基于MATLAB GUI的整流電路仿真設計

1、 基于MATLAB GUI的整流電路仿真設計 題 目 系 、 部： 電氣與信息工程系 學生姓名： 指導教師： 職稱 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子0802 完成時間： 2012-5-20 摘 要以Matlab/Simulink仿真軟件為基礎，利用Power System工具箱完成整流電路的建模和仿真，同時利用Matlab的圖形用戶界面（GUI）設計整流電路的分析界面，借助此界面對Simulink模型進行操作，可以方便地實現對模型參數的設置和修改、模型的查看和修正、仿真的顯示和相關的輔助操作，大大簡化仿真的操作過程，提高仿真效率。此界面友好、開放，仿真結果即時可見，既可為建立其他類型的電

2、力電子電路仿真界面提供重要參考，也可用于指導實際系統(tǒng)的設計。關鍵詞：Power System；工具箱;整流電路；GUI；Simulink 模型ABSTRACTMatlab / Simulink simulation software, Power System Toolbox to complete the modeling and simulation of the rectifier circuit, while the use of Matlab graphical user interface (GUI) design analysis of the rectifier circuit

3、 interface With this interface the Simulink model can be easily set and modify the model parameters, view and amend the model, the simulation display and auxiliary operations, greatly simplifying the operation of the simulation to improve simulation efficiency. This interface is friendly, open, and

4、simulation results immediately visible and can provide an important reference for the establishment of other types of power electronic circuit simulation interface, can also be used to guide the actual design. Key words Power System Toolbox； rectifier circuit； the GUI； Simulink model目 錄1 前言 11.1 MAT

5、LAB/SIMULINK仿真的目的與意義 11.2 本課題的研究內容11.3本課題的研究意義12 MATLAB/SIMULIK基礎知識22.1 MATLAB介紹2 21.1 MATLAB的主要組成部分.22.1.2 MATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境32.2 SIMULINK仿真基礎4 2.2.1 SIMULIN啟動.52.2.2 SIMULINK的模塊庫介紹52.2.3 電力系統(tǒng)模塊庫的介紹5 2.2.4 SIMULINK簡單模型的建立6 2.2.5 SIMULINK功能模塊的處理 6 2.2.6 SIMULINK線的處理8 2.2.7 SIMULINK仿真的運行82.3 MATLAB的GUI程序設

6、計 10 2.3.1控件對象及屬性 10 2.3.2 GUI開發(fā)環(huán)境11 2.3.3 GUI程序設計123 整流電路的仿真133.1 單相橋式全控整流電路的仿真 133.1.1 單相橋式全控整流電路構成 13 3.1.2 單相橋式全控整流電路模型建立 13 3.1.3 模型參數設置 143.2 三相橋式全控整流電路的仿真 14 3.2.1 三相橋式全控整流電路的構成 14 3.2.2 三相橋式全控整流電路模型建立 153.1.3 模型參數設置 164 整流電路GUI界面的開發(fā)174.1 Matlab GUI的實現方法 17 4.2 仿真界面的開發(fā) 17 4.3 仿真主界面的實現 185 結論2

7、1參考文獻 22致謝 23附錄 241 前 言1.1 MATLAB/SIMULINK仿真的目的與意義在電力電子電路如變流裝置的設計過程中，需要對設計出來的初步方案(電路)及有關元件參數選擇是否合理，效果如何進行驗證。如果通過實驗來檢驗，就要將設計的系統(tǒng)用元件安裝出來再進行調試和試驗，不能滿足要求時，要更換元件甚至要重新設計、安裝、調試，往往要反復多次才能得到滿意的結果。這樣將耗費大量的人力和物力，且使設計效率低下、耗資大、周期長。采用計算機進行仿真試驗，則可大大地節(jié)約開支，提高設計效率，縮短設計周期。但是用其它計算機高級語言(如 C語言，BASIC語言或仿真語言)編程實現，對電力變流電路來說，

