Министерство образования Российской Федерации Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия ( СибАДИ )
В.С. Щербаков, А.А. Руппель, В.А. Глушец
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB И SIMULINK
Учебное пособие
Омск Издательство СибАДИ
2003
УДК 681.06:621.3 ББК 32.973.26-018.2
Щ 61
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор С.Ф. Абдулин (ОмГИС), доктор технических наук, профессор И.Г. Браилов (ОмГТУ)
Работа одобрена редакционно-издательским советом академии и учебнометодическим советом факультета ТТМ в качестве учебного пособия по дисциплинам “Теория автоматического управления”, “Автоматизация технологических процессов и производств”, “Проектирование систем управления” для специальности 210200 – Автоматизация технологических процессов и производств.
Щербаков В.С., Руппель А.А., Глушец В.А. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB И SIMULINK: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. – 160 с.
Предназначено для студентов всех форм обучения по специальностям, изучающим основы теории автоматического управления, теоретические основы электротехники и электропривода.
Учебное пособие в простой и доступной форме знакомит читателей с программными продуктами MАTLAB и Simulink. Приводятся типовые структурные схемы систем автоматического управления и их характеристики. Рассмотрены задачи анализа и синтеза как линейных, так и нелинейных систем автоматического управления. Приведены примеры моделирования электротехнических схем. Изложение сопровождается подробно разработанными примерами, иллюстрациями, пиктограммами.
Ил. 165. Библиогр.: 20 назв.
ISBN 5 – 93204 – 154 – 4 |
© В.С. Щербаков, А.А. Руппель, |
|
В.А. Глушец, 2003 |
|
© Издательство СибАДИ, 2003 |
2
Оглавление
1. Знакомство с программным продуктом MATLAB...................... |
6 |
1.1.Основные сведения о системе MATLAB...................................... |
6 |
1.2. Пользовательский интерфейс MATLAB...................................... |
7 |
1.2.1.Командное меню.............................….................................. 8
1.2.2.Панель инструментов.......................................……............ 9
1.2.3.Панель запуска компонентов системы и браузер рабочего пространства................................................…..... 10
1.2.4.Окно истории сессии и браузер текущей директории….. 11
2. Пакет моделирования динамических систем Simulink............... |
12 |
2.1.Назначение и функции пакета Simulink........................................ |
12 |
2.1.1. Командное меню браузера библиотек...........................….. |
14 |
2.1.2. Панель инструментов браузера библиотек Simulink......... |
15 |
2.2. Блоки библиотеки Simulink........................................................... |
16 |
2.2.1.Continuous – раздел непрерывных блоков....................….. 16
2.2.2.Discrete – раздел дискретных блоков............................….. 16
2.2.3. Function & Tables – раздел блоков функций и таблиц..… |
17 |
2.2.4. Math – раздел математических блоков...........................… |
17 |
2.2.5. Nonlinear – раздел нелинейных блоков........................….. |
19 |
2.2.6. Signal & Systems – раздел блоков сигналов и систем...… |
20 |
2.2.7. Sinks – раздел блоков получателей сигналов................…. |
22 |
2.2.8. Sources – раздел блоков источников сигналов.................. |
22 |
2.2.9. Библиотека Simulink Extras..............................................… |
23 |
2.2.9.1.Additional Discrete – дополнительные дискретые блоки..……………………………………………… 24
2.2.9.2.Additional Linear – дополнительные линейные блоки........………………………………………….. 24
2.2.9.3. Дополнительные блоки Additional Sinks....……… 25
2.2.9.4.Блоки триггеров Flip Flops............................…….. 26
2.2.9.5.Раздел преобразований Transformations..........…... 27
2.3. Создание модели устройства в программе Simulink................... |
27 |
2.3.1.Создание нового окна модели.......................................….. 27
2.3.2.Панель инструментов.....................................................….. 28
2.3.3.Командное меню.............................................................….. 29
2.3.4.Размещение блоков в окне модели................................…. 30
2.3.5.Выделение блока или группы блоков в окне модели..…. 31
2.3.6.Сохранение модели.........................................................…. 31
2.3.7.Установка параметров блоков, входящих в модель.....…. 31
2.3.8.Установка параметров моделирования..........................…. 31
2.3.9. Добавление надписей и текстовых комментариев……… 33
3
2.3.10.Соединение блоков между собой..........................……... 34
2.3.11.Создание отвода линий...........................................…….. 34
2.3.12.Удаление соединений..............................................…….. 35
2.3.13.Изменение размеров блоков...................................…….. 35
2.3.14. Перемещение блоков и вставка блоков в соединение... 35
2.3.15.Печать текущей модели...........................................……. 35
2.3.16.Вставка модели в текстовые редакторы………………. 36
2.3.17. Создание простейшей модели.......................................... |
36 |
3. Вид переходных процессов и частотных характеристик типо- |
|
вых динамических звеньев............................................................... |
41 |
3.1. Переходные характеристики звеньев.......................................... |
41 |
3.2. Частотные характеристики звеньев............................................. |
42 |
3.3. Получение переходных и частотных характеристик................. |
43 |
3.4. Идеальное усилительное (безынерционное) звено.................... |
51 |
3.5. Апериодическое (инерционное) звено........................................ |
55 |
3.6. Колебательное звено.........................................................……… |
