电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用-第3章.ppt

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第3章SIMULINK应用基础,3.1SIMULINK仿真环境3.2SIMULINK的基本操作3.3SIMULINK系统建模3.4SIMULINK运行仿真3.5SIMULINK模块库3.6SIMULINK系统仿真应用习题,3.1SIMULINK仿真环境SIMULINK是MATLAB的一个分支产品，主要用来实现对工程问题的模型化及动态仿真。

SIMULINK体现了模块化设计和系统级仿真的思想，采用模块组合的方法使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，使得建模仿真如同搭积木一样简单。

SIMULINK现已成为仿真领域首选的计算机环境。

具体到电力系统仿真而言，原来的MATLAB编程仿真是在文本命令窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数，不直观也难以与实际电力模型建立形象的联系。

在SIMULINK环境中，电力系统元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线表示了信号流动的方向。

对用户而言，只要熟悉了SIMULINK仿真平台的使用方法以及模型库的内容，就可以使用鼠标和键盘绘制和组织系统模型，并实现系统的仿真，完全不必从头设计模型函数或死记那些复杂的函数。

图3-1打开SIMULINK模块库浏览器的方法,3.1.1SIMULINK模块库浏览器SIMULINK仿真环境包括SIMULINK模块库和SIMULINK仿真平台。

如图3-1所示，在MATLAB命令窗口中输入“simulink”再回车，或单击工具栏中的SIMULINK图标，可打开SIMULINK模块库浏览器窗口，如图3-2所示。

图3-2SIMULINK模块库浏览器窗口,SIMULINK模块库包括标准模块库和专业模块库两大类。

标准模块库是MATLAB中最早开发的模块库，包括了连续系统、非连续系统、离散系统、信号源、显示等各类子模块库。

由于SIMULINK在工程仿真领域的广泛应用，因此各领域专家为满足需要又开发了诸如通信系统、数字信号处理、电力系统、模糊控制、神经网络等20多种专业模块库。

点击图3-2中“树状结构目录窗口”中各模块库名前带“”的小方块可展开二级子模块库的目录。

“模块窗口”中显示的是用户在“树状结构目录窗口”中选中的模块库所包含的模块图标。

如果显示的模块图标前带“”的小方块，表明该图标下还有三级目录，直接点击该图标可在该窗口中展现三级目录下的模块图标。

为了叙述方便，本书将模块库中以图标形式表示的典型环节称为模块，将用典型环节模块组成的系统仿真模型简称为模型。

3.1.2SIMULINK仿真平台从MATLAB窗口进入SIMULINK仿真平台的方法有以下两种：

（1）点击MATLAB菜单栏中的FileNewModel，如图3-3所示。

（2）点击SIMULINK模块库浏览器窗口工具栏上的按键。

图3-3进入SIMULINK仿真平台方法1,完成上述操作，将出现图3-4所示的SIMULINK仿真平台。

仿真平台标题栏上的“untitled”表示一个尚未命名的新模型文件。

仿真平台中的菜单栏和工具栏是SIMULINK系统仿真的重要工具。

图3-4SIMULINK的仿真平台,1.仿真平台菜单栏SIMULINK仿真平台中的菜单包括“File（文件）”、“Edit（编辑）”、“View（查看）”、“Simulation（仿真）”、“Format（格式）”、“Tools（工具）”与“Help（帮助）”七项内容。

