Сравнительный анализ программных средств моделирования электромеханических процессов в электроприводе

УДК 697.1/3:621.1.016:51.001.57

И. Г. Цвенгер

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Ключевые слова: моделирование, электропривод, MatLab, Simulink, PSpice, Delphi.

Проведен сравнительный анализ наиболее популярных систем моделирования электромеханических процессов в электроприводе. Выделены характерные особенности исследуемых систем моделирования и определены области их применения.

Keywords: modeling, electric, MatLab, Simulink, PSpice, Delphi.

A comparative analysis of the most popular systems modeling electromechanical processes in the drive. Highlighted the characteristics of the investigated systems modeling and identified areas of their application.

Одной из самых сложных систем в электроприводе является электрическая машина. Однако, в большинстве случаев, при синтезе систем управления электроприводом математическую модель электродвигателя упрощают и линеаризуют. Это, с одной стороны, облегчает процесс создания САУ электроприводом, с другой, не учитывает особенности машины. Что, в свою очередь, вызывает как ухудшение качества самого регулирования, так и большие энергетические затраты в процессе управления реальной машины, а в приводах средней и большой мощности это ведет к увеличению электрических потерь и снижению КПД всей системы. Кроме того, упрощенные модели электрических машин ограничивают проектирование и оптимизацию систем электропривода только разработкой структуры и настройкой САУ, тогда как в ряде случаев наиболее эффективной была бы оптимизация и подстройка самой электрической машины, ее геометрии и технико-экономических параметров под конкретный технологический процесс.

В связи с этим, создание наиболее полных моделей электрических машин и использование их в проектирование новых систем электропривода является на сегодняшний день актуальной задачей. В настоящее время создан целый ряд программных продуктов, позволяющих справится с этой проблемой. В данной статье дается анализ использования наиболее популярных программных пакетов, используемых при моделировании электромеханических систем их преимущества и недостатки.

На кафедре ЭЭ КНИТУ было проведено исследование моделей основных типов двигателей в системе частотного управления скоростью вращения ротора на следующих программных пакетах:

- PSpice;

- MATLAB + Simulink;

- Delphi.

Рассмотрим основные особенности данных систем моделирования их преимущества и недостатки.

Система программ PSpice позволяет проводить моделирование аналоговых и смешанных аналого-цифровых схем, в состав которых могут вхо-

дить, в частности независимые и управляемые источники напряжений и токов, простые элементы типа резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, ключи, управляемые токами и напряжениями, диоды, транзисторы различных типов и др.

Описание моделируемых схем и заданий на их моделирование может выполняться с помощью достаточно простого для освоения входного языка. Для этих же целей может быть использован целый ряд популярных графических редакторов принципиальных схем, таких как OrCAD, P-CAD, Micro-Cap III, Schematics [1]. Графическое отображение, обработка и документирование результатов моделирования в рассматриваемой системе выполняется специальной программой Probe. Кроме того, в составе системы имеется редактор аналоговых и цифровых входных сигналов StmEd и программа Parts, предназначенная для идентификации параметров математических моделей элементов исследуемых систем.

Программа PSpice позволяет проводить девять видов анализа моделируемой системы:

- режима цепи по постоянному току в «рабочей точке»;

- режима по постоянному току при вариации источников постоянного напряжения или тока и других параметров цепи (многовариантный анализ);

- чувствительности характеристик цепи к вариации параметров компонентов в режиме по постоянному току;

- малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току;

- частотных характеристик линеаризованной цепи при воздействии нескольких сигналов;

- спектральной плотности внутреннего шума;

- переходных процессов при воздействии сигналов различной формы, а также спектральный анализ и статистические испытания по методу Монте-Карло [2].

При этом в процессе моделирования имеются возможности для имитации различных способов управления, изменения внешних воздействий, структуры исследуемой системы.

Пример задания на моделирование двигателя постоянного тока:

=== Двигатель постоянного тока ===

.Options reltol=0.001 abstol=10e-5 vntol=0.001

*** Обмотка якоря

V1 1 2 0

Ra 2 3 1.6

La 3 4 0.0107

Ea 4 0 value={0.0726*v(9)}

Va 1 0 27

*** Обмотка возбуждения

Vv 11 0 27

V2 11 12 0

Rv 12 13 47

Lv 13 0 1.5

*** Механика

G_em 0 9 value={0.0726*i(V1)}

I_ms 9 0 pwl

Cj 9 0 0.00007

Rf 9 0 1Meg

.Tran 0.0001 0.4 0 0.0001 Uic

.Probe

.End

Результаты моделирования представлены на рис. 1. где частота вращения ротора (шкала 0 - 400 V) имеет размерность рад/с, а моменты (шкала -0.5 -1 A) размерность Н*м.

