MATLAB软件应用及仿真

1 MATLAB/SIMULIK基础知识

1.1 MATLAB 介绍

1980年，美国的Cleve Moler博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现采用高级语言编程极为不便，于是建立了MATLAB（Matrix Laboratory的缩写），即矩阵实验室，早期开发MATLAB软件是为了帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。1984年，由美国Math Works公司推出了商业版，经过二十余年的不断升级，目前MATLAB的最新版本为MATLABR2008a[1]。

由于使用MATLAB编程运算与进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习Basic、Fortran和C等其它高级语言那样难于掌握。用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便会由MATLAB以数值或图形的方式显示出来。它可以很方便地进行图形化的输入输出，同时还具有丰富的函数库（工具箱），极易实现各种不同专业的科学计算功能。另外，MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便地与其他语言实现混合编程，这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。

1.1.1 MATLAB 主要组成部分

MATLAB的主要组成：

（1）MATLAB语言：高级矩阵/阵列语言。 （2）MATLAB工作环境：一组实用工具函数。 （3）图形处理。 （4）MATLAB数学函数。 （5）MATLAB应用程序接口。 MATLAB重要部件：

（1）SIMULINK：进行仿真的交互式系统。

（2）Toolboxes：用于解决某一方面问题的子程序集。

1.1.2 MATLAB的系统开发环境

在桌面上双击MATLAB快捷方式图标，或者在开始菜单里点击MATLAB的选项，即可进入环境。进入MATLAB环境，即打开了MATLAB窗口（见图1-1）。环境包括MATLAB标题栏、主菜单栏和常用工具栏。在默认显示状态时，在工具栏下有三个子窗口，左边上方窗口显示MATLAB联机说明书目录或工作间的内容，两者可以通过子窗口下方的Current Directory和Workspace键进行切换。左边下方窗口将显示已执行的命令（Command History）。右方窗口是MATLAB的命令子窗口，这是MATLAB的主要工作窗口，在这个窗口中，在提示符“>>”后逐行输入

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MATLAB命令，回车后，命令就能立即得到执行。在这里，对开发环境做简要介绍。

图1-1 MATLAB 的操作界面窗口

MATLAB的主菜单

MATLAB的主菜单有File、Edit、View、Web和Help六项。点击菜单命令就会显示下拉子菜单的内容。这些菜单的内容和其他程序的菜单区别不大，在这里不做说明。

命令窗口（Command Window）

命令窗口是用户与MATLAB进行交互的主要场所。如上图中右方窗口所示。命令窗口的空白区域，用于输入和显示计算结果。可以在该区域键入各种MATLAB命令进行各种操作，或直接键入数学表达式进行计算，还可以直接键入MATLAB的系统命令并执行。 工作空间（Workspace）

工作空间（Workspace）是指接受MATLAB命令的内存区域，存储着命令窗口输入的命令和创建的所有变量值。每打开一次MATLAB，都会自动建立一个工作空间，当MATLAB运行程序时，程序中的变量就会存放到工作空间中，程序的运行结果也以变量的形式保存在工作空间中，关闭MATLAB后，工作空间会自动消除。

1.2 SIMULINK 仿真基础

系统仿真（SIMULINK）环境也称工具箱（Toolbox），是MATLAB最早开发的，它包括SIMULINK仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数

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和传递函数表达的系统，是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包（CCS）的继续，现在的系统仿真（SIMULINK）包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。由于SIMULINK的仿真平台使用方便、功能强大，后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境，成为MATLAB仿真的公共平台。SIMULINK是Simulation和Link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，MATLAB模型库都在此环境中使用，从模型库中提取放到SIMULINK的仿真平台上进行仿真。所以，有关SIMULINK的操作是仿真应用的基础。

1.2.1 SIMULINK 启动

从MATLAB窗口进入SIMULINK环境有以下几种方法：

（1）在MATLAB菜单栏上单击File，并在下拉菜单中的New选项下单击Model； （2）在MATLAB工具栏上单击按钮，然后在打开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮；

（3）在MATLAB的命令窗口中输入“simulink”后回车，然后在打开的模型库浏览器窗口菜单上单击按钮。

完成上述操作之一后，屏幕上出现SIMULINK的工作窗口（见图1-2）。在SIMULINK工作窗口上方标题栏上，“untitled”表示一个尚未命名的新文件，在其上方右侧是最小化、最大化和关闭三个按钮。标题栏下方是菜单栏，这里有File（文件）、Edit（编辑）、View（查看）、Simulation（仿真）、Format（格式）、Tools（工具）和Help（帮助）7项主要功能菜单。第三栏是菜单命令的等效按钮。窗口下方有仿真状态的提示栏，在启动仿真后，在该栏中可以提示仿真的进度和使用的仿真算法。窗口中部的空白部分是绘制仿真模型框图的空间，这是对系统仿真的主要平台。

