Использование MATLAB для решения задач в электроэнергетике

Использование расширения MATLAB - Simulink как системы математического моделирования. Электроэнергетическое направление системы - пакет Sim Power Systems, методом моделирования решающий задачи электроэнергетики. Структура и функциональные компоненты.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 09.10.2014
Размер файла 1,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения и электротехники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

Использование MATLAB для решения задач в электроэнергетике

по дисциплине

НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

1.013.00.00 ПЗ

Выполнил студент группы ЭСб-12-1 Е.А. Кокоуров

Нормоконтроль В.А. Пионкевич

Иркутск 2013 г.

Задание на курсовое проектирование (курсовую работу)

По курсу Новые информационные технологии в энергетике

_____________________________________________________________

Студенту Кокоурову Евгению Алексеевичу

_______________________________________

(фамилия, инициалы)

Тема проекта Использование MATLAB для решения задач в электроэнергетике

_____________________________________________________________

Исходные данные: Задача 1: Тип: ТДН-80000/110; S=80 МВА; Напряжение обмоток: ВН - 115кВ; НН - 10,5 кВ; ?PКЗ =310000 Вт; ?PХХ =50000 Вт; Uk=10,5 %; =0,8%___________

Задача 3: Рисунок №14; R1= 10 Oм; R2 = 100 Oм; L1=10 мкФ; L2= 5 мкФ; Е=150 ____

Рекомендуемая литература

1) Новожилов М.А. MATLAB в электроэнергетике: учеб. пособие / Новожилов. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 208с.

2) Новгородцев А.Б. Расчет электрических цепей в MATLAB: учебный курс / А.Б. Новгородцев. - СПб.: Питер, 2004. - 250с.

3) Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+ Simulink 4/5/. Основы применения: Полное руководство пользователя/ В.П. Дьяконов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2002. - 768с.

Графическая часть на ______________ листах.

Содержание

  • Введение
  • Задачи
  • "Частотные характеристики в системах автоматического регулирования"
  • Структура и функциональные компоненты САУ
  • Частотные характеристики САУ
  • Заключение

Введение

MATLAB (сокращение от англ. "Matrix Laboratory") - пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений и одноимённый язык программирования, используемый в этом пакете. MATLAB используют более 1 000 000 инженерных и научных работников, он работает на большинстве современных операционных систем, включая Linux, Mac OS, и Microsoft Windows.

Система MATLAB получила широкое распространение в научно-исследовательских учреждениях, широко используется в учебном процессе высших учебных учреждений и проведении научно-исследовательских работ с участием студентов. Это связано с тем, что в MATLAB, ориентированном на матричные операции, широко развиты средства визуализации результатов моделирования, которые дают наглядное представление о работе моделируемой системы и входящих в нее объектов, что значительно упрощает работу. В основном, наглядное представление позволяет получить главное расширение MATLAB - Simulink - система математического моделирования. Так же в состав данной системы входит электроэнергетическое направление - пакет SimPowerSystems, позволяющий методом моделирования решать различные задачи электроэнергетики.

электроэнергетика математическое моделирование matlab

Задачи

Задача № 1

Используя библиотеки Simulink и SimPowerSystems набрать в трехфазном исполнении модель системы электроснабжения, схема которой представлена на рисунке.

Рисунок 1 - Схема системы электроснабжения.

Технические данные трансформатора:

Тип: ТДН-80000/110

Мощность: 80 МВА.

Напряжение обмоток: ВН - 115кВ; НН - 10,5 кВ

?PКЗ =310000 Вт

?PХХ=50000 Вт

Uk=10,5 %

=0,8%

1) Расчет параметров модели воздушной ЛЭП:

Протяженность воздушной ЛЭП зависит от напряжения на высокой

стороне трансформатора и выбирается из табл.6. В этой же таблице приведены приближенные значения удельных индуктивных сопротивлений ЛЭП.

Uн ВН, В

6

10

35

110

150

220

l, км

1-5

3-10

30-50

50-100

75-150

100-200

x1уд, Ом/км

0,35

0,35

0,4

0,41

0,42

0,425

;

Сечение провода выбираем из ряда номинальных сечений выпускаемых промышленностью проводов. По рассчитанному сечению FЭК выбирается ближайшее большее сечение провода.

