專業(yè)軟件應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)報告

1、揚(yáng)州大學(xué)專業(yè)軟件應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)報告水能學(xué)院11級 電氣專業(yè)題目學(xué)生 李正茂 學(xué)號112607111指 導(dǎo)教師張建華2013年12月28日變壓器綜合仿真設(shè)計(jì)三摘要：本文主要簡紹變壓器在并聯(lián)運(yùn)行的情況下，利用控制變量法，了解變壓器的額定電 壓，變比，連接組別以及短路阻抗不同（1、短路阻抗大小相等，阻抗角不等2、短路阻抗 大小不等，阻抗角相等）各個變壓器環(huán)流和負(fù)載電流的影響，分析波形。最后得出變壓器 并聯(lián)運(yùn)行的條件。同時，還附帶的講解了一些有關(guān)matlab中simulink模塊的使用與連接, 變壓器的參數(shù)設(shè)定（連接組別、額定電壓、短路阻抗等），示波器的使用等。本文都將一一 解釋。關(guān)鍵字：simulin

2、k；變壓器并聯(lián)運(yùn)行；變壓器額定電壓、短路阻抗、連接組別；空載環(huán)流;負(fù)載環(huán)流和負(fù)載波形1引言42設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖52.0設(shè)計(jì)依據(jù)6(1) 變壓器的工作原理:6(2) 參數(shù)設(shè)置.6(3 ) simulink 仿真模型:9(4)并聯(lián)運(yùn)行的計(jì)算公式計(jì)算公式及分析102設(shè)計(jì)平臺102. 1. 1 matlab產(chǎn)生的歷史背景102, 1. 2 matlab的語言特點(diǎn).112. 1. 3 si mu link 簡介122.2設(shè)計(jì)思想21(1) 變比不相等時的并聯(lián)運(yùn)行21(2) 連接組不相同的并聯(lián)運(yùn)行.21(3 )阻抗電壓標(biāo)么值不相等時的并聯(lián)運(yùn)行22(4)負(fù)載分配計(jì)算.232.3設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖或流程圖232.4各

3、模塊功能簡介253軟件調(diào)試分析274結(jié)語324結(jié)論與討論324.2參考文獻(xiàn)324.3致謝331引言計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對研究對象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算和分析的方法。對于 從事控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的技術(shù)人員而言，matlab是目前控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)用且 有效的工具。這不僅是因?yàn)樗芙鉀Q控制論中大量存在的矩陣運(yùn)算問題，更因?yàn)樗峁┝藦?qiáng) 有力的工具箱支持。與控制系統(tǒng)直接相關(guān)的工具箱有控制系統(tǒng)、系統(tǒng)辨識、信息處理、優(yōu)化 等。還有一些先進(jìn)和流行的控制策略工具箱，如魯棒控制、u-分析與綜合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊 預(yù)測控制、非線性控制設(shè)計(jì)、模糊邏輯等?？梢哉f目前理論界和工業(yè)界廣泛應(yīng)用和研究的控 制算法，

4、幾乎都可以在matlab中找到相應(yīng)的工具箱。matlab是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù) 據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式壞境，主要包括matlab和simulink兩大 部分。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多 強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境屮，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。matlab和matheinstics、maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù) 值計(jì)算方面首屈一指。matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶 界面、連 mat lab開

5、發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制 設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。matlab具有以下六個特點(diǎn)：1. 編程效率高matlab編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題,matlab語言也 可通俗地稱為演算紙式的科學(xué)算法語言。由于它編寫簡單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。2. 用戶使用方便matlab語言把編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體，其調(diào)試程序手段 豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)時間少。它能在同一畫面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序 中的書寫錯誤、語法 錯誤以至語意錯誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度， 可以說在編程和調(diào)試過程中它

6、是一種比vb還要簡單的語言。3. 擴(kuò)充能力強(qiáng)高版本的matlab語言有豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時可以直 接調(diào)用，而且matlab的庫函數(shù)同用戶文件在形成上一樣，所以用戶文件也可作為matlab 的庫函數(shù)來調(diào)用。因而，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)充新的庫函數(shù)，以便提高 matlab使用效率和擴(kuò)充它的功能。4. 語句簡單，內(nèi)涵豐富matlab語言中最基本最重要的成分是函數(shù)，其一般形式為（a, 6, c）二fun （d, e , f,），即一個函數(shù)由函數(shù)名，輸入變量d, e, f,和輸出變量a, b, c.組成，同一函數(shù)名f,不同數(shù)目的輸入變量（包括無輸入變量）及不同數(shù)目的輸出 變