图1-2 SIMULINK工作窗口

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1.2.2 SIMULINK的模块库介绍

在Matlab命令窗口中键入Simulink命令，便可以打开SIMULINK的库浏览器窗口（见图1-3），窗口左部的树状目录是各分类模型库的名称。在分类模型库下还有二级子模型库，点击模型库前带“+”的小方块则可展开二级子模型库的目录，点击模型库名前带“-”的小方块则可关闭二级目录。在这里点击或直接点击图标可以在窗口中展现三级目录下的模型图标。图1-4所示为打开仪器仪表模块库（Sinks）子模型库后的窗口。在窗口右边展现了Sinks子模型库中的9个模块。

图1-3 模型库浏览器窗口之一 图1-4 模型库浏览器窗口之二

1.2.3 电力系统模块的介绍

在Matlab命令窗口中输入“powerlib”，按回车键（Enter），就可以打开电力系统工具箱。电力系统工具箱包括了电路、电力电子等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模型分布在7个模块库中，如图1-5所示。利用这些库模块及其它库模块，可以方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。

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图1-5电力系统工具箱模块库

电源模块库(Electrical Sources)：

包括交流、直流及可控的电压源和电流源。这一部分模型可以用来仿真交、直流电源。

元件模块库(Elements) ：

包括串联及并联的RLC支路负载、断路器、分布参数线、线性变压器、饱和变压器、和过电压自动装置、互感、开关等。这部分可以仿真交流输电线装置。 电力电子模块库(Power Electronics)：

包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT 等电力电子器件。还有通用桥(Universal Bridge)，它可设定成不同电力电子器件的单臂、双臂和三臂桥。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。 电机模块库(Machines)：

此部分有异步电动机、励磁系统、水轮电机及其监测系统、永磁同步电机、简化的同步电机、同步电机。这些模型可以仿真电力系统中发电机设备、电力拖动设备等。

连接模块库(Connectors)：

这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。如地线、中性点、连结点等。 测量模块库(Measurements)：

包括电流、电压等测量模块，该部分模型用来采集线路的电压或电流值。这一部分还起着连接SIMULINK 模型与POWERLIB 模型的作用。 附加模块库(Extras)：

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扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组。用户可以根据自己的电力系统结构图使用POWERLIB和SLMULINK中相应的模型来组成仿真的电路模型。主要有①控制模块库：内有同步6 脉冲发生器、PWM 发生器、时钟、三相可编程电源等。②离散测量模块库：各种离散测量模块。③离散控制模块库：离散PI、PID 控制器，离散PWM 发生器和二阶滤波器等。④测量模块库：有交流调速中的坐标变换等。⑤矢量模块库：序列分析器等。⑥附加电机模块库：有直流电机、离散直流电机等。

1.2.4 SIMULINK的仿真步骤

利用SIMULINK环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如下几个步骤： （1）根据要仿真的系统框图，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型； （2）设置模块参数； （3）设置仿真参； （4）启动仿真； （5）观测仿真结果。

2 整流电路仿真

2.1 单相半波可控整流系统

2.1.1 晶闸管的仿真

晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。晶闸管有两个输入端和两个输出端第一个输入与输出是阳极媏a与阴极端k第二个输入g是门极控制信号端如图①当勾选“Show measurement port”项时便显示第二个输出端m如图②这是晶闸管检测输出向量[Iak Uak]端可连接仪表检测流经晶闸管的电流Iak与晶闸管的正向压降Uak晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。

图① 图② 图2-1 晶闸管组建的符号和仿真模型

在模型结构图中当鼠标双击模型时则弹出晶闸管参数对话框如图2-2所

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示 。

“Resistance Ron(Ohms)”：晶闸管导通电阻RonΩ。

“Inductance LonH”：晶闸管元件内电感LonH。电感参数与电阻参数不能同时设 为0

“Forward voltage VfV”：晶闸管元件的正向管压降VfV。 “Initial current IcA”：初始电流IcA。 “Snubber resistance Rsohms”：缓冲电阻RsΩ。

