光伏电池Simulink建模仿真

        太阳能取之不尽,用之不竭,对环境无不良影响,作为一种优越的可再生能源受到各个领域的青睐。光伏电池的输出特性受光照强度及环境温度影响很大,具有明显的非线性特征,因此,建立通用的太阳能电池模型来研究光照强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响很有必要。常用单二极管光伏电池电路如图一所示。

        在 Matlab 仿真环境下建立了如上图所示光伏电池仿真模型,准确地模拟了光伏电池的工作情况,研究了光照强度和环境温度变化条件下光伏电池的输出特性。由仿真可知,光伏电池的输出存在明显的非线性: 当电压小于一定值时,电流近似不变; 当输出电压接近开路电压时电流迅速下降。照强度的变化主要影响阵列短路电流,而环境温度的变化主要影响开路电压。由 P-U 曲线可知,当外界自然条件改变时,光伏阵列的输出特性将随之改变,其输出功率及最大功率点亦相应改变,并且对于一定的太阳辐照度和环境温度,光伏电池的出功率存在唯一的最大功率点。

  • 相同温度不同光照条件下进行仿真,s=1000,T=0,T=25,T=40,绘制I-P,I-U特性曲线图。

  • 相同光照不同温度条件下进行仿真,T=25,s=700,s=1000,s=1300,绘制I-P,I-U特性曲线图

        

matlab模拟夫琅禾费衍射

        夫琅禾费衍射是指把单色点光源放在透镜的焦点上,经过透镜后的单色平行光垂直照射衍射屏时,在屏后面不同距离上会观察到一些衍射现象,其中当屏远离到足够大的距离后,光斑中心出现一个较大的亮斑,外围是一些较弱的明暗相间的同心圆环,此后再往外移动,衍射花样出现稳定分布,中心处总是亮的,只是半径不断扩大而已,这种衍射称为夫琅禾费衍射,又称远场衍射(而当距离较近时为菲涅尔衍射,较近时没有夫琅禾费衍射)。其在实验中的观察方式是:光源和观察屏都在离衍射孔(或缝)无限远处(或等效无穷远处),如夫琅禾费衍射,利用matlab模拟该过程。

matlab模拟结果如下:

闭环交直交整流逆变稳压电路Matlab/Simulink仿真

开环电路具体有结构简单,容易实现的特点,但抗干扰能力弱。对于常见的交-直-交整流逆变电路,若采用开环控制,不仅在输入电压遭受扰动时输出无法很好稳定,而且也不能具备输出电压可调的优点。下面的模型给开环交-直-交整流逆变电路加上电压负反馈,用于控制输出电压稳定。逆变输出为单相交流,负载用电阻,输出交流反馈到控制系统(反馈信号标识为Vabc有误,应为Vo),Vref为目标电压(1为有效值220V,幅值311V),控制系统输出对应PWM波形到逆变器,用于调节输出电压。

当Vref=1,即控制输出电压幅值为311V,仿真得到输出电压波形如下,含有特定高次谐波,电压波形幅值接近311V的控制目标。

当需要调整输出电压幅值,比如Vref=0.8,即控制输出电压幅值为311*0.8= 248.9V,仿真得到输出电压波形如下,输出电压波形幅值接近控制目标。

 

S函数变占空比PWM发生器Simulink仿真

大家见惯了占空比为恒定值的PWM发生器,下面我们来看一个变占空比PWM发生器。假使我们需要一个特殊的PWM发生器,其占空比变化规则如下:前2.9us占空比从0.1线性增加到0.7,2.9us到50us线性减小到0.25,50us到100us线性减小到0.1。

该PWM发生器此处可以用S函数模块模拟,输出包含PWM波形和同一时刻的占空比,用示波器查看。Simulink模型如下图所示。

整个过程的仿真结果如下,PWM波周期为0.02us,仿真时长100us。由于PWM波频率较高,波形较密。占空比变化有三个过程,分别对应三段直线。

选其中第一个变化过程放大观察,如下图(波形的横轴放大到0-3us)。可见随着占空比从0.1逐渐增加到0.7,方波的脉宽逐渐变大。

 

