电力电子的Matlab仿真技术

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1、电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真n Matlab 概述概述nSimulink 仿真基础仿真基础 -Simulink 简介简介 -Simulink 仿真步骤仿真步骤n电力电子电路的仿真电力电子电路的仿真 提提 纲纲电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真1 Matlab 概述概述 MATLAB是由美国的是由美国的Clever Moler博士于博士于1980年开发的，年开发的，初衷是为解决初衷是为解决“线性代数线性代数”课程的矩阵运算问题。课程的矩阵运算问题。后来又被后来又被MathWork

2、s公司商业化，用于算法开发、数据公司商业化，用于算法开发、数据分析及数值计算等，主要包括分析及数值计算等，主要包括MATLAB和和Simulink两部分。两部分。MATLAB是是Matrix Laboratory 的简称，发展迅速。目的简称，发展迅速。目前，前，MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的件工具，现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个已经不仅仅是一个“矩阵实验室矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言，有人称它为级编程语言，有人称

3、它为“第四代第四代”计算机语言，它在国内计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。外高校和研究部门正扮演着重要的角色。一、一、MATLAB的发展及特点的发展及特点电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真 它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性 有机有机的相结合。的相结合。它是一种直译式的高级语言，基本单位是它是一种直译式的高级语言，基本单位是矩阵矩阵，比其它程序，比其它程序设计语言容易。设计语言容易。MATLAB已经不仅是一个已经不仅是一个“矩阵实验室矩阵实验室”了，它集科学计了，它集科学计算、图象处理

4、、声音处理于一身，并提供了丰富的算、图象处理、声音处理于一身，并提供了丰富的Windows图形界面设计方法图形界面设计方法 MATLAB吸收了吸收了其他软件其他软件的优点，是功能强大的计算机高的优点，是功能强大的计算机高级语言级语言,它以超群的风格与性能风靡全世界它以超群的风格与性能风靡全世界,成功地应用于成功地应用于各工程学科的研究领域各工程学科的研究领域特点特点电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真 主要应用领域主要应用领域 工业研究与开发工业研究与开发 数学教学，特别是线性代数数学教学，特别是线性代数 数值分析和科学计算方面的教学与研究数值分析和科学计算方面的教学与

5、研究 电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究教学与研究 经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究的教学与研究 图像处理和信号检测等方面图像处理和信号检测等方面电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真二、MATLAB语言的功能1 矩阵运算功能矩阵运算功能 MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算 的处理工具。的处理工具。2 符号运算功能符号运算功能3 丰富的绘图功能与计算结果的可视化丰富的绘

6、图功能与计算结果的可视化 具有高层绘图功能具有高层绘图功能二维、三维绘图；二维、三维绘图；具有底层绘图功能具有底层绘图功能句柄绘图；句柄绘图；使用使用plot函数可随时将计算结果可视化，图形可修饰和控制函数可随时将计算结果可视化，图形可修饰和控制4 图形化程序编制功能图形化程序编制功能 动态系统进行建模、仿真和分析的软件包动态系统进行建模、仿真和分析的软件包 用结构图编程，而不用程序编程用结构图编程，而不用程序编程 只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真5 丰富的丰富的MATLAB工具箱工

7、具箱nMATLABMATLAB主工具箱主工具箱n符号数学工具箱符号数学工具箱nSIMULINKSIMULINK仿真工具箱仿真工具箱n控制系统工具箱控制系统工具箱n信号处理工具箱信号处理工具箱n图象处理工具箱图象处理工具箱n通讯工具箱通讯工具箱n系统辨识工具箱系统辨识工具箱n神经元网络工具箱神经元网络工具箱n金融工具箱金融工具箱许多学科，在许多学科，在MATLAB中都有专中都有专用工具箱，现已有用工具箱，现已有几十个工具箱，但几十个工具箱，但MATLAB语言的扩语言的扩展开发还远远没有展开发还远远没有结束，各学科的相结束，各学科的相互促进，将使得互促进，将使得MATLAB更加强大更加强大电力电子

8、技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真6 MATLAB的兼容功能的兼容功能 可与可与C/C+、JAVA、FORTURE等语言跨平台兼容等语言跨平台兼容7 MATLAB的容错功能的容错功能 非法操作时给出提示，并不影响其操作非法操作时给出提示，并不影响其操作8 MATLAB的开放式可扩充结构的开放式可扩充结构 matlab 除内部函数外，都是开放的除内部函数外，都是开放的 用户可按自己意愿随意更改用户可按自己意愿随意更改 正因为此功能，使得正因为此功能，使得matlab的应用越来越广泛的应用越来越广泛9 强大的联机检索强大的联机检索帮助系统帮助系统 可随时检索可随时检索matlab

