电气模型_2Matlab.doc

课程简介1、电气系统仿真的概念、特点、及其作用2、电气系统仿真技术的发展3、电气系统建模方法简介1 MATLAB发展史 MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成。20世纪七十年代,时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler出于减轻学生编程负担的动机,编写了一个为线性代数的矩阵计算提供运算工具的软件,此即用FORTRAN语言编写的萌芽状态的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立MathWorks公司,并把MATLAB正式推向市场。从这时起,MATLAB的内核采用C语言编写,而且除原有的数值计算能力外,还新增了数据图视功能。1997年仲春,MATLAB5.0版问世,紧接着是5.1、5.2,以及和1999年春的5.3版。现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象的界面、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。2 MATLAB主要特点(1)具有丰富的数学功能包括矩阵各种运算。如:正交变换、三角分解、特征值、常见的特殊矩阵等。包括各种特殊函数。如:贝塞尔函数、勒让德函数、伽码函数、贝塔函数、椭圆函数等。包括各种数学运算功能。如:数值微分、数值积分、插值、求极值、方程求根、FFT 、常微分方程的数值解等。(2)良好的图视系统可方便地画出两维和三维图形。高级图形处理。如:色彩控制、句柄图形、动画等。图形用户界面GUI制作工具,可以制作用户菜单和控件。使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面。(3)可以直接处理声音和图形文件。声音文件。如: WAV文件(例:wavread,sound等)。图形文件。如: bmp 、gif 、 pcx 、tif 、jpeg等文件。(4)具有若干功能强大的应用工具箱。 Mathworks公司先后开发了许多工具包,世界上很多从事自动控制的专家在自己擅长的领域里编写了具有特殊功能的工具包,诸如:控制系统工具箱(control system toolbox);信号处理工具箱(signal processing toolbox);系统识别工具箱(system identification toolbox);鲁棒控制工具箱(robust control toolbox);神经网络工具箱(neural network toolbox)等等。还在不断扩充、丰富和完善。每一个工具箱都是该领域里的最权威、最先进的计算与仿真软件程序。(3)可以直接处理声音和图形文件。声音文件。如: WAV文件(例:wavread,sound等)。图形文件。如: bmp 、gif 、 pcx 、tif 、jpeg等文件。(4)具有若干功能强大的应用工具箱。 Mathworks公司先后开发了许多工具包,世界上很多从事自动控制的专家在自己擅长的领域里编写了具有特殊功能的工具包,诸如:控制系统工具箱(control system toolbox);信号处理工具箱(signal processing toolbox);系统识别工具箱(system identification toolbox);鲁棒控制工具箱(robust control toolbox);神经网络工具箱(neural network toolbox)等等。还在不断扩充、丰富和完善。每一个工具箱都是该领域里的最权威、最先进的计算与仿真软件程序。(5)使用方便,具有很好的扩张功能。使用MATLAB语言编写的程序可以直接运行,无需编译。MATLAB语言不仅为用户提供了可以直接调用的丰富的库函数(即M文件),用户还可以自行建立或扩充能完成指定功能的M文件(即新的库函数),与系统里的库函数一样保存,同样使用,以提高其效率,丰富其功能。通过建立Mex文件的形式,进行混合编程,能够方便地调用FORTRAN或C语言的子程序,以进一步扩充MATLAB程序设计的语言的功能。(6)具有很好的帮助功能。提供十分详细的帮助文件(PDF 、HTML 、demo文件)。联机查询指令:help指令,lookfor关键词等。3 MATLAB与大学电路与系统仿真在教学实践中应用越来越普遍。