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1、中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）第1章前言1.1 MATLAB/SIMULINK 仿真的目的与意义在电力电子电路如变流装置的设计过程中，需要对设计出来的初步方案 （电路）及有关元件参数选择是否合理，效果如何进行验证。如果通过实验来 检验，就要将设计的系统用元件安装出来再进行调试和试验，不能满足要求 时，要更换元件甚至要重新设计、安装、调试，往往要反复多次才能得到满 意的结果。这样将耗费大量的人力和物力，且使设计效率低下、耗资大、周 期长。采用计算机进行仿真试验，则可大大地节约开支，提高设计效率，缩短 设计周期。但是用其它计算机高级语言（如C语言，BASIC语言或仿真语言） 编程实现，对
2、电力变流电路来说，由于大功率开关器件开关转换电流换相动 态过程十分复杂，过渡过程一个接一个，一个未完，新的一个又开始了要分 析输出电压、电流（带感性负载时）波形，特别是如大功率开关管关断时承受 的尖峰电压大小形状，即阻容保护电路的保护效果如何，就要建立等效电路 的数学模型。而这样的数学模型是很复杂的，即使建立起来了，用计算机编 程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。然而采 MATLAB/SIMULINK 可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真 则可使之变得直观，简单易行，效率高，真实准确1。1.2 本课题的研究内容本课题主要研究的是利用 MATLAB/SIMUL
3、INK 建立电力电子电路仿真模 型并进行仿真。现将仿真的主要内容加以介绍：单相整流电路和三相整流电路主要研究其半波可控和桥式全控整流电 路，分别建立其 Simulink 仿真模型，进行系统仿真，对其仿真波形进行对 比分析，并与理论结果进行对比。直流斩波电路用于调整直流电的电压，它有多种类型，这里主要对降压（Buck）变流器、升压（Boost）变流器进行建模仿真，根据其降压和升压要求设计，确定电容电感值，并通过仿真结果来确认设计效果。三相交流调压器有星型连接和三角形联结的多种方案。其中星型联结又 有无中线和有中线两种电路，三角形联结有线路控制，支路控制和中点控制 的不同电路。这里主要研究两种常用
4、的无中线星形联结和支路控制三角形联 结线路，建立其 Simulink 模型，分别对其电阻负载和电感负载在不同触发 角度时进行仿真，分析其仿真波形。1.3 本课题的研究意义利用 Simulink 中的模块库建立单相/三相整流、直流斩波、三相交流调 压等电力变换电路，进行仿真后，对仿真波形进行比较分析。证实了该方法 的简便直观、高效快捷和真实准确性。由于计算机中修改参数方便，可以通 过改变方针参数就可观察各种现象，加深了对其电路原理的理解。通过对本课题的研究最终能够熟悉并掌握 Matlab /Simulink 的应用环 境，熟练应用 Simulink 模块库中模块建立电力电子电路的系统仿真模型，
5、设定系统仿真参数，进行系统仿真。第2章 MATLAB/SIMULINK基础知识2.1 MATLAB 介绍Matlab(Matrix Laboratory)是美国MathWorks公司开发的一套高性能 的数值分析和计算软件，用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理 想的集成环境，是目前最好的科学计算类软件之一。MATLAB 将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为 用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还 提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能， 是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB 已发展成为适合众
6、多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。 在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、 数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。 成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位 和工业开发部门， MATLAB 被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中 国， MATLAB 也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学 科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能22.1.1 MATLAB 的主要组成部分MATLAB 系统由 5 个主要的部分构成：(1) 开发环境(Development Environme
7、nt)：微 MATLAB 用户或程序编 制员提供的一套应用工具和设施。由一组图形化用户接口工具和组件集成： 包括MATLAB桌面、命令窗口、命令历史窗口、编辑调试窗口及帮助信息、 工作空间、文件和搜索路径等浏览器。(2) MATLAB数学函数库(Math Function Library):数学和分析功能在 MATLAB工具箱中被组织成8个文件夹。elmat 初步矩阵，和矩阵操作。elfun 初步的数学函数。求和、正弦、余弦和复数运算等specfun 特殊的数学函数。矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔函数等； matfun 矩阵函数用数字表示的线性代数。atafun 数据分析和傅立叶变换。polyf
8、un 插值，多项式。funfun 功能函数。sparfun 稀疏矩阵。(3) MATLAB语言：(MATLAB Language) 种高级编程语言(高阶的矩阵 /数组语言)，包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面对对象编 程；(4) 句柄图形： (Handle Graphics) MATLAB 制图系统具有 2 维、三维 的数据可视化，图象处理，动画片制作和表示图形功能。可以对各种图形对 象进行更为细腻的修饰和控制。允许你建造完整的图形用户界面( GUI)， 以及建立完整的图形界面的应用程序。制图法功能在MATLAB工具箱中被组 织成5个文件夹：二维数图表(graph2d)、三维图表(