每个主菜单项都有下拉菜单，下拉菜单中每个小菜单为一个命令，只要用鼠标选中，即可执行菜单项命令所规定的操作。

其中，编辑和仿真菜单使用最为频繁。

各个菜单命令的等效快捷键及功能说明见附录A。

2.仿真平台工具栏SIMULINK仿真平台中的工具栏归纳起来可分为五类。

3.2SIMULINK的基本操作3.2.1模块及信号线的基本操作1.模块的基本操作模块是系统模型中最基本的元素，不同模块代表了不同的功能。

各模块的大小、放置方向、标签、属性等都是可以设置调整的。

表3-1列出了SIMULINK中模块基本操作方法的简单描述。

表3-1SIMULINK中模块的基本操作方法,续表,如图3-5所示，将模块进行了三种操作：

模块顺时针旋转90、标签内容修改和标签位置改变。

2.信号线的基本操作信号线是系统模型中另一类最基本的元素，熟悉和正确使用信号线是创建模型的基础。

SIMULINK中的信号线并不是简单的连线，它具有一定流向属性且不可逆向，表示实际模型中信号的流向。

表3-2列出了SIMULINK中信号线基本操作方法的简单描述。

图3-5模块的基本操作示例,表3-2SIMULINK中信号线的基本操作方法,3.2.2系统模型的基本操作除了熟悉模块和信号线的基本操作方法，用户还需熟悉SIMULINK系统模型本身的基本操作，包括模型文件的创建、打开、保存以及模型的注释等。

表3-3列出了SIMULINK中系统模型基本操作方法的简单描述。

表3-3SIMULINK中系统模型的基本操作方法,如图3-6所示，在模型中加入注释文字，使模型更具可读性。

图3-6添加注释文字示例（a）未加注释文字；（b）加入注释文字,3.2.3子系统的建立与封装1.子系统的建立一般而言，电力系统仿真模型都比较复杂，规模很大，包含了数量可观的各种模块。

如果这些模块都直接显示在SIMULINK仿真平台窗口中，将显得拥挤、杂乱，不利于用户建模和分析。

可以把实现同一种功能或几种功能的多个模块组合成一个子系统，从而简化模型，其效果如同其它高级语言中的子程序和函数功能。

在SIMULINK中创建子系统一般有两种方法。

1）通过“子系统”模块的方法该方法要求在用户的模型里添加一个称为Subsystem的子系统模块，然后再往该模块里加入组成子系统的各种模块。

这种方法适合于采用自上而下设计方式的用户，具体实现步骤如下：

（1）新建一个空白模型。

（2）打开“端口和子系统”（Ports&Subsystems）模块库，选取其中的“子系统”（Subsystem）模块并把它复制到新建的仿真平台窗口中。

（3）双击“子系统”模块，弹出一个子系统编辑窗口。

系统自动在该窗口中添加一个输入和输出端子，名为In1和Out1，这是子系统与外部联系的端口。

（4）将组成子系统的所有模块都添加到子系统编辑窗口中，合理排列。

（5）按要求用信号线连接各模块。

（6）修改外接端子标签并重新定义子系统标签，使子系统更具可读性。

2）通过组合已存在模块的方法该方法要求在用户的模型中已有组成子系统所需的所有模块，并且已做好正确的连接。

这种方法适合于采用自下而上设计方式的用户，具体实现步骤如下：

（1）打开已经存在的模型。

（2）选中要组合到子系统中的所有对象，包括各模块及其连线。

（3）选择菜单EditCreateSubsystem命令，模型自动转换成子系统。

（4）修改外接端子标签并重新定义子系统标签，使子系统更具可读性。

将图3-6所示的模型用第二种方法创建子系统，创建过程如图3-7图3-12所示。

图3-7选中组合子系统的所有对象（用拖曳鼠标划定范围框的方法）,图3-8转换为子系统（选择菜单EditCreateSubsystem）,图3-9子系统内部结构图（在子系统图标上双击鼠标键进入）,图3-10修改外接端子标签（在原标签上单击鼠标键进入标签编辑框）,图3-11修改子系统标签图（在原标签上单击鼠标键进入标签编辑框）,图3-12子系统转换结果,可见，子系统的创建过程比较简单，但非常有用。

