Моделювання схеми безконтактного керування лампою світлофора в середовищі Simulink пакету Matlab

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді т спорту України

Українська державна академія залізничного транспорту

Навчально-науковий інститут перепідготовки та підвищення кваліфікації кадрів

Кафедра Автоматики та комп'ютерного телекерування рухом поїздів

Звіт з досліду

з дисципліни "Теорія планування експерименту"

Моделювання схеми безконтактного керування лампою світлофора в середовищі Simulink пакету Matlab

Зміст

1. Мета експерименту

2. Умови проведення експерименту

3. Визначення вхідних та вихідних параметрів

4. Визначення необхідної точності результатів експерименту

5. Визначення порядку проведення та проведення експерименту

6. Обробка результатів експерименту

Список використаних джерел

1. Мета експерименту

Головною метою даного експерименту є визначення:

- можливості керування лампою залізничного карликового світлофора з використанням напівпровідникової елементної бази;

- електричних параметрів кола керування;

- основних та оптимальних режимів роботи кола.

безконтактне керування лампа світлофор

2. Умови проведення експерименту

Проведення експерименту здійснюється однією особою в лабораторних умовах з використанням наступних апаратних та програмних засобів:

- ПЕОМ типу IBM PC: процесор - Intel Celeron D220 1,2 ГГц; ОЗУ - 2048 Мб; НЖМД - 160 Гб; відеоадаптер інтегрований RAM 128 Мб.

- операційна система - Windows XP SP3 x32;

- програмне середовище - Simulink 7.7, інтегроване до пакету прикладного програмного забезпечення MATLAB 2011а версії 7.12.

3. Визначення вхідних та вихідних параметрів

Вхідними параметрами є:

- концепція забезпечення функціональної безпеки;

- структурна та принципова схеми керування;

- характеристики навантаження (об'єкту керування);

- характеристики каналу;

- параметри живлення.

Вихідними параметрами є:

- можливість побудови адекватної моделі в даному середовищі;

- виміряні параметри схеми;

- повний опір схеми та спектр частот перетворювача;

Концепція забезпечення функціональної безпеки для пристроїв даного класу в загальному випадку повинна включати в себе наступні умови:

- формування керуючого впливу за неменше ніж двоканальною структурую з диверсифікованими каналами та вирішальним елементом "І";

- будь-яка однократна відмова та відмова будь-якої кратності одного з каналів не повинна призводити до небезпечної відмови;

- будь-яка відмова має бути виявлена та усунута до появи іншої за встановлений час відновлення, який визначається для кожного конкретного виробу.

Таким чином, для конкретного випадку схеми керування лампою світлофора можна сформулювати такі вимоги:

- відсутність формування керуючого впливу (подачі змінного струму в первинну обмотку сигнального трансформатора) при відсутності фактично прийнятої команди по двом каналам;

- відсутність формування керуючого впливу (подачі струму в первинну обмотку сигнального трансформатора) при будь-якій відмові будь-якої кратності в одному каналі;

- контроль наявності нормативного струму в колі керування фактично включеного вогню.

Таким чином даним вимогам може відповідати схема, збудована за принципом інвертора (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 Структурна схема керування лампою світлофора

Постійна напруга подається на силові виводи ключів верхнього (1) та нижнього (2) напівмостів та перетворюється в змінну напругу, яка подається на первинну обмотку сигнального трансформатора. За коректну та ефективну роботу ключів відповідають драйвери, виконані у вигляді інтегральних мікросхем, які також можна задіяти для контролю струму через ключові елементи. Керування роботою драйверів здійснюється безпосередньо мікроконтролерами першого та другого каналів резервування, причому формування змінного струму можливе лише при сумісній роботі обох каналів (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 Принципова схема керування лампою світлофора

Слід зауважити, що в схемі рис. 3.2 опущені деякі елементи, які на досліджуваний параметр оптимізації не впливають. В якості ключових елементів можуть бути використані уніполярні або біполярні транзистори з ізольованим затвором та зворотнім швидким діодом. Драйвер ключів та пара транзисторів утворюють напівмост. Навантаженням інвертора на двох напівмостах є кабельна лінія, та первинна обмотка сигнального трансформатора.

Сигнальний трансформатор типу СТ-4 має такі параметри [1]:

- номінальна напруга первинної обмотки U_НІ - 220 В;

- номінальний струм первинної обмотки I_НІ - 0,11 А;

- номінальна потужність Q_H - 16 В*А;

- частота струму f_H - 50 Гц;

- номінальна напруга вторинних обмоток при навантаженні U_HII - 13,9 В;

- номінальний струм вторинних обмоток I_HII - 1,25 А;

- кількість витків первинної обмотки W_I - 1900;

- діаметр проводу первинної обмотки d_I - 0,25 мм²;

- кількість витків вторинної обмотки W_II - 132;

- діаметр проводу вторинної обмотки d_II - 0,8 мм²;

- магнітопровід - шихтований, зібраний з Ш-подібних та замикаючих пластин електротехнічної сталі;

- розміри магнітопроводу: Д = 81 мм, Ш = 94 мм, В = 32 мм.

