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1、電力電子技術的Matlab仿真,Matlab 概述 Simulink 仿真基礎 - Simulink 簡介 - Simulink 仿真步驟 電力電子電路的仿真,提 綱,1 Matlab 概述,MATLAB是由美國的Clever Moler博士于1980年開發(fā)的，初衷是為解決“線性代數(shù)”課程的矩陣運算問題。 后來又被MathWorks公司商業(yè)化，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計算等，主要包括MATLAB和Simulink兩部分。 MATLAB是Matrix Laboratory 的簡稱，發(fā)展迅速。目前，MATLAB 已經(jīng)成為國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，現(xiàn)在的 MATLAB
2、已經(jīng)不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應用前景的全新的計算機高級編程語言，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內外高校和研究部門正扮演著重要的角色。,一、MATLAB的發(fā)展及特點,它將一個優(yōu)秀軟件的易用性與可靠性、通用性與專業(yè)性 有機的相結合。 它是一種直譯式的高級語言，基本單位是矩陣，比其它程序設計語言容易。 MATLAB已經(jīng)不僅是一個“矩陣實驗室”了，它集科學計算、圖象處理、聲音處理于一身，并提供了豐富的Windows圖形界面設計方法 MATLAB吸收了其他軟件的優(yōu)點，是功能強大的計算機高級語言, 它以超群的風格與性能風靡全世界, 成功地應用于各工程學科的研究領域,特
3、點,主要應用領域 工業(yè)研究與開發(fā) 數(shù)學教學，特別是線性代數(shù) 數(shù)值分析和科學計算方面的教學與研究 電子學、控制理論和物理學等工程和科學學科方面的教學與研究 經(jīng)濟學、化學和生物學等計算問題的所有其他領域中的教學與研究 圖像處理和信號檢測等方面,二、MATLAB語言的功能,1 矩陣運算功能 MATLAB提供了豐富的矩陣運算處理功能，是基于矩陣運算 的處理工具。 2 符號運算功能 3 豐富的繪圖功能與計算結果的可視化 具有高層繪圖功能二維、三維繪圖； 具有底層繪圖功能句柄繪圖； 使用plot函數(shù)可隨時將計算結果可視化，圖形可修飾和控制 4 圖形化程序編制功能 動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包 用結
4、構圖編程，而不用程序編程 只需拖幾個方塊、連幾條線，即可實現(xiàn)編程功能,5 豐富的MATLAB工具箱,MATLAB主工具箱 符號數(shù)學工具箱 SIMULINK仿真工具箱 控制系統(tǒng)工具箱 信號處理工具箱 圖象處理工具箱 通訊工具箱 系統(tǒng)辨識工具箱 神經(jīng)元網(wǎng)絡工具箱 金融工具箱,許多學科，在MATLAB中都有專用工具箱，現(xiàn)已有幾十個工具箱，但MATLAB語言的擴展開發(fā)還遠遠沒有結束，各學科的相互促進，將使得MATLAB更加強大,6 MATLAB的兼容功能 可與C/C++、JAVA、FORTURE等語言跨平臺兼容 7 MATLAB的容錯功能 非法操作時給出提示，并不影響其操作 8 MATLAB的開放
5、式可擴充結構 matlab 除內部函數(shù)外，都是開放的 用戶可按自己意愿隨意更改 正因為此功能，使得matlab的應用越來越廣泛 9 強大的聯(lián)機檢索幫助系統(tǒng) 可隨時檢索matlab函數(shù) 可隨時查詢matlab函數(shù)的使用方法,三、MATLAB集成環(huán)境,,Simulink,,當前目錄瀏覽,工作空間,歷史命令窗口,,,,幫助按鈕,命令窗口,命令輸入?yún)^(qū)域,,,,2 Simulink 仿真基礎,SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng) 建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精
