陳斌

【摘 要】本文通過對電力電子系統(tǒng)常用的軟件進(jìn)行分析和比較，分析研究了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。針對當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀對今后的開發(fā)提出了幾個(gè)方向，并對未來的發(fā)展作了展望。

【關(guān)鍵詞】調(diào)速系統(tǒng)；仿真軟件；MATLAB；Visual C++

0 引言

近年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其在變流技術(shù)的研究應(yīng)用和產(chǎn)品研發(fā)中有重要的作用。與此同時(shí)，適用于電力系統(tǒng)的各類通用仿真軟件越來越多，但它們對用戶計(jì)算機(jī)語言的要求較高，而且對一些復(fù)雜的系統(tǒng)，這些軟件的仿真效率和仿真精度也不理想。為了解決這些問題，研究和開發(fā)針對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真平臺(tái)具有十分重要的意義。

1 電力電子系統(tǒng)的通用仿真軟件概況

目前，電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，電力電子電路的仿真研究越來越受到重視，在國際上，電力電子變流技術(shù)仿真軟件得到廣泛應(yīng)用，美國Analogy公司研發(fā)的Saber模擬和混合信號(hào)仿真軟件，是全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件之一，它能夠在多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)中進(jìn)行仿真研究。美國Mathwork公司推出的MATLAB軟件包，具有效率高、功能強(qiáng)、便于進(jìn)行工程和科學(xué)計(jì)算的特點(diǎn)，其使用直譯式語言進(jìn)行編程。MATLAB軟件包中的Simulink是該軟件中最重要的功能模塊之一，能夠進(jìn)行模塊化、交互式建模和仿真。在電力電子領(lǐng)域，通過Simulink構(gòu)建電力電子系統(tǒng)的模型，并可直接對控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。Simulink對C語言提供了很好的支持，因此它既可以在交互式圖形環(huán)境下工作，也可以在MATLAB指令語言模式的批處理模式下工作。

不難看出，電力電子系統(tǒng)通用仿真軟件不僅具有基本的通用電路仿真功能，而且因其應(yīng)用領(lǐng)域的不同而各具特色，在使用中可根據(jù)控制要求的不同，選用不同的電力電子電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，但在具體分析不同調(diào)速系統(tǒng)的功能模塊時(shí)發(fā)現(xiàn)其種類很有限。此類仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)是大而全，它們多數(shù)使用面向器件或面向電路的仿真算法，有效解決變頻調(diào)速系統(tǒng)變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模問題，因此，用戶要根據(jù)需要建立所仿真的系統(tǒng)。對于電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)而言，組成電機(jī)控制系統(tǒng)的器件數(shù)量大，如果仍采用上述面向線路的建模與仿真方法，將使系統(tǒng)的分析十分復(fù)雜，仿真時(shí)間過長。

2 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真軟件

國內(nèi)對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字仿真研究已做了大量工作，但大多數(shù)研究較零散，不成系統(tǒng)，因此研制并開發(fā)一種專用的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真平臺(tái)具有重要意義。該平臺(tái)的功能是不僅為用戶提供一個(gè)具體的電力電子電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，而且還具有構(gòu)成這些系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，同時(shí)允許用戶根據(jù)控制要求對這些功能模塊任意連接，從而構(gòu)成用戶所需的具體系統(tǒng)。一套完整的、高效的、通用的電力電子電機(jī)系統(tǒng)仿真軟件包，應(yīng)包括以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）具有良好的用戶圖形界面，用戶不需專門培訓(xùn)，就可以簡單直觀地構(gòu)成所需的仿真系統(tǒng)；（2）通用性強(qiáng)，能滿足不同要求的建模與仿真，以及滿足不同用戶的要求；（3）能處理交流調(diào)速系統(tǒng)中存在的特殊問題，包括時(shí)剛性、變拓?fù)洹⒎蔷€性和系統(tǒng)優(yōu)化等。

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真軟件包就是以上述思路為基礎(chǔ)研制的，計(jì)算機(jī)軟、硬件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展為仿真軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了良好的環(huán)境和工具。目前，對于仿真方法的研究大體有以下3個(gè)方向。

2.1 采用C++高級(jí)語言直接進(jìn)行編程

目前，利用C++高級(jí)語言開發(fā)的仿真軟件有EESimulator3.0和交直流傳動(dòng)系統(tǒng)CAD軟件包。EESimulator3.0是采用Visual C++6.0面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和編制的，有效地解決了仿真效率和仿真精度的問題，在分析多電平變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真問題時(shí)，克服了仿真中出現(xiàn)的非線性、變拓?fù)涞葐栴}。交直流傳動(dòng)系統(tǒng)CAD軟件包是在Windows環(huán)境下利用BORLAND C++語言開發(fā)而成的，在開發(fā)過程中充分利用了面向?qū)ο笳Z言的先進(jìn)特性，解決了復(fù)雜非線性反饋控制系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)問題。由于變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)是高階、非線性、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，采用C++高級(jí)語言直接進(jìn)行仿真軟件的開發(fā)需要對系統(tǒng)進(jìn)行建模，這將導(dǎo)致編程工作量龐大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以產(chǎn)生可靠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，采用工具語言進(jìn)行仿真研究往往要對系統(tǒng)做大量簡化，并難以從編程上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算。

