1 引言
随着计算机仿真技术的飞速发展，越来越多的技术人员采用计算机来对电气系统来进行仿真。当前适用于电气系统的仿真软件广义上可以分为两大类:电路仿真软件和系统仿真软件。电路仿真软件以SPICE和SABER为代表。当技术人员使用这类仿真软件来对电气系统进行仿真时，必须在仿真环境中描述各个电气元件和各个元件之间的电气连接。对此，人们通常采用网络表(net list)来描述电气系统，或者在仿真软件中绘制电路图来描述电气系统。仿真软件将以等效的数学模型对电路进行仿真。虽然使用这类软件可以很方便地对只包含电子电路的电气系统进行仿真，但是这类软件不适用于仿真含有复杂控制结构的电气系统。
系统仿真软件以MATLAB为代表。MATLAB的特点在于其强大的矩阵计算能力和丰富的工具箱。使用系统仿真软件时，电气系统必须采用相应的微分方程或代数方程来描述。当已知系统的传递函数时，使用系统仿真软件进行仿真是十分方便的。但是当被仿真的系统含有电路部分，仿真就变得十分困难。因为如果电路部分以简化的传递函数来表示，则很多细节会被忽略。如果采用Simulink提供的基本模块(如开关和触发器)来构造模型，则相当费时费力[1]。
但在对电气系统的仿真中，我们遇到的系统经常是既含有电路部分，又含有复杂的控制方案，例如电气传动系统。为了对这样一类电气系统进行快速而准确的仿真，我们需要一个把两类仿真软件的优点结合起来的仿真工具。PLECS工具箱为我们提供了这样一个解决方案。
2 PLECS工具箱简介
PLECS工具箱由瑞士苏黎世工学院的Jost Allmeling和Wolfgang Hammer开发。尽管这个工具箱是特别为电力电子系统的仿真而开发的，但是当用于仿真既含有电路部分又含有复杂的控制方案的系统时，它同样是一个有效的工具。
PLECS以Simulink为运行环境。Simulink是运行在MATLAB环境中的用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。对于建模，Simulink提供了一个图形化的用户界面[2]。Simulink被广泛地用于控制系统的仿真。但是Simulink不能接受用户以网络表或电路图形式输入的电路系统。PLECS工具箱扩充了Simulink的功能，使我们可以在Simulink的环境中以网络表的形式建立电路部分的模型。建模后的电路模型将以子系统的形式呈现在Simulink中。系统中控制部分的建模可以通过调用Simulink中的各种工具箱来完成。在对仿真系统进行建模以后，电路部分可以接收来自控制部分的电压、电流信号及开关信号。而在仿真过程中，电路部分又将仿真的结果以电压量、电流量的形式传递给控制部分。通过两个部分的交互作用，可以完成比较复杂的仿真任务，并且可以利用MATLAB强大的计算功能来分析仿真的结果。
PLECS提供了涵盖了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模型，主要由两大部分组成:内建元件和库元件。内建元件包括:电阻、电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元件;而库元件则主要有:IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、三路开关、异步电机等的仿真模型。用户也可以根据自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。
3 PLECS工具箱运行的基本原理
PLECS工具箱的算法是基于状态空间的。当电路中只包含线性元件时，从数学的角度，这个电路就可以用相应的微分方程来描述。即:
图1是实现PLECS工具箱的方框图[3]。如果电路中含有一个或多个开关，则随着开关状态的不同，整个电路对应不同的拓扑结构。假设电路中有n个开关，那么整个电路就有2n个不同的拓扑结构。而每个电路的拓扑结构对应了相应的状态方程。也就是说，不同的电路拓扑结构对应了不同的A, B, C, D矩阵。
在建立电路模型后，PLECS工具箱会产生对应的状态方程，并把这些状态方程封装在一个子系统中，嵌入在Simulink的工作环境中。在仿真过程的每一步中，子系统从外部获得输入状态矢量，然后通过Simulink计算得出输出矢量。图1中开关管理器(Switch Manager)通过对输入开关信号g和输出矢量的判断来决定仿真时每一步应该采用的状态方程。通过输入状态矢量和输出矢量 可以方便地完成整个仿真系统中电路部分对控制部分的信号传递。
4 结论
本文中介绍了PLECS工具箱在电气系统仿真中的应用。结合作者在使用中的体会，可见PLECS的优点在于:
(1) 将自己的功能集成在Simulink中，仿真系统电路部分的仿真由PLECS工具箱完成，而控制部分仍可以利用Simulink自身强大的功能，两者的结合使各自的优点得到了充分发挥;
(2) 描述电路的语言简单明了，易于编程，易于修改;
(3) 由于采用了状态空间的方法，仿真速度快。
综上所述，采用PLECS工具箱，可以在Simulink工作环境中高效率地完成对电气系统的仿真和分析，为分析和设计复杂的电气系统提供了一个强有力的仿真手段，提高了仿真和系统开发的效率。
The toolbox PLECS for high-speed simulations of electrical and power electronic circuits under MATLAB/Simulink is now available in version 1.3. Have a look at the new exciting features offered by the updated software:
Advanced Nonlinear Components
Use the saturable capacitor or saturable inductor from the new Nonlinear library to study saturation effects in your circuits. Or model arbitrary nonlinearities using controllable resistors, inductors and capacitors.
New Machine Models
The extended Machines library features new models for the Brushless DC Machine (including angle dependent stator inductivities) and the Switched Reluctance Machine.
Command Line Interface
Access component and circuit parameters directly from the MATLAB command line.
www.plexim.com
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