9、graph3d)专业化图 表(specgraph)、制图法(graphics)、图形用户界面工具(uitools)。(5) 应用程序接口：(Applied Function Interface) MATLAB 的应用程 序接口允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序与MATLAB连接。2.1.2 MATLAB 的系统开发环境(System Developi ng Environment)1操作桌面(Opera ting Desk top)( 1 )桌面布局： 6 个窗口命令窗口(Commend Window)、工作空间窗口(Workspace)、当前目录 浏览器(Current Direct
10、ory )、命令历史窗口( Commend History )、启 动平台(Launch Pad)、帮助窗口(Help)、M文件优化器(Profiler)。(2)菜单和工具栏；(Menu and toolbar)操作桌面上有6个菜单和带 有 9 个快捷按钮的工具栏组。(3)改变桌面设置：(Setting) File菜单中Preference对话框中设 置。2命令窗口： (Command window)MATLAB 的主要交互窗口。用于输入 MATLAB 命令、函数、数组、表达式等信息，并显示图形以外 的所有计算结果。还可在命令窗口输入最后一次输入命令的开头字符或字符 串，然后用f键调出该命令行
11、。3工作空间窗口： (Workspace Window)用于储存各种变量和结果的空间，显示变量的名称、大小、字节数及数 据类型，对变量进行观察、编辑、保存和删除。临时变量不占空间。为了对变量的内容进行观察、编辑与修改，可以用三种方法打开内存数 组编辑器。双击变量名；选择该窗口工具栏上的打开图标；鼠标指向变量名， 点击鼠标右键，弹出选择菜单，然后选项操作。欲查看工作空间的情况，可以在命令窗口键入命令whos (显示存在工 作空间全部变量的名称、大小、数据类型等信息)或命令who (只显示变量 名)。4当前目录浏览器： (Current Directory)用于显示及设置当前工作目录，同时显示当前
12、工作目录下的文件名、文 件类型及目录的修改时间等信息。只有在当前目录或搜索路径下的文件及函 数可以被运行或调用。设置当前目录可以在浏览器窗口左上角的输入栏中直接输入，或点击浏 览器下拉按钮进行选择。还可用cd命令在命令窗口设置当前目录，如：cd c:mydir可将c盘上的mydir目录设为当前工作目录。5命令历史窗口： (Command History)记录已运行过的 MATLAB 命令历史，包括已运行过的命令、函数、表达 式等信息，可进行命令历史的查找、检查等工作，也可以在该窗口中进行命 令复制与重运行。6. 启动平台：(Launch Pad)帮助用户方便地打开和调用 MATLAB 的各种程
13、序、函数和帮助文件。平台列出了系统中安装的所有的MATLAB产品的目录，可以通过双击来 启动相应的选项。7. MATLAB 的搜索路径： (Searching Path)MATLAB 定义的一系列文件路径的组合，缺省状态下包括当前路径和已 安装的全部工具箱的路径。搜索目录的设置通过选择主菜单Set Path菜单项进行。用Add Folder按钮可以将某一目录加入搜索路径，选择Add with Subfolder按钮可将选中目录的子目录也包括在搜索路径中。8. 内存数组编辑器： (Array Editor)提供对数值型或字符型二维数组的显示和编辑功能，对其他数据类型都 不能编辑。通过工作空间窗口
14、打开所选的变量时，该编辑器启动。2.2 SIMULINK 仿真基础SIMULINK是MATLAB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 MATLAB 语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入，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3。1. 所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的 系统模块，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，通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.mdl文件进行存取)，进而进行仿真与
15、分析。2. Simulink 可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分 为几个部分，每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个完整系统。模 型创建完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，其内置的分 析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等。仿真结果可以以图 形方式在示波器窗口显示，也可将输出结果以变量形式保存起来，并输入到 MATLAB 中以完成进一步的分析。3. Simulink 可以仿真线性和非线性系统，并能创建连续时间、离散时 间或二者混合的系统。支持多采样频率系统。2.2.1 SIMULINK 启动在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink ，结果是
16、在桌面上出现一个称为 Simulink Library Browser 的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各 种模块的名称。也可以通过 MATLAB 主窗口的快捷按钮来打开 Simulink Library Browser 窗口。2.2.2 SIMULINK 的模块库介绍整个Simulink模块库是由各个模块组构成，标准的Simulink模块库中， 包括：信号源模块组(Source)、仪器仪表模块组(Sinks)、连续模块组 (Continuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性 模块组(Nonlinear)、函数与表格模块组(Function&Tables )、信号与系统 模块组(Signals&Systems)和子系统模块组(Subs