Mathematica编程绘图画时钟

        我们都知道时钟上使用12小时模拟表盘,但殊不知24小时版本的模拟表盘至今仍在使用。在这个版本中,一天24小时都在一个表盘显示,秒钟和分钟都能显示出来。在24小时版本的时针每24小时走完一圈,在普通的12小时刻度盘上,时针每天走完两周。最早制作于中世纪的时钟,很有可能是24小时版本,而不是12小时版本。不过24小时版本也并非销声匿迹,至今在技术和专业设备等我们仍然可以看到一些欧洲古老钟表的早期设计,譬如德国、捷克、意大利等国家的天文钟。24小时刻度盘还用于技术和专业钟表,如飞行员手表和用作时间控制器的时钟。
        科普完毕后,下面用Mathematica演示显示一下时钟和手表上使用的24小时模拟表盘,如图一所示。程序使用Manipulate函数做成动画形式,模拟时钟真实走动。

附代码如下:

Manipulate[
Module[{hourHandUT,hourHand,minuteHand,secondHand},
hourHandUT={Blue,Thickness[.001],Arrow[{{0,-0.10},{0,.86}}]};
hourHand={Black,Thickness[.020],{Line[{{0,-0.10},{0,.60}}],Arrow[{{0,.60},{0,.73}}]}};minuteHand={Black,Thickness[.012],Line[{{0,-0.10},{0,.83}}]};secondHand={Red,Thickness[.005],EdgeForm[Black],Arrow[{{0,-0.10},{0,.93}}]};
Graphics[{
{Gray,Thickness[.02],Circle[]},
(*Thin ticks*){Gray,Thickness[.003],
Table[Line[{.95 {Cos[a],Sin[a]},.98{Cos[a],Sin[a]}}],
{a,0,2Pi,2Pi/6}]},
(*Thick ticks*){Gray,Thickness[.01],
Table[Line[{.94 {Cos[a],Sin[a]},.98{Cos[a],Sin[a]}}],{a,0,2Pi,2Pi/24}]},(*{*Numbers: <}*)
Style[Table[Text[Mod[i+hourAtTop,24],
.87 {Cos[-i Pi/12+ Pi/2],Sin[-i Pi/12+ Pi/2]}],{i,1,24}],”Label”, Bold, 14],
Rotate[hourHand,Dynamic[Refresh[-15 Mod[AbsoluteTime[]/3600 -( 12 + hourAtTop) , 60]\[Degree] , UpdateInterval ->10]], {0, 0}],
Rotate[hourHandUT,Dynamic[Refresh[-15 Mod[AbsoluteTime[TimeZone ->0]/3600 – (12 + hourAtTop), 60]\[Degree] , UpdateInterval ->10]], {0, 0}],
Rotate[minuteHand,Dynamic[Refresh[-6Mod[AbsoluteTime[]/60 , 60]\[Degree],UpdateInterval ->1]], {0, 0}],
Rotate[secondHand,Dynamic[Refresh[-6Mod[AbsoluteTime[], 60]\[Degree],UpdateInterval ->1/4]],{0, 0}]}]],
{{hourAtTop, 0, “hour at top”}, {0, 12}}]

暂态和稳态情况下电流互感器(CT)饱和matlab/simulink仿真模拟

电流互感器的饱和分为暂态饱和和稳态饱和,其中暂态饱和存在的主要原因有两个:一是故障切除后电流互感器普遍存在的铁心剩磁,铁心剩磁能使互感器在一次电流大于正常电流时很快达到暂态饱和;二是电力系统发生短路故障时,短路电流中大量存在非周期分量,而电流互感器是安装工频特性设计的,在传变非周期分量的过程中,互感器的励磁电流迅速增大使互感器很快达到暂态饱和。此时电流互感器已经工作在它的饱和区域,此时电流互感器的传变特性已经发生改变,不能正常的反应一次电流的实际工况。无论是暂态饱和还是稳态饱和,电流互感器的二次电流输出都比正常值偏小。