Рис. 1 - Результаты моделирования двигателя постоянного тока

Преимущества пакета PSpice:

- PSpice является одним из самых популярных программных продуктов проектирования электронных схем с простым интуитивно понятным

интерфейсом. Широко применяется как в учебном процессе многих вузов, так и на производстве, что подразумевает наличие большого количества специалистов, не нуждающихся в профессиональной

переподготовке при переходе на новый программный продукт;

- PSpice содержит обширную библиотеку моделей компонентов, постоянно пополняющуюся по мере выпуска производителями новых типов элементов. Все ведущие фирмы-производители электронных компонентов считают своим долгом разрабатывать и распространять модели выпускаемых ими элементов. Это избавляет разработчика от рутинной работы поиска и ввода характеристик, используемых электронных компонентов, а так же позволяет получить законченный проект;

- наличие макромоделей основных типов электрических машин. В большинстве случаев они содержат в себе множество упрощений и допущений, но для широкого класса задач вполне достаточны;

- возможность моделирования электронных схем любой сложности, что позволяет создавать наиболее адекватные модели электрических машин;

- большой арсенал методов анализа электронных схем;

Недостатки пакета PSpice:

- необходимость моделирования электромагнитных, механических и прочих процессов неэлектрической природы электронными компонентами, что несколько усложняет систему электропривода и делает ее менее наглядной;

- отсутствие встроенного языка программирования, который мог бы, с одной стороны, расширить существующие возможности данного пакета и, с другой, упростить описание моделей некоторых блоков электропривода, а следовательно, и ускорить процесс расчета электрических процессов в схеме;

- достаточно долгое время расчета электронных схем относительно расчета моделей на алгоритмических языках программирования. Причем разница в скорости моделирования может достигать нескольких порядков, что является довольно критичным при оптимизации параметров моделируемой системы. Это своего рода плата за качество моделирования работы электронных компонентов с характеристиками реальных электрических устройств, которое невозможно отключить на этапе исследования.

В результате проведенного анализа можно заключить, что данный пакет наиболее эффективен в качестве инженерного или конструкторского инструмента для создания законченных технических проектов. В плане научных исследований он достаточно консервативен и недостаточно гибок.

Следующий программный пакет Simulink представляет собой интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования.

Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования,

пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает. При этом сложнейшие уравнения состояния, описывающие работу моделей систем или устройств, формируются автоматически.

По удобству графического

пользовательского интерфейса, обилию моделей (блоков) компонентов в множестве библиотек, разнообразию виртуальных средств регистрации и визуализации результатов моделирования и, главное, по его надежности и достоверности Sim-ulink выгодно отличается от множества подобных программ. Особенно это относится к открытости пакета и возможностям пополнения его библиотек

[3].

Simulink является достаточно

самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны, доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Sim-ulink (например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox - пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Power System Blockset -моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset - набор блоков для разработки цифровых устройств и т.д).

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Преимущество Simulink заключается также в том, что он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм написанных как на языке MATLAB, так и на языках С++, Fortran и Ada. [4]

Пример задания и результаты моделирования синхронной машины представлены на рис. 2.

Рис. 2 - Результаты моделирования синхронной машины

Преимущества пакета SimuLink:

- имеет среду визуального построения моделей не требующую знания языков программирования;

- обладает богатой библиотекой математических функций и методов исследования постоянно пополняющейся и захватывающей новые области исследований;

- достаточно широко применяется как в научных исследованиях, так и в учебном процессе, что подразумевает наличие большого количества специалистов, не нуждающихся в профессиональной переподготовке при переходе на новый программный продукт;

- является надстройкой или составной частью программного продукта MatLab, предназначенного в основном для решения научных задач, что так же подразумевает его эффективное использование в научной деятельности;

- имеется встроенный язык программирования, позволяющий как создавать модели новых компонентов и устройств, так и облегчающий описание

некоторых функциональных особенностей проекта;

- содержит в себе обширную библиотеку моделей по всем отраслям производства, что делает сборку исследуемой системы электропривода очень быстрой и эффективной.

- из исследуемых программных продуктов является лидером по скорости создания исследуемой системы и ее наглядности. Недостатки пакета Simulink:

- отсутствие достаточно обширной библиотеки характеристик электронных компонентов как в PSpice;

- закрытость моделей используемых элементов, что не позволяет судить об используемых в них допущениях и упрощениях;

- используемый встроенный язык программирования достаточно сложен для освоения специалистами не имеющих навыков работы с алгоритмическими языками. Для тех же, кто работает с одним из языков программирования, в большинстве случаев достаточно возможностей данного языка для решения поставленных задач и переход в новую среду программирования не является рациональным.