8、由于大功率開關器件開關轉換電流換相動態(tài)過程十分復雜，過渡過程一個接一個，一個未完，新的一個又開始了要分析輸出電壓、電流(帶感性負載時)波形，特別是如大功率開關管關斷時承受的尖峰電壓大小形狀，即阻容保護電路的保護效果如何，就要建立等效電路的數學模型。而這樣的數學模型是很復雜的，即使建立起來了，用計算機編程實現得到真實的仿真結果也需要花大量的時間精力來編程和調試。然而采 MATLAB/SIMULINK可視化圖形化仿真環(huán)境來對電力電子電路進行建模仿真則可使之變得直觀，簡單易行，效率高，真實準確1。1.2 本課題的研究內容建立單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路、帶電容性負載的三相不可控橋式整流

9、電路的仿真模型,利用Matlab的圖形用戶界面（GUI）設計整流電路的分析界面，借助此界面對Simulink模型進行操作，對模型參數的設置和修改、模型的查看和修正、仿真的顯示和相關的輔助操作。1.3 本課題的研究意義利用Simulink中的模塊庫建立單相/三相整流電力變換電路，進行仿真后，對仿真波形進行比較分析。證實了該方法的簡便直觀、高效快捷和真實準確性。由于計算機中修改參數方便，可以通過改變方針參數就可觀察各種現象，加深了對其電路原理的理解。通過對本課題的研究最終能夠熟悉并掌握Matlab /Simulink的應用環(huán)境，熟練應用Simulink模塊庫中模塊建立電力電子電路的系統(tǒng)仿真模型，了

10、解利用Matlab的圖形用戶界面(GUI)來設定系統(tǒng)仿真參數，進行系統(tǒng)仿真。2 MATLAB/SIMULINK基礎知識2.1 MATLAB介紹Matlab(Matrix Laboratory)是美國 MathWorks公司開發(fā)的一套高性能的數值分析和計算軟件，用于概念設計,算法開發(fā),建模仿真,實時實現的理想的集成環(huán)境，是目前最好的科學計算類軟件之一。MATLAB將矩陣運算、數值分析、圖形處理、編程技術結合在一起，為用戶提供了一個強有力的科學及工程問題的分析計算和程序設計工具，它還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺。M

11、ATLAB已發(fā)展成為適合眾多學科，多種工作平臺、功能強大的大型軟件。在歐美等國家的高校，MATLAB已成為線性代數、自動控制理論、數理統(tǒng)計、數字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具。成為攻讀學位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業(yè)開發(fā)部門，MATLAB被廣泛的應用于研究和解決各種具體問題。在中國，MATLAB也已日益受到重視，短時間內就將盛行起來，因為無論哪個學科或工程領域都可以從MATLAB中找到合適的功能2。2.1.1 MATLAB的主要組成部分MATLAB系統(tǒng)由5個主要的部分構成：(1) 開發(fā)環(huán)境(Development Environme

12、nt)：微MATLAB用戶或程序編制員提供的一套應用工具和設施。由一組圖形化用戶接口工具和組件集成：包括MATLAB桌面、命令窗口、命令歷史窗口、編輯調試窗口及幫助信息、工作空間、文件和搜索路徑等瀏覽器。(2) MATLAB數學函數庫(Math Function Library)：數學和分析功能在MATLAB工具箱中被組織成8個文件夾。 elmat 初步矩陣，和矩陣操作。elfun 初步的數學函數。求和、正弦、余弦和復數運算等 specfun 特殊的數學函數。矩陣求逆、矩陣特征值、貝塞爾函數等； matfun 矩陣函數用數字表示的線性代數。 atafun 數據分析和傅立葉變換。 polyfun