6、力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。 所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進行存?。?，進而進行仿真與分析。,2.1 Simulink簡介,通過演示一個Simulink的簡單模型，了解建立模型的步驟. 【例1】創(chuàng)建一個正弦信號的仿真模型。 (1) 在MATLAB的命令窗口運行simulink命令，或單擊工具欄中的圖標，就可以打開Simulink模塊庫瀏覽器(Simulink Library
7、Browser) 窗口。 (2) 單擊工具欄上的圖標或選擇菜單“File”“New”“Model”，新建一個名為“untitled”的空白模型窗口。 (3) 在上圖的右側子模塊窗口中，單擊“Source”子模塊庫前的“+”(或雙擊Source)，或者直接在左側模塊和工具箱欄單擊Simulink下的Source子模塊庫，便可看到各種輸入源模塊。,(4) 用鼠標單擊所需要的輸入信號源模塊“Sine Wave”(正弦信號)，將其拖放到的空白模型窗口“untitled”，則“Sine Wave”模塊就被添加到untitled窗口；也可以用鼠標選中“Sine Wave”模塊，單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中選
8、擇“add to untitled”命令，就可以將“Sine Wave”模塊添加到untitled窗口. (5) 用同樣的方法打開接收模塊庫“Sinks”，選擇其中的“Scope”模塊(示波器)拖放到“untitled”窗口中。 (6) 在“untitled”窗口中，用鼠標指向“Sine Wave”右側的輸出端，當光標變?yōu)槭址麜r，按住鼠標拖向“Scope”模塊的輸入端，松開鼠標按鍵，就完成了兩個模塊間的信號線連接，一個簡單模型已經(jīng)建成。,(7) 開始仿真，單擊“untitled”模型窗口中“開始仿真”圖標，或者選擇菜單“Simulink”“Start”，則仿真開始。雙擊“Scope”模塊出現(xiàn)
9、示波器顯示屏，可以看到黃色的正弦波形。 (8) 保存模型，單擊工具欄的圖標。,Simulink模型窗口,示波器窗口,一、SIMULINK的啟動(三種方法) 二、SIMULINK的模塊庫介紹 SIMILINK模塊庫按功能分14類子庫： Continuous（連續(xù)模塊庫） Discontinuities （非線性模塊庫） Discrete（離散模塊庫） Logic and Bit Operations（邏輯與位操作模塊） Lookup Tables (查詢表模塊庫) Math Operations （數(shù)學運算模塊庫） Model Verification（模型驗證模塊庫） Model-wide u
10、tilities （模塊實用模塊庫） Ports & Subsystems （端口和子系統(tǒng)模塊庫） Signal Attributes（信號屬性模塊庫） Signal Routing（信號路由模塊庫） Sinks（接收器模塊庫） Sources（輸入源模塊庫） User-defined functions（用戶自定義模塊庫）,SimpowerSystems模型庫 Extra Library (其他模塊庫) Application Libraries（應用） Electrical Sources（電源） Elements（元器件） Machines (電機模塊庫) Measurements（測量
11、儀器） Power Electronics（電力電子元件）,三、Simulink模塊的基本操作 模塊的提取 模塊的移動、放大和縮小 模塊的復制和粘貼 模塊的刪除和恢復 模塊的轉向 模塊名的修改和移動 模塊顏色的改變 模塊的參數(shù)設置 模塊的屬性設定 模塊的連接 連線的彎折、移動和刪除 批處理方法,2.2 Simulink仿真步驟,1 構建仿真模型 2 設置模塊參數(shù) 3 設置仿真參數(shù) 4 啟動仿真 5 觀測仿真結果,,,,仿真參數(shù)設置對話框,Solver頁 仿真時間：注意這里的時間概念與真實的時間并不一樣，只是計算機仿真中對時間的一種表示，比如10秒的仿真時間，如果采樣步長定為0.1，則需要執(zhí)行1
12、00步，若把步長減小，則采樣點數(shù)增加，那么實際的執(zhí)行時間就會增加。一般仿真開始時間設為0，而結束時間視不同的因素而選擇?？偟恼f來，執(zhí)行一次仿真要耗費的時間依賴于很多因素，包括模型的復雜程度、解法器及其步長的選擇、計算機時鐘的速度等等。 仿真步長模式：用戶在Type后面的第一個下拉選項框中指定仿真的步長選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長）和Fixed-step（固定步長）方式。變步長模式可以在仿真的過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測。用戶還可以在第二個下拉選項框中選擇對應模式下仿真所采用的算法。,步長參數(shù)
