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手把手教你学Simulink实例:基于Simulink的电力电子系统动态性能评估仿真实例

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从零开始教您掌握Simulink技术:以Simulink为基础进行电力电子系统的动态特性仿真分析案例

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:添加电源模块

步骤2.1:添加直流电源

步骤3:设计Buck转换器

步骤3.1:添加Buck转换器模块

步骤4:设计LC滤波器

步骤4.1:添加电感模块

步骤4.2:添加电容模块

步骤4.3:连接LC滤波器

步骤5:添加负载模块

步骤5.1:添加电阻性负载

步骤6:添加PI控制器模块

步骤6.1:添加PID控制器模块

步骤6.2:连接反馈回路

步骤7:添加传感器模块

步骤7.1:添加电压测量模块

步骤7.2:添加电流测量模块

步骤8:设置仿真参数

步骤9:运行仿真

步骤10:分析仿真结果

输出电压和电流波形

上升时间和调节时间

动态响应特性

效率计算

纹波和噪声分析

步骤11:优化动态性能

使用PID Tuner工具

手动调整PID参数

手动调整LC参数

四、总结


从入门到精通:基于Simulink的电力电子系统动态性能仿真分析实例

用于对电力电子系统的动态性能进行评估的过程,在确保其稳定性和快速响应方面起着关键作用。借助仿真技术,则能够对系统的瞬态响应能力以及稳态精度进行综合分析。本案例重点介绍如何利用Simulink和Simscape Electrical Toolbox构建并优化典型的Buck转换器模型。

一、背景介绍

Buck converter (step-down converter) is a commonly used DC-to-DC converter designed to reduce input voltage to a lower output voltage level. To maintain stable output voltage performance, closed-loop control strategies such as proportional-integral (PI) controllers are typically incorporated into the circuit design. This example will demonstrate how to design a Buck converter and evaluate its dynamic performance metrics, including rise time, settling time, and overshoot percentage.

二、所需工具和环境

为了进行 Buck 转换器的设计与仿真,你需要以下工具和环境:

  1. MATLAB/Simulink:构建动态系统模型并进行仿真分析。
  2. Simscape Electrical:包含丰富的电力电子组件库,并为构建复杂的电力电子系统提供全面的技术支持。
三、步骤详解
步骤1:创建Simulink模型

首先,打开 MATLAB 并启动 Simulink 创建一个新的空白模型。

步骤1.1:打开Simulink并新建模型
  • 打开 MATLAB 应用程序。
  • 在命令窗口中输入 simulink 以打开 Simulink 启动界面。
  • 单击“Blank Model”按钮以创建一个新的空模型。
步骤2:添加电源模块

在 Buck 转换器中,我们需要一个直流电源作为输入。

步骤2.1:添加直流电源
  • Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Sources 库中拖放 DC Voltage Source 模块至模型编辑区。
    • 配置参数如电压幅度(例如 48 V)。
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 % 添加直流电源模块

    
 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
步骤3:设计Buck转换器

接下来,我们将设计一个简单的 Buck 转换器。

步骤3.1:添加Buck转换器模块
  • 在 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics 库内进行模块拖放操作,在模型编辑区成功放置Buck Converter模块。
  • 配置参数时,请设置开关频率(建议选择50 kHz)及占空比(建议设置为0.5)等关键参数。
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 % 添加Buck转换器模块

    
 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
步骤4:设计LC滤波器

为了平滑输出电压和电流,我们将设计一个 LC 滤波器。

步骤4.1:添加电感模块
  • 导入模块:在 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 模块库中导入 Inductor 模块至模型编辑区。
    • 配置电感值:设置电感值为 100 微亨利等值。
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 % 添加电感模块

    
 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
步骤4.2:添加电容模块
  • 位于指定库中拖拽 Capacitor 模块至模型编辑区。
    • 配置电容值的具体数值如100微法。
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 % 添加电容模块