对于改进教学效果、给学生提供形象化的信息、激发学生的学习兴趣、提高学生的自学能力、加强学生对授课内容的理解等无疑是十分有益的。有利于对学生分析问题的能力和解决问题的能力的培养。学生掌握了系统仿真的方法以后,不但使他加强了对所学课程的理解,同时还便于钻研一些他本人感兴趣的问题,有利于部分学有余力的学生进一步自学的要求。在美国和欧洲大学中,九十年代将MATLAB正式列入了电子工程专业研究生和本科生的教学计划, MATLAB是必须掌握的基本工具。在设计研究单位和工业界,MATLAB也成为工程师们应该掌握的一种工具,是被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。4 MATLAB入门与基本运算MATLAB提供了许多管理文件、变量以及工作空间的命令语句。MATLAB的计算器功能MATLAB 提供了众多的数学函数,使用十分方便,下表仅列出了最为常用的函数。cos(x),sin(x),tan(x),acos(x),asin(x),atan(x),exp(x),sqrt(x),log(x),log10(x),abs(x),asign(x),min(x),ceil(x):Round towards ,fooor(x):Round towards ;round(x) :Round to nearest integer,rem(x):Roud to ,angle(x):Phase angle,conj(x):Complex conjugate.MATLAB还可以进行更为复杂的运算,例如多项式运算,符号表达式运算等。求一个多项式的根(求多项式的零点)在自动控制领域里是经常遇到的事。MATLAB提供了多条命令,进行多项式运算。多项式用一个行向量表示,多项式系数降幂排列。例如求多项式 的根。在窗口键入p=1 2 3 4 5; roots(p)又例如由根求多项式,已知多项式的根分别为1、5、8,求此根对应的多项式,键入p1=poly(1,5,8)回车可得p1 = 1 -14 53 -40,即所求多项式为:MATLAB符号表达式运算求解代数方程 的根为例,在窗口输入solve(a*x2+b*x+c)按下回车,观察结果。再次输入pretty(ans)MATLAB符号表达式运算求解微分方程,命令dsovle计算常微分方程的符号解。dy/dx=1+y2,键入dsolve( Dy=1+y2 )若微分方程初值为y(0)=1,键入dsolve( Dy=1+y2 , y(0)=1 )MATLAB入门与基本运算MATLAB的矩阵运算与操作在命令窗口输入a1=1 2 3 4;4 5 6 7;7 8 9 0 回车a1 =1 2 3 44 5 6 77 8 9 0以上仅是以矩阵输入为例,实际上,MATLAB具有强大的矩阵运算能力,为矩阵操作提供了众多函数,包括矩阵的生成,变形,运算以及众多特殊矩阵(如希尔伯特矩阵,范德蒙矩阵)等。M文件M文件可以分为两种类型,一种是脚本文件,另一种是函数文件。脚本(script)文件,在MATLAB中,实现某项功能的一串MATLAB命令与函数组合的M文件叫脚本文件。脚本文件既不带输入参量也不带输出参量,能在MATLAB环境下直接执行,对工作空间的数据进行操作,并将建立的变量及其执行后的结果保存在MATLAB的工作空间里。脚本文件执行后的结果既可以显示输出,也可以使用绘图函数来产生图形输出结果。M函数文件,函数文件是MATLAB语言最重要的组成部分,MATLAB提供的各种各样的工具箱差不多都是以函数形式给出的。MATLAB 的工具箱是内容极为丰富的函数库,可以实现各种各样的功能。函数能够接受输入参数并返回输出参数。在MATLAB中,函数名和M文件名必须相同。控制语句MATLAB程序设计可以在MATLAB的编辑/调试器里进行。MATLAB提供三种决策或控制流结构。它们是:For循环,While循环和If-Else-End结构。由于这些结构经常包含大量的MATLAB命令,故经常出现在M文件中,而不是直接加在MATLAB提示符下。实际上,MATLAB的控制语句一般用于非常复杂的算法,用户在使用MATLAB的过程中,应当学会发挥MATLAB矩阵运算的特点,尽量避免循环结构。例如求1到100的和,在MATLAB中仅需要一条语句sum(1:100)5 图形与可视化MATLAB具有强大的图形与可视化功能,提供了许多相关函数,包括二维图形以及三维图形。 MATLAB最常用的二维绘图命令是plot命令,该命令最直接的调用格式是plot(x,y)。