Здесь можно подробнее остановится на описании самой системы программирования, на основе которой построен пакет Simulink.

MATLAB - это высокоэффективный язык инженерных и научных вычислений. Он поддерживает математические вычисления, визуализацию научной графики и

программирование с использованием легко осваиваемого операционного окружения, когда задачи и их решения могут быть представлены в нотации, близкой к математической. Наиболее известные области применения системы MATLAB:

- математика и вычисления;

- разработка алгоритмов;

- вычислительный эксперимент, имитационное моделирование, макетирование;

- анализ данных, исследование и визуализация результатов;

- научная и инженерная графика;

- разработка приложений, включая графический интерфейс пользователя. MATLAB - это интерактивная система,

основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками, существенно сокращая время, которое понадобилось бы для программирования на скалярных языках типа C или FORTRAN.

Система MATLAB предлагается разработчиками (корпорация MathWorks, Inc.) как лидирующая на рынке, в первую очередь на

предприятиях военно-промышленного комплекса, аэрокосмической отрасли и автомобилестроения, язык программирования высокого уровня для технических вычислений, расширяемый большим числом пакетов прикладных программ -расширений. Она вобрала в себя не только передовой опыт развития и компьютерной реализации численных методов, накопленный за последние три десятилетия, но и весь опыт становления математики. Около миллиона легально зарегистрированных пользователей уже применяют эту систему. Ее охотно используют в своих научных проектах ведущие университеты и научные центры мира [5].

Система MATLAB - это одновременно и операционная среда и язык программирования. Одна из наиболее сильных сторон системы состоит в том, что на языке MATLAB могут быть написаны программы для многократного использования. Пользователь может сам написать специализированные функции и программы, которые оформляются в виде М-файлов. По мере увеличения количества созданных программ, возникают проблемы их классификации и тогда можно попытаться собрать родственные функции в специальные папки. Это приводит к концепции пакетов прикладных программ (МММ), которые представляют собой коллекции М-файлов для решения определенной задачи или проблемы.

В действительности ППП - это нечто большее, чем просто набор полезных функций. Часто это результат работы многих исследователей по всему миру, которые объединяются в зависимости от области применения - теория управления, обработка сигналов, идентификация и т. п. Именно поэтому пакеты прикладных программ - MATLAB Application Toolboxes, входящие в состав семейства продуктов MATLAB, позволяют находиться на уровне самых современных мировых достижений [6].

Данная среда программирования является признанным лидером для проведения научно-технических расчетов и, по нашему мнению, имеет всего лишь один недостаток, а именно несколько меньшую скорость решения задач по сравнению с такими алгоритмическими языками

программирования как C++ и Pascal. Особенно сильное снижение скорости вычислений происходит при использовании М-файлов. Данный недостаток объясняется, вероятно, изначальной

направленностью работы данного пакета с вычислительными задачами, связанными с векторно-матричными формулировками, тогда как довольно обширный класс задач не требует использования матриц.

И в заключение, рассмотрим применение одного из языков алгоритмического программирования в качестве инструмента математического моделирования

электромеханических процессов. Тут необходимо отметить, что все рассмотренные ранее программные продукты уже сами по себе были написаны с использованием алгоритмических

языков программирования, что свидетельствует об эффективности такого использования, но мы остановимся на процессе прямого программирования математической модели исследуемой системы электропривода с созданием законченного программного продукта.

В настоящее время, наряду с общепризнанной средой разработки Visual С++ .NET, особой популярностью среди разработчиков пользуется среда объектно-ориентированного программирования Delphi, основой которой является алгоритмический язык Object Pascal. Она позволяет быстро и качественно создавать приложения различной степени сложности - от простейших программ до профессиональных программных продуктов, нисколько не уступая Visual C++ , и в то же время обладая большей простотой и наглядностью программного кода [7]. Кроме того, выбор данной системы обоснован еще и тем, что Pascal является самым распространенным языком программирования, применяемым в учебном процессе вузов, а значит, и разрабатываемые программные модели будут понятны большинству выпускников вузов и научных работников.

Здесь необходимо также отметить, что в результате динамичного развития

микропроцессорных систем управления

электроприводами появилась возможность получать оптимальные алгоритмы управления электрической машиной, путем решения ее математической модели в режиме реального времени. Что позволяет предсказывать поведение машины и корректировать ее управление еще до получения сигналов с датчиков, установленных на рабочем органе, что в свою очередь существенно повышает качество регулирования электроприводом.