13、：對于變步長模式，用戶可以設置最大的和推薦的初始步長參數(shù)，缺省情況下，步長自動地確定，它由值auto表示。 Maximum step size（最大步長參數(shù)）：它決定了解法器能夠使用的最大時間步長，它的缺省值為“仿真時間/50”，即整個仿真過程中至少取50個取樣點，但這樣的取法對于仿真時間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點過于稀疏，而使仿真結果失真。一般建議對于仿真時間不超過15s的采用默認值即可，對于超過15s的每秒至少保證5個采樣點，對于超過100s的，每秒至少保證3個采樣點。 Initial step size（初始步長參數(shù)）：一般建議用“auto”默認值即可。 仿真精度的定義（對于變步長模式）
14、 Relative tolerance（相對誤差）：它是指誤差相對于狀態(tài)的值，是一個百分比，缺省值為1e-3，表示狀態(tài)的計算值要精確到0.1%。 Absolute tolerance（絕對誤差）：表示誤差值的門限，或者是說在狀態(tài)值為零的情況下，可以接受的誤差。如果它被設成了auto，那么simulink為每一個狀態(tài)設置初始絕對誤差為1e-6。,2.3 其他,一、示波器的使用,1 示波器的參數(shù),2 圖形縮放 三個放大鏡：區(qū)域放大、x軸向放大、y軸向放大,3 坐標軸范圍,二、Simulink的仿真算法 1 變步長模式解法器有： ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，od
15、e23t，ode23tb和discrete,ode45：缺省值，四/五階龍格庫塔法，適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)，但不適用于剛性（stiff）系統(tǒng)。它是單步解法器，也就是，在計算y(tn)時，它僅需要最近處理時刻的結果y(tn-1)。一般來說，面對一個仿真問題最好是首先試試ode45。 ode23：二/三階龍格庫塔法，它在誤差限要求不高和求解的問題不太難的情況下，可能會比ode45更有效。也是一個單步解法器。 ode113：是一種階數(shù)可變的解法器，它在誤差容許要求嚴格的情況下通常比ode45有效。ode113是一種多步解法器，也就是在計算當前時刻輸出時，它需要以前多個時刻的解。 ode15s：是
16、一種基于數(shù)字微分公式的解法器（NDFs）。也是一種多步解法器。適用于剛性系統(tǒng)，當用戶估計要解決的問題是比較困難的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。 ode23s：它是一種單步解法器，專門應用于剛性系統(tǒng)，在弱誤差允許下的效果好于ode15s。它能解決某些ode15s所不能有效解決的stiff問題。 ode23t：是梯形規(guī)則的一種自由插值實現(xiàn)。這種解法器適用于求解適度stiff的問題而用戶又需要一個無數(shù)字振蕩的解法器的情況。 ode23tb：是TR-BDF2的一種實現(xiàn)， TR-BDF2 是具有兩個階段的隱式龍格庫塔公式。 discrtet：當Simulink檢
17、查到模型沒有連續(xù)狀態(tài)時使用它。,2 固定步長模式解法器有： ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。,ode5：缺省值，是ode45的固定步長版本，適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)，不適用于剛性系統(tǒng)。 ode4：四階龍格庫塔法，具有一定的計算精度。 ode3：固定步長的二/三階龍格庫塔法。 ode2：改進的歐拉法。 ode1：歐拉法。 discrete：是一個實現(xiàn)積分的固定步長解法器，它適合于離散無連續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)。,三、子系統(tǒng)的建立（Subsystem） 四、S-函數(shù)的設計 五、電力電子器件模型（p79） 六、圖形用戶界面（Powergui模塊）,3 電力電子電路的仿真,,,,,,,結 束,
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