“Snubber capacitance CsF”：缓冲电容CsF。可对Rs与Cs设置不同的数值以改变或者取消吸收电路。

“Show measurement port”：为设置是否显示检测端m。

需要说明的是含有晶闸管模型的电路仿真时最好采用特定的算法Ode23tb与Oder15s而当电路进行离散化处理时晶闸管的内电感量应设为0。

图2-2 晶闸管参数对话框

2.1.2 单相半波可控整流电路的工作原理

设置“Resistance (Ohms)” 电阻R=1Ω “Inductance LonH”

电感L=5e-3H当晶闸管VT处于断态时，电路中电流Id=0，负载上的电

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压为0，U2全部加在VT两端，在触发角α处，触发VT使其导通，U2加于负载两端，由于电感L的存在使电流id不能突变，id从0开始增加同时L的感应电动势试图阻止id增加，这时交流电源一方面供给电阻R消耗的能量，一方面供给电感L吸收的电磁能量到U2由正变负的过零点处处id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于导通状态，当id减小至零，VT关断并承受反向压降，电感L延迟了VT的关断时刻使Ud波形出现负的部分。其电路图如下：

图2-3 单相半波可控整流电路图

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图整体模型如图2-4所示

图2-4 单相半波晶闸管可控整流电路的仿真模型

2.1.3 模型参数的设置

仿真参数：选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3 开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.12，如下图所示

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图2-5 仿真参数设置

交流电压源：

“Peak amplitude”:正弦电压峰值Um，单位V， “Phase”正弦电压初相角φ,单位度， “Frequency”正弦电压频率f单位 Hz， “Sample time”采样时间 单位 s，

本实验参数设置为频率50Hz电压幅值220V其他为默认设置如图所示。

图2-6 交流电压源参数设置

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晶闸管：

设置“Snubber resistance Rsohms”缓冲电阻Rs=500Ω “Snubber capacitance CsF”

缓冲电容Cs为无穷大inf 其他为默认设置如图所示

图2-7 晶闸管参数设置

RLC元件：

“capacitanceF” 电容为无穷大inf “measurements”测量选None 如图所示

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图2-8 RLC元件参数设置

脉冲信号发生器：

“Amplitude”脉冲幅值， “Period(secs)”周期（秒），

“Pulse Width(% of Period”：脉冲宽度（周期的百分数） “Phase delay(secs)”：相位延迟（秒）。

振幅A=3V，周期T=0.02，占空比10%，时相延迟（1/50）X(α/360)s,如图所示，α为移相控制角

图2-9 脉冲信号发生器参数设置

示波器：

设置Number of axes 为5，显示5段波形，分别为脉冲电压Ug，晶闸管两端电

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压UVT，负载电流id，负载电压ud，电源电压U2 。

图2-10示波器参数设置

电压电流测量无需设置直接使用。

2.1.4 仿真波形

设置触发脉冲α为60°。其产生的相应波形分别如图所示。在波形图中第一列为脉冲电压Ug波形第二列为晶闸管两端电压UVT波形第三列为负载电流id波形第四列为负载电压ud波形第五列为电源电压U2 波形。

图2-11 仿真波形

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2.2 相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真

2.2.1 工作原理

在交流电源U1的正半周和负半周,分别对VT1和VT2的触发延迟角ɑ进行控制,使得输出电压波形为正弦电压的一部分,从而实现调节输出电压的目的,负载阻抗角φ=arctan(ωL/R),负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位φ,把ɑ=0° 的时刻定在电源电压过零的时刻,显然阻感负载下稳态时ɑ的移相范围为π-φ

图2-12单相交流调压电路原理图

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,整体模型如下图所示

图2-13 相位控制的晶闸管单相交流调压器仿真模型

2.2.2 模型参数的设置

交流电压源：参数设置为频率50Hz，电压幅值220V，“measurements”测量选“Voltage”其他为默认设置，如图所示。

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图2-14 交流电压源参数设置

脉冲信号发生：振幅A=12V，周期T=0.02，占空比30%，时相延迟（1/50）x（α/360）如图所示 α为移相控制角两个脉冲信号发生器位相差180°。

图2-15 脉冲信号发生参数设置

晶闸管：不勾选“Show measurement port”其他均为默认设置 RLC元件： R=1Ω，H=0,C=inf

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图2-16 RLC元件参数设置

万用表 ：选择Usrc：U1，测量交流电源电压

图2-17 万用表参数设置

示波器：设置Number of axes 为5，显示5段波形

图2-18 示波器参数设置

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2.2.3 仿真波形

设置Pulse1触发脉冲角α1为30°，Pulse2触发脉冲角α2对应为210°产生的相应波形分别如图所示，第一列为晶闸管两端电压uVT波形，第二列负载电流i0波形，第三列电压u0波形，第四列脉冲信号Ug波形，第五列为交流电源U1波形。