7、量，代表著不同的含義。這不僅使matlab的庫函數(shù)功能更豐富，而大大減少了需要的磁 盤空間，使得matlab編寫的文件簡單、短小而高效。5. 高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算matlab語言像basic、fortran和c語言一樣規(guī)定了矩 陣的一系列運(yùn)算符，它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使 之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時，顯得大為簡捷、高 效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的。6.方便的繪圖功能matlab的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù)（命令），使用時只 需調(diào)用不同的繪圖函數(shù)（命令），在圖上標(biāo)出圖題、xy軸標(biāo)注，格繪制也只需調(diào)用相

8、應(yīng)的 命令，簡單易行。另外，在調(diào)用繪圖函數(shù)時調(diào)整自變量可繪出不變顏色的點(diǎn)、線、復(fù)線或多 重線。2設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖變壓器在規(guī)定的使用環(huán)境和運(yùn)行條件下，主要技術(shù)數(shù)據(jù)一般都都標(biāo)注在變壓器的銘牌上。主 要包括：額是容量、額定電壓及其分接、額泄頻率、繞組聯(lián)結(jié)組以及額定性能數(shù)據(jù)(阻抗電 壓、空載電流、空載損耗和負(fù)載損耗)和總重。a、額定容量(kva)：額定電壓.額定電流下連續(xù)運(yùn)行時，能輸送的容量。b、額定電壓(kv)：變壓器長時間運(yùn)行時所能承受的工作電壓.為適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化的需 要，變壓器高壓側(cè)都有分接抽頭,通過調(diào)整高壓繞組匝數(shù)來調(diào)節(jié)低壓側(cè)輸出電壓.c、額定電流(a):變壓器在額定容量下，允許長期通過的電流

9、.d、空載損耗(kw):當(dāng)以額定頻率的額定電壓施加在一個繞組的端子上，其余繞組開路 時所吸取的有功功率。與鐵心硅鋼片性能及制造工藝、和施加的電壓有關(guān).e、空載電流(%):當(dāng)變壓器在額定電壓下二次側(cè)空載時，一次繞組中通過的電流.一般以 額定電流的百分?jǐn)?shù)表示.f、負(fù)載損耗(kw):把變壓器的二次繞組短路，在一次繞組額定分接位置上通入額定電流, 此時變壓器所消耗的功率.g、阻抗電壓(%)：把變壓器的二次繞組短路，在一次繞組慢慢升高電壓，當(dāng)二次繞組的短 路電流等于額定值時，此時一次側(cè)所施加的電壓一般以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示.ii、相數(shù)和頻率：三相開頭以s表示，單相開頭以d表示。中國國家標(biāo)準(zhǔn)頻率f為50h

10、zo 國外有60hz的國家(如美國)。i、溫升與冷卻：變壓器繞組或上層油溫與變壓器周圍環(huán)境的溫度之差，稱為繞組或上層油 面的溫升.油浸式變壓器繞組溫升限值為65k、油面溫升為55k。冷卻方式也有多種：油浸自 冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷，水冷，管式、片式等。j、絕緣水平：有絕緣等級標(biāo)準(zhǔn)。絕緣水平的表示方法舉例如下：高壓額定電壓為35rv 級，低壓額定電壓為10kv級的變壓器絕緣水平表示為li200ac85/li75ac35,其中l(wèi)i200 表示該變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為200rv,工頻耐受電壓為85kv,低壓雷電沖擊耐受電 壓為75kv,工頻耐受電壓為35kv.奧克斯高科技有限公司li前的油浸變壓器產(chǎn)品的

11、絕緣水平 為li75ac35,表示變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為75kv,工頻耐受電壓為35kv,因?yàn)榈蛪?是400v,可以不考慮。k、聯(lián)結(jié)組標(biāo)號：根據(jù)變壓器一.二次繞組的相位關(guān)系,把變壓器繞組連接成各種不同的組 合,稱為繞組的聯(lián)結(jié)組。為了區(qū)別不同的聯(lián)結(jié)組，常采用時鐘表示法，即把高壓側(cè)線電壓的相 量作為時鐘的長針，固定在12上，低壓側(cè)線電壓的相量作為時鐘的短針，看短針指在哪一個 數(shù)字上，就作為該聯(lián)結(jié)組的標(biāo)號如dynll表示一次繞組是(三角形)聯(lián)結(jié)，二次繞組是帶有 中心點(diǎn)的(星形)聯(lián)結(jié)，組號為(11)點(diǎn)。2.0設(shè)計(jì)依據(jù)(1)變壓器的工作原理：變壓器(transformer)是利用電磁感應(yīng)的原理來改

12、變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線 圈、次級線圈和鐵心(磁芯)。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安 全隔離等變壓器可將一種電壓的交流電能變換為同頻率的另一種電壓的交流電能，電壓器的 主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。與電源相連的線圈，接收交流電能，稱為一 次繞組。與負(fù)載相連的線圈，送出交流電能，稱為二次繞組 一次繞組的二次繞組的同 時交鏈一次，二次繞組的磁通量的相量為e m，該磁通量稱為主磁通二、三相變壓器繞組的聯(lián)接方武當(dāng)交流電壓u1加到一次側(cè)繞組后交流電流ii流入該繞組就產(chǎn)生勵磁作用，在鐵芯屮產(chǎn) 生交變的磁通，這個交變磁通em不僅穿過一次側(cè)繞組，同時也穿過二次側(cè)繞組

