簡介:電力電子技術(shù)的MATLAB仿真,MATLAB概述SIMULINK仿真基礎(chǔ)SIMULINK簡介SIMULINK仿真步驟電力電子電路的仿真,提綱,1MATLAB概述,MATLAB是由美國的CLEVERMOLER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(yùn)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(jì)算等,主要包括MATLAB和SIMULINK兩部分。MATLAB是MATRIXLABORATORY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(xué)與工程計(jì)算的軟件工具,現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了,它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級編程語言,有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語言,它在國內(nèi)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(diǎn),它將一個(gè)優(yōu)秀軟件的易用性與可靠性、通用性與專業(yè)性有機(jī)的相結(jié)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(shè)計(jì)語言容易。MATLAB已經(jīng)不僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了,它集科學(xué)計(jì)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(shè)計(jì)方法MATLAB吸收了其他軟件的優(yōu)點(diǎn),是功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)高級語言,它以超群的風(fēng)格與性能風(fēng)靡全世界,成功地應(yīng)用于各工程學(xué)科的研究領(lǐng)域,特點(diǎn),主要應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)研究與開發(fā)數(shù)學(xué)教學(xué),特別是線性代數(shù)數(shù)值分析和科學(xué)計(jì)算方面的教學(xué)與研究電子學(xué)、控制理論和物理學(xué)等工程和科學(xué)學(xué)科方面的教學(xué)與研究經(jīng)濟(jì)學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等計(jì)算問題的所有其他領(lǐng)域中的教學(xué)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(yùn)算功能MATLAB提供了豐富的矩陣運(yùn)算處理功能,是基于矩陣運(yùn)算的處理工具。2符號運(yùn)算功能3豐富的繪圖功能與計(jì)算結(jié)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(shí)將計(jì)算結(jié)果可視化,圖形可修飾和控制4圖形化程序編制功能動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包用結(jié)構(gòu)圖編程,而不用程序編程只需拖幾個(gè)方塊、連幾條線,即可實(shí)現(xiàn)編程功能,5豐富的MATLAB工具箱,MATLAB主工具箱符號數(shù)學(xué)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(luò)工具箱金融工具箱,許多學(xué)科,在MATLAB中都有專用工具箱,現(xiàn)已有幾十個(gè)工具箱,但MATLAB語言的擴(kuò)展開發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束,各學(xué)科的相互促進(jìn),將使得MATLAB更加強(qiáng)大,6MATLAB的兼容功能可與C/C、JAVA、FORTURE等語言跨平臺兼容7MATLAB的容錯(cuò)功能非法操作時(shí)給出提示,并不影響其操作8MATLAB的開放式可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)MATLAB除內(nèi)部函數(shù)外,都是開放的用戶可按自己意愿隨意更改正因?yàn)榇斯δ?,使得MATLAB的應(yīng)用越來越廣泛9強(qiáng)大的聯(lián)機(jī)檢索幫助系統(tǒng)可隨時(shí)檢索MATLAB函數(shù)可隨時(shí)查詢MATLAB函數(shù)的使用方法,三、MATLAB集成環(huán)境,,SIMULINK,,當(dāng)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,,,,2SIMULINK仿真基礎(chǔ),SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展,它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)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(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)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(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的,通過對這些基本模塊的調(diào)用,再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型(以MDL文件進(jìn)行存取),進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。,21SIMULINK簡介,通過演示一個(gè)SIMULINK的簡單模型,了解建立模型的步驟【例1】創(chuàng)建一個(gè)正弦信號的仿真模型。1在MATLAB的命令窗口運(yùn)行SIMULINK命令,或單擊工具欄中的圖標(biāo),就可以打開SIMULINK模塊庫瀏覽器SIMULINKLIBRARYBROWSER窗口。2單擊工具欄上的圖標(biāo)或選擇菜單“FILE”“NEW”“MODEL”,新建一個(gè)名為“UNTITLED”的空白模型窗口。3在上圖的右側(cè)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(cè)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(biāo)單擊所需要的輸入信號源模塊“SINEWAVE”正弦信號,將其拖放到的空白模型窗口“UNTITLED”,則“SINEWAVE”模塊就被添加到UNTITLED窗口;也可以用鼠標(biāo)選中“SINEWAVE”模塊,單擊鼠標(biāo)右鍵,在快捷菜單中選擇“ADDTOUNTITLED”命令,就可以將“SINEWAVE”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(biāo)指向“SINEWAVE”右側(cè)的輸出端,當(dāng)光標(biāo)變?yōu)槭址麜r(shí),按住鼠標(biāo)拖向“SCOPE”模塊的輸入端,松開鼠標(biāo)按鍵,就完成了兩個(gè)模塊間的信號線連接,一個(gè)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(biāo),或者選擇菜單“SIMULINK”“START”,則仿真開始。