图2-19 仿真波形

2.3晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统仿真

2.3.1 工作原理

以α=0°为例6个晶闸管 的导 通 顺 序 为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，触发脉冲为宽脉冲宽度大于60°保证了每个时刻均有两个晶闸管导通当VT1-VT2导通时桥臂输出电压为Uac，然后VT2-VT3导通输出电压为Ubc，VT3-VT4导通输出电压为Uba，VT4-VT5导通输出电压为Uca，VT5-VT6 导通输出电压为Ucb VT6-VT1导通输出电压为Uab。因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线 。其原理图如下：

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图2-20 三相桥式全控整流电路原理图

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,整体模型如下图所示：

图2-21 三相桥式全控整流系统电阻负载的仿真模型

仿真参数：选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1。

2.3.2 模型参数的设置

交流电压源：三相交流电源通过三个频率为50Hz、幅值为220V、相位两两相差120°，A相的设置如图4-3所示,另外两相设置为B相相位滞后A相120°，phase设置为-120°,C相相位超前A相120°，Phase设置120°，“measurements”三相都要选Voltage，以便使用万用表测量电压。

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图2-22 交流电压源参数设置

通用桥：输入端A,B,C为三相交流的相电压输入端子，输入端g为触发脉冲输入端子，+,-为整流器输出正负极端子。“Number of bridge arms”：通用整流桥臂的相数，“Snubber resistance Rsohms”：缓冲电阻Rs（Ω），“snubber capacita，Ce Cs(F)”：缓冲电容Cs（F),“Power Electronic device”:电力电子器件的种类,默认晶闸管,“Ron(Ohms)”:器件内电阻(Ω),“Lon(H)”:器件内电感(H),“Forward voltage Vf(V)”：整流桥门槛电压(伏）。在“Measurement” 选“All voltages and currents”（全部电压和电流）以便测量桥臂内晶闸管的 的压和电流，其他参数为默认值。

图2-23通用桥参数设置

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常量：三相桥式全控整流系统仿真模型要使用两个常量模块，一个提供触发角ɑ的值，一个设置为0连接同步6脉冲触发器的使能端Block，使其能正常工作。

图2-24 常量参数设置

万用表：三相桥式全控整流系统仿真模型使用了3个万用表，其中一个万用表的参数选中Isw1，一个选Usw1，还有一个选usrc:A,usrc:B,usrc:C。

图2-25 万用表参数设置

示波器：三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两个示波器，最主要的一个设置Number of axes 为4，显示4段波形，分别为负载电流id,负载电压ud,

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脉冲信号电压Ug，A,B,C三相电压。另一个示波器显示晶闸管VT1的电压和电流。

RLC:R=10Ω,L=0H,C=inf(无穷大)

2.3.3 仿真波形

设置触发脉冲冲α=0°，四列波形分别为负载电流id,负载电压ud，脉冲信号电压Ug，A,B,C三相电压。

图2-26 仿真波形

晶闸管VT1的电流电压波形如下图：

图2-27 晶闸管的电流电压波形

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3 总结

这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。课程设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电子的开发技术是十分重要的。而仿真软件matlab中的simulink模块中的simpowersystem是专门针对电力系统而设置的专业仿真模块，通过该软件搭建的仿真电路，观察波形输出，初学者可以学到不少东西，由于现实器件的限制，模拟仿真就给我们提供了一个准确理解学习理论的良好途径。

与传统授课方式相比， 通过利用Simulink仿真软件，只要对模块的参数作相应的修改，不需再重新构建仿真模型，便可得到各输出量对应不同条件下（如负载不同、控制角不同）的波形，使教学更具有实时性、直观性，也一改传统教学中出现的静止不变的电压和电流波形，使学生可以观测到动态的电压、电流波形，有助于理论知识的理解， 更好的掌握课程所授内容。

4 参考文献

【1】 王兆安、刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2010. 【2】 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社, 2005. 【3】 林飞、杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京：中国电力出版社,2009.

【4】 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京：机械工业出版社,2010.

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附录1 单相半波可控整流电路的仿真模型

附录2 相位控制的晶闸管单相交流调压器的仿真模型

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附录3 晶闸管三相桥式整流系统的仿真模型

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课程设计成绩评定表

项 目 比例 得 分 成 绩 平时成绩（百分制记分） 30% 业务考核成绩（百分制记分） 70% 评 定 总评成绩（百分制记分） 100% 评定等级 指导教师（签名）： 优 良 中 及格 不及格 20 年 月 日

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5rjg.html