电路、电力电子系统、电气控制模拟仿真新工具——PLECS工具箱

电气系统仿真--PLECS工具箱第1页共13页提纲引言…………………………………….1绪论……………………………………..1PLECS工具箱…………………………….4优势…………………………………..6应用领域…………………………………..7客户…………………………………..8竞争产品…………………………………..9使用许可………………………………….10升级维护………………………………….11交货………………………………….12未来产品………………………………….13电气系统仿真--PLECS工具箱第2页共13页引言电气系统的仿真通常采用MATLAB或者SPICE软件，但他们都有各自的缺点。PLECS是一个运行于Simulink环境下的工具箱，适用于电气系统的仿真。当被仿真的系统既含有电路部分，又含有复杂的控制方案时，PLECS提供了一个简便的仿真手段。绪论随着科学技术、仿真理论及计算机的不断发展，仿真技术在不断的提高,在如今的科学研究中，仿真技术大大提高了科学研究水平，缩短了科学研究周期、降低了科学研究成本及风险、促进了各不同领域学科间的融合、加速了科研成果转化为生产力。现在,越来越多的技术人员采用计算机来对电气系统来进行仿真。当前适用于电气系统的仿真软件广义上可以分为两大类:电路仿真软件和系统仿真软件。电路仿真软件以SPICE和SABER为代表。当技术人员使用这类仿真软件来对电气系统进行仿真时，必须在仿真环境中描述各个电气元件和各个元件之间的电气连接。对此，人们通常采用网络表(netlist)来描述电气系统，或者在仿真软件中绘制电路图来描述电气系统。仿真软件将以等效的数学模型对电路进行仿真。虽然使用这类软件可以很方便地对只包含电子电路的电气系统进行仿真，但是这类软件不适用于仿真含有复杂控制结构的电气系统。系统仿真软件以MATLAB为代表。它在科学研究特别是电子信息科学中有着极为广泛的应用。它的典型使用包括：(1)数学和计算；(2)运算法则；(3)建模、仿真；(4)数据分析、研究等等。它的特点在于其强大的矩阵计算能力和丰富的工具箱。使用系统仿真软件时，电气系统必须采用相应的微分方程或代数方程来描述。当已知系统的传递函数时，使用系统仿真软件进行仿真是十分方便的。但是当被仿真的系统含有电路部分，仿真就变得十分困难。因为如果电路部分以简化的传递函数来表示，则很多细节会被忽略。如果采用Simulink提供的基本模块(如开关和触发器)来构造模型，则相当费时费力。电气系统仿真--PLECS工具箱第3页共13页在对电气系统的仿真中，我们遇到的系统经常是既含有电路部分，又含有复杂的控制方案，例如电气传动系统。为了对这样一类电气系统进行快速而准确的仿真，我们需要一个把两类仿真软件的优点结合起来的仿真工具。PLECS工具箱为我们提供了这样一个解决方案。Simulink是MATLAB应用最广泛的一个软件包，它是针对动态系统进行建模、分析、仿真物理系统和数学系统的重要工具。它以MATLAB的核心数学、图形和语言为基础，可以让用户轻松的完成从算法开发、仿真或模拟验证的全过程。Simulink常用的模块有Sources模块库、Sinks模块库、Continues模块库、Discrete模块库、MathOperations模块库等等。每个模块库又有对应的模块。如Sources模块库，它里面有SineWave模块、FromWorkspace模块等。这里就不作详细说明。电气系统仿真--PLECS工具箱第4页共13页PLECS工具箱PLECS工具箱是由瑞士苏黎士工学院的JostAllmeling和WolfgangHammer开发。这个工具箱是特别为电力电子系统的仿真而开发，同时，它还适用于仿真既含有电路部分又含有复杂的控制方案的系统。PLECS是基于MATLAB的Simulink为运行环境,可以与Simulink并行被使用,也可以作为Simulink的一个工具箱,和Simulink下的其他模块并列存在.熟悉Simulink的用户,会很轻松的掌握PLECS软件的编辑原理.基本原理：PLECS工具箱的算法是基于状态空间的。当电路中只包含线性元件时，从数学的角度，这个电路就可以用相应的微分方程来描述。即：Dx/dt=Ax+Bu(x、u为矢量)Y=Cx+Du(x、y、u均为矢量)在建立电路模型后，PLECS工具箱会产生对应的状态方程，并把这些状态方程封装在一个子系统中，嵌入在Simulink的工作环境中。在仿真的每一步中，子系统从外部获得输入状态矢量，然后通过Simulink计算得出矢量Y。Simulink是运行在MATLAB环境中的用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。对于建模，Simulink提供了一个图形化的用户界面。Simulink被广泛地用于控制系统的仿真。但是Simulink不能接受用户以网络表或电路图形式输入的电路系统。PLECS工具箱扩充了Simulink的功能，使我们可以在Simulink的环境中以网络表的形式建立电路部分的模型。建模后的电路模型将以子系统的形式呈现在Simulink中。系统中控制部分的建模可以通过调用Simulink中的各种工具箱来完成。在对仿真系统进行建模以后，电路部分可以接收来自控制部分的电压、电流信号及开关信号。而在仿真过程中，电路部分又将仿真的结果以电压量、电流量的形式传递给控制部分。通过两个部分的交互作用，可以完成比较复杂的仿真任务，并且可以利用MATLAB强大的计算功能来分析仿真的结果。PLECS提供了涵盖了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模型，主要由两大部分组成:内建元件和库元件。内建元件包括:电阻、电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元件;而库元件则主要有:IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、三路开关、异步电机等的仿真模型。