    
 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
步骤4.3:连接LC滤波器

将 Buck 转换器的输出信号馈送到电感模块的输入端口后,在将其输出信号传递给电容模块的输入端口以完成 LC 滤波器的构建

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 % 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');
步骤5:添加负载模块

以模拟实际应用场景下的负载特征为例,在电路设计中我们通常会引入一个电阻性和电感性的混合型负载。

步骤5.1:添加电阻性负载
  • 在 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements 库中指定位置拖拽 Series RLC Branch 组件至模型工作区。
    • 设置该组件为纯电阻性负载(R),并指定其阻值(如 10 Ω)。
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 % 添加负载电阻模块

    
 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
步骤6:添加PI控制器模块

为了实现闭环控制,我们将添加一个 PI 控制器模块。

步骤6.1:添加PID控制器模块
  • 在 Simulink 的 Continuous 库中拖放 PID Controller 模块至模型编辑区。
    • 请设置初始参数(包括比例系数 Kp、积分系数 Ki 和微分系数 Kd)。
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 % 添加PID控制器模块

    
 add_block('simulink/Continuous/PID Controller', [modelName '/PID_Controller']);
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'P', '1'); % 设置比例系数Kp为1
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'I', '0.1'); % 设置积分系数Ki为0.1
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'D', '0.01'); % 设置微分系数Kd为0.01
步骤6.2:连接反馈回路

将电压测量模块的输出与 PID 控制器模块的输入端子相连,并通过相应的信号传输路径使 PID 控制器模块的工作状态直接反馈至 Buck 转换器的关键控制端子上。由此形成了一个闭环控制系统。

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 % 连接各模块

    
 add_line(modelName, [modelName '/Output_Voltage_Measurement'], [modelName '/PID_Controller'], 'autorouting', 'on');
    
 add_line(modelName, [modelName '/PID_Controller'], [modelName '/Buck_Converter/Control_Input'], 'autorouting', 'on');
步骤7:添加传感器模块

为了监测系统的性能,可以添加一些传感器模块来测量电压和电流。

步骤7.1:添加电压测量模块
  • 在 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements 库中拖放 Voltage Measurement 模块至模型编辑区。
    • 配置模块以便测量输出电压。
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 % 添加电压测量模块

    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/Output_Voltage_Measurement']);
步骤7.2:添加电流测量模块
  • 在Simscape电气专业系统基础模块测量库中进行模块拖放操作。
    • 配置参数设置以实现电感电流的测量功能。
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 % 添加电流测量模块

    
 add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Current Measurement', [modelName '/Inductor_Current_Measurement']);
步骤8:设置仿真参数

模型编辑器顶部菜单栏中的点击 Simulation > Model Configuration Parameters;根据需求调节仿真时间(例如设置为 0.1 秒),详细说明了调整的时间设置、推荐使用的求解器类型及其优势。

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 % 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');
步骤9:运行仿真

在完成上述步骤之后,请单击工具栏中的"Run"按钮以启动仿真过程。随后,请监测输出电压与电流的波形特征,并以确保其稳定性和谐波失真水平达到设计标准。

步骤10:分析仿真结果

利用仿真技术可获取系统的多个性能参数, 包括输出电压波形、电流波形特征、上升沿时间、过渡过程中的调节时间, 超调百分比以及系统效率值等信息。以下是一些典型的分析手段:

输出电压和电流波形

利用 Scope 模块采集输出电压与电流波形数据,并对其进行分析

上升时间和调节时间

通过研究输出电压波形的变化趋势, 我们能够准确计算出系统的上升时间和调节时间. 其中, 上升时间特指系统由起始状态过渡至目标状态所需要的时间段, 而调节时间则指系统持续维持在目标状态周边区域所需的总时长.

