L1 > Lгр

Определим пульсации  тока в дросселе:

 

            (3)

 

Находим действующее  значение тока дросселя по выражению:

 

          (4)

 

Определим величину емкости  сглаживающего конденсатора C1:

 

            (5)

 

Напряжение на конденсаторе равно напряжению нагрузки:

 

 

Зададим элементам модели полученные при расчете параметры  и произведем моделирование. На рисунке 2 представлены полученные диаграммы на нагрузке и сглаживающем фильтре.

Рисунок 2 – Полученные диаграммы при моделировании

Полученные диаграммы подтверждают правильность расчетов.

Реализуем эквивалентную  модель устройства с использованием технологии создания подсистем и маскирования. Для этого немного преобразуем исходную схему модели, затем выделим нужные блоки и на верхней панели программы выберем Edit / Greate Subsystem. Также для минимизации схемы можно организовать измерительные подсистемы, включающие в себя осциллографы с соответствующими им мультиметрами измерении.

Рисунок 3 – Внутренняя структура подсистемы NPN

Рисунок 4 – Внутренняя структура подсистем Scope1 и Scope2

 

Рисунок 5 – Эквивалентная  модель НПН преобразователя с  измерительными устройствами.

 

Произведем моделирование  полученной с помощью метода маскирования эквивалентной модели НПН понижающего типа.

Рисунок 6 – Полученные диаграммы напряжений и токов  эквивалентной модели на L1 C1 Rd

 

Очевидно, что преобразование исходной модели НПН понижающего  типа в эквивалентную модель, посредством  метода маскирования никак не повлияет на  моделируемый процесс, о чем и говорят идентичность полученных диаграмм для обоих схем. Самый главный плюс данного метода преобразования схем это минимизация пространства и удобная компоновка при разработке больших схем.

Проведем тестирование модели при заданном параметре индуктивности, ниже его граничного значения L1=0,001Гн < Lгр =0,003Гн

Рисунок 7 – Полученные диаграммы при L1 = 0,001Гн

 

Полученные диаграммы  полностью доказывают адекватность модели, так как на них мы видим, что если задать значение индуктивности L1 = 0,001Гн, неудовлетворяющему условию непрерывности тока в дросселе (L1 >  Lгр), то ток в индуктивности L1 , будет спадать до нуля, что и гласит теория. Также наблюдается отклонение значении напряжении и токов на конденсаторе С1 и нагрузке.

 

 

 

2.Создание модели для функционального моделирования с использованием функций пользователя S – функций.

Выполняется на примере  создания модели S-функции для функциональной зависимости согласно варианту 9:

Функция -

 

На рисунке 8 приведена  модель реализуемой S – функции.

 

Рисунок 8 – Модель реализуемой S – фукции

 

 

Рисунок 9 – Окно настроек  S – фукции

 

 

Ниже приведен программный код реализованной s-функции.

function [sys,x0,str,ts] = MMM(t,x,u,flag)

%

%   TIMESTWO - Пример S-функции. Выходной сигнал равен входному,

%   умноженному  на 2:

%      y = 2 * u;

%

%   Шаблон  для создания S-функции - файл sfuntmpl.m .

%

%   Copyright 1990-2001 The MathWorks, Inc.

%   $Revision: 1.6 $

%   Авторский  перевод комментариев: Черных И.В.

%

 

switchflag, % В зависимости  от значения переменной flag происходит 

             % вызов того или иного метода:

 

%===============%

% Инициализация %

%===============%

  case 0

    [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;

 

%===========================================%

% Расчет значений  вектора выходных сигналов %

%===========================================%

 

  case 3

    sys=mdlOutputs(t,x,u);

 

%=========================================%

% Неиcпользуемые  значения переменной flag %

%=========================================%

 

  % В примере  не используются методы для  завершения работы S-функции, 

  % нет непрерывных  и дискретных переменных состояния, 

  % поэтому  значения переменной flag = 1, 2, 4, 9 не  используются.

  % Результатом S-функции в этом случае является пустая матрица.

case { 1, 2, 4, 9 }

sys=[];

%======================================%

% Неизвестное  значение переменной flag %

%======================================%

otherwise

    error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]);

 

end

 

% Окончаниефункцииtimestwo

 

%===============================================================%

% mdlInitializeSizes                                          %

% Функция инициализации                                       %

% Расчет начальных условий, значений вектора шагов модельного %

% времени, размерности  матриц                                 %

%=============================================================%

%

function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes()

 

sizes = simsizes;

sizes.NumContStates  = 0;  % Число непрерывных переменных  состояния. 

sizes.NumDiscStates  = 0;  % Число дискретных  переменных  состояния. 

sizes.NumOutputs     = 1; % Число выходных переменных (размерность 

                           %  выходного вектора).

                           % Динамическая размерность выходного  вектора.

sizes.NumInputs      = 2; % Число входных переменных (размерность  вход 

                           % ного вектора).

                           % Динамическая размерность входного вектора.

sizes.DirFeedthrough = 1;  % Прямой проход. Есть проход входного  сигнала

                           % на выход. 

sizes.NumSampleTimes = 1;  % Размерность вектора шагов модельного 

                           % времени. 

 

sys = simsizes(sizes);

str = [];                  % Параметр заразервирован для  будущего 

                           % использования. 

x0  = [];                  % Задание вектора начальных значений  перемен

                           % ных состояния. 

                           % Переменных сомтояния нет, поэтому значение

                           % параметра - пустая матрица. 

ts  = [-1 0];              % Матрица из двух колонок, задающая  шаг  

                           % модельного времени и смещение.

                           % Шаг наследуется из предшествуюшего блока.

% Окончание  mdlInitializeSizes

%

%========================================================%

% mdlOutputs                                             %

% Функция для  расчета значений вектора выходных сигналов %

%========================================================%

%

functionsys = mdlOutputs(~,~,u)

 

sys = u(1)*u(1)-u(2)*u(2)+ exp(-(u(1)*u(1))); % Выходной сигнал блока есть необходимая функция

% Окончание  mdlOutputs

 

3.Создание  эквивалентной модели для схемотехнического моделирования с использованием технологии создания подсистем.

Согласно варианту необходимо реализовать высокочастотную модель резистора с учетом индуктивности выводов.

На повышенных частотах (больше или равно 1 МГц) необходимо учитывать частотную зависимость параметров модели рис.3а,б. Для резисторов, например, коме измерения сопротивления R из-за поверхностного эффекта могут существенно проявиться дополнительные потери в выводах или диэлектрическом изоляционном покрытии.

На рисунке 10 представлена модель резистора с учетом индуктивности выводов.

Рисунок 10 – Модель резистора  с учетом индуктивности выводов

Рисунок 11 – Эквивалентная  модель резистора с учетом индуктивности  выводов

 

 

На рисунке 12 представлены диаграммы работы модели при значениях параметров элементов, заданных по умолчанию.

Рисунок 12 – Диаграммы  работы модели при частоте 1МГц и Lv1,2 = 1мкГн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

 

В результате выполнения лабораторной были получены знания позволяющие проводить маскирование электронных моделей на примере импульсного непосредственного преобразователя напряжения понижающего типа отдельным блоком. Так же были получены базовые знания по созданию моделей при помощи s-функций на примере выполнения указанной s-функции.