13、 插值，多項式。 funfun 功能函數。 sparfun 稀疏矩陣。 (3) MATLAB語言：(MATLAB Language)一種高級編程語言（高階的矩陣/數組語言），包括控制流的描述、函數、數據結構、輸入輸出及面對對象編程；(4) 句柄圖形：(Handle Graphics) MATLAB制圖系統(tǒng)具有2維、三維的數據可視化，圖象處理，動畫片制作和表示圖形功能?？梢詫Ω鞣N圖形對象進行更為細膩的修飾和控制。允許你建造完整的圖形用戶界面（GUI），以及建立完整的圖形界面的應用程序。制圖法功能在MATLAB工具箱中被組織成5個文件夾：二維數圖表（graph2d）、三維圖表（graph3d）專業(yè)

14、化圖表（specgraph）、制圖法（graphics）、圖形用戶界面工具（uitools）。(5) 應用程序接口：(Applied Function Interface) MATLAB的應用程序接口允許用戶使用C或FORTRAN語言編寫程序與MATLAB連接。2.1.2 MATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(System Developing Environment)1操作桌面(Operating Desktop)（1）桌面布局：6個窗口命令窗口（Commend Window）、工作空間窗口（Workspace）、當前目錄瀏覽器（Current Directory ）、命令歷史窗口（ Commend

15、History ）、啟動平臺 （Launch Pad）、幫助窗口（Help）、M文件優(yōu)化器（Profiler）。（2）菜單和工具欄；(Menu and toolbar) 操作桌面上有6個菜單和帶有9個快捷按鈕的工具欄組。（3）改變桌面設置：(Setting) File 菜單中Preference對話框中設置。2命令窗口：(Command window)MATLAB的主要交互窗口。用于輸入MATLAB 命令、函數、數組、表達式等信息，并顯示圖形以外的所有計算結果。還可在命令窗口輸入最后一次輸入命令的開頭字符或字符串，然后用鍵調出該命令行。3工作空間窗口：(Workspace Window) 用于

16、儲存各種變量和結果的空間，顯示變量的名稱、大小、字節(jié)數及數據類型，對變量進行觀察、編輯、保存和刪除。臨時變量不占空間。為了對變量的內容進行觀察、編輯與修改，可以用三種方法打開內存數組編輯器。雙擊變量名；選擇該窗口工具欄上的打開圖標；鼠標指向變量名，點擊鼠標右鍵，彈出選擇菜單，然后選項操作。欲查看工作空間的情況，可以在命令窗口鍵入命令whos（顯示存在工作空間全部變量的名稱、大小、數據類型等信息）或命令who（只顯示變量名）。4當前目錄瀏覽器：(Current Directory)用于顯示及設置當前工作目錄，同時顯示當前工作目錄下的文件名、文件類型及目錄的修改時間等信息。只有在當前目錄或搜索路徑

17、下的文件及函數可以被運行或調用。設置當前目錄可以在瀏覽器窗口左上角的輸入欄中直接輸入，或點擊瀏覽器下拉按鈕進行選擇。還可用cd命令在命令窗口設置當前目錄，如：cd c:mydir 可將c盤上的mydir目錄設為當前工作目錄。5命令歷史窗口：(Command History)記錄已運行過的MATLAB命令歷史，包括已運行過的命令、函數、表達式等信息，可進行命令歷史的查找、檢查等工作，也可以在該窗口中進行命令復制與重運行。6啟動平臺：(Launch Pad)幫助用戶方便地打開和調用MATLAB 的各種程序、函數和幫助文件。平臺列出了系統(tǒng)中安裝的所有的MATLAB產品的目錄，可以通過雙擊來啟動相應的

18、選項。7MATLAB 的搜索路徑：(Searching Path)MATLAB定義的一系列文件路徑的組合，缺省狀態(tài)下包括當前路徑和已安裝的全部工具箱的路徑。搜索目錄的設置通過選擇主菜單Set Path菜單項進行。用Add Folder按鈕可以將某一目錄加入搜索路徑，選擇Add with Subfolder按鈕可將選中目錄的子目錄也包括在搜索路徑中。8內存數組編輯器：(Array Editor)提供對數值型或字符型二維數組的顯示和編輯功能，對其他數據類型都不能編輯。通過工作空間窗口打開所選的變量時，該編輯器啟動。2.2 SIMULINK仿真基礎SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現動