Марка провода: АС; номинальный ряд сечения провода: АС-70

2) Расчет параметров модели трансформатора:

3) Параметры модели нагрузки

4) Модель системы

5) Модели и осциллограммы токов и напряжений, составленные в SimPowerSystems (в точках короткого замыкания К1 и К2):

а) Короткое замыкание в точке К1.

Рисунок 2 - модель короткого замыкания в точке К1.

Рисунок 3 - осциллограммы тока и напряжения при КЗ в точке К1

b) Короткое замыкание в точке К2.

Рисунок 4 - Модель короткого замыкания в точке К2.

Рисунок 5 - Осциллограммы тока и напряжения при КЗ в точке К2.

Задача № 2

В третьем задании следует рассчитать переходные процессы в линейных электрических цепях постоянного тока, вызванные включением (отключением) коммутационного аппарата (выключателя). Задание взято из курсовой работы по ТОЭ, как пример еще одного способа решения задачи расчета электрических цепей с использованием новых информационных технологий.

Дано:

Вариант №13

Рисунок №13

R1= 10Oм

R2 = 100Oм

L1= 10 мкФ

L2= 5 мкФ

Е = 150 В

Определить:

Электрическая схема:

Рисунок 6 - Электрическая схема.

Решение:

1. Модель электрической схемы в системе MATLAB:

Рисунок 7 - Модель электрической схемы.

2. Осциллограммы токов:

Рисунок 8 - Осциллограммы токаi1 (t)

Рисунок 9 - Осцилограмма тока i3 (t)

"Частотные характеристики в системах автоматического регулирования"

Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением. Теория автоматического управления (ТАУ) это наука, которая изучает процессы управления и проектирования систем автоматического управления, работающих по замкнутому циклу с обратной связью. Совокупность объекта управления и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ). Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин в объекте управления.

Основные задачи теории автоматического управления:

анализ устойчивости, свойств, динамических показателей качества и точности САУ;

синтез алгоритмов (аналитических выражений), описывающих САУ и обеспечивающих оптимальное качество управления;

моделирование САУ с использованием компьютеров и универсальных либо специализированных (предметно-ориентированных) прикладных программ;

проектирование САУ с использованием аппаратных средств вычислительной техники и их программного обеспечения (средств автоматизации программирования и проч.).

Отметим, что проектирование, внедрение и эксплуатация современных САУ подразумевает тесное взаимодействие специалистов различных профилей, и, в первую очередь, технологов, знающих "физические" особенности управляемых процессов; специалистов по автоматическому управлению, обеспечивающих разработку САУ (алгоритмов управления и контроля), и специалистов по средствам автоматизации программирования.

Структура и функциональные компоненты САУ

Основные компоненты САУ. Система автоматического управления содержит следующие компоненты, обеспечивающие ее функционирование: объект управления ОУ (управляемый процесс); исполнительные устройства ИсУ; измерительные устройства ИзУ; устройство управления УУ.

Объектами управления технических систем служат кинематические механизмы, электрические системы, тепловые, химические и другие технологические процессы. Состояние объекта характеризуется переменными состояния, к которым относятся угловые и линейные координаты, скорости и другие механические переменные, описывающие движения кинематических механизмов; токи или напряжения электрических элементов схемы; температуры и плотности веществ в тепловых и химических процессах, и любые другие физические величины. Переменные состояния объединяются в вектор состояния.

К регулируемым, или выходным, переменным yj = yj (t) относятся переменные ОУ, по отношению к которым формулируется основная задача управления. Выходные переменные объединяются в вектор выхода. Для кинематических механизмов вектор выхода обычно представлен декартовыми координатами рабочей точки механизма.

Входами ОУ являются управляющие органы, к которым прикладываются воздействия Uj исполнительных устройств ИсУ системы. Это входные оси кинематических механизмов, входные схемы электрических систем, нагревательные элементы и вентили тепловых и химических процессов, к которым приложены силы или моменты сил электроприводов, электрические напряжения и т.д., вызывающие движение (развитие) управляемого процесса.

Объекты с одним входом и одним выходом называются одноканальными. К многоканальным относят объекты с несколькими входами и/или выходами. Они могут иметь каналы, независимые или взаимозависимые друг от друга (многосвязные объекты).

К внешней среде системы управления относятся процессы, оказывающие влияние на поведение управляемого объекта. Среда является источником помех измерения ?j (t), возмущающих воздействий fj (t), внешних задающих воздействий.

К возмущающим относят воздействия, препятствующие функционированию объекта. Это могут быть силы сопротивления или трения для кинематических механизмов, температура окружающей среды для тепловых процессов и т.д. Возмущающие воздействия объединяются в вектор возмущений.

