7Creating Your Own Library of Models汉语.doc

Creating Your Own Library of Models建立自己的模型库SimPowerSystems 软件提供了各种基本的组成模块，用以搭建更复杂的电子模块。使用Simulink的封装功能可以将powerlib库中的若干基本模块封装到一个子系统中、建立自己的参数设置对话框、创建所期望的模块图标、并将这个新的模块放入自己的个人库中。在Building and Customizing Nonlinear Models中描述了怎样使用电压测量模块Voltage Measurement和可控电流源模块Controlled Current Source来建立一个非线性模型。所给举例（一个非线性电感和一个非线性电阻）比较简单，但使用相同的原理，通过使用多个可控电流源（甚至是可控电压源），你可以开发更复杂的模型。Building and Customizing Nonlinear Models建立和定制非线性模型On this pageIntroductionModeling a Nonlinear InductanceCustomizing Your Nonlinear ModelModeling a Nonlinear ResistanceCreating Your Own LibraryConnecting Your Model with Other Nonlinear Blocks该部分包括简介非线性电感建模定制自己的非线性模型非线性电阻建模创建自己的库连接自己的模型与其它非线性模块 Introduction简介SimPowerSystems软件提供了大量的非线性模型。但有时会需要使用自己的非线性模型与powerlib库提供的标准模型进行连接。这个模型可以是一个简单的呈现弧形的非线性电阻或压敏电阻、一个饱和电感或一个新型电机等等。下面给出了一个简单的饱和电感和一个非线性电阻作为例子，学习怎样建立这样一个非线性模型。Modeling a Nonlinear Inductance非线性电感的建模考虑一个2H的电感，额定电压Vnom = 120 V RMS、额定频率fnom = 60 Hz。在0-120 V RMS之间，电感值恒定L = 2 H，当电压超过它的额定电压时，电感饱和，电感值下降到Lsat = 0.5 H。其非线性磁通-电流特性如下图。磁通和电流使用标么值。标么系统的基准值采用额定电压和额定电流。非线性电感的磁通-电流特性流过电感的电流i与磁链的关系为非线性函数，也即与它两端电压的关系也为非线性函数 。这个关系如下式：因此该非线性电感可以使用一个可控电流源来建模，如所示，其中电流i是电压v的非线性函数。非线性电感的模型在后续的Implementation of a Nonlinear Inductance非线性电感的实现部分中，举例给出了一个使用2 H非线性电感的电路。该非线性电感与两个电压源（一个120vRMS60Hz交流电压源AC Voltage Source模块和一个直流电压源模块）和一个5欧姆电阻串联。用来建立非线性模型的所有的元件都集成在了命名为Nonlinear Inductance的子系统中。电感的端口使用SimpowerSystems/Elements/connection port模块，命名为In和Out。注意：在子系统中增加了第二个输出口用以返回磁链，可以将这个端口接入Simulink Scope模块，以观察磁链的波形。这个非线性模型使用了两个powerlib模块和两个Simulink模块。两个powerlib模块分别是一个Voltage Measurement模块和一个Controlled Current Source模块，其中Voltage Measurement模块用来读取电感两端的电压。按照如上模型所示，电流源的电流的箭头方向由输入指向输出。两个Simulink模块是：一个Integrator模块用以通过输入电压计算磁通；另一个是1-D Lookup Table模块用以实现描述非线性电感磁通-电流饱和特性i = f()Implementation of a Nonlinear Inductance非线性电感的实现simpowersystems/extra library/ Measurements中的Fourier模块用来分析电流的基波成分和直流成分。保存电路为circuit7_1两个电源参数设置：AC sourcePeak amplitude120*sqrt(2)Phase90 degreesFrequency60 HzDC sourceAmplitude0 V调整仿真时间为1.5s选择ode23tb积分算法参数默认。启动仿真。如所期望的，电流和磁链为正弦波。它们的峰值与额定值想符合。电流和磁链波形如下：在VDC = 0 V and VDC=1 V时，获得的电流和磁链波形VDC=0V现在将直流电压源改为1v，重启仿真。观察到电流是畸变的。1v电压被积分，引起了磁链的偏移，使得磁链进入到磁链-电流特性（ 0.450 V.s）的非线性区，由于该磁链的饱和，电流中含有了谐波。放大到仿真的最后三个周期，可以看到电流的峰值现在达到了0.70 A，并且基波成分增加到0.368 A。正如预期，电流的直流成分为1 V/ 0.5 =0.2。上图给出了具有饱和特性和没有饱和特性时的电流和磁链的波形。VDC=1v定制自己的非线性模型Simulink软件提供了封装工具可以为自建的模型创建（参数设置）对话框。可以创建指定如下提示和变量的封装。Nominal voltage (Volts rms):Nominal frequency (Hz):Unsaturated inductance (H):Saturation characteristic i1(pu) phi1(pu); i2 phi2; .:所得非线性电感模块的封装如下图所示：非线性电感模块对话框?（初始化程序有问题）以下为模块的封装初始化中的编码，准备了Current_vect 和 Flux_vect两个向量，以备在Look-Up Table模块中使用。% Define base current and Flux for pu systemI_base = Vnom*sqrt(2)/(L*2*pi*fnom);Phi_base = Vnom*sqrt(2)/(2*pi*fnom); % Check first two points of the saturation characteristicif all(all(sat(1:2,:)=0 0; 1 1), h=errordlg(The first two points of the characteristic must be 0 0; 1 1,Error); uiwait(h);end % Complete negative part of saturation characteristicnpoints,ncol=size(sat);sat1=sat ; -sat(2:npoints,:);sat1=sort(sat1); % Current vector (A) and flux vector (V.s)Current_vect=sat1(:,1)*I_base;Flux_vect=sat1(:,2)*Phi_base;由于该饱和特性只指定了第一象限，所以加入了三行编码完成特性的负半部分。