Advertisement

手把手教你学Simulink实例：基于Simulink的电力电子系统故障诊断仿真

阅读量：

目录

从零开始学习Simulink实例：以Simulink为基础实现电力电子系统的故障诊断仿真

一、背景介绍

二、仿真建模过程

1. 打开Simulink并新建模型

2. 添加电源模块

3. 设计电力电子电路

Buck 转换器设计步骤：

4. 添加传感器模块

5. 添加故障注入模块

故障注入模块设计步骤：

6. 添加故障检测与诊断模块

故障检测与诊断模块设计步骤：

7. 添加报警模块

8. 连接各组件

三、仿真测试

1. 设置仿真参数

2. 运行仿真

四、优化与调整

1. 调整故障注入参数

2. 优化故障检测与诊断算法

3. 分析故障响应指标

五、代码实例

六、总结

从零开始掌握Simulink实例：以Simulink为基础的电力电子系统的故障诊断与仿真技术

一、背景介绍

电力电子系统（Power Electronics System） 在多个领域得到广泛应用。它包括可再生能源发电、电动汽车和不间断电源（UPS）等多个关键应用领域。该系统通常由开关电源模块、逆变器电路以及整流器组件等关键组成部分构成。为了保证其稳定运行并确保可靠性与安全性，在设计阶段就需要充分考虑系统的故障诊断机制以及相应的容错控制策略。

Simulink 具备了高度灵活的建模与仿真能力。它不仅能够辅助电力电子系统的设计与分析工作，并且能够对其故障进行有效诊断。本教程旨在为读者提供详细的指导内容。

二、仿真建模过程

1. 打开Simulink并新建模型

  • 调用MATLAB软件
    • 在命令窗口中键入 simulink 并切换至Simulink起始界面
    • 单击“Blank Model”按钮以建立一个新的空白模型

2. 添加电源模块

在 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Sources 库中拖拽 DC Voltage Source 模块至模型编辑区。
设置相关参数时可参考电压幅值（例如48 V）。

3. 设计电力电子电路

我们将采用一个简单的 Buck 转换器（降压开关电源） 作为示例来说明相关内容。根据具体需求可以选择其他类型的电力电子电路。

Buck 转换器设计步骤：

  • 设定输入电压与输出电压的参数：给定系统工作时的输入电压设定为48V，并将目标输出电压设定为24V。
    • 计算电路元件的参数：根据变换器工作原理中的公式V_{\text{out}} = D \times V_{\text{in}}（其中D代表占空比系数），可以通过调节占空比系数至0.5以实现目标输出。此外，在满足纹波电流限制的前提下，合理选择电感与电容等关键元件的值。

从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics 库内拖放所需组件到指定位置上：

  • Buck Converter 模块（建议选用该模式），建议设定开关频率（具体可选频率包括但不限于 50 kHz）及开关占空比（具体可选比例包括但不限于 50%）。
  • 电感量模块，请配置电感量大小（具体可选范围包括但不限于 10 μH 到 20 μH）。
  • 电容量组件，请配置电容量大小（具体可选范围包括但不限于 1 μF 到 2 μF）。
  • 在 Series RLC 支路中进行阻抗配置，在电路仿真中将该支路配置为负载电路，并指定阻抗值为 1 Ω。

4. 添加传感器模块

  • 导入位于 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements 的模块：
  • Voltage Measurement 模块用于监测系统两端的电压变化。
  • Current Measurement 模块用于评估电感中的电流流动情况。

5. 添加故障注入模块

为了实现电力系统的仿真研究，在电路中引入故障发生装置来进行电力电子设备的仿真。The common faults include the failure of circuit breakers, unintended operation of motor control devices, and contactor failure, among others.