为分析 CT 饱和二次电流的特征,在 MATLAB/Simulink环境中搭建仿真模型。首先是稳态饱和。基波模块、二次谐波模块、三次谐波模块是用于计算与分析 CT二次侧电流谐波成分。为使波形更直观且便于比较,设置了转换系数 K,这样 CT 的一次侧电流波形与二次侧电流波形的幅值相等。仿真得到稳态饱和时二次电流波形如下。一二次侧电流波形:黄线为折算后的一次侧电流,紫线为二次侧电流。谐波分析图:黄色为基波(50Hz),蓝色为二次谐波,紫色为三次谐波。

改变负载阻抗大小,可以得到不同饱和程度下的 CT 二次电流谐波分析的多组数据。

接来下为暂态饱和分析。分析过程类似稳态,不再说明,以下为结果。

由对比分析可知,1.当 CT 处于稳态饱和状态下时,二次电流中大多数是三次谐波分量,并且不包含二次谐波分量;2.CT 暂态饱和与稳态饱和不同,其谐波分量主要二
次谐波为主,三次谐波分量较少。

 

matlab/gui界面设计案例-沿曲线滚动的小球

        matlab/gui界面案例-沿曲线滚动的小球:制作matlab/gui用户界面,其中滚动条来改变小球的滚动速度,“网格线”菜单用来对坐标轴加网格;单击“停止”按钮后小球停止滚动,并在对应区域显示小球循环滚动次数及终点的坐标值。

        运行效果如下。开始运行前适当调整小球运动速度,由运行效果可见,滚动条左边速度较偏慢,滚动条尽量往右调。每运行完一趟后循环次数自动加1,当按下停止按钮后即显示整体运行次数。

GIF

 

模糊PID控制matlab/simulink仿真

工业控制过程中最常用的控制器是比例-积分-微分(PID)控制器,因为其结构简单,工作条件广泛且性能稳定。然而PID控制器是线性的,不适用于强非线性系统或耦合系统。模糊控制经常被看作为PID控制的替代和改进。工业上使用的大多数模糊控制器与增量式PI或PID控制器具有相同的结构,模糊规则和模糊隶属函数参数化的使用可以很容易地添加非线性、逻辑和附加输入信号到控制系统。近年来,模糊逻辑控制器(FLC),特别是模糊PID控制器,由于其启发式性质,与线性和非线性系统的简单性和有效性相结合而被广泛应用于工业控制过程。第一个模糊逻辑控制算法是人工合成一个熟练的操作员语言控制协议,采用Mamdani型(1974)结构。虽然这种类型的FLC应用程序相比古典控制器有特定优势,但设计过程依赖于操作者的经验和知识,是一种有限的阐明启发式规则控制。为了避免这一重大缺点,根据操作者的控制经验,Mac Vicar Whelan首先提出了模糊控制器的结构。发展到现在,已经提出了模糊PID(包括PI和PD)控制器和模糊非PID控制器的各种结构。

在模糊逻辑中,输出可以在某种程度上高,在另一种程度上低。为了在数学上表示这一点,我们需要选择合理的边界水平,即100%可确定输出过高,或者100可确定输出过低。高低值之间的任何值可以被视为一个混合状态。当系统处于期望的设定值时,这意味着输入电平既不太低也不太高,或者等价地说,它是一个等效的混合。从太低到太高的区域将集中在设定值水平上,因此我们可以使用所需的设定值和实际输出值之间的差值作为输入信号。在高低极端和中间区域之间,特定连续曲线定义了高值到低值之间的过渡。为了简化,我们可以用一个线性曲线。

将模糊控制器用在PID就是PID模糊控制,为了验证模糊PID相比于传统PID控制器的优势,搭建双容水箱控制模型的PID控制和模糊控制,对仿真结果进行对比。模糊PID控制器封装在fuzzypid子系统里,结构如图2,模糊规则子系统输出Kp、Ki和Kd调整量,实时校正PID参数。与其相对应的是传统PID控制器,封装在PID子系统里。

