1 引言
隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的技術(shù)人員采用計(jì)算機(jī)來對電氣系統(tǒng)來進(jìn)行仿真。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)人員使用這類仿真軟件來對電氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，必須在仿真環(huán)境中描述各個(gè)電氣元件和各個(gè)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(xué)模型對電路進(jìn)行仿真。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(jìn)行仿真，但是這類軟件不適用于仿真含有復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)的電氣系統(tǒng)。
系統(tǒng)仿真軟件以MATLAB為代表。MATLAB的特點(diǎn)在于其強(qiáng)大的矩陣計(jì)算能力和豐富的工具箱。使用系統(tǒng)仿真軟件時(shí)，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(dāng)已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)時(shí)，使用系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行仿真是十分方便的。但是當(dāng)被仿真的系統(tǒng)含有電路部分，仿真就變得十分困難。因?yàn)槿绻娐凡糠忠院喕膫鬟f函數(shù)來表示，則很多細(xì)節(jié)會被忽略。如果采用Simulink提供的基本模塊(如開關(guān)和觸發(fā)器)來構(gòu)造模型，則相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1]。
但在對電氣系統(tǒng)的仿真中，我們遇到的系統(tǒng)經(jīng)常是既含有電路部分，又含有復(fù)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(jìn)行快速而準(zhǔn)確的仿真，我們需要一個(gè)把兩類仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的仿真工具。PLECS工具箱為我們提供了這樣一個(gè)解決方案。
2 PLECS工具箱簡介
PLECS工具箱由瑞士蘇黎世工學(xué)院的Jost Allmeling和Wolfgang Hammer開發(fā)。盡管這個(gè)工具箱是特別為電力電子系統(tǒng)的仿真而開發(fā)的，但是當(dāng)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)時(shí)，它同樣是一個(gè)有效的工具。
PLECS以Simulink為運(yùn)行環(huán)境。Simulink是運(yùn)行在MATLAB環(huán)境中的用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。對于建模，Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面[2]。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)表或電路圖形式輸入的電路系統(tǒng)。PLECS工具箱擴(kuò)充了Simulink的功能，使我們可以在Simulink的環(huán)境中以網(wǎng)絡(luò)表的形式建立電路部分的模型。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)中控制部分的建?？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(jìn)行建模以后，電路部分可以接收來自控制部分的電壓、電流信號及開關(guān)信號。而在仿真過程中，電路部分又將仿真的結(jié)果以電壓量、電流量的形式傳遞給控制部分。通過兩個(gè)部分的交互作用，可以完成比較復(fù)雜的仿真任務(wù)，并且可以利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)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)中常見的基本元件和仿真模型，主要由兩大部分組成: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;而庫元件則主要有:IGBT、GTO、晶閘管、二極管、雙路開關(guān)、三路開關(guān)、異步電機(jī)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(shí)際上，PLECS的庫元件正是采用內(nèi)建元件來構(gòu)成的。
3 PLECS工具箱運(yùn)行的基本原理
PLECS工具箱的算法是基于狀態(tài)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)的微分方程來描述。即:
圖1是實(shí)現(xiàn)PLECS工具箱的方框圖[3]。如果電路中含有一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，則隨著開關(guān)狀態(tài)的不同，整個(gè)電路對應(yīng)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假設(shè)電路中有n個(gè)開關(guān)，那么整個(gè)電路就有2n個(gè)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而每個(gè)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)了相應(yīng)的狀態(tài)方程。也就是說，不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)了不同的A, B, C, D矩陣。
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(gè)子系統(tǒng)中，嵌入在Simulink的工作環(huán)境中。在仿真過程的每一步中，子系統(tǒng)從外部獲得輸入狀態(tài)矢量，然后通過Simulink計(jì)算得出輸出矢量。圖1中開關(guān)管理器(Switch Manager)通過對輸入開關(guān)信號g和輸出矢量的判斷來決定仿真時(shí)每一步應(yīng)該采用的狀態(tài)方程。通過輸入狀態(tài)矢量和輸出矢量 可以方便地完成整個(gè)仿真系統(tǒng)中電路部分對控制部分的信號傳遞。
4 結(jié)論
本文中介紹了PLECS工具箱在電氣系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。結(jié)合作者在使用中的體會，可見PLECS的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1) 將自己的功能集成在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自身強(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)揮;
(2) 描述電路的語言簡單明了，易于編程，易于修改;
(3) 由于采用了狀態(tài)空間的方法，仿真速度快。
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(jì)復(fù)雜的電氣系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的仿真手段，提高了仿真和系統(tǒng)開發(fā)的效率。
The toolbox PLECS for high-speed simulations of electrical and power electronic circuits under MATLAB/Simulink is now available in version 1.3. Have a look at the new exciting features offered by the updated software:
Advanced Nonlinear Components
Use the saturable capacitor or saturable inductor from the new Nonlinear library to study saturation effects in your circuits. Or model arbitrary nonlinearities using controllable resistors, inductors and capacitors.
New Machine Models
The extended Machines library features new models for the Brushless DC Machine (including angle dependent stator inductivities) and the Switched Reluctance Machine.
Command Line Interface
Access component and circuit parameters directly from the MATLAB command line.
www.plexim.com
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