用户也可以根据自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。电气系统仿真--PLECS工具箱第5页共13页PLECS区别于以往传统的模拟仿真应用软件,主要有以下一些显著特点:(1)兼容性好：与Simulink结合(2)高效的编辑原理(3)元器件的理想化:A便于操作:一个理想的开关转化，不会让我们担心诸如导通电阻或吸收电容这样的参数问题.通常,我们可能不知道这些数值,特别是系统模拟所可能产生的寄生效应,也是很少被关注的,这样,PLECS元件理想化优势就体现在这里.B稳定性好:在模拟电路的搭建时，使用吸收电路往往使模拟系统复杂性增加,弹性系数也会上升.有些模块通常会要求固定时步模拟或使用弹性系数解算器.而PLECS在没有缓冲器的条件下,就可以让您在Simulink的所有固定时步和可变时步解算器中进行自由选择.C速度快:传统的一些电路模拟程序,转化瞬间的计算十分繁琐.有限斜率强制缩短了程序运行步骤的时间.在PLECS中,这个问题就容易解决.只需要通过理想开关的即时运行就可以实现.每个转化过程只需要两步.在某种程度上大大加快了模拟速度.(4)特殊的程序库除了标准的参数如电流电压,有源器件外,PLECS还提供了一些特别的元件.在程序库里,你可以找到很多半导体元器件,如开关,断路器.变流器和三相变压器等等.为了模拟电子驱动,我们在PLECS里还可以找到交流或直流发电机,如感应发电机或永磁同步发电机.电气系统仿真--PLECS工具箱第6页共13页优势PLECS软件具有强有力的竞争性,其优势如下:(1)将自己的功能集成在Simulink中，仿真系统电路部分的仿真由PLECS工具箱完成，而控制部分仍可以利用Simulink自身强大的功能，两者的结合使各自的优点得到了充分发挥;描述电路的语言简单明了，易于编程，易于修改;(2)由于采用了状态空间的方法，仿真速度快(3)成本低；在时间和步骤上，简化了传统的系统模拟软件(4)支持固定时步、可变时步模式(5)所有的电路元件都被理想化，甚至还包括可能产生的寄生效应(6)标准平台，无移动成本，不受计算机基础设施变化的影响(7)兼容性好(作为Simulink的工具箱或与Simulink独立并行使用．熟悉Simulink的用户很容易掌握)(8)快速模拟工程技术及研发上的新构思新理念(9)提供更快的模拟系统和所要求的无微调参数综上所述，采用PLECS工具箱，可以在Simulink工作环境中高效率地完成对电气系统的仿真和分析，为分析和设计复杂的电气系统提供了一个强有力的仿真手段，提高了仿真和系统开发的效率。电气系统仿真--PLECS工具箱第7页共13页应用领域有电力电子系统研发和生产的公司,驱动系统和自动控制的实验室等都是PLECS的潜在客户.见下表:领域公司典型应用关建字航空飞机制造商系统供应商飞机电力供应发动系统直流变频器汽车汽车制造商系统供应商工程技术维修机车电力系统X-by-wire起动机混合电力机车燃油汽车金属氧化物半导体场效应晶体管无刷直流电机开关磁阻电动机驱动&自动化驱动制造商自动化控制工程技术变速驱动传动控制机器人机电IGBT感应式电机无传感控制电子电脑制造商电讯医疗系统电子消费产品主要适配器不间断电源UPS电池照明声频放大器电磁兼容性功率因素补偿软开关高变频交通铁路机车系统制造商铁路电气化电车地铁机车高速列车铁路串联和并联逆变器连接参差调谐开关工业设备重工业发电电力传输和分配感应加热风力和太阳能分配发电高压直流连接设备管理控制与时间调度程度有源滤波器晶闸管，GTO,IGCT同步发电机双馈感应发电机电气系统仿真--PLECS工具箱第8页共13页客户目前全球已经使用PLECS软件的客户有：工业领域：ABBWideHiltiSiemensA&D(自动化领域)PhilipsResearchLaboratories(研究实验室)AlstomPowerConversion(电子领域)BombardierTransportation（交通领域）PanasonicElectronicDevices(驱动领域)SmithsAerospace（航空领域）VestasWindSystem（工业设备：风力发电系统）……全球重点大学及实验室：FloridaStateUniversity,CAPS(USA)ColoradoSchoolofMines(USA)DLR,InstitudeofRoboticsandMechatronics(D)UniversiteitGent,EELAB(B)PaulScherrerInstitut(CH)ImperialCollegeLondon,EE-C&P(UK)……电气系统仿真--PLECS工具箱第9页共13页竞争产品用于Simulink的工具箱PowerSystemBlockset是TheMathWorks最有名的范例，这个工具箱是为了电行业所开发研制的；它不是十分适合复杂的电力电子系统。德国一名教授所开发的SimuPec就是一个工具箱，用于模拟电力电子系统。柏林的ALSTOM电力转化就是它的其中的一个客户。独立的程序大多数独立程序都是和Simulink共同进行模拟使用的。欧洲的PSIM是一个低成本的模拟软件，它专为电力电子和电机控制而设计的。它只支持固定时步模拟。和Simulink共同进行模拟不能满足它的工作要求。Ansoft的Simplorer专门用于电力电子方面。它支持在标准系统和模块中，同时每个安装步骤都要求严格。它与Simulink结合使用的共同模拟效果不是很好，而且成本也很高。SABER是专门用于详密装置的模拟中，造价极高。SPICE的研制是用于集成电路上面，它通常被电力电子领域所采用，因为许多制造商可以在模块上采用很多他们自己的元器件，但是，控制方面一直还是个问题，而且还会产生一些如下问题：PSpicefromOrCADSIMetrixfromCatenaIntusoftSIMPLISfromTransimandCatenaPSCAD/EMTDCfromManitobaHydroEMTPandCaspocfromSim