13、，它分別在 兩個繞組中引起感應(yīng)電動勢。這時如果二次側(cè)與外電路的負(fù)載接通，便有交流電流12流出, 形成于是輸出電能。(2)參數(shù)設(shè)置測試參數(shù)分空載和負(fù)載兩個大部分: 每一大部分又有四組參數(shù)1兩臺同型號三相變壓器并聯(lián)空，負(fù)載運(yùn)行時e block parameters: three-phase transformer (two windin. uljbsdthree-phase transforzex two windings zask -link；this block iapleznts a three-phase transforaer by using three infle-phase tra

14、nsfoideri set the kinding connection to 1 in when you t&nt to access the neutral point of the iye.paraaetersxoainal poxer and fre;uency pn ；va), fn：hz【h block parameters: three-phase transformer (two windin.block parameters: three-phase transformer (two windin. ithree-phase transforasr (two umdm

15、gs aask linkthis block lapleaents a three-phase transfomer by using three ;nele"phas« transforaors set tha vindinc connection ' yn' wh«n you want to access the neutral point of the wye.three-phase transforser two windings) aask) (linkjthis block inplcaents 且 three-phase transf

16、oxaex by using three sinsl«phase transforz«rs. set :he windins connection to yn when you want to access the neutral point of the wye.paraaotors| 25e3 , 50 jwindins z abc) connection :ywindinc parameters vl ph-ph tvrs j rl(pu) j ll (pu)| 25«3 , 50 , 6.3662 winding 2 abc) connection :1y

17、paraa«t«rsnoalna：and frequency i pn(va< , fa(hz)windinc parameters v2 fh-ph vxas > r2 jpu； > l2(pj)ko*£nal power and fxmuency pn(va) . fn(hx)i： 25.3： 50 lindirg 1 abc connection :i： 25«3 , 50 . 6. 3662 yindine 2 (abc； connection :windinc p&ru«t«rs : vl ph-p

18、h (v:| 0. 2«3 , 0.008 , 0.0101b6 廠 saturable coreaenetlzation resistance ra ；pu； 1500magnetization reactance la pu)1500tinding p&raa«t«rs ; v2 ph-ph (vras) < r2(pu) l2 (pu)11 0. 2«3 , o.|)s . 0. 0101s6 廠 saturable corexagnetisation xegjgtance ka (pu)1500xagnetlzatios react

19、ance la (pu) |500xeasuresents xoneokcancelhelpapplycancel也ply2兩臺三相變壓器只是聯(lián)接組別不同空，負(fù)載運(yùn)行時3.兩臺三相變壓器只是額定電壓不同空，負(fù)載運(yùn)行時號 block parameters: three-phase transformer (two windin. l?.uhenpar alters|： 25e3 ,1009 , 2.3662 】findingate connection :zlvindingarazeters v2 ph-pho-s , r2(pul2 (pu)|：0.*32.5543 : 0.005465 :i

20、inding parazeters : vi ph-fh vnss . r.： pu , ll ；pu.' saturable corekarietization resistance fr pu|5004.兩臺三相變壓器只是短路阻抗參數(shù)不同空，負(fù)載運(yùn)行時h block parameters: three-phase transformer (two windin. ithree-phase transforaer ("to bindings sask) linkthis blek izplevents a threephase transformer by using th

21、ree single沁託 transfcraers. set the rinding connection to * yn you rant *o access the neutral point of the 巧認(rèn)nosinal power and friqutncy : pn a:a , fn(hz；| 25e350 廠binding 1 aec： connection :|ykaznetization reactance la1500阻抗大小相等，阻抗角不相等阻抗大小不等，阻抗角相等(3) simulink仿真模型:ftwo windings)!conbnuouspovergui兩臺變壓

22、器并聯(lián)運(yùn)行，電流模塊1、2分別測量變壓器兩臺變壓器的電流，測量環(huán)流。電流 模塊0用來測量負(fù)載波形。三通道示波器觀察輸出電流波形。(4)并聯(lián)運(yùn)行的計(jì)算公式計(jì)算公式及分析由于三相變壓器和單相變壓器的原理是相同的,為了便于分析，以兩臺單相變壓器并列運(yùn) 行為例來分析由于兩臺變壓器原邊電壓相等,電壓比不相等，副邊繞組中的感應(yīng)電勢也就不 相等，便111現(xiàn)了電勢差e.在e的作用下，副邊繞組內(nèi)便出現(xiàn)了循環(huán)電流ic當(dāng)兩 臺變壓器的額定容量相等時，即sni=snii.循環(huán)電流為：ic=e/(zadl+zd2)式中zdl一表示第一臺變壓器的內(nèi)部阻抗zd2一一表示第二臺變壓器的內(nèi)部阻抗zd用阻抗電壓uzk表示時，貝

