《电机拖动基础与仿真应用》-第11章

１１.１MATLAB简介２０世纪７０年代,美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleverMoler为了减轻学生编程的负担,用FORTRAN语言编写了一些子程序接口程序,取名矩阵实验室(MatrixLaboratory,MATLAB).１９８４年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了MathWork公司,使用C语言编写了第一个正式商业化的MATLAB软件.到２０世纪９０年代,MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件.MathWork公司正式推出商业化的MATLAB之后,１９９２年推出了MATLAB的１.０版本;１９９９年推出了MATLAB的５.３版本,大幅度地改进了MATLAB的功能,随之发行了一种可视化的仿真工具即Simulink３.０,备受使用者的喜爱;下一页返回１１.１MATLAB简介

２００３年推出的MATＧLAB６.３/Simulink５.０在核心算法、界面设计和外部接口等方面进行了极大的改进;２００４年９月推出了MATLAB７.０/Simulink６.０;目前最新版本为MATLABR2008a,包括MATLAB７.６/Simulink７.１.MATLAB可以进行矩阵运算、绘制图形和曲线、实现控制算法、创建用户界面等.主要功能包括工程计算、系统设计、信号处理、图像处理、金融建模等,在控制工程、交通工程、电气工程、通信工程、机械工程等领域获得广泛应用,已成为当今工科院校大学毕业生必须掌握的仿真工具.用MATLAB实现数值计算与仿真主要有两种方式:①编写仿真程序;上一页下一页返回１１.１MATLAB简介

②使用Simulink.前者采用MATLAB提供的M语言,按照分析对象的数学模型,逐条编写仿真程序.与其他语言不同的是M语言具有功能强大的矩阵运算能力.后者是在MATLAB平台下的一种基于系统框图的仿真工具.由于采用了框图式的仿真方式,使其具有良好的交互性.Simulink可以嵌入用M语言编写的功能模块,也可以转化成M语言程序.上一页返回１１.２MATLAB工作环境一、MATLAB主窗口MATLAB安装成功后,在桌面上会出现MATLAB图标.第一次运行MATLAB时,自动打开默认窗口,如图１１-１所示.主窗口中主要包括命令窗口(CommandWindow)、当前目录(CurrentDirectory)窗口、工作空间(Workspace)窗口、历史命令(CommandHistory)窗口、菜单、工具栏和开始菜单(Start)等.MATLAB在当录窗口中显示当前目录中的文件信息;在工作空间窗口中显示当前工作空间的信息;在历史命令窗口中显示已经在命令窗口中使用过的命令;菜单、工具栏和开始菜单包含MATLAB的相关指令的操作.MATLAB命令窗口用以输入命令或运行MATLAB函数、执行命令并在命令窗口中显示结果.下一页返回１１.２MATLAB工作环境

二、图形显示窗口在命令窗口中直接输入绘图指令或执行带有绘图指令的M函数,就可在绘图窗口得到仿真图形.【例１１-２】绘制正弦函数从０开始一个周期的图形.解在命令窗口输入以下指令:本例中,命令语句末尾分号的作用是在命令窗口中不要显示数值结果,以使命令窗口更加清晰,不至于显得杂乱.命令语句中“％”之后的文字为注释,便于阅读程序,对命令语句的运算结果没有任何影响.上一页下一页返回１１.２MATLAB工作环境

上述命令执行后,在图形窗口中显示出了一条正弦曲线,如图11-２所示.图形显示窗口中,主要有菜单栏、工具栏和图形显示区３个部分组成,除能显示图形外,还能对图形进行简单编辑.在工具栏中集成了大部分的绘图工具,按照从左到右的顺序分别为:新建图形(NewFigure)、打开文件(OpenFile)、存储图形(SaveFigure)、打印图形(PrintFigure)、编辑图形(EditPlot)、放大(ZoomIn)、缩小(ZoomOut)、平移(Pan)、三维旋转(Rotate３D)、数据点标示(DataCursor)、插入图形说明(InsertLegend)、插入彩条(InsertColorbar)、隐藏绘图工具(HidePlotTools)和显示绘图工具(ShowPlotTools).使用这些工具可以对图形窗口中的图形进行后期处理.上一页下一页返回１１.２MATLAB工作环境

三、M文件编辑器读者在使用M语言进行仿真时,首先要用文本编辑器,按照M语言的语法要求,输入预先设计的M语言命令集.读者可使用任何兼容的文本编辑器来完成对M语言的编辑.建议采用MATLAB提供的M语言编辑器.在命令窗口中,使用File菜单下的New→M-File或工具栏中的第一个按钮可以打开M文件编辑器并建立一个空的M编辑窗口,如图11-3所示.M文件编辑器主要由标题栏、菜单栏、工具栏、编辑区和状态栏构成,是一个集成了M文件编辑、运行、调试功能的文本编辑器.使用Debug菜单中的Run命令可以执行在M文件编辑器中的M文件,也可以使用快捷键F５或者工具栏中的Run按钮执行文件.文本编辑方法与其他文本编辑器相似,在此不做详细介绍.上一页下一页返回１１.２MATLAB工作环境

四、联机帮助在命令窗口中使用Helpwin命令或者在Help菜单中选择FullProductHelp功能或者选择MATLABHelp功能(快捷键F１)可以打开帮助窗口,显示格式类似Windows的资源管理器,如图１１-４所示.在帮助窗口的左侧边栏有４个标签,分别为目录(Contents)、索引(Index)、搜索(Search)和演示(Demos),为使用这些功能提供方便.其中演示功能中包含了很多MATＧLAB的实例,使用者可以观看其中的实例演示结果,也可以通过在命令窗口中键入Demo指令使用帮助窗口的演示功能.上一页下一页返回１１.２MATLAB工作环境

