艾琳·伯恩,MathWorks
本视频展示了一个使用Simulink设计信号处理系统的例子万博1manbetx®.
你从一个空白的Simulink模型开始,设计一个信号处万博1manbetx理算法来预测天气是晴天还是多云,以优化太阳能电网产生的电力。该视频将带您分析传感器信号,设计滤波器,最后生成用于硬件部署的代码。
在视频结束时,您将学习Simulink的基础知识,以及如何使用基于模型的设计来建模、模拟、测试和实现真实世界万博1manbetx的信号处理系统。在下面的链接中可以找到示例中使用的模型文件。
我们生活在一个传感器的世界。它们存在于工厂的机器人中,在我们的汽车里,在我们的手腕上,甚至在我们的冰箱里,以确保我们的食物保持新鲜。这些传感器产生信号。
在这个视频中,我们将使用Simulink来处理来万博1manbetx自传感器的信号。我们将进行频谱分析来探索信号。在此基础上,我们将设计和构建数字滤波器作为信号处理算法的一部分。我们将评估算法的性能,一旦准备好,将我们的模型转换为可以嵌入到实时硬件中的C代码。让我们开始吧……
在马萨诸塞州纳蒂克的MathWorks总部,有发电的太阳能电池板。我们将测量阵列每15分钟产生的能量。这是我们的信号。
当然,功率取决于日照的多少,而日照的多少又取决于一天中的时间……和天气。
预测和管理可变的生产和需求是可再生能源发电的重要组成部分。为了使产生的电能平稳,在晴朗的日子里,我们可以将部分电能储存在电池中。然后在阴天,我们用它来补充较低的发电量。
让我们设计一个系统,可以预测是晴天还是阴天,使用Simulink中的信号处理技术。万博1manbetx
你可以通过点击MAT万博1manbetxLAB工具条上的Simulink按钮来启动Simulink。这将打开起始页,您可以在这里创建新模型、查找示例,甚至找到基本训练。
我们要从头开始创建模型,所以我们选择Blank model并将其保存为sunnyvscloudy。
万博1manbetxSimulink模型是由模块和信号线组成的。打开库浏览器查看所有可用的块。
我们将从可视化两个电源信号开始——一个来自晴天,一个来自阴天。
为了查看信号,让我们将两个输入端口(简称Inports)拖放到模型中。然后添加一个Scope块。
让我们将两个入口块标记为“晴天”和“阴天”,将范围块标记为“时间域”。
通过点击和拖动,我们可以用信号线将这些块连接在一起。要给信号线加上标签,双击并键入名称。
现在我们需要数据。在MATLAB中,我们有两个向量,sunnyDay和cloudyDay,表示6月份两个特定日期的功率测量值。相应的时间戳以tday为单位。
我们还有样本频率,以每天样本数为单位,在变量Fs中。每15分钟取样一次意味着我们每天得到96个样品。
我们必须设置两个导入的Sample Time,因此双击每个导入来调整它的块参数。在“信号属性”页签下,将采样时间设置为采样频率的倒数。
要将数据引入Simulink,我们可以进入模型万博1manbetx设置窗口,然后进入数据导入/导出窗格,添加时间和两个电源信号作为输入。我们还应将总模拟时间设置为1天。
现在,我们可以通过单击toolstrip中的run按钮来运行我们的模型。
让我们双击Scope块来查看信号。
我们用直线连接数据点。
平滑的黄线是晴朗的日子。蓝线表明,正如你所预料的那样,多云天气产生的能量较少,而且当云层经过太阳能电池板时,也有许多短期变化。
那么,我们如何使用这些特性来决定天气是晴天还是阴天呢?
我们也来看看频域中的这些信号。我们将使用频谱分析,它帮助我们测量每个信号的频率含量。我们首先从DSP系统工具箱中添加一个频谱分析仪块,然后将两个信号连接到它。
要分支信号线,可以在将信号线拖动到块时单击鼠标右键。
我们有短信号,所以我们需要改变频谱分析仪块中的一些设置,以便我们能正确地看到它们。
这一次,我们可以通过按下顶部的绿色按钮,在频谱分析仪中运行我们的模型。让我们打开图例,看看哪一天是哪一天。
那么,我们看到的是什么?