23、1j zd=uzk*un/100in式屮un表示額定電壓(v),in表示額定電流(a) 當(dāng)兩臺變丿玉器額定容量不相等時，即snihsnii,環(huán)流ic為：ic=a*un/uzki+(uzkii/p)式中:uzk1一表示第一臺變壓器的阻抗電壓uzk2一表示第二臺變壓器的阻抗電壓in3一一變壓器i的副邊負(fù)荷電流根據(jù)以上分析可知:在有負(fù)荷的情況下,由于循環(huán)電流ic的存在，使變比小的變壓器繞組的 電流增加，而使變比大的變壓器繞組的電流減少.這樣就造成并列運(yùn)行的變壓器不能按容量成 正比分擔(dān)負(fù)荷.如母線總的負(fù)荷電流為i時(i=in1+in2)z若變壓器i滿負(fù)荷運(yùn)行，則變壓器ii欠負(fù) 荷運(yùn)行;若變壓器ii滿負(fù)

24、荷運(yùn)行，則變壓器i過負(fù)荷運(yùn)行.由此可見,當(dāng)變比不相等的變壓器并列 運(yùn)行時，由于循環(huán)電流ic的存在，變壓器不能帶滿負(fù)荷，使總?cè)萘坎荒艹浞掷?又由于變圧器 的循環(huán)電流不是負(fù)荷電流，但它卻占據(jù)了變壓器的容量,因此降低了輸出功率，增加了損耗當(dāng) 變比相差很大時,可能破壞變壓器的正常工作，環(huán)流過大出現(xiàn)變壓器誤調(diào)，甚至使變壓器損壞. 為了避免因變比相差過大產(chǎn)生循環(huán)電流ic過大而影響并列變壓器的正常工作，規(guī)定變比相差 不宜大于0.5%.2.1設(shè)計(jì)平臺本課程設(shè)計(jì)仿真，我們運(yùn)用的軟件是功能強(qiáng)大的matlab。2. 1.1 matlab產(chǎn)生的歷史背景20世紀(jì)70年代中期，cleve moler博士和其同事在美國國

25、家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào) 用eispack和unpack的fortran子程序庫。eispack是特征值求解的fortran程序庫， unpack是解線性方程的程序庫。在當(dāng)時，這兩個程序庫代表矩陣運(yùn)算的最高水平。到20世紀(jì)70年代后期，身為美國new mexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的cleve moler,在 給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時，想教學(xué)生使用tspack和unpack程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用 fortran編寫接口程序很費(fèi)時間，于是他開始自己動手，利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫eispack 和unpack的接口程序。cleve moler給這個接口程序取名為matlab,該名為矩陣(matri

26、x) 和實(shí)驗(yàn)室(laboratory)兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數(shù)年里，matlab在多 所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費(fèi)軟件廣為流傳。1983年春天，cleve moler到stanford大學(xué)講學(xué)，matlab深深地吸引了工程師john littleo john little敏銳地覺察到matlab在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年,他和cleve moler> sieve bangert 一起，用c語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的matlab語言同時具備了數(shù)值計(jì)在 算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。1984 年，cleve moler 和 john lithe 成立了

27、mathworks 公司，正式把 matlab 推向市場， 并繼續(xù)進(jìn)行matlab的研究和開發(fā)。在當(dāng)今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件屮，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大 類。一類是數(shù)值計(jì)算型軟件，如matlab、xmath. gauss等，這類軟件長于數(shù)值計(jì)算，對 處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，如mathematics、maple等，這類軟件以 符號計(jì)算見長，能給出解析解和任意精度解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低。mathworks 公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上 開拓了其符號計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時控制能力，開發(fā)了

28、適合多學(xué)科、多部門要 求的新一代科技應(yīng)用軟件matlabo經(jīng)過多年的國際競爭，matlab已經(jīng)占據(jù)了數(shù)值型軟件 市場的主導(dǎo)地位。在matlab進(jìn)入市場前，國際上的許多應(yīng)用軟件包都是直接以fortran和c語言等編 程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄、接口簡陋、程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(biāo)準(zhǔn)的基 庫，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。matlab的岀現(xiàn)，為各國科學(xué)家開發(fā)學(xué)科 軟件提供了新的基礎(chǔ)。在matlab問世不久的20世紀(jì)80年代川期，原先控制領(lǐng)域里的一些 軟件包紛紛被淘汰或在matlab上重建。mathworks 公司 2993 年推出了 matlab 4.0 )阪，1995 年推出