При этом математические модели, написанные на одном из алгоритмических языков программирования, являются уже не только инструментом исследования или оптимизации разрабатываемых систем, но и неотъемлемой частью самой системы управления электроприводом.

На рис. 3 представлено описание магнитной цепи одного из исследуемых асинхронных двигателей. Здесь можно учесть такие особенности машины, как распределенность обмоток и учет насыщения магнитной цепи.

rfctetrr Пищ. Выкал

Сшг-чи»в«мв| Пщмлрыр*чвТ41 Геамгтриа |х*ёода«тжн|

Рис. 3 - Описание магнитной цепи асинхронного двигателя

На рис. 4 представлены результаты моделирования частотно-управляемого

электропривода с асинхронным двигателем со статическим моментом на валу и разомкнутой системой управления скоростью вращения ротора.

*Ыинн Цвад_

Гцчп^рлчмив | ' Г-*-«- | ' ч*» 1 * ч

"v.— 11 Ьсгы¡»к¿¿г 1 Г* v--„-v. »I-

Рис. 4 —. Результаты моделирования асинхронного двигателя

Преимущества использования пакета

Delphi:

- компиляция проекта в машинные коды, что позволяет как исполнять его в операционной системе без самой среды программирования, так и достичь максимальной скорости расчета;

- возможность использования созданной модели в самой системе управления электроприводом с применением микропроцессорных средств;

- самая высокая (по сравнению с рассмотренными системами) скорость моделирования, что позволяет эффективно использовать алгоритмы многопараметрической оптимизации;

- наличие большого количества математических библиотек с открытым кодом и подробным описанием; Недостатки использования пакета Delphi:

- наиболее длительный и трудоемкий процесс создания конечного программного продукта;

- необходимость написания своих математических функций, алгоритмов расчета и методов оптимизации или поиск специализированных библиотек, содержащих их программные реализации, т. к. в стандартную поставку они не входят.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать заключение, что в качестве наиболее эффективных инструментов для решения конкретных инженерных задач, предпочтительно применение первых двух программных пакетов, а именно PSpice и Simulink [8]. Для решения более

сложных задач, таких как многопараметрическая оптимизация, моделирование и исследование новых систем управления или электрических машин с выраженными особенности в конфигурации или свойствах магнитной цепи, требуется разработка новых математических моделей и, соответственно, применение прямого программирования на алгоритмических языках, таких как, MATLAB, Fortran, C++ Delphi, Java и др. [9].

Здесь следует отметить, что на языках научных вычислений, таких как MATLAB и Fortran, очень развиты математические библиотеки, что существенно упрощает создание самой математической модели. Однако эти модели не всегда переносимы на микропроцессорные устройства систем управления электроприводов, т.к. преобладающими компиляторами для большинства серий микропроцессоров на сегодняшний день являются C++ и Java. С другой стороны, для создания законченного коммерческого продукта с удобным интерфейсом, необходимо применять среду объектно-ориентированного

программирования как например Visual С++ .NET, Delphi и др. Все это говорит о том, что выбор программной среды моделирования зависит от многих требований к конечному продукту и является одним из важнейших факторов, влияющих на конечный результат.

Литература

1. Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. Вып. 1: Общие сведения. Графический ввод схем. - М.: Радио и связь, 1992. - 72 с.: ил.

2. Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. Вып. 3: Моделирование аналоговых устройств. - М.: Радио и связь, 1992. - 120 с.: ил.

3. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. -СПб: Питер, 2002. - 528 с.: ил.

4. И.В.Черных. "Simulink: Инструмент моделирования динамических систем" -http://matlab.ru

5. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. - М.: СОЛОН - Пресс, 2004. - 768 с.: ил.

6. В. Г. Потемкин "Введение в MATLAB" - http://matlab.ru

7. Гофман В. Э., Хомоненко А. Д. Delphi 5. - СПб.: БХВ -Санкт-Петербург, 2000. - 800 с.: ил.

8. Макаров В. Г. Актуальные проблемы асинхронного электропривода и методы их решения. Вестник Казанского технологического университета. Т. 14. №6. Казань: КГГУ, 2011. С. 79-93.

9. Макаров В. Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода. Вестник Казанского технологического университета. Т. 14. №6. Казань: КГГУ, 2011. С. 109-120.

© Цвенгер И. Г. - к.т.н, кафедра электропривода и электротехники, КНИТУ, it-online@ya.ru. © Tsvenger 1 G. - Ph.D., Department of electric operations and engineering, KNRTU, it-online@ya.ru.