Измерительные устройства ИзУ (датчики) предназначены для получения информации об объекте и внешней среде (сигналов y'j), т.е. для электрического измерения выходных переменных, переменных состояния и внешних задающих воздействий. Различают следующие типы измерительных устройств:

датчики внутренней информации, предназначенные для измерения переменных объекта (системы управления);

датчики внешней информации (сенсоры, средства внешнего контроля) - измерители состояния внешней среды либо положения объекта по отношению к внешним объектам.

В состав измерительных устройств часто включают также вычислительные блоки, осуществляющие первичную обработку информации.

Исполнительные устройства ИсУ - это устройства, предназначенные для усиления маломощных управляющих сигналов uj и создания энергетических воздействий Uj на входах объекта, т.е. управляемые источники механической, электрической или тепловой энергии (электропривод, преобразователь электрической энергии в механическую, и т.п.).

Устройство управления УУ - это блок, обрабатывающий полученную с помощью измерителей текущую информацию о состоянии объекта и внешней среды и формирующий управляющие воздействия uj (информационные сигналы), поступающие на исполнительные устройства объекта. В функции устройства управления входит:

идентификация объекта и среды (анализ их текущего состояния и параметров);

генерация внутренних задающих воздействий;

расчет управляющих воздействий uj по предписанным формулам (алгоритмам).

Укрупненная схема системы управления может быть представлена в виде двух основных блоков, взаимодействующих с внешней средой.

Объект управления (ОУ) - комплекс элементов системы, включающий в свой состав собственно объект, измерительные и исполнительные устройства. Эта часть САУ обычно проектируется и комплектуется как единое целое и является ее неизменяемой частью. Динамические свойства ОУ (математическая модель) находятся с использованием известных физических законов.

Устройство управления (УУ) - блок, выполняющий вычислительные функции, слабо связанные с физической природой ОУ. Алгоритм его работы определяется динамическими свойствами управляемого процесса (математической моделью ОУ) и задачами системы управления. Современные УУ представляют собой универсальные или специализированные средства вычислительной техники. Их программное обеспечение составляют системные средства и специальные прикладные программы, осуществляющие расчет управляющих воздействий u (t).

Управление сложными системами. Сложная система имеет в своем составе большое число взаимодействующих подсистем и обеспечивает решение сложных комплексных задач. К таким системам относятся информационные сети (телефонные, локальные, Интернет), транспортные сети, производственные процессы, системы управления динамическими объектами (воздушными, космическими), и т.п.

Сложные системы управления имеют следующие признаки:

комплексный характер управляемого процесса (объекта), наличие нескольких взаимосвязанных локальных объектов управления;

необходимость последовательного решения задачи управления, поочередного выполнения основных действий системы или локальных объектов;

иерархическая структура задач управления.

Основным в понятиях сложной задачи и сложной системы является их структурируемость, т.е. возможность разбиения на компоненты меньшей сложности. Выбор таких компонент неоднозначен, а используемая при этом терминология достаточно условна. Принято выделять задачи управления стратегического, тактического и локального уровня.

К стратегическим задачам относят задачи общего технологического характера, поддержания определенной последовательности действий сложного комплексного процесса: изготовление продукта, управление полетом и проч.

Тактическая задача - элемент общей стратегической задачи, устанавливающий требования к поведению каждого элементарного объекта сложной системы и/или осуществлению элементарного режима. К тактическим задачам управления относится задача управления обработкой детали на станке, управления циклом химического процесса.

Локальная задача - это задача изменения или поддержания состояния элементарного объекта. К локальным относятся, в частности, задачи стабилизации скорости вращения двигателя, слежение за внешним объектом или задающим сигналом, и т.п.

Таким образом, понятие сложной задачи предусматривает возможность расчленения общей стратегической задачи на ряд более простых задач, решаемых последовательно или параллельно. Отсюда вытекают следующие принципы управления сложной системой:

декомпозиция - расщепление сложной задачи и сложного объекта на более простые компоненты (подзадачи и локальные объекты);

децентрализация - выделение собственных устройств управления или программных средств (алгоритмов), обеспечивающих решение отдельных подзадач управления локальными объектами;

иерархическое управление - введение определенной подчиненности подзадач разного уровня сложности и соответствующей подчиненности устройств управления;

многорежимное управление (временная декомпозиция) - последовательное переключение решаемых задач и устройств управления.