9、函数函数 可随时查询可随时查询matlab函数的使用方法函数的使用方法电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真三、三、MATLAB集成环境集成环境SimulinkSimulink当前目录浏览当前目录浏览工作空间工作空间历史命令窗口历史命令窗口帮助按钮帮助按钮命令窗口命令窗口命令输入区域命令输入区域电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真2 Simulink 仿真基础仿真基础qSIMULINK是是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统软件的扩展，它是实现动态系统 建模和仿真的一个软件包，它与建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别语言的主要

10、区别在于，在于，其与用户交互接口是基于其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输的模型化图形输入，入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。的构建，而非语言的编程上。q 所谓模型化图形输入是指所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能提供了一些按功能分类的基本的系统模块，分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构通

11、过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行文件进行存取），进而进行仿真与分析。仿真与分析。电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真 Simulink简介简介 通过演示一个通过演示一个Simulink的简单模型，了解建立模型的步骤的简单模型，了解建立模型的步骤.【例1】创建一个正弦信号的仿真模型。】创建一个正弦信号的仿真模型。n(1)在在MATLAB的命令窗口运行的命令窗口运行simulink命令，或单击工命令，或单击工具栏中的图标，就可以打开具栏中的图标，就可以打开Simulink模块库浏览器

12、模块库浏览器(Simulink Library Browser)窗口窗口。n(2)单击工具栏上的图标或选择菜单单击工具栏上的图标或选择菜单“File”“New”“Model”，新建一个名为，新建一个名为“untitled”的空白模型窗口。的空白模型窗口。n(3)在上图的右侧子模块窗口中，单击在上图的右侧子模块窗口中，单击“Source”子模块库子模块库前的前的“+”(或双击或双击Source)，或者直接在左侧模块和工具箱，或者直接在左侧模块和工具箱栏单击栏单击Simulink下的下的Source子模块库，便可看到各种输入子模块库，便可看到各种输入源模块。源模块。电力电子技术的电力电子技术的Ma

13、tlabMatlab仿真仿真n(4)用鼠标单击所需要的输入信号源模块用鼠标单击所需要的输入信号源模块“Sine Wave”(正正弦信号弦信号)，将其拖放到的空白模型窗口，将其拖放到的空白模型窗口“untitled”，则，则“Sine Wave”模块就被添加到模块就被添加到untitled窗口；也可以用鼠窗口；也可以用鼠标选中标选中“Sine Wave”模块，单击鼠标右键，在快捷菜单中模块，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择选择“add to untitled”命令，就可以将命令，就可以将“Sine Wave”模模块添加到块添加到untitled窗口窗口.n(5)用同样的方法打开接收模块库用同样的方

14、法打开接收模块库“Sinks”，选择其中的，选择其中的“Scope”模块模块(示波器示波器)拖放到拖放到“untitled”窗口中。窗口中。n(6)在在“untitled”窗口中，用鼠标指向窗口中，用鼠标指向“Sine Wave”右侧右侧的输出端，当光标变为十字符时，按住鼠标拖向的输出端，当光标变为十字符时，按住鼠标拖向“Scope”模块的输入端，松开鼠标按键，就完成了两个模块间的信模块的输入端，松开鼠标按键，就完成了两个模块间的信号线连接，一个简单模型已经建成。号线连接，一个简单模型已经建成。电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真n(7)开始仿真，单击开始仿真，单击“u

15、ntitled”模型窗口中模型窗口中“开始仿真开始仿真”图标，或者选择菜单图标，或者选择菜单“Simulink”“Start”，则仿真，则仿真开始。双击开始。双击“Scope”模块出现示波器显示屏，可以看到模块出现示波器显示屏，可以看到黄色的正弦波形。黄色的正弦波形。n(8)保存模型，单击工具栏的图标。保存模型，单击工具栏的图标。Simulink模型窗口模型窗口示波器窗口示波器窗口电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真一、一、SIMULINK的启动的启动(三种方法)二、二、SIMULINK的模块库介绍的模块库介绍SIMILINK模块库按功能分模块库按功能分14类子库类子库

16、：Continuous（连续模块库）（连续模块库）Discontinuities（非线性模块库）Discrete（离散模块库）Logic and Bit Operations（逻辑与位操作模块）Lookup Tables(查询表模块库)Math Operations（数学运算模块库）（数学运算模块库）Model Verification（模型验证模块库）Model-wide utilities（模块实用模块库）Ports&Subsystems（端口和子系统模块库（端口和子系统模块库）Signal Attributes（信号属性模块库）Signal Routing（信号路由模块库）（信号路由模块

17、库）Sinks（接收器模块库）（接收器模块库）Sources（输入源模块库）（输入源模块库）User-defined functions（用户自定义模块库）电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真SimpowerSystems模型库模型库Extra Library(其他模块库其他模块库)Application Libraries（应用）（应用）Electrical Sources（电源）（电源）Elements（元器件）（元器件）Machines(电机模块库电机模块库)Measurements（测量仪器）（测量仪器）Power Electronics（电力电子（电力电子元件