值得注意的是，仿真系统的信号源和输出显示模块一般不放进子系统内部。

2.子系统的封装所谓封装（Mask），就是将SIMULINK的子系统“包装”成一个模块，并隐藏全部的内部结构。

访问该模块时只出现了一个参数设置对话框，模块中所有需要设置的参数都可通过该对话框来统一设置。

创建一个子系统封装模块的主要步骤为：

（1）创建一个子系统。

（2）选中目标子系统，选择仿真平台窗口菜单中的EditMaskSubsystem选项，将弹出Mask编辑器窗口，窗口中包含四个标签页，如图3-13所示。

图3-13封装编辑器窗口,（3）使用封装编辑器不同的标签页进行封装图标、参数、初始化和文本的设置。

四个标签页主要的功能如下：

图标（Icon）标签页：

用来给封装模块设计自定义图标。

“Drawingcommands”命令窗口以MATLAB语句来绘制图标的编辑区，通过在“Drawingcommands”命令窗口中填写函数设置封装模块的图标。

图标标签页的常用绘制命令如表3-4所示。

表3-4图标标签页的常用绘制命令,参数（Parameters）标签页：

最关键的标签页，可增加或删除子系统参数对话框中的变量以及属性，如图3-14所示。

其中，“Variable”项至关重要，必须和子系统中对应模块内设置的变量名称一致，才能建立起封装模块内部变量和封装对话框之间的联系。

变量类型可选三类：

“可编辑型”（Edit）指定输入数据为可编辑类型，即该变量可由用户自定义输入数据，这是最普遍的一种类型；“复选框型”（Checkbox）指定输入数据为复选框类型，即用户只能进行选中与否的设置；“下拉菜单型”（Popup）指定输入数据为下拉菜单类型，即输入数据不可编辑，只能在下拉菜单提供的选项中选择。

图3-14Parameters标签页窗口,初始（Initialization）标签页：

通过命令函数，允许用户在调用子系统前通过MATLAB命令窗口进行子系统参数值的初始设定，还可以对图标绘制函数初始的值进行设置。

文本（Documentation）标签页：

可设定封装子系统的类型、描述和帮助等文字说明。

其中，“封装类型”（masktype）文本框中的内容将作为模块的类型显示在封装模块的参数对话框中；“封装模块描述”（maskdescription）多行文本框中的内容将显示在封装模块参数对话框的上部，对封装模块的功用和其它注意事项进行描述；“封装模块帮助”（maskhelp）多行文本框中输入关于该模块的帮助，在参数对话框中的“help”按键按下时，MATLAB的帮助系统将显示此封装模块帮助多行文本框中的内容。

【例3.1】创建一个子系统并对其进行封装，要求子系统实现功能为：

y=msin（x）+n。

解：

（1）创建子系统。

显然，该子系统结构与图3-12所示子系统结构完全一致，不同之处为图3-12所示子系统中Gain模块和Constant模块均为定值，而本例要求子系统中这两个模块为可变值。