29、 4.2c 版(forwin3.x) 1997年推出5.0版。1999年推出5.3版。matlab 5.x較matlab 4.x無論是界面還是內(nèi)容都 有長足的進(jìn)展，其幫助信息采用超文本格式和pdf格式，在netscape 3.0或ie 4.0及以上版 本，acrobat reader中可以方便地瀏覽。吋至今日，經(jīng)過mathworks公司的不斷完善，matlab已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、 多種工作平臺的功能強(qiáng)勁的大型軟件。在國外，matlab已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高 校，matlab己經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號處理、時間序列分析、 動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具；

30、成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌 握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，matlab被用于科學(xué)研究和解決各種具體問題。2. 1. 2 matlab的語言特點(diǎn)matlab被稱為第四代計(jì)算機(jī)語言，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序 代碼小解放出來。matlab的最突出的特點(diǎn)就是簡潔。matlab用更直觀的、符合人們思維習(xí) 慣的代碼，代替了 c和fortran語言的冗長代碼。matlab給用戶帶來的是最直觀、最簡潔 的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下matlab的主要特點(diǎn)。 言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。matlab程序書寫形式自由，利用其豐 富的庫函數(shù)避開繁雜的子程

31、序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由 本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。 算符豐富。由于matlab是用c語言編寫的，matlab提供了和c語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用matlab的運(yùn)算符將使程序變得極為簡短，具體運(yùn)算符見附表。 matlab既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如for循環(huán)、while循環(huán)、break語句和if語句)， 又有而向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?算法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在matlab里，用戶無需對矩陣預(yù)定義就 可使用。 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 ©matlab的圖形功能強(qiáng)大。在fo

32、rtran和c語言里,繪圖都很不容易,但在matlab里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。matlab還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。 matlab的缺點(diǎn)是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于matlab的程序 不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢。 功能強(qiáng)勁的工具箱是matlab的另一重大特色。matlab包含兩個部分：核心部分和各種 可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又可分為兩類：功能性工具 箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計(jì)算功能、圖示建模仿真功能、文 字處理功能以及與硬件實(shí)吋交互功能。功能性工具箱能用于多種學(xué)科。而學(xué)科

33、性工具箱是 專業(yè)性比較強(qiáng)的，如 control tool box > signal processing tool box > communication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編 寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研允。下表列出了 matlab的核 心部分及其工具箱等產(chǎn)品系列的主要應(yīng)用領(lǐng)域。 源程序的開放性。開放性也許是matlab最受人們歡迎的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有 matlab的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以 及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。2. 1. 3 s

34、imulink 簡介simulink是血tlab軟件下的一個附加組件，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和 分析的matlab軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持 具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。 其主要功能是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最 佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序?yàn)闉?從 模塊庫中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)仿真并觀 看輸出結(jié)果，針對輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。simulink模塊庫提供了豐

35、富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號源模塊庫(source), 接收模塊庫(sinks),連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(continuous),離散系統(tǒng)模塊庫(discrete),非連 續(xù)系統(tǒng)模塊庫(signal routing),信號屬性模塊庫(signal attributes),數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊 庫(math operations),邏輯和位操作庫(logic and bit operations)等等,此外還有一 些特定學(xué)科仿真的工具箱。simulink為用戶提供了一個圖形化的用戶界面(gui)。對于用方框圖表示的系統(tǒng), 通過圖形界而，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框 圖

36、一樣簡單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、 更靈活的優(yōu)點(diǎn)。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與matlab. c或者fortran語言， 甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。simulink是matlab最重要的組件 之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫 程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)o simulink具有適應(yīng)而廣、 結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時有大量的第

37、三方軟件和硬 件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于simulinko啟動simulink,通常有兩種方法：(1) 在matlab命令窗口中直接輸入simulink命令；(2) 在matlab i具欄上單擊simulink按鈕這樣就可打開了 simulink的simulink library brover(庫模塊瀏覽器)，如圖7.2所示。在菜單 欄中執(zhí)行file/new/model命令，就建立了一個名為untitled的模型窗口，如圖7.3所示。在建 立了空的模塊窗口后，用戶可以在此窗口中創(chuàng)建自己需要的simulink模型通常，simulink仿真系統(tǒng)包括輸入(input)、狀態(tài)(states)和輸出(ou

38、tput)三個部分：輸入模塊：即信號源模塊，包括常數(shù)字信號源和用戶自定義信號；狀態(tài)模塊：即被模擬的系統(tǒng)模塊，是系統(tǒng)建模的核心和主要部分；輸出模塊：即信號顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進(jìn)行顯示。注意：在設(shè)計(jì)一個模型時，必須先確定這三個部分的意，以及它們之間的聯(lián)系；simulink 的仿真模型并非一定要完全包括這三個部分，它可以缺少其中一個或者兩個；simulink的 狀態(tài)模塊可以是連續(xù)的、離散的，或者它們二者的結(jié)合。simulink仿真過程：1. 初始化階段 對模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到它們實(shí)際計(jì)算的值。 展開模型的各個層次； 按照更新的次序?qū)δＰ瓦M(jìn)行排序； 確定那些顯式化的信號屬性，并檢查

39、每個模塊是否能夠接受連接它們輸入端的信號; 確定所有非顯式的信號釆樣時間模塊的釆樣時間； 分配和初始化存儲空間，以便存儲每個模塊的狀態(tài)和當(dāng)前值的輸出。2. 模型執(zhí)行階段模型仿真是通過數(shù)值積分來進(jìn)行完成的，計(jì)算數(shù)值積分可以采用以下兩步來進(jìn)行： 按照秩序計(jì)算每個模塊的積分； 根據(jù)當(dāng)前輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器， 以計(jì)算下一個采樣點(diǎn)的狀態(tài)矢量。在每一個時間步中，simulink依次解決下列問題：按照秩序更新模塊的輸出；按照秩序更新模塊的狀態(tài)；檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點(diǎn)；計(jì)算下一個仿真吋間步的吋間。simul ink模塊庫：在庫模塊瀏覽器中單擊simulink前面的

40、“ + ”號，就能夠看到simulink的模塊庫,如圖 7.2所示。連續(xù)模塊庫(continuous)在連續(xù)模塊(continuous)庫中包括了常見的連續(xù)模塊，這些模塊如圖所示。1. 積分模塊(integrator)：功能：對輸入變量進(jìn)行積分。說明：模塊的輸入可以是標(biāo)量，也可以是矢量；輸入信號 的維數(shù)必須與輸入信號保持一致。2. 微分模塊(derivative)功能：通過計(jì)算差分近似計(jì)算輸入變量的微分。3. 線性狀態(tài)空間模(state-space)功能：用于實(shí)現(xiàn)以下數(shù)學(xué)方程描述的系統(tǒng)：(x=ak-buy=ck-idu4. 傳遞函數(shù)模塊仃ransfer fen)功能：用執(zhí)行一個線性傳遞函數(shù)。5

41、. 零極點(diǎn)傳遞函數(shù)模塊(zero-pole)功能：用于建立一個預(yù)先指定的零點(diǎn)、極點(diǎn)，并用延遲算子s表示的連續(xù)。6. 存儲器模塊(memory)功能：保持輸出前一步的輸入值。7. 傳輸延遲模塊仃ransport delay)功能：用于將輸入端的信號延遲指定的時間后再傳輸給輸出信號。8. 可變傳輸延遲模塊(variable transport delay)功能：用于將輸入端的信號進(jìn)行可變時間的延遲。離散模塊庫(discrete)離散模塊庫(discrete)主要用于建立離散采樣的系統(tǒng)模型，包括的主要模塊，如圖所示ile "it vi<wk«lp® (b (b 1

42、z«ro-orderholdunit dtliydi2fwtimintegrator(1-0u0 5z*1z*0.5discrete filteroifccete tfjnifer fenzt>05)d isertttze ro-polt囚first-orderhold1. 零階保持器模塊(zero-order-hold)功能：在一個步長內(nèi)將輸出的值保持在同一個值上。2. 單位延遲模塊(unit delay)功能：將輸入信號作單位延遲，并且保持一個采樣周期相當(dāng)于時間算子z-l o3. 離散時間積分模塊(discrete time integrator)功能：在構(gòu)造完全離散的系統(tǒng)

43、時，代替連續(xù)積分的功能。使用的積分方法有：向前歐拉 法、向后歐拉法、梯形法。4離散狀態(tài)空間模塊(discrete state space)功能：用于實(shí)現(xiàn)如下數(shù)學(xué)方程描述的系統(tǒng)：jjckn+l)! = ax(ht)+bu(nt)y(nt) = cx(nt+du(nt)5. 離散濾波器模塊(discrete filter)功能：用于實(shí)現(xiàn)無限脈沖響應(yīng)(iir)和有限脈沖響應(yīng)(fir)的數(shù)字濾波器。6. 離散傳遞函數(shù)模塊(discrete transfer fen)功能：用于執(zhí)行一個離散傳遞函數(shù)。7. 離散零極點(diǎn)傳遞函數(shù)模塊(discrete zero-pole)功能：用于建立一個預(yù)先指定的零點(diǎn)、極點(diǎn)

44、，并用延遲算子zl表示的離散系統(tǒng)。8. 一階保持器模塊(first order hold)功能：在一定時間間隔內(nèi)保持一階采樣。函數(shù)與表格模塊庫(function & table)函數(shù)與表格模塊庫(function & table)主要實(shí)現(xiàn)各種一維、二維或者更高維函數(shù)的查表， 另外用戶還可以根據(jù)自己需要創(chuàng)建更復(fù)雜的函數(shù)。該模塊庫包括多個主要模塊、如圖7.7所 zjl oo(p”s polyniomi jledit vi <w friwat u«lplooku tjble ad)look-up tabu (rd)direct lookuptbl (r>-d)f

45、filook-uptprelook<up index searchinterpolation "4 usihq prlool<-up> systems*f unctionl matl-abfunctionmatlab fen1. 一維查表模塊(look-up table)一維查表模塊(look-up table)實(shí)現(xiàn)對單路輸入信號的查表和線性插值。2. 二維查表模塊(look-up table 2-d)功能：根據(jù)給定的二維平面網(wǎng)格上的高度值，把輸入的兩個變量經(jīng)過查表、插值，計(jì)算 出模塊的輸出值，并返回這個值。說明：對二維輸入信號進(jìn)行分段線性變換。3. 自定義函數(shù)模塊

46、(fen)功能：用于將輸入信號進(jìn)行指定的函數(shù)運(yùn)算，最后計(jì)算出模塊的輸出值。說明：輸入的數(shù)學(xué)表達(dá)式應(yīng)符合c語言編程規(guī)范；與matlab中的表達(dá)式有所不同，不 能完成矩陣運(yùn)算。4. matlab 函數(shù)模塊(matlab fen)功能：對輸入信號進(jìn)行matlab函數(shù)及表達(dá)式的處理。說明：模塊為單輸入模塊；能夠完成矩陣運(yùn)算。注意：從運(yùn)算速度角度，math function模塊要比fen模塊慢。當(dāng)需要提高速度時，可以 考慮采用fen或者s函數(shù)模塊。5. s-函數(shù)模塊(s-function)功能：按照simulink標(biāo)準(zhǔn),編寫用戶自己的simulink函數(shù)。它能夠?qū)atlab語句、c 語言等編寫的函數(shù)放

47、在simulink模塊中運(yùn)行，最后計(jì)算模塊的輸出值。數(shù)學(xué)模塊庫(math)數(shù)學(xué)模塊庫(math)包括多個數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊，如圖7.8所示。file edit vi ew forma t helpodot productgain田signoslidergainmatrixgainmathfunctionstfigonomebicfunctionproductbitw minmxlogical operatorsabf>|floor rounding functioncombinjtonallogicsreljtionjiopefatorcomplex tomagnitude-angle

48、3;3mjgnitude*angleto complexacomplex toreammagreammag tocomplexqloglel operatoralg«bfaic constuint1. 求和模塊(sum)功能：求和模塊(sum)用于對多路輸入信號進(jìn)行求和運(yùn)算，并輸出結(jié)果。2. 乘法模塊(product)功能：乘法模塊(product)用于實(shí)現(xiàn)對多路輸入的乘積、商、矩陣乘法或者模塊的轉(zhuǎn)置等。3. 矢量的點(diǎn)乘模塊(dot product)功能：矢量的點(diǎn)乘模塊(dot product)用于實(shí)現(xiàn)輸入信號的點(diǎn)積運(yùn)算。4. 增益模塊(gain)功能：增益模塊(gain)的作用是把

49、輸入信號乘以一個指定的增益因子，使輸入產(chǎn)生增益。5. 常用數(shù)學(xué)函數(shù)模塊(math function)功能：用于執(zhí)行多個通用數(shù)學(xué)函數(shù)，其中包含exp、logs loglo、square> sqrt pow、 reciprocal> hypot> rem> mod 等。6. 三角函數(shù)模塊(trigonometric function)功能：用于對輸入信號進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算，共有10種三角函數(shù)供選擇。7. 特殊數(shù)學(xué)模塊特殊數(shù)學(xué)模塊中包括求最大最小值模塊(minmax)、取絕對值模塊(abs)、符號函數(shù)模 塊gn)、取整數(shù)函數(shù)模塊(rounding function)等。8. 數(shù)

50、字邏輯函數(shù)模塊數(shù)字邏輯函數(shù)模塊包括復(fù)合邏輯模塊(combinational logic)、邏輯運(yùn)算符模塊(logical operator)x 位邏輯運(yùn)算符模塊(bitwise logical operator)等。9. 關(guān)系運(yùn)算模塊(relational operator)關(guān)系符號包括：k(等于)、工(不等于)、<(小于)、"(小于等于)、>(大于)、>=(大于等 于)等。10. 復(fù)數(shù)運(yùn)算模塊復(fù)數(shù)運(yùn)算模塊包括計(jì)算復(fù)數(shù)的模與幅角(complex to magnitude-angle)、由模和幅角計(jì) 算復(fù)數(shù)(magnitude-angle to complex) 提取

51、復(fù)數(shù)實(shí)部與虛部模塊(complex to real and lmage) 由復(fù)數(shù)實(shí)部和虛部計(jì)算復(fù)數(shù)(real and image to complex)。非線性模塊(nonlinear)非線性模塊(nonlinear)中包括一些常用的非線性模塊，如圖7.9所示r -library:sibulinl3/ronlinear i file edit view foratthelpffi1 rjte limiterffisaturjtion囲qujntizerffi1de jdl zone1ffiirelayswitchimjnu switchb multiport switchhcoulomb &a

52、mp;viscous： ffiction 11. 比率限幅模塊(rate limiter)功能：用于限制輸入信號的一階導(dǎo)數(shù)，使得信號的變化率不超過規(guī)定的限制值。2. 飽和度模塊(saturation)功能：用于設(shè)置輸入信號的上下飽和度，即上下限的值，來約束輸出值。3. 量化模塊(quantizer)功能：用于把輸入信號由平滑狀態(tài)變成臺階狀態(tài)。4. 死區(qū)輸出模塊(dead zone)功能：在規(guī)定的區(qū)內(nèi)沒有輸出值。5. 繼電模塊(relay)功能：繼電模塊(relay)用于實(shí)現(xiàn)在兩個不同常數(shù)值之間進(jìn)行切換。6. 選擇開關(guān)模塊(switch)功能：根據(jù)設(shè)置的門限來確定系統(tǒng)的輸出。信號與系統(tǒng)模塊庫gn

53、als &systems)信號與系統(tǒng)模塊庫(signals &systems)包括的主要模塊如圖7.11所示1. bus信號選擇模塊(bus selector)功能：用于得到從mux模塊或其它模塊引入的bus信號。2. 混路器模塊(mux)功能：把多路信號組成一個矢量信號或者bus信號。3. 分路器模塊(demux)功能：把混路器組成的信號按照原來的構(gòu)成方法分解成多路信號。4. 信號合成模塊(merge)功能：把多路信號進(jìn)行合成一個單一的信號。5. 接收/傳輸信號模塊(from/goto)功能：接收/傳輸信號模塊(from/goto)常常配合使用，from模塊用于從一個goto

54、模塊 中接收一個輸入信號，goto模塊用于把輸入信號傳遞給from模塊。6. 初始值設(shè)定模塊(ic)功能：初始值設(shè)定模塊(ic)用于設(shè)定與輸出端口連接的模塊的初始值。信號輸出模塊nks)信號輸出模塊nks)包括的主要模塊如圖7.12所示。1.示波器模塊(scope)回岡oin1constjntsignalgentritorrjmphnsint wjve$t«p畫n固putetgentutorchirp siqaji0eg|12:34>from filenumbere huhifsm rjn4omnumbtrbind-limitedwthit* nots«2. 二維信號

55、顯示模塊(xy graph)功能：在matlab的圖形窗口中顯示一個二維信號圖，并將兩路信號分別作為示波器坐 標(biāo)的x軸與y軸，同時把它們z間的關(guān)系圖形顯示出來。3. 顯示模塊(display)功能：按照一定的格式顯示輸入信號的值?？晒┻x擇的輸出格式包括：short, long. short_e iong_e> bank 等。4輸出到文件模塊(to file)功能：按照矩陣的形式把輸入信號保存到一個指定的mat文件。第一行為仿真時間， 余下的行則是輸入數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)點(diǎn)是輸入矢量的一個分量。5.輸出到工作空間模塊(to workspace)功能：把信號保存到matlab的當(dāng)前工作空間，是另一

56、種輸出方式。6. 終止信號模塊仃erminator)功能：中斷一個未連接的信號輸出端口。7. 結(jié)束仿真模塊(stop simulation)功能：停止仿真過程。當(dāng)輸入為非零吋，停止系統(tǒng)仿真。信號源模塊庫(sources)信號源模塊庫(sources)包括的主要模塊如圖7.13所示fl library: siaulink3/sources 1. 輸入常數(shù)模塊(constant)功能：產(chǎn)生一個常數(shù)。該常數(shù)可以是實(shí)數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)。2. 信號源發(fā)生器模塊gnal generator)功能：產(chǎn)生不同的信號，其中包括：正眩波、方波、鋸齒波信號。3. 從文件讀取信號模塊(from file)功能：從一個mat文件中讀取信號，讀取的信號為一個矩陣，其矩陣的格式與to file 模塊中介紹的矩陣格式相同。如果矩陣在同一采樣吋間有兩個或者更多的列，則數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸 出應(yīng)該是首次出現(xiàn)的列。4. 從工作空間讀取信號模塊(from workspace)功能：從matlab工作空間讀取信號作為當(dāng)前的輸入信號。5. 隨機(jī)數(shù)模塊(random number)功能：產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，默認(rèn)的隨機(jī)數(shù)是期望為0,方差為1的標(biāo)進(jìn)正態(tài)分布量。6. 帶寬限制白噪聲模塊(band limited white noi