18、）元件）电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真三、三、Simulink模块的基本操作模块的基本操作n模块的提取模块的提取n模块的移动、放大和缩小模块的移动、放大和缩小n模块的复制和粘贴模块的复制和粘贴n模块的删除和恢复模块的删除和恢复n模块的转向模块的转向n模块名的修改和移动模块名的修改和移动n模块颜色的改变模块颜色的改变n模块的参数设置模块的参数设置n模块的属性设定模块的属性设定n模块的连接模块的连接n连线的弯折、移动和删除连线的弯折、移动和删除1.批处理方法批处理方法电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真 Simulink仿真步骤仿真步骤1 构建

19、仿真模型构建仿真模型2 设置模块参数设置模块参数3 设置仿真参数设置仿真参数4 启动仿真启动仿真5 观测仿真结果观测仿真结果电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真仿真参数设置对话框仿真参数设置对话框电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真nSolver页页q 仿真时间：仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定秒的仿真时间，如果采样步长定为，则需要执行为，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数

20、增加，那么实际的步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。等。q 仿真步长模式：仿真步长模式：用户在用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有步长选取方式，可供选择的

21、有Variable-step（变步长）和（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。对应模式下仿真所采用的算法。电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真q步长参数：步长参数：对于变步长模式，用户可以设置最

22、大的和推荐的初始步对于变步长模式，用户可以设置最大的和推荐的初始步长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值auto表示。表示。qMaximum step size（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用的最大时间步长，它的缺省值为最大时间步长，它的缺省值为“仿真时间仿真时间/50”，即整个仿真过程中至，即整个仿真过程中至少取少取50个取样点，但这样的取法对于仿真时间较长的系统则可能带来个取样点，但这样的取法对于仿真时间较长的系统则可能带来取样点过于稀疏，而使仿真结果失真。一般建议对于仿真时间不超过取样点过于稀

23、疏，而使仿真结果失真。一般建议对于仿真时间不超过15s的采用默认值即可，对于超过的采用默认值即可，对于超过15s的每秒至少保证的每秒至少保证5个采样点，对个采样点，对于超过于超过100s的，每秒至少保证的，每秒至少保证3个采样点。个采样点。qInitial step size（初始步长参数）：一般建议用（初始步长参数）：一般建议用“auto”默认值即可。默认值即可。q仿真精度的定义（对于变步长模式）仿真精度的定义（对于变步长模式）qRelative tolerance（相对误差）：它是指误差相对于状态的值，是一（相对误差）：它是指误差相对于状态的值，是一个百分比，缺省值为个百分比，缺省值为1e

24、-3，表示状态的计算值要精确到，表示状态的计算值要精确到0.1%。qAbsolute tolerance（绝对误差）：表示误差值的门限，或者是说在状（绝对误差）：表示误差值的门限，或者是说在状态值为零的情况下，可以接受的误差。如果它被设成了态值为零的情况下，可以接受的误差。如果它被设成了auto，那么，那么simulink为每一个状态设置初始绝对误差为为每一个状态设置初始绝对误差为1e-6。电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真打开参数对话框打开参数对话框自动尺寸自动尺寸（复原）（复原）区域放大区域放大X轴放大轴放大示波器窗口示波器窗口把 当 前 的 坐把 当 前 的 坐

25、标设置保存标设置保存浮动示波器浮动示波器恢复保存过恢复保存过的坐标设置的坐标设置Y轴放大轴放大 其他其他一、示波器的使用一、示波器的使用 电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真 1 示波器的参数示波器的参数 电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真2 2 图形缩放图形缩放三个放大镜：区域放大、三个放大镜：区域放大、x x轴向放大、轴向放大、y y轴向放大轴向放大3 3 坐标轴范围坐标轴范围电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真二、二、Simulink的仿真算法的仿真算法1 变步长模式解法器有：变步长模式解法器有：ode45，ode

26、23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和和discreteode45：缺省值，四/五阶龙格库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（stiff）系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需要最近处理时刻的结果y(tn-1)。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。ode23：二/三阶龙格库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。ode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输

27、出时，它需要以前多个时刻的解。ode15s：是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs）。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。ode23s：它是一种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。ode23t：是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。ode23tb：是TR-BDF2的一种实现，TR-BDF2 是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式。d

28、iscrtet：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真2 固定步长模式解法器有：固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和和discrete。ode5：缺省值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连续或离散系统，不适用于刚性系统。ode4：四阶龙格库塔法，具有一定的计算精度。ode3：固定步长的二/三阶龙格库塔法。ode2：改进的欧拉法。ode1：欧拉法。discrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适合于离散无连续状态的系统。电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真三、子系统的建立（三、子系统的建立（Subsystem）四、四、S-函数的设计函数的设计五、电力电子器件模型（五、电力电子器件模型（p79）六、图形用户界面（六、图形用户界面（Powergui模块）模块）电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真3 电力电子电路的仿真电力电子电路的仿真电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真电力电子技术的电力电子技术的MatlabMatlab仿真仿真结结 束束