仿真结果如下图,紫色曲线为模糊PID控制输出响应,蓝色曲线为普通PID控制输出响应。相比可见,模糊控制超调小、响应上升稳定快。

 

 

 

S函数(S-fun)matlab/simulink编程实现规则采样SPWM控制

        目标说明:在所提供的Matlab/Simulink三相逆变器仿真模型基础上,将其中的Matlab自带的PWM Generator模块(调制波——正弦波与载波——三角波交截产生SPWM驱动信号),换成由S函数或M函数(选择一种即可)编写的“规则采样SPWM”模块,其中,正弦波可以由Matlab自带信号源产生。
       具体要求:
(1)由“规则采样SPWM”模块产生的开关管驱动信号要与原有提供模型中开关管驱动信号要基本一致,且由二者驱动得到的输出电压也要基本一致;
(2)“规则采样SPWM”模块中部分变量(正弦波的幅值和频率,规则采样的频率)要能够改变;
        现有资料:
(1)Matlab/Simulink三相逆变器仿真模型(其中一个版本是用MATLAB自带pwm模块驱动版本,一个版本是待完成的S函数规则采样SPWM版本,需要两者对照);
(2)“规则采样SPWM”基本原理(不细讲,可查阅教材);
(3)双极性SPWM控制的三相逆变器驱动信号产生原理;
        编写S函数形式的规则采样函数guizecaiyang.m,封装成PWM发生器模块,设置S函数的相关参数,包括正弦波频率,采样频率和调制比,这三个参数将传递到S函数内步参与计算。如下图所示,是对应整个仿真,三相交流电源通过不控整流桥整流成直流,然后通过PWM逆变成交流电。红框部分为封装的PWM信号发生模块,通过设置好的指令波形,规则采样然后脉宽调制成需要的PWM信号,送给DC/AC逆变器。作为对比,另外搭建一个一样的模型,将PWM生成部分改用Simulink自带模块“离散PWM发生器”,进行对比。

        对比结果如下,第一个图为逆变器输出电压阶梯波(左为自带PWM模型,右为自编规则采样调制模型),可见输出电压基本一致。第二个图为逆变器输出电流波形(左为自带PWM模型,右为自编规则采样调制模型),可见输出电流也基本一致。自编S函数(S-fun)matlab/simulink编程实现规则采样SPWM控制很好地实现了目标。

 

矩阵变换器异步电机变频调速matlab/simulink仿真

        矩阵变换器是一种直接变换型的交/交电力变换装置,其中的交流量包括相位、振幅、频率等。矩阵变换器的主电路为九个双向开关排成的3*3矩阵,由此得名。与传统功率变换器相比,它具有具有很多优于传统交/交变换器的特性:无需直流连接;四象限运行的能力;可变功率因数等。目前矩阵变换器的控制技术包括电流跟踪法、直接变换法和空间矢量脉宽调制方法。

        SVPWM(空间矢量脉宽调制)技术是近些年继SPWM(正弦脉宽调制)后开发的一种新型控制方法,由六个开关器件组成的三相电源逆变器产生特定PWM波,控制输出电流波形可以趋向理想的正弦波。空间矢量脉宽调制与传统的正弦脉宽调制不同,从三相输出电压的整体效果考虑,重点研究使电机实际磁链矢量来跟踪理想圆形磁链轨迹的方法。SVPWM相比于SPWM方法有特定优势,如更接近于标准圆的旋转磁场、更小的电机转矩波动、绕组电流中的谐波分量更小,更高的直流电压利用率,使控制系统更容易数字化。

        搭建如下图所示的矩阵变换器异步电机变频调速模型。50Hz工频交流电源通过矩阵变换器进行变频,输出交流电用于带动异步电机。其中的控制部分如下图,输入设定输出电压、输出频率,即可用SPWM调制生成脉冲,控制开关开合。

        测试调频70Hz, 50Hz和30Hz下的输出情况(上图为电机转速,下图为电磁转矩,电机处于空载)。可见电机转速随着目标频率变化而变化,达到了调速效果。