Частотные характеристики САУ

Понятие частотных характеристик является важнейшим понятием, широко применяемым в теории управления. Методы, основанные на применении частотных характеристик, являются наиболее удобными в инженерной практике в классе систем с одним входом и выходом.

Функция W (jw), равная отношению выходного сигнала к входному при изменении входного сигнала по гармоническому закону, называется частотной передаточной функцией. Она может быть получена путем замены p на jw в выражении W (p). В более общей формулировке частотную передаточную функцию можно представить в виде отношения частотных спектров выходного и входного сигнала:

W (jw) = Y (jw) /U (jw) = W (p) |p=jw.

Частотная передаточная функция линейного звена является изображением Фурье его импульсной функции и может определяться по интегральному преобразованию:

W (jw) =h (t) exp (-jwt) dt.

Для односторонних функций h (t), W (jw) есть комплексная функция, которую иногда называют амплитудно-фазо-частотной характеристикой (АФЧХ):

W (jw) = A (w) exp (jj (w)) = P (w) + jQ (w),

где P (w) - вещественная, Q (w) - мнимая частотные характеристики, А (w) - амплитудная частотная характеристика (АЧХ), j (w) - фазовая частотная характеристика (ФЧХ). АЧХ дает отношение амплитуд выходного и входного сигналов, ФЧХ - сдвиг по фазе выходной величины относительно входной:

A (w) = Um /Ym = |W (jw) | =,

j (w) = arctg (Q (w) /P (w)).

Годограф, приведенный на рис., является стандартным методом отображения АФЧХ на комплексной плоскости с координатами ReW (щ) и ImW (щ). Параметром на кривой годографа является частота, изменяющаяся в интервале от 0 до ?. Для произвольной частоты щ радиус вектор в точке W (jщ) показывает амплитуду выходного сигнала, а угол j (щ) - сдвиг фазы между выходным и входным сигналом. Иногда W (jщ) называют комплексным коэффициентом передачи, подразумевая, что АФЧХ является обобщением обычного коэффициента усиления К на случай его зависимости от частоты и фазового сдвига, также зависящего от частоты. Комплексно сопряженные ветви АФЧХ, отличающиеся знаком j, зеркальны относительно вещественной оси.

Для частотного анализа систем применяется также раздельное построение графиков АЧХ и ФЧХ, если в том появляется необходимость.

Логарифмические частотные характеристики. В практике автоматики широкое применение находят частотные характеристики в логарифмических масштабах. Применение логарифмического масштаба позволяет наглядно изображать характеристики в большом диапазоне частот, представлять характеристики отрезками ломанных линии и определять характеристики сложных систем простым суммированием характеристик, входящих в эти системы элементов.

Частота в логарифмическом масштабе измеряется в декадах. Две частоты w1 и w2 отличаются на одну декаду если w2/w1 = 10, lg (w2/w1) = 1. Относительные амплитуды в логарифмическом масштабе выражаются в децибелах. Две мощности w1 и w2 отличаются на один децибел, если 10 lg (w1/w2) = 1. Так как мощности относятся как квадраты образующих их первообразных (напряжений, токов, сил и т.д.), то две первообразные a1 и а2 будут отличаться на один децибел, если 10 lg (а1222) = 1 20 lg (а12) = 1.

В CАУ широко используются логарифмические амплитудная (ЛАЧХ) и фазовая (ЛФЧХ) частотные характеристики. Они получаются путем логарифмирования передаточной функции:

lg [W (jw)] = lg [A (w) exp (jj (w)] = lg [A (w)] +lg [exp (jj (w)] = L (w) + j (w).

ЛАЧХ получают из первого слагаемого, которое умножается на 20, то есть L (w) =20 lg A (w). Величина L (w) откладывается по оси ординат в децибелах. Изменению сигнала в 10 раз соответствует изменение его уровня на 20 дБ. По оси абсцисс откладывается частота w в логарифмическом масштабе, единичным промежуткам по оси абсцисс соответствует изменение w в 10 раз.

ЛФЧХ, получаемая из второго слагаемого, отличается от ФЧХ только масштабом по оси w. Величина j (w) откладывается по оси ординат в градусах или радианах. Для элементарных звеньев она не выходит за пределы: - p ? j ? p.

Частотные характеристики являются исчерпывающими характеристиками системы, по которым можно восстановить ее передаточную функцию и определить параметры.