设置方法为分别双击Gain模块和Constant模块图标，在弹出的参数对话框中将参数值设置为m和n即可。

创建完成的系统模型及子系统内部结构如图3-15所示。

图3-15创建完成的系统模型及子系统内部结构（a）创建完成的系统模型；（b）子系统内部结构,

（2）设置标签页。

选中目标子系统，选择仿真平台窗口菜单中的EditMaskSubsystem选项，在弹出的封装编辑器窗口中分别对各标签页进行设置。

初始标签页。

为了实现模块的图标绘制，首先必须在初始标签页的初始命令区中输入绘图向量的初始化命令，如图3-16（a）所示。

图标标签页。

在图标标签页的绘制命令区输入图3-16（b）所示命令。

图3-16绘制封装模块的图标（a）初始化；（b）绘制图标,点击图3-16（b）中的“应用”（Apply）按键，子系统封装模块图标如图3-17所示。

图3-17子系统封装模块图标,图3-18参数标签页的设置,文本标签页。

通过设置可增加模块的可读性，设置完成后如图3-19所示。

点击封装编辑器窗口中的“OK”按键，子系统的封装过程结束。

双击图3-17中的封装模块，将弹出该模块的参数对话框，如图3-20所示。

图3-19文本标签页的设置,图3-20封装模块的参数对话框,可见，变量的字符、类型、说明以及封装子系统的类型、描述等设置均符合要求。

该封装模块与SIMULINK内部模块的参数对话框结构和特性也完全一致。

（3）运用封装模块。

对图3-20所示的参数对话框进行参数设置，即分别在参数设置区的“Gain”和“Constant”编辑框中输入参数设定值，如图3-21所示。

选择SIMULINK仿真平台窗口菜单中的SimulationStart选项，开始仿真。

仿真结束后，双击图3-17中的示波器模块，弹出示波器窗口，显示系统输出信号波形，如图3-22所示。

图3-21封装模块的参数设置,图3-22系统仿真结果显示,3.3SIMULINK系统建模前面已论述了SIMULINK建模中的一些基本操作方法，下面将对创建SIMULINK模型的步骤进行分析。

SIMULINK系统建模的过程和具体操作步骤一般如下：

（1）分析待仿真系统，确定待建模型的功能需求和结构。

（2）启动模块库浏览器窗口，选择菜单中的FileNewModel选项，新建一个模型文件。

（3）在模块库浏览器窗口中找到模型所需的各模块，并分别将其拖曳到新建的仿真平台窗口中。

（4）将各模块适当排列，并用信号线将其正确连接。

有几点需要注意：

在建模之前应对模块和信号线有一个整体、清晰和仔细的安排，这样在建模时会省下很多不必要的麻烦；模块的输入端只能和上级模块的输出端相连接；模块的每个输入端必须要有指定的输入信号，但输出端可以空置。

（5）对模块和信号线重新标注。

（6）依据实际需要对相应模块设置合适的参数值。

（7）如有必要，可对模型进行子系统建立和封装处理。

（8）保存模型文件。

【例3.2】工业控制领域常用的温度变送器的功能是把现场的温度信号转化为对应的电信号传送给监控设备。

设该温度变送器的温度测量范围为TminTmaxC，对应的输出为420mA的电流信号。

试用SIMULINK创建能反映该系统工作特性的仿真模型。

解：

（1）确定待建模型的功能需求。

分析题意，温度变送器的本质即传感器，将温度参数转变为电量参数。

因为是线性转换，所以很容易得到输入值与输出值之间的关系：

（3-1）,其中，I为变送器输出的电流信号值，范围为420mA；Tmin和Tmax分别为变送器温度测量范围的下限值和上限值，其值均可设置；T为变送器输出的电流信号值为I时对应的实测温度值。

（2）创建SIMULINK模型文件。

新建一个SIMULINK模型文件，找到创建系统模型所需的各模块并拖曳到新建的仿真平台窗口中。

将各模块排列好，并将其用信号线正确连接，如图3-23所示。

其中，Ramp模块1个，来自“Sources”子库，用于模拟变送器输出电流值信号；Constant模块3个，来自“Sources”子库，用于设定公式（3-1）中的常量“4”以及可设置改变的温度限值Tmin和Tmax；Add模块3个，来自“MathOperations”子库，用于把两个输入信号相加或相减；Gain模块1个，来自“MathOperations”子库，用于将输入信号乘上1/16；Product模块1个，来自“MathOperations”子库，用于把两个输入信号相乘；Scope模块1个，来自“Sinks”子库，用于显示系统模型的仿真输出波形。

图3-23未经修饰的仿真系统图,（3）设置模块参数。

根据系统的实际物理意义，修改各模块标签名称（见图3-24）。

图3-24修改标签后的仿真系统图,对各模块设置合适的参数值，方法为双击目标模块图标，进入其属性对话框。

其中，Imin、Tmax、Tmin模块由默认值1分别设置为4、T2、T1；K模块由默认值1设置为1/16；模型左侧的两个Add模块由默认符号“+”设置为符号“+”。