19、態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上3。1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，而不必考察模塊內部是如何實現的，通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進行存取），進而進行仿真與分析。2Simulink可將系統(tǒng)分為從高級到低級的幾個層次，每層又可以細分為幾個部分，每層系統(tǒng)構建完成后，將各層連接起來構成一個完整系統(tǒng)。模

20、型創(chuàng)建完成后，可以啟動系統(tǒng)的仿真功能分析系統(tǒng)的動態(tài)特性，其內置的分析工具包括各種仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋求平衡點等。仿真結果可以以圖形方式在示波器窗口顯示，也可將輸出結果以變量形式保存起來，并輸入到MATLAB中以完成進一步的分析。3. Simulink可以仿真線性和非線性系統(tǒng)，并能創(chuàng)建連續(xù)時間、離散時間或二者混合的系統(tǒng)。支持多采樣頻率系統(tǒng)。2.2.1 SIMULINK啟動在MATLAB命令窗口中輸入simulink，結果是在桌面上出現一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。也可以通過MATLAB主窗口的快捷按鈕來打開Sim

21、ulink Library Browser窗口。2.2.2 SIMULINK的模塊庫介紹整個Simulink模塊庫是由各個模塊組構成，標準的Simulink模塊庫中，包括：信號源模塊組(Source)、儀器儀表模塊組(Sinks)、連續(xù)模塊組( Continuous)、離散模塊組(Discrete)、數學運算模塊組(Math)、非線性模塊組(Nonlinear)、函數與表格模塊組(Function&Tables )、信號與系統(tǒng)模塊組(Signals&Systems)和子系統(tǒng)模塊組(Subsystems)幾個部分，此外還有和各個工具相與模塊集之間的聯系構成的子模塊組，用戶還可以將

22、自己編寫的模塊組掛靠到整個模型庫瀏覽器下。2.2.3 電力系統(tǒng)模塊庫的介紹進入MATLAB系統(tǒng)后打開模塊庫瀏覽窗口，用鼠標左鍵雙擊其中的Power System Blocks即可彈出電力系統(tǒng)工具箱模塊庫，它包括連接元件庫(Connectors)，電源庫(Electrical Sources)，基本元件庫(Elements)，元件庫(Extra Library)，電機元件庫(Machines)，測量元件庫(Measurements)和電力電子元件庫(Power Electronics)。這些模塊庫包含了大多數常用電力系統(tǒng)元件的模塊。利用這些庫模塊及其它庫模塊，用戶可方便、直觀地建立各種系統(tǒng)模型并

23、進行仿真。（1）電路元件模型 該部分包括斷路器（Breaker)、分布參數線(Distribute Parameter Line)、線性變壓器(Linear Transformer)、并聯RLC負荷(Parallel RLC Load)，II型線路參數(II Section Line)、飽和變壓器(Saturable Transformer)、串聯RLC支路（Series RLC Branch)、串聯RLC負荷(Series RLC load)、過電壓自動裝置（Surge Arrester)。這部分可以仿真交流輸電線裝置。 （2）電力電子設備模型此部分含有二極管（Diode)、GT0、理想開關

24、(Ideal Switch)、MOS管(Mosfet)、可控晶閘管(Thyristor)的仿真模型。這些設備模型不僅可以單獨進行仿真而且可以組合在一起仿真整流電路等直流輸變電的電力電子設備。（3）電機設備模型此部分有異步電動機(Asynchronous Machine)、勵磁系統(tǒng)(Excitation System)、水輪電機及其監(jiān)測系統(tǒng)(Hydraulic Turbine and Governor(HTG)、永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Machine)、簡化的同步電機(Simplified Synchronous Machine)、同步電機(Syn