Построение АФЧХ в системе MATLAB

x=0.1: 0.1: 10000;

Y= (110-x. ^2. *0.94). / ( ( (11-x. ^2. *0.1). ^2) + (0.6. *x). ^2);

Z= ( (x. ^3. *0.01+x. *4.9). / ( ( (11-x. ^2. *0.1). ^2) + (0.6. *x). ^2)). * (-1);

plot (Y,Z); grid on

Заключение

В данной работе мной были решены две электроэнергетические задачи с помощью системы MATLAB. С помощью библиотеки Simulink и SimPowerSystems смоделирована система электроснабжения с коротким замыканием, получены осциллограммы тока и напряжения. Рассчитан переходный процесс в линейных электрических цепях постоянного тока, вызванный включением (отключением) коммутационного аппарата (выключателя). Получены осциллограммы тока и напряжения переходного процесса.

Решение электроэнергетических задач в системе MATLAB очень удобно и эффективно, так как оно заменяет большие и сложные решения задач. Таким образом, мы можем сэкономить большое количество времени

Библиографический список

1) Новожилов М.А. MATLAB в электроэнергетике: учеб. пособие / Новожилов. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 208с.

2) Новгородцев А.Б. Расчет электрических цепей в MATLAB: учебный курс / А.Б. Новгородцев. - СПб.: Питер, 2004. - 250с.

3) ДьяконовВ.П. MATLAB 6/6.1/6.5+ Simulink 4/5/. Основы применения: Полное руководство пользователя/ В.П. Дьяконов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2002. - 768с.

4) Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с. 5) Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: Учебное пособие. - М.: МГИЭМ, 2005. - 71 с

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Программный комплекс MATLAB как мощное средство для высокоточного цифрового моделирования системы автоматического управления. Основные особенности построения временных характеристик с помощью пакета Control System и моделирования в системе Simulink.

    контрольная работа [2,3 M], добавлен 14.11.2012

  • Программные средства имитационного моделирования систем массового обслуживания. Программная среда Matlab, ее структура и основные компоненты, функциональные особенности, а также назначение. Разработка подсистем моделирования. Инструкция пользователя.

    дипломная работа [3,3 M], добавлен 10.07.2017

  • Разработка интерфейса справочно-расчетного программного обеспечения. Расчетно-графический модуль. Решение задачи динамического моделирования в системе MATLAB/Simulink. Программная реализация, результаты моделирования системы на текстовых примерах.

    курсовая работа [2,6 M], добавлен 01.12.2014

  • Модель релейной системы регулирования и идентификации структуры отдельного характерного элемента ЭКС зубца Р в системе MatLab. Анализ линейных звеньев с применением Control System Toolbox и Simulink. Методы построения переходных и частотных характеристик.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 28.01.2015

  • Основные понятия теории моделирования. Виды и принципы моделирования. Создание и проведение исследований одной из моделей систем массового обслуживания (СМО) – модели D/D/2 в среде SimEvents, являющейся одним из компонентов системы MATLab+SimuLink.

    реферат [1,2 M], добавлен 02.05.2012

  • Принципиальная и структурная схема системы стабилизации угловой скорости ДПТ. Критерий устойчивости Гурвица. Передаточная функция разомкнутой системы. Исследование САР в среде Simulink. Проверка расчетов с помощью моделирования системы в среде Matlab.

    курсовая работа [3,3 M], добавлен 21.08.2012

  • Simulink как интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем, его функциональные особенности, структура и назначение. Направления преобразования основных характеристик фильтра при изменении некоторых его параметров.

    контрольная работа [987,3 K], добавлен 10.11.2013

  • Лазерные средства отображения информации. Особенности сопряжения имитационной модели Matlab-Simulink и программное обеспечение визуализации. Возможности средств разработки виртуальных миров, использующих VRML, для визуализации моделирования системы.

    курсовая работа [1,6 M], добавлен 01.12.2014

  • Дискретная минимаксная задача с ограничениями на параметры. Применение решений минимаксных задач в экономике с помощью математического пакета Maple. Математические пакеты Maple и Matlab. Основные средства решения минимаксных задач в среде Марle-языка.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 17.06.2015

  • Системы компьютерной математики: Mathcad - интегрированный пакет, включающий связанные компоненты (текстовый редактор, вычислительный процессор, символьный процессор). MatLab – система, построенная на представлении и применении матричных операций.

    контрольная работа [473,2 K], добавлен 09.01.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.