2.2 采用MATLAB/Simulink通用工具軟件

Matlab具有易學(xué)易用、擴(kuò)展性強(qiáng)、高效性等特點(diǎn)，是一套可視化和高性能的數(shù)值計(jì)算軟件。Matlab軟件包中的Simulink為調(diào)速系統(tǒng)提供了非常方便的仿真平臺(tái)，但它也有不足之處。首先，Matlab是一種解釋性語言，因此它的實(shí)時(shí)效率是相當(dāng)差的；其次，Matlab程序必須依賴于環(huán)境運(yùn)行，所以它不能用于開發(fā)商用軟件；最后，Matlab程序可以直接看到應(yīng)用程序的源代碼，不利于數(shù)據(jù)和算法的保密性。利用該方法進(jìn)行仿真軟件開發(fā)時(shí)，采用了圖形化的開發(fā)工具， 所以開發(fā)速度快而靈活便捷。但是，為此付出的代價(jià)就是仿真運(yùn)行速度慢和仿真只能在其單一的工作環(huán)境中運(yùn)行，而且它也不能為用戶提供簡便、友好的交互界面，因此必須使用一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。

2.3 采用MATLAB和Visual C++聯(lián)合編程

通過對以上兩種方法的分析論述可知，C++高級(jí)語言雖然在數(shù)值處理分析、算法工具、編程效率和準(zhǔn)確方便地繪制數(shù)據(jù)圖形等方面遠(yuǎn)低于Matlab語言，但它采用編譯方式運(yùn)行，運(yùn)行速度快，特別是它強(qiáng)大的程序接口，能方便地實(shí)現(xiàn)端口操作等特點(diǎn)，使其在編制各種特殊用途的程序時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，若能將兩者結(jié)合運(yùn)用，混合編程，實(shí)現(xiàn)了兩種語言的優(yōu)勢互補(bǔ)，將會(huì)給編制復(fù)雜程序帶來極大的方便?；谏鲜龇治觯琈atlab是功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，Visual C++是高效率的程序開發(fā)工具。通過Matlab和Visual C++聯(lián)合應(yīng)用，即以Visual C++作為系統(tǒng)前端開發(fā)環(huán)境，而以Matlab作為后端仿真工具，通過Visual C++和Matlab的接口將仿真軟件轉(zhuǎn)換成可直接在Windows環(huán)境下獨(dú)立執(zhí)行的應(yīng)用程序。用戶可以自己構(gòu)建特制系統(tǒng)，也可調(diào)出軟件包提供的典型系統(tǒng)，修改參數(shù)后進(jìn)行仿真。使用者不用編程序，只要用鼠標(biāo)拖拉和點(diǎn)擊，就可完成全部計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的任務(wù)。

3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真軟件的前景展望

變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有部門，有著廣泛的應(yīng)用前景，因此對交流傳動(dòng)系統(tǒng)CAD軟件包的開發(fā)已經(jīng)越來越受到關(guān)注，它既可以用于科研項(xiàng)目的輔助設(shè)計(jì)，又能用于自動(dòng)控制專業(yè)及相關(guān)專業(yè)課程的輔助教學(xué)。隨著我國變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，我們需要將集中精力考慮控制算法，并對各種算法的控制效果能夠準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，因此對相應(yīng)軟件功能的繼續(xù)開發(fā)和完善成了下一步研究的重點(diǎn)。對軟件的改進(jìn)和提高主要在軟件的適用范圍和實(shí)用性方面下功夫，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）進(jìn)行系統(tǒng)仿真模塊的開發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)大軟件的應(yīng)用范圍；

（2）隨著科技的發(fā)展，新元件的不斷出現(xiàn)，應(yīng)不斷充實(shí)和完善模型庫的內(nèi)容；

（3）完善系統(tǒng)的編輯模塊，對復(fù)雜的系統(tǒng)仿真框圖也能清晰完整地繪制。

4 結(jié)論

隨著對電力電子電機(jī)系統(tǒng)研究得不斷深入，對由電力電子系統(tǒng)和電機(jī)組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析軟件的研究開始引人矚目。本文對目前的電力電子系統(tǒng)的通用仿真軟件進(jìn)行了介紹和分析，在此基礎(chǔ)上對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行了研究開發(fā)，該軟件可以支持仿真研究的全過程，并將有效地將高效性和通用性進(jìn)行融合，提高了仿真的性能，為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析提供了有效的仿真工具。

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[責(zé)任編輯：王偉平]