25、chronous Machine)。這些模型可以仿真電力系統(tǒng)中發(fā)電機設備，電力拖動設備等。 （4）接線設備模型 這一部分包括一些電力系統(tǒng)中常用的接線設備。如接地設備、輸電線母線等。（5）測量設備模型該部分模型是用來采集線路的電壓或電流值的電壓表和電流表。這 一部分還起著連接SIMULINK模型與POWERLIB模型的作用。 （6）Powerlib擴展庫擴展模塊組包含了上述各個模塊組中的各個附加子模塊組用戶可以根據自己的電力系統(tǒng)結構圖使用POWERLIB和SLMULINK中相應的模型來組成仿真的電路模型。2.2.4 SIMULINK簡單模型的建立1簡單模型的建立（1）建立模型窗口。（2）將功能模

26、塊由模塊庫窗口復制到模型窗口。（3）對模塊進行連接，從而構成需要的系統(tǒng)模型。2模型的特點（1）在SIMULINK里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用SIMULNK進行仿真具有像做實驗一般的圖形化顯示效果。（2）IMULINK的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構建上層母系統(tǒng)。（3）SIMULINK提供了對子系統(tǒng)進行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標和設置參數對話框。2.2.5 SIMULINK功能模塊的處理功能模塊的基本操作，包括模塊的移動、復制、刪除、轉向、改變大小、模塊命名、顏色設定、參數設定、屬性設定、模塊輸入輸出信號等。1模塊庫中的模塊可以直接用鼠標進行拖曳（選中模塊，按

27、住鼠標左鍵不放）而放到模型窗口中進行處理。2在模型窗口中，選中模塊，則其4個角會出現黑色標記。此時可以對模塊進行以下的基本操作。（1）移動：選中模塊，按住鼠標左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動，可按住shift鍵，再進行拖曳。（2）復制：選中模塊，然后按住鼠標右鍵進行拖曳即可復制同樣的一個功能模塊。（3）刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要刪除多個模塊，可以同時按住Shift鍵，再用鼠標選中多個模塊，按Delete鍵即可。也可以用鼠標選取某區(qū)域，再按Delete鍵就可以把該區(qū)域中的所有模塊和線等全部刪除。（4）轉向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時需要轉向

28、。在菜單Format中選擇Flip Block旋轉180度，選擇Rotate Block順時針旋轉90度?；蛘咧苯影碈trl+F鍵執(zhí)行Flip Block，按Ctrl+R鍵執(zhí)行Rotate Block。（5）改變大?。哼x中模塊，對模塊出現的4個黑色標記進行拖曳即可。（6）模塊命名：先用鼠標在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，可以用Format菜單中的Flip Name來實現，也可以直接通過鼠標進行拖曳。Hide Name可以隱藏模塊名稱。（7）顏色設定：Format菜單中的Foreground Color可以改變模塊的前景顏色，Backgro

29、und Color可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過Screen Color來改變。（8）參數設定：用鼠標雙擊模塊，就可以進入模塊的參數設定窗口，從而對模塊進行參數設定。參數設定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點擊其上的help按鈕。通過對模塊的參數設定，就可以獲得需要的功能模塊。（9）屬性設定：選中模塊，打開Edit菜單的Block Properties可以對模塊進行屬性設定。包括Description屬性、 Priority優(yōu)先級屬性、Tag屬性、Open function屬性、Attributes format string屬性。其中Open fun

30、ction屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數名，則當該模塊被雙擊之后，Simulink就會調用該函數執(zhí)行，這種函數在MATLAB中稱為回調函數。（10）模塊的輸入輸出信號：模塊處理的信號包括標量信號和向量信號；標量信號是一種單一信號，而向量信號為一種復合信號，是多個信號的集合，它對應著系統(tǒng)中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數模塊的輸出都為標量信號，對于輸入信號，模塊都具有一種“智能”的識別功能，能自動進行匹配。某些模塊通過對參數的設定，可以使模塊輸出向量信號。2.2.6 SIMULINK線的處理SIMULINK模型的構建是通過用線將各種功能模塊進行連接而構成的。用鼠標可以在功能模塊的輸