MATLAB的Help和Lookfor在线帮助命令对于使用者是非常重要的,使用Help命令和Lookfor命令是获得在线帮助的最简单有效的方法.Help命令可以获取具体指令的说明、功能描述;Lookfor命令列出所有函数的功能描述中包含使用者输入关键字的函数简介.上一页返回11.3MATLAB语言要点一、变量１.变量名变量名用以字母开头的字符串表示,MATLAB７.１版本字符串长度可以长达６３个字符.可以在命令窗口中使用namelengthmax命令获得变量名的限制长度,变量名超过这个长度时,超出部分将被忽略,同时会产生警告信息.MATLAB变量区分大小写,例如CurＧrent和current代表不同的变量.下一页返回11.3MATLAB语言要点２.变量定义不同于C语言,MATLAB语言变量在使用时无须预先定义,在变量第一次赋值时就是对变量的定义.当再次赋值时,可以改变其原有定义.MATLAB中为方便使用者,预先定义了一些具有确定含义的特殊变量,使用者可以直接使用无须预先定义.对于这些预定义的变量,使用者可以将其重新定义,但是为使编制的程序具有良好的可读性,建议不要改变它们原有的定义.二、运算符MATLAB的运算符与其他高级语言运算符基本相同.MATLAB的常用运算符见表１１-１.上一页下一页返回11.3MATLAB语言要点在MATLAB语言中,运算符两侧可以是常数或者变量,它们可以是复数、向量或矩阵,只要在数学上能够满足运算的条件即可.例如,对于两个矩阵,只要行数和列数满足可以相乘的条件,就可以使用乘法运算符“∗”来计算矩阵的乘积.三、流程控制MATLAB中常用的流程控制语句见表１１-２.四、基本数学函数MATLAB的基本数学函数见表１１-３.上一页返回11.4命令文件(M函数和M文件)简介MATLAB提供了M函数和M文件的功能,使用者可以利用已有的函数编制自己的M函数或者M文件,完成复杂的计算.MATLAB中已有的许多函数就是由M函数构成的M文件.一、M文件M文件也称作脚本文件,是在MATLAB环境下进行运算的基本文件形式.M文件是ASCⅡ码构成的文本文件,由MATLAB语言支持的语句组成.M文件的扩展名为.m,执行时使用者只需键入文件名即可,MATLAB会自动执行M文件中的语句.在命令窗口中键入的指令序列也可以放到一个文件中构成M文件.使用时,无须再逐条命令键入,只要键入已形成的M文件名即可.下一页返回11.4命令文件(M函数和M文件)简介二、M函数可以通过一个M函数产生M文件,包含这个函数的文件称为M函数文件.M函数文件是一种特殊的按照一定规则编写的M文件,函数名和文件名必须相同.M函数有自己局部的工作空间,M函数的变量为局部变量,与工作空间中的联系可以通过输入输出变量或全局变量来实现.M函数可以调用其他M文件,还可以调用自己,称为递归调用.MATLAB的M函数文件的基本格式为:Function[y１,y２,...]＝foo(x１,x２,...)其中foo为函数名,x１,x２,为输入变量列表,y１,y２,为输出变量.输入、输出参数可以是任何类型的MATLAB变量(如数组、标量、矩阵、字符串等).上一页返回11.5Simulink动态系统仿真工具Simulink是一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包.它可以处理线性、非线性系统;离散、连续及混合系统.Simulink把图形窗口扩展为可以用来编程的图形界面.在Simulink提供的图形用户界面(GUI)上,只要进行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型.Simulink以方块图形式,采用分层结构建立仿真模型.在Simulink环境中,使用者可以在仿真进程中改变感兴趣的参数,实时地观察系统行为的变化.在MATＧLAB７.１版中,可以直接在Simulink环境中运行的工具包很多,已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电气工程等诸多领域,所涉及内容专业性极强.下一页返回11.5Simulink动态系统仿真工具电机的Simulink仿真模型构建主要使用Simulink中的电力系统仿真模块库(SimPowerＧSystems).该库是由加拿大的HydroOuebec公司和TECSIMInternational公司共同开发的,功能非常强大,可以应用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输的领域的仿真.Simulink基本库和电力系统模型库(SimPowerSystems)的常用模块说明见MATLAB模块.一、Simulink交互式仿真集成环境在MATLAB主窗口菜单中选择File→New→Model可以打开Simulink的仿真集成环境,如图１１-５所示.也可以使用MATLAB主窗口工具栏上的Simulink按钮,上一页下一页返回11.5Simulink动态系统仿真工具首先打开Simulink库浏览器(SimulinkLibraryBrowser),然后在浏览器中使用菜单File→New→Model功能或者工具栏中的创建新模型(CreateaNewModel)功能打开Simulink仿真集成环境.仿真环境中包含仿真模型建立和仿真调试功能,包含菜单栏、工具栏、模型编辑区和状态栏.一般在建立仿真模型前需要打开Simulink库浏览器以便使用其中系统预先建立的模块.可以单击仿真环境中的菜单栏中的库浏览器(LibraryBrowser)按钮打开库浏览器,如图１１-６所示.使用鼠标可以从库浏览器中将库中模块拖放至仿真环境中,按照需要将各模块进行连接,建立系统的仿真模型.上一页下一页返回11.5Simulink动态系统仿真工具二、Simulink仿真模型的建立使用前所述的方法打开Simulink库浏览器和仿真集成环境,