  • 开关器件短路或开路故障。
  • 电感或电容失效。

故障注入模块设计步骤：

  • 开关器件出现故障 ：使用 Switch 模块能够模拟开关器件发生短路或断开状态。
    • 电感或电容出现故障 ：可以通过调节电感值、修改电容值或者将其置为断开状态的方式来实现故障模拟。

在 Simulink > Commonly Used Blocks 库中拖拽以下模块：

  • 该开关单元被设计用于模拟开关器件的故障行为。
    • 该常值单元负责调节 Switch 模块的状态（其中其状态参数为0时为断开状态）。

6. 添加故障检测与诊断模块

为了有效识别和定位设备运行中的异常状态，主要依赖于 Simulink 系统的逻辑判断能力和高效的信号处理机制。

故障检测与诊断模块设计步骤：

  • 电压与电流的阈值检测：该模块（Relational Operator）用于设定电压与电流的高低限阈值。
    • 逻辑判定：该模块（Logical Operator）负责对多种条件进行综合判定以确定系统状态。

在 Simulink > Logic and Bit Operations 库中拖拽以下模块：

  • Relational Operator 模块用于配置电压和电流的范围限制。
    • Logical Operator 模块用于处理多个条件的综合分析。

7. 添加报警模块

当故障被检测时会触发警报系统时会触发警报系统

首先，在Simulink目录下的Sinks库中安装Display模块；随后将其连接到故障检测模块的输出接口。

8. 连接各组件

  • 通过信号线将直流电压源、降压转换器、滤波组件、传感器单元组以及故障注入单元组与故障检测与诊断单元组依次串联起来，并最终形成完整的电路系统。
  • 其输出信号依次传递至故障检测与诊断单元组，并随后将检测结果传递给报警装置。

三、仿真测试

1. 设置仿真参数

  • 在模型编辑器的顶部菜单栏中点击 Simulation > Model Configuration Parameters。
    • 根据需要设置仿真时间（如 0.1 秒）、求解器类型（建议采用 ode45）和其他相关参数。

2. 运行仿真

  • 在完成以上步骤后，请启动工具栏中的"Run"按钮以进行仿真。
    • 请查看 Display 或 Scope 窗口中显示的波形图，并核实输出结果是否符合预期；同时，请注意查看是否存在任何故障报警信息。

四、优化与调整

1. 调整故障注入参数

  • 基于不同应用场景的需求设定，在故障注入时可选择特定的时间点以及具体形式（如短路或断电），以便全面评估系统的运行状态。
  • 调节故障注入的具体条件来考察系统的故障识别和分析机制。

2. 优化故障检测与诊断算法

  • 通过调节电压与电流的阈值参数设置，并相应优化其间的关联关系以提升故障检测的敏感性。
    • 探索多种逻辑判断策略（如综合考虑多个条件及引入时序效应等），以进一步提高故障诊断的效果。

3. 分析故障响应指标

  • 故障诊断响应时间：该系统的故障诊断响应时间基于从故障发生到首次检测出故障的时间计算。
    • 虚警概率：在该系统中，虚警的发生概率是指系统出现非实际情况但被错误识别为异常情况的可能性。
    • 漏检概率：在该监测系统中，漏检概率是指实际发生但未被正确识别为异常情况的事件发生频率。

五、代码实例

以下是一个详细的 Simulink 模型脚本范例，请参考以快速构建并掌握电力电子系统故障诊断的基础仿真架构

复制代码

matlab

深色版本

复制代码 
 % 清除当前工作区的所有变量

    
 clear all; close all;
    
  
    
 % 创建新的Simulink模型
    
 modelName = 'Power_Electronics_Fault_Diagnosis_Simulation';
    
 new_system(modelName);
    
 open_system(modelName);
    
  
    
 % 添加直流电源
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Sources/DC Voltage Source', [modelName '/DC_Voltage_Source']);
    
 set_param([modelName '/DC_Voltage_Source'], 'Voltage', '48'); % 设置电压为48V
    
  
    
 % 添加Buck转换器
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Power Electronics/Buck Converter', [modelName '/Buck_Converter']);
    
 set_param([modelName '/Buck_Converter'], 'SwitchingFrequency', '50e3'); % 设置开关频率为50kHz
    
 set_param([modelName '/Buck_Converter'], 'DutyCycle', '0.5'); % 设置占空比为0.5
    
  
    