Параметри каналу передачі:

- кабель сигнальний СБПУ (СБзПУ) з парною скруткою; діаметр жил d_Ж - 1 (0,9) мм, площа поперечного перетину S_Ж - 0,78 (0,63) мм²;

- розрахункова міжжильна ємність С_МЖ - 0,3 мкФ/км (при найгірших умовах згідно рекомендації ГТСС [2]);

- розрахунковий кіло метричний опір R_Ж - 29 Ом/км.

Первинне джерело живлення - трьохфазний діодний міст, U_П = 240 В.

4. Визначення необхідної точності результатів експерименту

Точність результатів експерименту в повній мірі залежить від адекватності моделей елементів віртуальних бібліотек середовища Simulink, обраного з доступних вирішувачів [3] даного середовища, а також від збудованої моделі та заданих параметрів елементів схеми, які обираються відповідно довідниковим джерелам.

5. Визначення порядку проведення та проведення експерименту

Експеримент будується за принципом спіралі [4] з послідовним ускладненням моделі та наближенням до реальних умов:

Для проведення експерименту на ПЕОМ виконуються наступні дії:

- запускається для виконання пакет програм MATLAB 2011а;

- у пункті "Файл" головного меню обирається пункт "Нова модель";

- у вікні що відкрилось, натискається піктограма "Library Browser";

- з бібліотеки (пакети Simulink та SimPowerSystems) обираються необхідні компоненти для побудови схеми та "перетягуються" в робочу область;

- елементи з'єднуються відповідно до схеми;

- запускається моделювання;

- результати моделювання знімаються відповідними функціональними блоками бібліотек Simulink та SimPowerSystems.

На початковому етапі розглядається максимально спрощена модель схеми, для якої використовуються такі компоненти:

1) з бібліотеки Simulink:

- розділ Sinks (приймачі): Terminator (заглушка), Scope (осцилограф), Display (цифровий вимірювач);

- Sources (джерела): Pulse Generator (генератор прямокутних імпульсів);

2) з бібліотеки SimPowerSystems:

- розділ Elements (компоненти): Series RLC Branch (послідовне коло RLC);

- розділ Electrical Sources (електричні джерела): DC Voltage Source (джерело постійної напруги);

- розділ Power Electronics (силова електроніка): Mosfet (МОП-транзистор);

- розділ Measurements (вимірювачі): Voltage Measurement (вимірювач напруги), Current Measurement (вимірювач струму), Multimeter.

В схемі використано (рисунок 5.1) два генератори прямокутних імпульсів, які налаштовані на роботу в противофазі з частотою 50 Гц та скважністю імпульсів 0,4 для реалізації захисного інтервалу. Таким чином забезпечується почергова робота транзисторів VT1, VT4 та VT2, VT3. Джерело постійної напруги налаштоване на 240 В. Навантаженням моста є резистор Rn (налаштована Series RLC Branch) з опором 100 Ом, що певною мірою відповідає активному опору первинної обмотки трансформатора СТ-4 (з урахуванням розбіжності при виробництві та між модифікаціями). Послідовно з Rn вимірювач струму, а паралельно - напруги. Сигнал з вимірювача напруги подається на віртуальний осцилограф. Осцилограма напруги на навантаженні наведена на рисунку 5.2. Об'єднання сигналів до одного вікна можна виконати з використанням компоненту Multimeter (рисунок 5.3). Таким чином встановлено, що з використанням елементів типу "Ideal Switch" (ідеальний ключ) та чисто активного навантаження в даному середовищі спостерігається виключно пропорційна залежність струму від опору навантаження (закон Ома).

Рисунок 5.1 Початкова спрощена схема моделі

Рисунок 5.2 Осцилограма напруги на навантаженні Rn, отримана за допомогою компонента Scope

Рисунок 5.3 Осцилограми напруги та струму на та через Rn, отримані за допомогою компонента Multimeter

Для подальшого наближення моделі до реальної схеми вносяться такі зміни:

- заміна еквівалентного навантаження Rn моделлю лінійного трансформатора

з характеристиками сигнального трансформатора СТ-4, наведеними вище;

- в якості навантаження трансформатора використано еквівалентний активний опір XL номіналом 10 Ом;

- додаткова імітація кабельної лінії довжиною 1 км з кілометричним опором Rl1, Rl2 = 29 Ом, та еквівалентною ємністю при найгірших умовах Сl = 0,3 мкФ;

Схему моделі та осцилограми процесів в первинній обмотці наведено на рисунку 5.4. Як можна побачити на даних зображеннях, характер сигналу в значній мірі відрізняється від попередніх результатів, що свідчить про вплив реактивних складових навантаження.