x轴是频率值。y轴表示在给定频率下信号的功率。尽管默认的时间单位是秒,但我们实际上是以天为单位度量时间的。所以x轴是每天的周期数,而不是每秒的周期数(或Hz)。
我们可以看到,这两天的低频内容大致相同,但多云的那一天有更多的高频内容。还记得那些短期变化吗?这就是它们在频域中的样子。
因此,也许我们可以通过比较较高频率的功率和某个阈值来区分晴天和阴天。
然而,太阳能电池板在夏季产生的电能更多,而在冬季产生的电能更少,这意味着阈值必须在全年内改变。
我们希望一年四季都有一个固定的门槛。如果我们将高频功率与低频功率归一化,我们就可以使用一个固定的阈值。那么,让我们试着计算顶部75%频率的总功率与底部25%频率的总功率的比值。
那么,我们如何分离低频和高频呢?通过构建数字滤波器。我们需要一个低通滤波器为低频内容和高通滤波器为高频内容。
为了构建这两个过滤器,我们首先将模型剥离回单个导入和作用域块....然后从DSP系统工具箱中拖入一个过滤器实现向导块。
双击该块打开过滤器设计器应用程序。如果您在MATLAB中设计过过滤器,您可能以前使用过该应用程序。让我们单击“设计过滤器”图标开始设计低通过滤器。
因为我们每15分钟才会得到样本,所以我们需要一个能过滤少量样本的过滤器。我们将使用Chebyshev Type 1 IIR过滤器,并将过滤器的顺序设置为4。
然后我们必须指定一个截止频率。记住,我们想要让较低的25%的频率通过。所以我们将选择标准化频率并将wpass设置为0.25。我们将保持通带纹波小于0.05 dB。
最后,按下底部的Design Filter按钮。我们看到新的响应是我们想要的。
我们可以通过点击群延迟响应按钮来检查滤波器引入的延迟。对于小于0.25的频率,延迟大约为3个样本。让我们记住这一点,以备以后使用。
现在我们已经完成了过滤器的设计,让我们通过单击Realize model图标将它添加到Simulink模型中。万博1manbetx我们将这个块命名为“Lowpass Filter”,并选择选项“Build model using basic elements”。通过这种方式,我们可以看到基本的Simulink块用于制作过万博1manbetx滤器,如延迟、乘法和添加块。
当我们点击“实现模型”按钮时…
...在我们的模型中创建了一个新的子系统。让我们双击它看看里面。
果不其然,滤波器只是单元延迟、增益和加法块,现代DSP芯片和FPGA都经过优化以实现这些功能。
现在是高频内容。我们可以重复同样的过程来设计和实现高通滤波器。在这种情况下,高通滤波器延迟输入信号一个样本。
好了,让我们在电源信号上测试我们的新滤波器。
我们添加了三条平行路径:一条用于原始功率信号,一条用于低通滤波版本,另一条用于高通滤波版本。我们想要比较它们。
但请记住,低通滤波器引入3个采样的延迟,高通滤波器引入1个延迟。因此,我们需要添加一些延迟块,以确保三个信号对齐。双击模型并键入“延迟”在3个样本的原始信号中快速添加一个延迟块,在2个样本的高通信号中快速添加另一个延迟块。
我们将对模型进行修改,以使用我们拥有的更长的2年半数据集,该数据集存储在可变幂中,时间戳为t。
在示波器上,让我们放大六天。
黄线为原始电源信号。蓝线是低通信号,它代表一般平滑的趋势。红线是高通信号,它捕捉到由于云层覆盖而产生的变化。在多云时期,这些变化可能很大。
现在我们已经分离出了低频和高频信号,我们准备构建Sunny测试。
我们需要在足够长的时间内对过滤器进行聚合,以给出合理的结果,但我们不想等待太长时间才能得到答案。因此,我们将使用3小时的窗口,即12次测量!
为了在一个时间窗口内存储滤波器输出,我们将使用DSP系统工具箱中的缓冲区块。
双击缓冲区,我们可以将缓冲区大小设置为12,以处理3小时的窗口。我们需要在每个过滤器路径上设置一个缓冲区。
现在,我们将使用一些基本的数学运算块来计算sunny测试,如绝对值、元素之和和和除法块。
让我们添加一个块来比较比率和阈值。使用Simulink,您可以轻松地进行实验,以找到此阈值的良好值。22工作得很好,但是可以万博1manbetx随意使用这个值,看看它如何改变结果。
比较的输出是0表示不晴朗,1表示晴朗。让我们缩放它以匹配最大功率,这样它就可以很好地显示在绘图上。
我们应该删除作用域块上的额外输入端口。
在运行之前,请注意这些缓冲区给信号增加了一些延迟。为了与原始信号保持一致,我们需要将延迟增加12。
好的,让我们运行一下,看看我们的算法运行得有多好。如果我们把镜头放大到和以前一样的日子,它看起来工作得很好。
但是如果我们观察不同的六天,我们会发现我们的方法有问题,有时它说在午夜是晴天!
为了解决这个问题,让我们通过添加日光检测器来修改sunny测试。我们只需将低频功率与另一个阈值进行比较,这样我们就能知道太阳是否真的升起了。我们可以用AND块将这两个条件结合起来。
重新运行模型并检查那些日子…我们已经解决了错误检测的问题。
现在我们有了一个有效的算法,我们想把它部署到一个嵌入式系统中。有了嵌入式编码器,我们可以部署到Arduino、Raspberry Pi、Zynq和许多其他系统中。
让我们将模型部署到Arduino Uno板上。
我们将打开模型设置窗口并选择硬件板。然后,我们将用于测试的范围块替换为输出端口。
现在让我们生成代码。这将获取我们的Simulink万博1manbetx模型,并生成用于部署的模型编译所需的所有C文件。您还可以为其他嵌入式系统生成泛型C代码。
部署到FPGA的VHDL或Verilog代码。
一旦我们有了生成的代码,我们就把它移植到太阳能电池板上的嵌入式硬件上。
看看我们用Simulink做了什么!万博1manbetx我们现在有稳定的可再生能源来源。
您已经了解了如何从空白画布转换到在嵌入式系统上运行的信号处理应用程序。你也可以试试这个。你可以下载这些文件。
现在您已经了解了使用Simulink的感觉,是时候学习了。学习Simulink的最好方法就是使万博1manbetx用它。因此,启动Simulink OnRamp,它将教您一些基础知识。它是免费的,只需要几个小时。
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