还要注意饱和特性的第一部分是怎样保证正确性的：这部分必须用指定1 pu电感（额定值）的 0 0; 1 1这 两个点来定义。在使用该封装模块之前，必须使用在模块初始化部分定义的两个内部变量。打开1-D Lookup Table模块在两个空格内键入以下变量名：Breakpoints 1 (flux)Flux_vectTable data (current)Current_vect关闭非线性电感子系统并启动仿真可以得到与最大磁通偏置激励时的电流-磁通波形（Current and Flux Waveforms When Energizing the Nonlinear Inductance with Maximum Flux Offset.）相同的结果。非线性电阻的建模非线性电阻的建模方式与非线性电感相似，一个很好的例子是一个具有如下V-I特性的金属氧化物压敏电阻： 其中v, i =Instantaneous voltage and currentVo =Protection voltageIo =Reference current used to specify the protection voltage =Exponent defining the nonlinear characteristic (typically between 10 and 50)下图给出了一个这种非线性电阻的应用例子，仿真在一个120kv网络中用来保护设备。为简化电路，只给出了一相电路。用于一个120kv网络的非线性电阻使用powerlib 和Simulink库中的模块搭建该电路。组合所有用于建立非线性模块的元件，组成子系统并命名为Nonlinear Resistance。使用一个X-Y Graph模块用来绘制非线性电阻子系统的V-I特性。该模型没有使用在非线性电感中使用的Look-Up Table模块。由于电流和电压的解析关系式是已知的，所以该非线性I(V)特性是直接使用Simulink 、User-Defined Functions模块库中的Fcn模块实现的。该纯电阻模型没有状态。它在电路的状态空间表达式中产生了一个代数环，如下图所示：由非线性电阻模型引入的代数环：代数环通常会导致仿真时间缓慢。需要使用一个不改变该非线性特性的模块来打破这个环。这里将一个使用快速时间常数(T = 0.01 s)的一阶传函H(s) = 1/(1+Ts)接入系统。使用非线性电感例子中所用的方法封装并定制该非线性电阻模块如下：非线性电阻模块对话框：打开新封装的模块并输入上图中的参数。注意保护电压设置为额定系统电压的2 pu。输入以下峰值调整电压源到2.3 pu：120e3/sqrt(3)*sqrt(2)*2.3电路保存为circuit8。使用ode23tb积分算法，仿0.1s。结果如下：X-Y Graph模块绘制的V-I特性的电流电压波形：建立自己的库可以创建自己的模块库。为了创建库，首先在File菜单选择New Library，打开一个名为Library: untitled的新的Simulink窗口。现在将你的circuit7非线性电感系统和 circuit8非线性电阻系统拷贝到该库中。将这个库保存为my_powerlib。下次新建了新的模块，就可以加入到你个人的库中。你还可以按照功能把你的库分配到不同的子库中，正如powerlib库那样。如下图是在my_powerlib中的非线性电感和非线性电阻模块。使用库的好处是所有从库中拷贝出来的模块都是引用自该库的，换句话说如果库中的模块做了修改，那么所有使用该模块的电路会自动进行这个修改。将自己的模块与其它非线性模块连接现在学习怎样避免在非线性模块使用电流源实现的时候会出现的出错信息。很明显地，一个电流源不能与电感、其它电流源相连或开路。这种电路结构在SimPowerSystems模块中是禁止的。类似地，如果你的非线性模型模块使用了Controlled Voltage Source模块，那么这个模型模块就不能短接或与电容并联。假设，例如，要研究在受电压源激励时非线性电感的浪涌电流，那么使用powerlib和my_powerlibrary库中的模块，可以搭建出如图电路。按照下表修改Breaker模块的参数：Snubber resistance Rsinf (no snubber)Snubber capacitance Cs0External controlNot selectedSwitching times1/60电路拓扑会引起一个错误。对这个电路启动仿真会得到以下错误信息：The following two blocks cannot be connected in series because they are modeled as current sources:下列两个模块不能串联，因为它们的模型为电流源：Block 1: Breaker t=1/60 sBlock 2: Nonlinear Inductance/Controlled Current SourceAdd a high-value resistance in parallel with one of the two blocks.You can also specify high-value resistive snubbers if the blocks have a snubber device.增加一个高阻电阻与其中一个模块并联，如果这两个模块含有吸收电路，也可以指定高阻的电阻吸收电阻因为这个电路中的两个非线性元件是使用电流源建模的，电路中串联连接，所以该拓扑被禁止。为了能够仿真该电路，必须在这两个非线性模块之一提供一个电流通路。比如，可以在Breaker 模块或 thInductance b模块两端并联一个1 M的电阻。在目前这个电路中，对Breaker模块并联电阻更方便，因为该模块模型中提供了一个RC串联缓冲电路。打开Breaker模块对话框并指定以下缓冲电路参数：Snubber resistance Rs (ohms)1e6Snubber capacitance Cs (F)inf注意：为得到纯电阻缓冲电路，必须使用一个无穷大的电容。Note Using an inductive source impedance (R-L series) instead of a purely resistive