艾琳·伯恩,MathWorks
该视频显示了使用Simulink设计信号处理系统的示例金宝app®.
你从一个空白的Simulink模型开始,设计一个信号处金宝app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金宝app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。
我们住在一个传感器的世界里。他们在工厂中的机器人,在我们的手腕上,即使在我们的冰箱里,也可以确保我们的食物焕然一新。这些传感器产生信号。
在此视频中,我们将使用Simulink处理来自传金宝app感器的信号。我们将执行光谱分析以探索信号。基于此,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。我们将评估我们的算法的性能,并一旦它准备就绪,将我们的模型转换为C代码,可以嵌入到实时硬件中。让我们开始......
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。
预测和管理变化的生产和需求是可再生能源发电的重要组成部分。为了使产生的电力平稳,在阳光明媚的日子里,我们可以把一些电力储存在电池里。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。金宝app
通过单击MATLAB金宝app ToolStrip上的“Simulink”按钮开始Simulink。这将打开启动页,您可以在其中创建新型号,查找示例,甚至找到基本培训。
我们从头开始启动模型,所以我们将选择空白模型并将其保存为SunnyVscloudy。
金宝appSimulink模型由块和信号线构建。打开库浏览器以查看所有可用的块。
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。
要查看我们的信号,让我们拖动两个输入端口,或者短暂,进入我们的模型。然后添加一个范围块。
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,代表六月中两个特定日子的功率测量。相应的时间戳以今天为单位。
我们还有样本频率,以每天样本数为单位,以变量Fs为单位。每15分钟抽样一次意味着我们每天能得到96个样本。
我们必须设置两个Inports的采样时间,因此双击每个Inport以调整其块参数。在“信号属性”选项卡下,将采样时间设置为采样频率的倒数。
为了将数据导入Simulink,我们可以转到模金宝app型设置窗口,然后是数据导入/导出窗格,并添加时间和两个功率信号作为输入。我们还应该将总模拟时间设置为1天。
现在,我们可以通过单击工具条中的run按钮来运行模型。
让我们双击范围块以查看信号。
并允许使用行连接我们的数据点。
平滑的黄线是晴天。如你所料,蓝线表示多云天气产生的能量更少,而且当云层经过太阳能电池板时,也会有许多短期的变化。
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?
嗯,让我们看看频域中的这些信号。我们将使用光谱分析,这有助于我们测量每个信号的频率内容。我们首先从DSP系统工具箱添加频谱分析仪块,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右键单击。
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,我们可以在Spectrum Analyzer中通过按顶部的绿色按钮运行我们的模型。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轴显示我们在给定频率下信号中的功率是多少。虽然默认时间单位是秒,但我们实际上是在几天内测量时间。因此,X轴是每天循环,而不是每秒循环(或Hz)。
我们看到,两天的低频内容大致相同,但多云的频率内容更高。还记得那些短暂的变化吗?那就是他们在频域中的样子。
所以也许我们可以通过比较高频率和某个阈值的功率来区分晴天和阴天。
然而,太阳能板在夏季产生的电力更多,而在冬季产生的电力更少,这意味着全年的阈值必须改变。
嗯,我们希望为一年中的所有季节都有一个不断的门槛。如果我们通过较低频率的功率将高频功率正常化,我们可以使用固定阈值。因此,让我们尝试计算顶部75%频率的总功率与频率底部的总功率的比率。
那么,我们如何分离低频和高频?通过建立数字过滤器。我们需要低频滤波器,用于低频内容和高频滤波器,用于高频内容。
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。
双击该块以打开过滤器设计器应用程序。如果你在MATLAB中设计过过滤器,你可能以前使用过这个应用程序。让我们点击“设计过滤器”图标开始设计低通滤波器。
因为我们只获得每15分钟的样品,所以我们需要一个可以使用的过滤器,只需几个样本。我们将使用Chebyshev类型1 IIR过滤器,并将将过滤器顺序设置为4。
然后我们必须指定一个截止频率。记住,我们想让较低的25%的频率通过。所以我们将选择标准化频率并设置wpass为0.25。我们将使通带纹波小于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。
我们可以通过单击Group delay Response按钮来检查过滤器引入的延迟。对于小于0.25的频率,延迟约为3个采样。我们以后再记。
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。金宝app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块用于制作过金宝app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。
可以肯定的是,滤波器只是单位延迟、增益和添加块,这是现代DSP芯片和fpga优化实现的。
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。
但是记住低通滤波器引入了3个样本的延迟,高通滤波器引入了1个样本的延迟。所以我们需要添加一些延迟块来确保三个信号是对齐的。双击模型,输入“delay”,对3个样本的原始信号快速添加一个延迟块,对2个样本的高通信号快速添加一个延迟块。
我们将对模型进行修改,使其适用于我们拥有的更长的2年半数据集,该数据集存储在时间戳为t的可变电源中。
让我们在望远镜上放大六天。
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。
现在我们已经分开了低频和高频信号,我们已经准备好建立了我们的阳光测试。
我们需要积累足够的时间,让我们的过滤器给出合理的结果,但我们不想等太久才得到答案。所以我们将使用3小时的窗口,也就是12个尺寸!
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以处理三小时的窗口。我们需要每个过滤器路径上的缓冲区。
现在,我们将使用一些基本的数学运算块来计算sunny测试,比如绝对值、元素的和和块的划分。
让我们添加一个块来比较比率和阈值。使用Sim金宝appulink,您可以很容易地进行实验,以找到这个阈值的合适值。22可以很好地工作,但是可以随意使用这个值,看看它如何改变结果。
比较的输出为0表示非sunny, 1表示sunny。让我们将其缩放到与最大功率匹配,这样它就能在图上很好地显示出来。
我们应该删除Scope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。
让我们运行一下,看看算法的效果如何。如果我们放大之前的同一天,它看起来工作得很好。
但如果我们看另一组六天,就会发现我们的方法有问题。有时它会说半夜里阳光明媚!
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。
现在我们有了一个可行的算法,我们想将它部署到嵌入式系统中。使用Embedded Coder,我们可以部署到Arduino, Raspberry Pi, Zynq和许多其他。
让我们将模型部署到Arduino Uno Board。
我们将打开模型设置窗口并选择硬件板。然后,我们用输出端口替换用于测试的Scope块。
现在让我们生成代码。这需要我们的Simulink模金宝app型,并生成我们需要编译部署模型的所有C文件。您还可以为其他嵌入式系统生成通用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阵列的嵌入式硬件上。
看看我们使用Simulink所做的事情!金宝app我们现在有一个稳定的可再生能源来源。
您已经了解如何从空白画布到在嵌入式系统上运行的信号处理应用程序。你也可以尝试这个。这些文件可供您下载。
现在您已经对如何使用Simulink有了一些感觉,是时候学习它了。金宝app学习Simulink最好的方法就是使用它。金宝app因此,启动Simulin金宝appk OnRamp,它将教你基本知识。它是免费的,只需要几个小时。
欢迎来到Simulin金宝appk!
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