 % 添加电感（滤波器）
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Inductor', [modelName '/Inductor']);
    
 set_param([modelName '/Inductor'], 'L', '100e-6'); % 设置电感值为100μH
    
  
    
 % 添加电容（滤波器）
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Capacitor', [modelName '/Capacitor']);
    
 set_param([modelName '/Capacitor'], 'C', '100e-6'); % 设置电容值为100μF
    
  
    
 % 添加负载电阻
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Series RLC Branch', [modelName '/Load_Resistor']);
    
 set_param([modelName '/Load_Resistor'], 'BranchType', 'Res');
    
 set_param([modelName '/Load_Resistor'], 'R', '10'); % 设置电阻值为10Ω
    
  
    
 % 添加电压测量模块
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/Input_Voltage_Measurement']);
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/Output_Voltage_Measurement']);
    
  
    
 % 添加电流测量模块
    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Current Measurement', [modelName '/Inductor_Current_Measurement']);
    
  
    
 % 添加开关器件故障注入模块
    
 add_block('simulink/Commonly Used Blocks/Switch', [modelName '/Switch_Fault_Injection']);
    
 set_param([modelName '/Switch_Fault_Injection'], 'Threshold', '0'); % 设置阈值为0表示断开
    
  
    
 % 添加常量模块用于控制开关状态
    
 add_block('simulink/Sources/Constant', [modelName '/Constant_Switch_Control']);
    
 set_param([modelName '/Constant_Switch_Control'], 'Value', '1'); % 初始状态下开关闭合
    
  
    
 % 添加电压阈值检测模块
    
 add_block('simulink/Logic and Bit Operations/Relational Operator', [modelName '/Voltage_Threshold_Detection']);
    
 set_param([modelName '/Voltage_Threshold_Detection'], 'Operator', '>=');
    
 set_param([modelName '/Voltage_Threshold_Detection'], 'SecondInput', '20'); % 设置下限阈值为20V
    
  
    
 % 添加电流阈值检测模块
    
 add_block('simulink/Logic and Bit Operations/Relational Operator', [modelName '/Current_Threshold_Detection']);
    
 set_param([modelName '/Current_Threshold_Detection'], 'Operator', '<=');
    
 set_param([modelName '/Current_Threshold_Detection'], 'SecondInput', '1'); % 设置上限阈值为1A
    
  
    
 % 添加逻辑运算模块用于综合判断
    
 add_block('simulink/Logic and Bit Operations/Logical Operator', [modelName '/Logical_Operator']);
    
 set_param([modelName '/Logical_Operator'], 'Operator', 'AND');
    
  
    
 % 添加报警模块
    
 add_block('simulink/Sinks/Display', [modelName '/Fault_Alert_Display']);
    
  
    
 % 连接各模块
    
 add_line(modelName, [modelName '/DC_Voltage_Source'], [modelName '/Buck_Converter'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Buck_Converter'], [modelName '/Inductor'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Inductor'], [modelName '/Capacitor'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Capacitor'], [modelName '/Load_Resistor'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Buck_Converter'], [modelName '/Switch_Fault_Injection'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Constant_Switch_Control'], [modelName '/Switch_Fault_Injection'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/DC_Voltage_Source'], [modelName '/Input_Voltage_Measurement'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Buck_Converter'], [modelName '/Output_Voltage_Measurement'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Inductor'], [modelName '/Inductor_Current_Measurement'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Input_Voltage_Measurement'], [modelName '/Voltage_Threshold_Detection'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Output_Voltage_Measurement'], [modelName '/Voltage_Threshold_Detection'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Inductor_Current_Measurement'], [modelName '/Current_Threshold_Detection'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Voltage_Threshold_Detection'], [modelName '/Logical_Operator'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Current_Threshold_Detection'], [modelName '/Logical_Operator'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/Logical_Operator'], [modelName '/Fault_Alert_Display'], 'autorouting', 'on');
    
  
    