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 % 获取输出电压数据

    
 outputVoltage = getOutputVoltage();
    
  
    
 % 计算上升时间和调节时间
    
 riseTime = calculateRiseTime(outputVoltage); % 自定义函数计算上升时间
    
 settlingTime = calculateSettlingTime(outputVoltage); % 自定义函数计算调节时间
    
  
    
 % 显示结果
    
 disp(['Rise Time: ', num2str(riseTime), ' seconds']);
    
 disp(['Settling Time: ', num2str(settlingTime), ' seconds']);
动态响应特性

采用阶跃信号或斜坡信号作为测试输入以分析系统对动态特性的反应能力,并关注其性能指标如超调度和振荡次数等。

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 % 计算超调量

    
 overshoot = calculateOvershoot(outputVoltage); // 自定义函数计算超调量
    
  
    
 // 显示结果
    
 disp(['Overshoot: ', num2str(overshoot), '%']);
效率计算

可以通过测量输入功率和输出功率来计算系统的效率:

Efficiency is calculated as the ratio of Output Power to Input Power.

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 % 计算输入功率和输出功率

    
 inputVoltage = getInputVoltage();
    
 inputCurrent = getInputCurrent();
    
 outputVoltage = getOutputVoltage();
    
 outputCurrent = getOutputCurrent();
    
  
    
 inputPower = mean(inputVoltage .* inputCurrent); % 输入功率
    
 outputPower = mean(outputVoltage .* outputCurrent); % 输出功率
    
  
    
 efficiency = (outputPower / inputPower) * 100; % 计算效率百分比
    
 disp(['System Efficiency: ', num2str(efficiency), '%']);
纹波和噪声分析

利用频谱分析或 FFT 分析输出电压与电流的纹波及噪声水平

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 % 获取输出电压数据

    
 outputVoltage = getOutputVoltage();
    
  
    
 % 进行FFT分析
    
 fftOutputVoltage = fft(outputVoltage);
    
 frequencies = linspace(0, 1/(2*Ts), length(outputVoltage)/2+1); % Ts为采样时间间隔
    
 powerSpectrum = abs(fftOutputVoltage(1:length(outputVoltage)/2+1)).^2;
    
  
    
 % 绘制频谱图
    
 figure;
    
 plot(frequencies, powerSpectrum);
    
 xlabel('Frequency (Hz)');
    
 ylabel('Power Spectrum');
    
 title('Output Voltage Ripple and Noise Analysis');
步骤11:优化动态性能

通过调节PI控制器的参数或者改善LC滤波器的架构来实现系统的动态性能优化

使用PID Tuner工具
  • 执行双击操作于PID控制器模块,在其出现的对话框中单击带有Tune标识的按钮以调用PID Tuner工具。
  • 基于系统响应曲线分析结果优化PID参数设置以确保系统动态特性和稳态精度达到最佳状态。
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 % 启动PID Tuner工具

    
 pidTuner([modelName '/PID_Controller']);
手动调整PID参数

在需要手动调节 PID 参数的情况下,在线系统通常会根据仿真数据逐步优化其参数设置以实现预期的系统性能。

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 % 调整PID控制器参数

    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'P', '1.2'); % 增加比例系数Kp
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'I', '0.15'); % 增加积分系数Ki
    
 set_param([modelName '/PID_Controller'], 'D', '0.02'); % 增加微分系数Kd
    
  
    
 % 重新运行仿真
    
 sim(modelName);
手动调整LC参数

若想手动调节 LC 参数,请根据仿真数据逐步确定电感值 L 和电容值 C 的具体数值,并经过合理优化后即可实现满意的效果。

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 % 调整电感和电容参数

    
 set_param([modelName '/Inductor'], 'L', '150e-6'); % 增加电感值L
    
 set_param([modelName '/Capacitor'], 'C', '150e-6'); % 增加电容值C
    
  
    
 % 重新运行仿真
    
 sim(modelName);
四、总结

本教程详细阐述了如何应用Simulink进行Buck转换器的设计及动态性能评估。

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