雙擊“SCOPE”模塊出現(xiàn)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(biāo)。,SIMULINK模型窗口,示波器窗口,一、SIMULINK的啟動(dòng)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)LOGICANDBITOPERATIONS(邏輯與位操作模塊)LOOKUPTABLES查詢表模塊庫MATHOPERATIONS(數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫)MODELVERIFICATION(模型驗(yàn)證模塊庫)MODELWIDEUTILITIES(模塊實(shí)用模塊庫)PORTSSUBSYSTEMS(端口和子系統(tǒng)模塊庫)SIGNALATTRIBUTES(信號屬性模塊庫)SIGNALROUTING(信號路由模塊庫)SINKS(接收器模塊庫)SOURCES(輸入源模塊庫)USERDEFINEDFUNCTIONS(用戶自定義模塊庫),SIMPOWERSYSTEMS模型庫EXTRALIBRARY其他模塊庫APPLICATIONLIBRARIES(應(yīng)用)ELECTRICALSOURCES(電源)ELEMENTS(元器件)MACHINES電機(jī)模塊庫MEASUREMENTS(測量儀器)POWERELECTRONICS(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(dòng)、放大和縮小模塊的復(fù)制和粘貼模塊的刪除和恢復(fù)模塊的轉(zhuǎn)向模塊名的修改和移動(dòng)模塊顏色的改變模塊的參數(shù)設(shè)置模塊的屬性設(shè)定模塊的連接連線的彎折、移動(dòng)和刪除批處理方法,22SIMULINK仿真步驟,1構(gòu)建仿真模型2設(shè)置模塊參數(shù)3設(shè)置仿真參數(shù)4啟動(dòng)仿真5觀測仿真結(jié)果,,,,仿真參數(shù)設(shè)置對話框,SOLVER頁仿真時(shí)間注意這里的時(shí)間概念與真實(shí)的時(shí)間并不一樣,只是計(jì)算機(jī)仿真中對時(shí)間的一種表示,比如10秒的仿真時(shí)間,如果采樣步長定為01,則需要執(zhí)行100步,若把步長減小,則采樣點(diǎn)數(shù)增加,那么實(shí)際的執(zhí)行時(shí)間就會(huì)增加。一般仿真開始時(shí)間設(shè)為0,而結(jié)束時(shí)間視不同的因素而選擇??偟恼f來,執(zhí)行一次仿真要耗費(fèi)的時(shí)間依賴于很多因素,包括模型的復(fù)雜程度、解法器及其步長的選擇、計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的速度等等。仿真步長模式用戶在TYPE后面的第一個(gè)下拉選項(xiàng)框中指定仿真的步長選取方式,可供選擇的有VARIABLESTEP(變步長)和FIXEDSTEP(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(gè)下拉選項(xiàng)框中選擇對應(yīng)模式下仿真所采用的算法。,步長參數(shù)對于變步長模式,用戶可以設(shè)置最大的和推薦的初始步長參數(shù),缺省情況下,步長自動(dòng)地確定,它由值A(chǔ)UTO表示。MAXIMUMSTEPSIZE(最大步長參數(shù))它決定了解法器能夠使用的最大時(shí)間步長,它的缺省值為“仿真時(shí)間/50”,即整個(gè)仿真過程中至少取50個(gè)取樣點(diǎn),但這樣的取法對于仿真時(shí)間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點(diǎn)過于稀疏,而使仿真結(jié)果失真。一般建議對于仿真時(shí)間不超過15S的采用默認(rèn)值即可,對于超過15S的每秒至少保證5個(gè)采樣點(diǎn),對于超過100S的,每秒至少保證3個(gè)采樣點(diǎn)。INITIALSTEPSIZE(初始步長參數(shù))一般建議用“AUTO”默認(rèn)值即可。仿真精度的定義(對于變步長模式)RELATIVETOLERANCE(相對誤差)它是指誤差相對于狀態(tài)的值,是一個(gè)百分比,缺省值為1E3,表示狀態(tài)的計(jì)算值要精確到01。ABSOLUTETOLERANCE(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(shè)成了AUTO,那么SIMULINK為每一個(gè)狀態(tài)設(shè)置初始絕對誤差為1E6。,23其他,一、示波器的使用,1示波器的參數(shù),2圖形縮放三個(gè)放大鏡區(qū)域放大、X軸向放大、Y軸向放大,3坐標(biāo)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,ODE23T,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(jì)算YTN時(shí),它僅需要最近處理時(shí)刻的結(jié)果YTN1。一般來說,面對一個(gè)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(huì)比ODE45更有效。也是一個(gè)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(yán)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(jì)算當(dāng)前時(shí)刻輸出時(shí),它需要以前多個(gè)時(shí)刻的解。ODE15S是一種基于數(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(dāng)用戶估計(jì)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(yīng)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(shí)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(gè)無數(shù)字振蕩的解法器的情況。ODE23TB是TRBDF2的一種實(shí)現(xiàn),TRBDF2是具有兩個(gè)階段的隱式龍格-庫塔公式。DISCRTET當(dāng)SIMULINK檢查到模型沒有連續(xù)狀態(tài)時(shí)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(jì)算精度。ODE3固定步長的二/三階龍格-庫塔法。ODE2改進(jìn)的歐拉法。ODE1歐拉法。DISCRETE是一個(gè)實(shí)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(shè)計(jì)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(jié)束,
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