Рисунок 5.4 Модель досліджуваної схеми зі змінами та осцилограми струму та напруги в первинній обмотці трансформатора СТ-4

Слід зауважити, що в даному випадку використано модель трансформатора, яка не враховує нелінійність намагнічування осердя, а дослідження проведене для одного значення довжини лінії (1 км) та міжжильної ємності. Окрім того ідеальне джерело напруги не враховує пульсацій на виході випрямляча, що має місце в реальних умовах. Проте осцилограми, отримані з лампи XL, свідчать про достатньо близькі до реальних параметри сигнального трансформатора, на що вказують близькі до номінальних за амплітудою струм та напруга на лампі (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 Струм і напруга на еквівалентній моделі лампи

Для подальшого наближення моделі до реальної використано:

- модель лінії з розподіленими параметрами (Distributed Parameters Line на рисунку 5.6), що відповідають параметрам реальної кабельної лінії; довжина - 2 км;

- замість дискретних МОП-транзисторів використані дві моделі напівмоста, керування якими здійснюється через ШИМ-регулятори (PWM Generator1 та 2) з частотою перетворення 3 кГц та частотою модуляції 50 Гц, яка задається блоками Pulse Generator1 та 2, які також забезпечують роботу напівмостів в противофазі;

- в якості джерела живлення використана модель трифазного ізольованого трансформатора з між фазною напругою 235 В, яка подається на трифазний міст Three phase diode bridge, який живить схему інвертора. Результати вимірювань параметрів моделі наведено у рисунках 5.7-5.9.

Рисунок 5.6 Модель досліджуваної схеми максимально наближена до реальних умов функціонування

Рисунок 5.7 Форма напруги на вході лінії з розподіленими параметрами

Рисунок 5.8 Форма напруги на первинній обмотці СТ-4

Рисунок 5.9 Форма струму і напруги на лампі XL

6. Обробка результатів експерименту

Використання широтно-імпульсної модуляції дозволяє покращити умови функціонування вихідних МОП-транзисторів за рахунок зменшення статичних навантажень, а також реалізувати плавне регулювання напруги, проте це може призвести до значних втрат в сигнальному трансформаторі на індуктивність розсіювання через наявність інших частотних складових в струмі живлення, тому є доречним провести гармонічний аналіз даної моделі та визначити залежність втрат у лінійній моделі сигнального трансформатора від частоти сигнального струму. Це можливо зробити, використовуючи спеціальний компонент бібліотеки SimPowerSystems - Powergui [5], в якому передбачено можливість проведення аналізу за допомогою швидкого перетворення Фур'є (FFT Analysis).

Гармонічний аналіз сигналу на затискачах первинної обмотки сигнального трансформатора наведено на рисунку 5.12. Як видно з гістограми, в спектрі переважає частота 50 Гц, яка виробляється генераторами прямокутних імпульсів. Окрім того 60% від неї складає частота 3 кГц, що формується ШИМ-регуляторами. Зі сторонніх гармонік найбільше значення має 1 кГц. Аналіз здійснено для перших двох періодів сигналу (позначенні червоним).

Для визначення повного імпедансу кола в залежності від частоти сигнального струму є доручним також використання блоку Powergui, в якому можна, скориставшись додатком LTI Viewer автоматично побудувати дану залежність (рис 5.11).

Рисунок 5.11 Залежність повного опору від частоти отримана автоматично

Рисунок 5.12 Спектральний аналіз гармонійного сигналу на затискачах первинної обмотки сигнального трансформатора

Таким чином встановлено, що вираз XL = 2рfL не має місця в даній моделі, а опір кола зменшується з підвищенням частоти, що свідчить про неадекватність моделі та неприпустимість використання результатів моделювання.

Список використаних джерел

1. Сороко В.И., Разумовский Б.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст]: Справочник, 2 Т. - 2-е изд., доп. и перераб., - М.: Транспорт, 1981 г. - 352 с.

2. Пусвацет Ю.Ю., Широков Н.Ю. Светодиодные светооптические системы для удаленных светофоров [Текст]/ Пусвацет Ю.Ю. // Автоматика, связь, информатика. - 2010. - №1. - С. 24-28.

3. Худяков В. Школа MATLAB. Урок 2. Библиотека SimPowerSystems [Текст]/ Худяков В.// Силовая электроника. - 2005. - №2. - С. 80-88.

4. Мухин О.И. Моделирование систем [Электронный ресурс]/ Пермь. гос. ун-т, ф-т повышения квалификации преподавателей EGIP. - Режим доступа: www/

URL: http://stratum.ac.ru/textbooks/modelir/index.html/ - 27.01.2012 г. - Заголовок с экрана.

5. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink [Текст]: И.В. Черных. - М.: ДМК Пресс: Спб.: Питер, 2008. - 288 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru