MATLAB在电气工程中的应用课程设计部分学生版.docx

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MATLAB在电气工程中的应用课程设计部分学生版

MATLAB在电气工程及其自动化中的应用课程设计

1.1电气工程及其自动化专业概论

电气工程及其自动化涉及电力电子技术，计算机技术，电机电器技术与网络控制技术，机电一体化技术等诸多领域，是一门综合性较强的学科，其主要特点是强弱电结合，机电结合，软硬件结合，电工技术与电子技术相结合，元件与系统相结合，使学生获得电工电子、系统控制、电气控制、电力系统自动化、电气自动化装置及计算机应用技术等领域的基本技能。

1.2MATLAB简介

MATLAB是Matrix&Laboratory两个词的组合，译为矩阵实验室。

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面向科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境，主要包括MATLAB、MATLAB工具箱和Simulink三大部分。

MATLAB软件是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多，且MATLAB吸收了Maple等软件的优点，使它成为一个强大的数学软件。

同时，在新版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

MATLAB软件主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

1.3SimPowerSystems模块库简介

Simulink是MATLAB软件中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以采用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink的电力系统模块库（SimPowerSystems）是专用于RLC电路，电力电子电路，电机传动控制和电力系统仿真的模块库，它包含了各种交/直流电源，大量电气元器件和电工测量仪表以及分析工具等。

利用这些模块可以模拟电力系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析。

SimPowerSystems工具箱包含电源模块库（ElectricalSources）、元件模块库（Elements）、电力电子模块库（PowerElectronics）、电机模块库（Machines）、测量模块库（Measurements）、应用库（ApplicationLibraries）、接口元件库（InterfaceLibrary）、控制和测量元件库（ControlandMeasurementsLibraries）以及电源柜（Powergui）九大部分组成，如图1-1所示。

每一部分又包括许多相应的电力设备模块。

图1-1SimPowerSystems工具箱组成

电源模块库包括直流电压源（DCVoltageSource）、交流电压源（ACVoltageSource）、交流电流源（ACCurrentSource）、可控电压源（ControlledVoltageSource）、可控电流源（ControlledCurrentSource）、三相电源（Three-PhaseSource）三相可编程电源（Three-PhaseProgrammableSource）和电池（Battery），如图1-2所示。

这一部分可以用来仿真交直流电源。

图1-2电源模块库组成

元件模块库包括基本元器件、传输线、断路器和变压器等基本模块，如图1-3所示。

其中基本元器件包括串联RLC分支模块（SeriesRLCBranch）、串联RLC负载模块（SeriesRLCRoad）、并联RLC分支模块（ParallelRLCBranch）、并联RLC负载模块（ParallelRLCRoad）、三相串联RLC分支模块（ThreePhaseSeriesRLCBranch）、三相串联RLC负载模块（ThreePhaseSeriesRLCRoad）、三相并联RLC分支模块（ThreePhaseParallelRLCBranch）、三相并联RLC负载模块（ThreePhaseParallelRLCRoad）、三相谐波滤波器（ThreePhaseHarmonicFilter）、互感器（MutualInductance）、三相互感器（Three-PhaseDynamicLoad）、过压抑制器（SurgeArrester）、三相动态负载（ThreePhaseHarmonicFilter）、地（ground）、节点（node）以及连接端口（ConnectionPort）。

传输线包括Pi传输线（PiSectionLine）、分布参数传输线（DistributedParametersLine）以及三相Pi传输线（Three-PhasePiSectionLine）。

断路器包括断路器（Breaker）、三相断路器（Three-PhaseBreaker）以及三相故障定位器（Three-PhaseFault）。

变压器包括线性变压器（LinearTransformer）、饱和变压器（SaturableTransformer）、多绕组变压器（Multi-WindingTransformer）、三相变压器（双绕组）（Three-PhaseTransformer（TwoWindings））、三相变压器（三绕组）（Three-PhaseTransformer（ThreeWindings））、异相变压器（Phase-ShiftingTransformer）、三相变压器（12个接头）（Three-PhaseTransformer（12Terminals））、接地变压器（GroundingTransformer）、三相变压器电感矩阵型（双绕组）（Three-PhaseTransformerInductanceMatrixType（TwoWindings））以及三相变压器电感矩阵型（三绕组）（Three-PhaseTransformerInductanceMatrixType（ThreeWindings））。

这部分可以仿真交流输电线装置。

图1-3元件模块库组成

电力电子模块库包括电力电子器件和脉冲信号发生器（Pulse&SignalGenerators）两部分，如图1-4所示。

电力电子器件包括二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）、细化晶闸管（DetailedThyristor）、GTO、IGBT、IGBT/二极管、MOS管（MOSFET）、理想开关（IdealSwitch）、通用桥（UniversalBridge）以及三电平桥（Three-LevelBridge）。

图1-4电力电子模块库组成

电机模块库包括同步电机、异步电机、直流电机（DCMachine）、电动机以及原动机与调速器，如图1-5所示。

同步电机模型包括简化的同步电机归一化单元（SimplifiedSynchronousMachinepuUnits）、同步电机归一化基本模型（SynchronousMachinepuFundamental）、同步电机归一化标准模型（SynchronousMachinepuStandard）、简化的同步电机国际单位单元（SimplifiedSynchronousMachineSIUnits）、同步电机国际单位基本模型（SynchronousMachineSIFundamental）以及永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMachine）。

异步电机模型包括异步电机归一化单元（AsynchronousMachinepuUnits）、异步电机国际单位单元（AsynchronousMachineSIUnits）、单相异步电机（SinglePhaseAsynchronousMachine）。

电动机模型包括开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor）和步进电机（StepperMotor）。

原动机与调速器模型包括通用电力系统稳定器（GenericPowerSystemStabilizer）、多带电力系统稳定器（Multi-BandPowerSystemStabilizer）、励磁系统（ExcitationSystem）、附加的励磁系统（AdditionalExcitationSystem）、水轮机和调速器（HydraulicTurbineandGovernor）以及蒸汽机和调速器（SteamTurbineandGovernor）。

图1-5电机模块库组成

测量模块库主要包括电流测量（CurrentMeasurement）、电压测量（VoltageMeasurement）、三相电压电流测量模块（Three-PhaseV-IMeasurement）、阻抗测量（ImpedanceMeasurement）、万用表（Multimeter）、负载流量总线（LoadFlowBus）以及附加的测量模块，如图1-6所示。

图1-6测量模块库组成

附加的测量模块库如图1-7所示。

它包括单相测量（平均值（Mean）、有效值（RMS）、总谐波畸变（THD）、傅立叶变换器（Fourier）、功率（Power）以及锁相环驱动的基值（Fundamental（PLL-Driven）））、三相测量（序列分析仪（SequenceAnalyzer）、锁相环驱动的正向序列（Positive-Sequence（PLL-Driven））以及功率以及向量测量（平均向量（Mean（Phasor））、序列分析仪向量、功率向量（Power（3ph.Phasor））测量））。

图1-7附加的测量模块库组成

应用模块库主要包括电气驱动模块库、柔性输电模块库以及可再生能源模块库，如图1-8所示。

其中，可再生能源模块库包括风能发电系统。

图1-8应用模块库组成

电气驱动模块库包括直流驱动（DCDives）、交流驱动（ACDrives）、移相与减速器（ShaftsandSpeedreducers）以及特别电源（ExtraSources），如图1-9所示。

图1-9电气驱动模块库组成

柔性输电模块库包括基于电力电子的柔性输电（Power-ElectronicsBasedFACTS）、变压器以及高压直流输电系统（HVDCSystems）三个模块，如图1-10所示。

图1-10柔性输电模块库

接口元件模块库包括电流电压Simscape接口（Current-VoltageSimscapeInterface）和电压电流Simscape接口（Voltage-CurrentSimscapeInterface），如图图1-11所示。

图1-11接口模块库组成

控制和测量模块库包括测量模块（Measurements）、滤波器（Filters）、锁相环（PLL）、脉冲信号发生器（Pulse&SignalGenerators）、逻辑（Logic）、变换（Transformations）以及附加元件（AdditionalComponents）模块库，如图1-12所示。

其中测量模块库如图1-7所示。

图1-12控制和测量元件库组成

滤波器模块库包括一阶滤波器、二阶滤波器、二阶滤波器（变参数）（Second-OrderFilter（Variable-Tuned））以及超前滞后滤波器（Lead-LagFilter），如图1-13所示。

图1-13滤波器模块库组成

脉冲信号发生器模块库包括晶闸管变换器脉冲发生器、脉冲宽度调制器以及信号发生器，如图1-14所示。

图1-14脉冲信号发生器模块组成

逻辑模块库包括边沿检测（EdgeDetector）、导通/关断延时（On/OffDelay）、单稳态（Monostable）以及双稳态（Bistable），如图1-15所示。

图1-15逻辑模块库组成

变换模块库包括Clark变换和Park变换，如图1-16所示。

图1-16变换模块库组成

附加元件模块库包括离散可变时间延时（DiscreteVariableTimeDelay）、离散移位寄存器（DiscreteShiftRegister）以及采样和保持（SampleandHold），如图1-17所示。

图1-17附加元件模块库组成

1.4Simulink在电力电子装置中的应用

电力电子技术是建立在电子学、电工原理以及自动控制理论三大学科上的新兴学科，是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。

其主要任务是为各种各样的负载提供形式多样的电源。

电力电子技术的应用范围不仅是一般的工业，而且广泛应用在交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统、照明和空调等家用电器及航空航天领域。

本节将以实例介绍MATLAB在电力电子装置中的应用，力求让读者学习并逐步了解MATLAB/Simulink的电力系统仿真模块库及电力电子装置的建模与仿真方法。

1.4.1Buck电路的Simulink仿真

直流斩波电路将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调直流开关电源及直流电机驱动中。

Buck电路是DC/DC变换器中最具代表性的拓扑结构之一，其工作原理如图1-18所示。

在工程实际中，Buck电路的控制方式有开环和闭环两种。

闭环控制方式根据采用的控制方式不同，又可分为PID控制，Fuzzy控制以及滑模控制等。

图1-18Buck电路工作原理

基于Simulink搭建的Buck电路的仿真模型如图1-19所示。

图1-19Buck电路的Simulink仿真模型

Buck电路仿真模型由以下模块组成：

（1）直流电源模块；

（2）万用表模块；

（3）串联RLC分支模块；

（4）Mosfet管；

（5）二极管模块；

（6）总线选择器模块；

（7）示波器模块；

（8）平均值模块；

（9）Display模块；

（10）脉冲发生器模块；

（11）ToWorkspace模块

分析仿真模型图1-19可知：

（1）万用表用来测量Mosfet管上的电压、电流以及负载电阻R上的电压。

（2）可以根据需要设定负载大小和类型。

（3）可以根据需要设定PulseGenerator的周期和占空比。

下面给出主要模块的参数设置：

（1）在ElectricalSources模块库中拖拽直流电源模块，幅值为20V。

（2）在Elements模块库中，拖拽三个SeriesRLCBranch模块，分别选择L、C和R。

设置L=4.5*10-4H，C=4.17*10-4F，R=10Ohm。

（3）在PowerElectronics模块库中，拖拽Mosfet模块和Diode模块，使用它们的默认值。

勾选Mosfet模块和Diode模块的“Showmeasurementport”选项。

（4）在Simulink模块库中的Sources模块库中，拖拽PulseGenerator模块，参数设置如图1-20所示。

图1-20PulseGenerator模块参数设置

（5）在Simulink模块库中的CommonlyUsedBlocks模块库中拖拽Scope模块。

将“Numberofaxes”设为6，勾选“Savedatatoworkspace”参数设置如图1-21所示。

图1-21Scope模块参数设置

（6）平均值（Mean）计算：

在ExtraLibrary模块库中的Measurement模块库中拖拽MeanValue模块，将“Averagingperiod”其频率设为0.01s。

将MeanValue模块的输出端连接到Simulink模块库的Sink模块库的Display模块，可以在线观测平均值。

（7）在Measurements模块库中拖拽Multimeter模块，勾选电阻模块Measurements选项的“Branchvoltage”一项。

（8）在Simulink模块库的SignalRouting模块库中拖拽Demux模块，设置成图1-19所示的通道数6。

（9）从Simulink模块库的CommonlyUsedBlocks模块库中选择BusSelector模块，连接到Mosfet模块的m端。

（10）从Simulink模块库的Sink模块库拖拽ToWorkspace模块，修改变量名为UR，如图1-22所示。

图1-22ToWorkspace模块参数设置

（11）打开M文件编辑器，编制绘图文件，并命名为Buckopen.m

figure

（1）

plot（ScopeData.time,ScopeData.signals（1,1）.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'PWM','fontsize',10）