 % 设置仿真参数
    
 set_param(modelName, 'StopTime', '0.1'); % 模拟运行时间为0.1秒
    
 set_param(modelName, 'Solver', 'ode45');
    
  
    
 % 保存模型
    
 save_system(modelName);

六、总结

深入解析了本教程的主要内容和步骤；全面阐述了使用Simulink进行电力电子系统故障诊断仿真的方法和流程。

  • 背景介绍：掌握电力电子系统及其fault diagnosis的核心内容。
    • 仿真建模过程：构建一个完整的power electronic system fault diagnosis simulation model。
    • 仿真测试：通过 running the simulation and observing the results to verify the system's fault detection and diagnosis capability.
    • 优化与调整：通过 optimizing fault injection parameters and improving fault detection and diagnosis algorithm to enhance system performance.

全部评论 (0)

还没有任何评论哟~

相关文章推荐

手把手教你学Simulink实例：基于Simulink的电力电子系统故障诊断仿真

目录 手把手教你学Simulink实例：基于Simulink的电力电子系统故障诊断仿真 一、背景介绍 二、仿真建模过程 1\.打开Simulink并新建模型 2\.添加电源模块 3\.设计电力电子电路...

手把手教你学Simulink实例——基于Simulink的电力电子系统故障诊断与保护仿真实例

目录 手把手教你学Simulink实例——基于Simulink的电力电子系统故障诊断与保护仿真实例 引言 故障类型简介 1\.过电流 2\.过电压 3\.短路 4\.开路 系统框架 1\.系统架构概述...

手把手教你学Simulink实例——基于Simulink的电力电子系统状态监测与故障诊断仿真实例

目录 手把手教你学Simulink实例——基于Simulink的电力电子系统状态监测与故障诊断仿真实例 引言 状态监测与故障诊断原理简介 1\.状态监测 2\.故障诊断 系统框架 1\.系统架构概述 ...

手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的电力电子系统微电网仿真

目录 基于Simulink的电力电子系统微电网仿真 目录 微电网技术背景与行业需求 新能源发展趋势 技术挑战 微电网系统架构与核心组件 典型拓扑结构 核心组件建模 仿真建模关键技术 多能源耦合建模 分...

手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的电力电子系统微电网仿真实例

目录 一、仿真背景与目的 二、微电网架构描述 三、Simulink模型创建 1\.分布式电源模块 2\.储能装置模块 3\.负载模块 4\.控制系统模块 5\.连接信号线 四、仿真参数设置 五、仿真运...

手把手教你学simulink实例--基于Simulink的电动汽车动力系统故障诊断与健康管理仿真

目录 基于Simulink的电动汽车动力系统故障诊断与健康管理仿真 1\.背景介绍 1.1项目背景 2\.动力系统故障诊断与健康管理概述 2.1故障类型 2.2故障诊断方法 2.3健康管理策略 3\....

手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的电力电子系统瞬态响应仿真

目录 基于Simulink的电力电子系统瞬态响应仿真 一、背景介绍 二、仿真建模过程 1\.确定实验目标 2\.创建Simulink模型 步骤1：打开Simulink并新建模型 步骤2：添加电源模块 ...

手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的电力电子系统孤岛检测仿真

目录 基于Simulink的电力电子系统孤岛检测仿真 目录 孤岛检测技术背景与行业需求 新能源并网趋势 技术挑战 孤岛检测原理与方法综述 被动检测法 主动检测法 仿真建模关键技术 电网模型与故障注入 ...

手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的电力电子系统稳态分析仿真

目录 基于Simulink的电力电子系统稳态分析仿真 一、背景介绍 二、仿真建模过程 1\.确定实验目标 2\.创建Simulink模型 步骤1：打开Simulink并新建模型 步骤2：添加电源模块 ...

手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的自动驾驶车辆故障诊断系统仿真

目录 基于Simulink的自动驾驶车辆故障诊断系统仿真 一、背景介绍 二、所需工具和环境 三、步骤详解 步骤1：创建Simulink模型 步骤1.1：打开Simulink并新建模型 步骤2：设计车辆...