電力電子的Matlab仿真技術(shù).ppt

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1、電力電子技術(shù)的Matlab仿真,Matlab 概述 Simulink 仿真基礎(chǔ) - Simulink 簡(jiǎn)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(guó)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(yùn)算問題。 后來(lái)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Matrix Laboratory 的簡(jiǎn)稱，發(fā)展迅速。目前，MATLAB 已經(jīng)成為國(guó)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

2、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(jí)編程語(yǔ)言，有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它在國(guó)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(jí)語(yǔ)言，基本單位是矩陣，比其它程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(jí)語(yǔ)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

3、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(hào)檢測(cè)等方面,二、MATLAB語(yǔ)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(hào)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)

4、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(hào)數(shù)學(xué)工具箱 SIMULINK仿真工具箱 控制系統(tǒng)工具箱 信號(hào)處理工具箱 圖象處理工具箱 通訊工具箱 系統(tǒng)辨識(shí)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(yǔ)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,6 MATLAB的兼容功能 可與C/C++、JAVA、FORTURE等語(yǔ)言跨平臺(tái)兼容 7 MATLAB的容錯(cuò)功能 非法操作時(shí)給出提示，并不影響其操作 8 MATLAB的開放

5、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(lái)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,,,,2 Simulink 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(yǔ)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

6、力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)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(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)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。,2.1 Simulink簡(jiǎn)介,通過演示一個(gè)Simulink的簡(jiǎn)單模型，了解建立模型的步驟. 【例1】創(chuàng)建一個(gè)正弦信號(hào)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(kù)瀏覽器(Simulink Library

7、Browser) 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(kù)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(kù)，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(hào)源模塊“Sine Wave”(正弦信號(hào))，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(biāo)選中“Sine Wave”模塊，單擊鼠標(biāo)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(kù)“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“Sine Wave”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(hào)線連接，一個(gè)簡(jiǎn)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)

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(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(kù)介紹 SIMILINK模塊庫(kù)按功能分14類子庫(kù)： Continuous（連續(xù)模塊庫(kù)） Discontinuities （非線性模塊庫(kù)） Discrete（離散模塊庫(kù)） Logic and Bit Operations（邏輯與位操作模塊） Lookup Tables (查詢表模塊庫(kù)) Math Operations （數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)） Model Verification（模型驗(yàn)證模塊庫(kù)） Model-wide u

10、tilities （模塊實(shí)用模塊庫(kù)） Ports & Subsystems （端口和子系統(tǒng)模塊庫(kù)） Signal Attributes（信號(hào)屬性模塊庫(kù)） Signal Routing（信號(hào)路由模塊庫(kù)） Sinks（接收器模塊庫(kù)） Sources（輸入源模塊庫(kù)） User-defined functions（用戶自定義模塊庫(kù)）,SimpowerSystems模型庫(kù) Extra Library (其他模塊庫(kù)) Application Libraries（應(yīng)用） Electrical Sources（電源） Elements（元器件） Machines (電機(jī)模塊庫(kù)) Measurements（測(cè)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(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,2.2 Simulink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(cè)仿真結(jié)果,,,,仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,Solver頁(yè) 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(duì)時(shí)間的一種表示，比如10秒的仿真時(shí)間，如果采樣步長(zhǎng)定為0.1，則需要執(zhí)行1

12、00步，若把步長(zhǎng)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(lái)，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(zhǎng)的選擇、計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的速度等等。 仿真步長(zhǎng)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(zhǎng)選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長(zhǎng)）和Fixed-step（固定步長(zhǎng)）方式。變步長(zhǎng)模式可以在仿真的過程中改變步長(zhǎng)，提供誤差控制和過零檢測(cè)。固定步長(zhǎng)模式在仿真過程中提供固定的步長(zhǎng)，不提供誤差控制和過零檢測(cè)。用戶還可以在第二個(gè)下拉選項(xiàng)框中選擇對(duì)應(yīng)模式下仿真所采用的算法。,步長(zhǎng)參數(shù)

13、：對(duì)于變步長(zhǎng)模式，用戶可以設(shè)置最大的和推薦的初始步長(zhǎng)參數(shù)，缺省情況下，步長(zhǎng)自動(dòng)地確定，它由值auto表示。 Maximum step size（最大步長(zhǎng)參數(shù)）：它決定了解法器能夠使用的最大時(shí)間步長(zhǎng)，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(duì)于仿真時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)則可能帶來(lái)取樣點(diǎn)過于稀疏，而使仿真結(jié)果失真。一般建議對(duì)于仿真時(shí)間不超過15s的采用默認(rèn)值即可，對(duì)于超過15s的每秒至少保證5個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)于超過100s的，每秒至少保證3個(gè)采樣點(diǎn)。 Initial step size（初始步長(zhǎng)參數(shù)）：一般建議用“auto”默認(rèn)值即可。 仿真精度的定義（對(duì)于變步長(zhǎng)模式）

14、 Relative tolerance（相對(duì)誤差）：它是指誤差相對(duì)于狀態(tài)的值，是一個(gè)百分比，缺省值為1e-3，表示狀態(tài)的計(jì)算值要精確到0.1%。 Absolute tolerance（絕對(duì)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(duì)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(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(zhǎng)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(kù)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y(tn)時(shí)，它僅需要最近處理時(shí)刻的結(jié)果y(tn-1)。一般來(lái)說，面對(duì)一個(gè)仿真問題最好是首先試試ode45。 ode23：二/三階龍格庫(kù)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

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(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(wú)數(shù)字振蕩的解法器的情況。 ode23tb：是TR-BDF2的一種實(shí)現(xiàn)， TR-BDF2 是具有兩個(gè)階段的隱式龍格庫(kù)塔公式。 discrtet：當(dāng)Simulink檢

17、查到模型沒有連續(xù)狀態(tài)時(shí)使用它。,2 固定步長(zhǎng)模式解法器有： ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。,ode5：缺省值，是ode45的固定步長(zhǎng)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(kù)塔法，具有一定的計(jì)算精度。 ode3：固定步長(zhǎng)的二/三階龍格庫(kù)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(zhǎng)解法器，它適合于離散無(wú)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,