title（'PWMPulseSignal','fontsize',10）

figure

（2）

subplot（2,1,1）

plot（ScopeData.time,ScopeData.signals（1,2）.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'UL/V','fontsize',10）

gridon

title（'InductanceVoltage','fontsize',10）

subplot（2,1,2）

plot（ScopeData.time,ScopeData.signals（1,3）.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'iL/A','fontsize',10）

gridon

title（'InductanceCurrent','fontsize',10）

figure（3）

plot（ScopeData.time,ScopeData.signals（1,4）.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'UR/V','fontsize',10）

gridon

title（'LoadVoltage','fontsize',10）

figure（4）

plot（ScopeData.time,ScopeData.signals（1,5）.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'Umos,Imos/V','fontsize',10）

gridon

title（'MosfetVoltageandCurrent','fontsize',10）

figure（5）

plot（ScopeData.time,ScopeData.signals（1,6）.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'UD,ID/V','fontsize',10）

gridon

title（'MosfetVoltageandCurrent','fontsize',10）

figure（6）

plot（UR.time,UR.signals.values,'linewidth',1.5）

xlabel（'time（s）','fontsize',10）

ylabel（'UR/V','fontsize',10）

gridon

title（'LoadVoltageMeanValue','fontsize',10）

（12）信号发生器产生PWM信号如图1-23所示。

图1-23PWM脉冲信号

（13）电感L的电压、电流波形如图1-24所示。

图1-24电感L的电压、电流波形

（14）负载电阻R上的电压UR如图1-25所示。

图1-25负载电阻R上的电压UR波形

（15）Mosfet管上的电压和电流波形如图1-26所示。

图1-26Mosfet管上的电压和电流波形

（16）二极管上的电压、电流波形如图1-27所示。

图1-27二极管上的电压、电流波形

（17）负载电阻R上的电压平均值波形如图1-28所示。

图1-28负载电阻R上的电压平均值波形

1.4.2电力电子课程设计题目

1.基于Simulink的开环和闭环Buck电路仿真

（1）实验要求

基于Simulink完成Buck电路的开环和闭环PI控制系统仿真。

（2）设计要求

输入电压为20V，输出电压10V，要求纹波电压为输出电压的0.25％，负载电阻10欧姆，计算工作频率分别为10kHz（50kHz）时所需的电感、电容。

要求绘制Buck电路开环和闭环控制系统的直流电压波形以及电感电流波形。

（3）思考题

随着PWM脉冲信号的占空比不断增加，则输出电压值如何变化？

2.基于Simulink的开环和闭环Boost电路仿真

（1）实验要求

基于Simulink完成Boost电路的开环和闭环PI控制系统仿真。

图1-41Boost电路的工作原理

（2）设计要求

Boost电路的输入电压为60V，开关频率取为20kHz，输出电压为200V。

要求纹波电压为输出电压的0.3％。

计算工作频率分别为20kHz时所需的电感、电容。

要求绘制Boost电路开环和闭环控制系统的电压以及电流波形。

（3）思考题

随着电容值的变化（增大或减小），输出电压波形如何变化？

1.5Simulink在交直流调速系统中的应用

1.5.1基于Simulink的开环直流调速控制系统仿真

直流电动机是将直流电能转换成机械能的电动机。

近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统的性能可以与直流调速系统相媲美，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。

但在许多需要高性能可控电力拖动的场合，如轧钢、纺织以及金属加工等场合，仍然广泛采用直流调速系统。

直流电动机开环控制原理如图1-42所示。

晶闸管开环直流调速系统由交流电源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、触发电路和给定电路组成。

整流器提供可以调节的直流电动机电枢电压实现直流电动机的转速输出，而系统的输