参数设置如图3-25图3-27所示，设置完成后的系统模型如图3-28所示。

图3-25Imin、Tmax模块参数设置,图3-26K模块参数设置,图3-27Add模块参数设置,图3-28完整的系统仿真图,（4）创建子系统并进行封装处理。

将图3-28中除l、T两模块外的所有模块和信号线通过拖曳鼠标的方法选中，选择菜单EditCreateSubsystem命令，模型自动转换成子系统。

将其输入、输出端子的标注和子系统的标签进行适当调整，结果如图3-29所示。

图3-29完成子系统创建,选中子系统，选择菜单EditMaskSubsystem命令，进行封装设置。

在图标标签页的绘制命令区输入命令：

disp（I2T）。

在参数标签页中添加T1和T2参数，如图3-30所示。

在文本标签页中设置封装模块的说明文本，其中，“封装类型”（Masktype）文本框中输入“I2TMaskBlock”；“封装模块说明”（Maskdescription）多行文本框中输入“Modelstheequationforaformula:

T=（I-4）*（T2-T1）/16+T1.TheTmaxValue（T2）andTminValue（T1）aremaskedblockparameters.”。

图3-30参数标签页设置,至此，子系统的创建及封装工作基本完成，系统最终模型如图3-31所示。

双击子系统封装模块，弹出的模块参数对话框如图3-32所示。

（5）保存模型文件，文件名为I2T.mdl。

图3-31系统最终模型,图3-32封装模块参数对话框,3.4SIMULINK运行仿真3.4.1运行仿真过程SIMULINK一般使用窗口菜单命令进行仿真，方便且人机交互性强，用户可容易地进行仿真解法及仿真参数的选择、定义和修改等操作。

使用窗口菜单命令进行仿真主要可以完成以下一些操作过程。

1.设置仿真参数选择菜单选项SimulationConfigurationParameters可以进行仿真参数及算法的设置。

选择此选项后会显示仿真参数对话框，如图3-33所示。

图3-33仿真参数对话框,此对话框包含的主要属性页的内容及功能如下：

（1）Solver：

设置仿真的起始和终止时间，设置积分解法以及步长等参数；

（2）DataImport/Export：

SIMULINK和MATLAB工作间数据的输入和输出设定，以及数据存储时的格式、长度等参数设置；（3）Diagnostics：

允许用户选择在仿真过程中警告信息显示等级。

选择适当的算法并设置好其它仿真参数后，选择对话框中的“OK”或“Apply”命令，修改的设置生效。

2.启动仿真完成仿真参数的设置后，就可以开始仿真。

确认待仿真的仿真平台窗口为当前窗口，选择菜单选项SimulationStart或点击工具栏中的图标启动仿真。

3.显示仿真结果如果建立的模型没有错误，选择的参数合适，则仿真过程将顺利进行。

这时，双击模型中用来显示输出的模块（如Scope模块），就可以观察到仿真的结果。

当然，也可以在仿真开始前先双击打开显示输出模块，再开始仿真。

4.停止仿真对于仿真时间较长的模型，如果在仿真过程结束之前，用户想停止此次仿真过程，可以选择菜单选项SimulationStop停止仿真。

5.仿真诊断在仿真过程中若出现错误，SIMULINK将会终止仿真并弹出一个标题为“ErrorDialog”的带有明显出错图标的错误提示框。

点击提示框中的“OK”按键，将显示如图3-34的错误信息对话框。

该对话框分为如下三部分：

（1）出错信息列表。

显示所有出错信息，包含四个列项如下：

Message：

信息类型，如模块错误，连线警告等；Source：

模型中出错的模块名；Reportedby：

出错信息来源，如SIMULINK、Stateflow、Workshop等；Summary：

出错信息概括。

（2）当前错误详细信息显示。

用户可以在出错信息列表中选择任意一条错误，当前所选错误的详细信息将显示在本区域。

（3）命令按键部分。

点击“Open”按键可用来打开出错模型并以黄色突出显示。

图3-34错误信息对话框,3.4.2仿真参数的设置如前所述，选择菜单选项SimulationConfigurationParameters，将显示仿真参数对话框，如图3-33所示。