如果想绘制一个周期内的正弦曲线,可在窗口键入t=0:.1:2*pi; y=sin(t); plot(t,y) 还可以在画出的图像中添加坐标轴,标题,图例,特殊点文字等等。在窗口键入t=0:.1:2*pi;y=sin(t);plot(t,y)xlabel(x = 0:2pi)ylabel(Sine of x)title(Plot of the Sine function)可以看到绘图结果比以前多了坐标轴以及标题。MATLAB提供的二维画图函数除了plot外,还有隐函数绘图函数ezplot,分块绘图函数subplot,半对数坐标函数semilogx,极坐标函数polar,饼状图函数pie,棒状图函数bar等函数。plot3命令将绘制二维图形的函数plot的特性扩展到三维空间。函数格式除了包括第三维的信息(比如Z方向)之外,与二维函数plot相同。MATLAB提供的三维画图函数除了plot3外,还有meshgrid,mesh,surf,bar3等函数。6 SimulinkSimulink是MATLAB的重要组成部分, 具有相对独立的功和使用方法。simulink的主要功能是实现动态系统建模仿真与分析。Mathworks从matlab4.0版开始应用simulink,当时把它放在matlab执行文件中。在matlab4.2及以后的版本中,simulink则以matlab里的工具包形式单独出现,即需要单独安装。在matlab5.0版中,Simulink已升级为2.0版,在matlab5.3版中, Simulink已升级为3.0版。目前,simulink比从前的版本有了很大的改进。Simulink的文件类型为.mdl。 Simulink支持连续与离散系统,也支持线性与非线性系统。Simulink里包括一些控制工具箱,例如控制系统工具箱,模糊逻辑工具箱,非线性控制设计模块等等。用户还可以创建与定制自己的功能模块,而不一定只使用simulink系统软件提供的标准模块。这样,用户就可以自行扩充软件的使用范围。Simulink为用户提供了用方框图进行系统建模的图形窗口,根据实际工程中控制系统的具体构成,用户只需要用鼠标的点击-拖拽功能,将模块库中提供的各种标准环节拷贝到图形窗口中 ,再用Simulink的连线方式连接成一个完整的simulink动态结构图,各个环节可按simulink特定的方法改变或设定其参数以与实际控制系统相对应。在对于较大的系统建立模型时,simulink提供了系统分层排列的功能。Simulink可将系统分为从高级到低级的好几层,每层又可以分为好几个小部分;每层系统模型创建完成后,再将其连接起来就是一个完整的系统了。MATLAB与电气专业相关的库是Simulink库和SimPowerSystem库,在最新的MATLAB中,SimPowerSystem库被整合到Simscape库中。Simulink的常用模块库简介1. Continuous包括微分、积分、限幅积分、PID控制器、传递函数、状态空间、延迟等常用模块以及其他模块2.Discontinuities之前的版本叫做非线性库,包括死区、继电特性、饱和特性等常用模块以及其他模块3.Discrete包括差分、离散滤波器、离散PID、离散传递函数、零阶保持器、一阶保持器等常用模块以及其他模块4.Logic and Bit Operations包括比较器、边沿检测、逻辑门等常用模块以及其他模块5. Math Operations包括各种常用数学运算函数,最为常用的库,不再一一介绍6. Ports & Subsystems包括封装子模块、子模块输入输出端口、逻辑子模块等常用模块以及其他模块7. Signal Routing包括数据流合成与分解模块、手动开关、信号流通路径选择等常用模块以及其他模块8. Sinks包括实时仿真结果显示Display、示波器、导出仿真数据至当前文件夹、导出仿真数据至前工作空间等常用模块以及其他模块9. Source包括常数源、仿真时钟、来自文件、来自工作空间、脉冲发生器、阶跃信号、信号发生器等常用模块以及其他10. User-Defined functions如果某些算法过于复杂,难以使用已有模块搭建模型,用户可以编写文本算法嵌入simulink模型中。11. simulink中还有一些其他使用频率较低的库以及模块,不再详述。SimPowerSystem的常用模块库简介1. Electric Sources电源元件库包含产生电信号的各种元件。包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、受控电压源、受控电流源、三相电源、三