57 |
3.7.Интегрирующее звено.....................................................………. 58
3.8.Дифференцирующее звено.............................................………. 60
3.9.Звено с постоянным запаздыванием..............................………. 62
4. |
Способы соединения звеньев в структурную схему..................... |
65 |
|
4.1. Последовательное соединение звеньев........................................ |
65 |
|
4.2. Параллельное соединение звеньев............................................... |
65 |
|
4.3. Звено, охваченное обратной связью............................................. |
66 |
5. |
Решение задач анализа линейных систем автоматического |
|
|
управления........................................................................................... |
67 |
|
5.1. Понятие устойчивости и критерии устойчивости систем ав- |
|
|
томатического управления............................................................... |
67 |
5.1.1.Критерий устойчивости по корням характеристического уравнения.........................................................................…. 69
5.1.2. Частотный критерий устойчивости Найквиста...... |
70 |
5.2. Определение запасов устойчивости систем автоматического |
|
управления............................................................................................. |
73 |
5.3. Показатели качества переходных процессов............................... |
75 |
5.4. Общая методика анализа линейных систем автоматического |
|
управления.............................................................................................. |
80 |
6. Решение задач синтеза линейных систем автоматического |
|
управления, коррекция их динамических свойств...................... |
87 |
6.1. Назначение и виды коррекции динамических свойств систем |
|
автоматического управления............................................................... |
87 |
6.2. Получение передаточных функций регуляторов в пакете |
|
Simulink................................................................................................... |
90 |
6.3. Общая методика синтеза линейных систем автоматического |
|
4 |
|
|
управления.............................................................................................. |
92 |
|
6.4. Приложение для синтеза корректирующих звеньев SISO De- |
|
|
sign Tool...........................................................................................…... |
97 |
|
6.4.1. Командное меню................................................................... |
98 |
|
6.4.2. Панель инструментов........................................................... |
105 |
|
6.4.3. Работа с приложением SISO Design Tool........................... |
106 |
|
6.4.4. Синтез по управляющему воздействию............................. |
107 |
|
6.4.5. Синтез по возмущающему воздействию............................ |
112 |
7. |
Анализ простейших структур при случайных возмущающих |
|
|
воздействиях......................................................................................... |
117 |
|
7.1. Понятие случайной величины и случайного процесса. Законы |
|
|
распределения случайных величин...................................................... |
117 |
|
7.2. Прохождение случайного сигнала через линейную систему.... |
119 |
8. |
Нелинейные блоки пакета Simulink................................................ |
125 |
|
8.1. Блок ограничения Saturation......................................................... |
126 |
|
8.2. Блок с зоной нечувствительности Dead Zone.............................. |
127 |
|
8.3. Релейный блок Relay...................................................................... |
128 |
|
8.4. Блок с ограничением скорости Rate Limiter................................ |
130 |
|
8.5. Блок следящего квантования Quantizer........................................ |
130 |
|
8.6. Блок фрикционных эффектов Coulombic and Viscous Friction.. |
131 |
|
8.7. Блок люфта Backlash...................................................................... |
132 |
|
8.8. Блоки-переключатели Switch........................................................ |
133 |
9. Пакет Nonlinear Control Design (NCD) Blockset.............................. |
135 |
|
|
9.1. Основные правила работы с NCD................................................. |
135 |
|
9.2. Оптимизация коэффициента передачи И-регулятора................. |
137 |
|
9.3. Меню окна блока NCD Output....................................................... |
140 |
|
9.4. Особенности решаемых задач....................................................... |
141 |
10. Моделирование электротехнических систем................................ |
143 |
|
|
10.1. Состав библиотеки Power System Blockset................................. |
144 |
|
10.1.1. Состав библиотеки Electrical Sources.............................. |
144 |
|
10.1.2. Соединительные элементы Connction............................. |
145 |
|
10.1.3. Библиотека компонентов Elements.................................. |
146 |
|
10.1.4. Состав библиотеки Power Electronics………………….. |
147 |
|
10.1.5. Блоки измерений Measurements....................................... |
148 |
|
10.1.6. Библиотека электрических машин Machines................. |
149 |
|
10.1.7. Расширенная библиотека Powerlib Extras...................... |
151 |
|
10.2. Пример расчета электрических цепей постоянного тока......... |
153 |
10.3.Пример расчета однофазных электрических цепей синусои-
дального тока..........................................................................………... 155
10.4.Пример моделирования асинхронного электрического дви-
гателя с короткозамкнутым ротором...........................................…… |
158 |
Библиографический список....................................................................... |
160 |
5 |
|