这里介绍解法设置属性页（Solver）中最常用的设置项，读者可以通过查阅help文档了解其它项目的相关内容。

1.设置仿真时间设置仿真时间非常重要，它决定了模型仿真的时间或取值区域，其设置完全根据待仿真系统的特性确定，反映在输出显示上就是示波器的横轴坐标值的取值范围。

“Starttime”和“Stoptime”项分别用以设置仿真开始时间（或取值区域下限）和终止时间（或取值区域上限），默认值分别为0.0和10.0。

2.选择仿真算法在SIMULINK的仿真过程中选择合适的算法是很重要的。

仿真算法是求常微分方程、传递函数、状态方程解的数值计算方法，主要有欧拉法（Eular）、阿达姆斯法（Adams）和龙格库塔法（Runge-Kutta）。

由于动态系统的差异性，使得某种算法对某类问题比较有效，而另外算法对另一类问题更有效。

因此，对不同的问题，可以选择不同的适应算法和相应的参数，以得到更准确、快速的解。

根据仿真步长，SIMULINK中提供的常微分方程数值计算的算法大致可以分两类：

（1）VariableStep：

可变步长类算法，在仿真过程中可以自动调整步长，并通过减小步长来提高计算的精度。

（2）FixedStep：

固定步长类算法，在仿真过程中采取基准采样时间作为固定步长。

一般而言，使用变步长的自适应算法是比较好的选择。

这类算法会按照设定的精确度在各积分段内自适应地寻找最大步长进行积分，从而使得效率最高。

SIMULINK中的各种仿真算法及其说明参见表3-5。

表3-5SIMULINK中的各种仿真算法及其说明,3.4.3示波器的使用示波器（Scope）模块是SIMULINK仿真中非常重要的一个模块，不仅可以实现仿真结果波形的显示，而且可以同时保存波形数据，是人机交互的重要手段。

双击示波器模块图标，即可弹出示波器的窗口界面，如图3-35所示。

示波器模块属性的设置对用户观察和分析仿真结果影响很大，必须进行合适的属性设置才能得到满意的显示效果。

图3-35示波器窗口界面,1.示波器参数点击“示波器参数”按键，弹出示波器参数对话框，该对话框中含有两个标签页，分别是“常规”（General）和“数据”（Datahistory）标签页，如图3-36所示。

图3-36示波器参数对话框（a）常规标签页；（b）数据标签页,1）“常规”（General）标签页

（1）“坐标个数”（NumberofAxes）文本框：

用于设定示波器的y轴数量，即示波器的输入信号端口的个数，默认值为1，即该示波器用以观察一路信号。

若将其设为2，则可以同时观察两路信号，示波器的图标也自动变为两个输入端口。

依此类推，一个示波器可设置为同时观察多路信号。

将该项参数设定为2后的示波器模块图标及示波器窗口如图3-37所示。

图3-37设置示波器参数以观察两路数据（a）模块图标；（b）窗口界面,

（2）“时间范围”（Timerange）文本框：

用于设定示波器时间轴的最大值，一般可选“自动”（auto），这样x轴可以自动以系统的仿真起始和终止时间作为示波器的时间显示范围。

（3）“单位标签”（Ticklabels）下拉框：

用于选择标签的贴放位置。

（4）“采样”（Sampling）下拉框：

用于选择数据取样方式，包括“抽取”（decimation）和“采样时间”（sampletime）两种方式。

“抽取”方式表示当采样下拉框右侧文本框输入数据N时，从每N个输入数据中抽取一个用来显示。

可见，设定的数字N越大，显示的波形就越粗糙，但数据存储的空间可以减少，一般该文本框保持默认值1，表示所有输入数据均显示。

若采用“采样时间”方式，则需要在采样下拉框右侧文本框中输入采样的时间间隔，并按采样间隔提取数据显示。

2）“数据”（Datahistory）标签页

（1）“仅显示最新的数据”（Limitdatapointstolast）复选框：

用于数据点数设置。

选中后，其后的文本框被激活，默认值为5000，表示示波器显示5000个数据，若超过5000个数据，也仅显示最后的5000个数据。

若不选该项，所有数据都显示，但对计算机内存要求较高。

（2）“保存数据至工作间”（Savedatatoworkspace）复选框：

数据在显示的