31、入與輸出端之間直接連線。所畫的線可以改變粗細、設定標簽，也可以把線折彎、分支。1改變粗細：線所以有粗細是因為線引出的信號可以是標量信號或向量信號，當選中Format菜單下的Wide Vector Lines時，線的粗細會根據線所引出的信號是標量還是向量而改變，如果信號為標量則為細線，若為向量則為粗線。選中Vector Line Widths則可以顯示出向量引出線的寬度，即向量信號由多少個單一信號合成。2設定標簽：只要在線上雙擊鼠標，即可輸入該線的說明標簽。也可以通過選中線，然后打開Edit菜單下的Signal Properties進行設定，其中signal name屬性的作用是標明信號的名稱，

32、設置這個名稱反映在模型上的直接效果就是與該信號有關的端口相連的所有直線附近都會出現寫有信號名稱的標簽。3線的折彎：按住Shift鍵，再用鼠標在要折彎的線處單擊一下，就會出現圓圈，表示折點，利用折點就可以改變線的形狀。4線的分支：按住鼠標右鍵，在需要分支的地方拉出即可以。或者按住Ctrl鍵，并在要建立分支的地方用鼠標拉出即可。2.2.7 SIMULINK仿真的運行構建好一個系統(tǒng)的模型之后，接下來的事情就是運行模型，得出仿真結果。運行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設置仿真參數，啟動仿真和仿真結果分析。1設置仿真參數和選擇解法器設置仿真參數和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parame

33、ters命令，就會彈出一個仿真參數對話框，它主要用三個頁面來管理仿真的參數。Solver頁，它允許用戶設置仿真的開始和結束時間，選擇解法器，說明解法器參數及選擇一些輸出選項。Workspace I/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。Diagnostics頁，允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的等級。（1）Solver頁此頁可以進行的設置有：選擇仿真開始和結束的時間；選擇解法器，并設定它的參數；選擇輸出項。 仿真時間：注意這里的時間概念與真實的時間并不一樣，只是計算機仿真中對時間的一種表示，比如10秒的仿真時間，如果采樣步長定為0.1，則需要執(zhí)行100

34、步，若把步長減小，則采樣點數增加，那么實際的執(zhí)行時間就會增加。一般仿真開始時間設為0，而結束時間視不同的因素而選擇?？偟恼f來，執(zhí)行一次仿真要耗費的時間依賴于很多因素，包括模型的復雜程度、解法器及其步長的選擇、計算機時鐘的速度等等。 仿真步長模式：用戶在Type后面的第一個下拉選項框中指定仿真的步長選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長）和Fixed-step（固定步長）方式。變步長模式可以在仿真的過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測。用戶還可以在第二個下拉選項框中選擇對應模式下仿真所采用的算法。變步長模式解法

35、器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。a) ode45：缺省值，四/五階龍格庫塔法，適用于大多數連續(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，在計算y(tn)時，它僅需要最近處理時刻的結果y(tn-1)。一般來說，面對一個仿真問題最好是首先試試ode45。b) ode23：二/三階龍格庫塔法，它在誤差限要求不高和求解的問題不太難的情況下，可能會比ode45更有效。也是一個單步解法器。c) ode113：是一種階數可變的解法器，它在誤差容許要求嚴格的情況下通常比ode45有效。ode11

36、3是一種多步解法器，也就是在計算當前時刻輸出時，它需要以前多個時刻的解。d) ode15s：是一種基于數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)，當用戶估計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。e) ode23s：它是一種單步解法器，專門應用于剛性系統(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。f) ode23t：是梯形規(guī)則的一種自由插值實現。這種解法器適用于求解適度stiff的問題而用戶又需要一個無數字振蕩的解法器的情況。g) ode23tb：是TR-BDF

37、2的一種實現， TR-BDF2 是具有兩個階段的隱式龍格庫塔公式。h) discrete：當Simulink檢查到模型沒有連續(xù)狀態(tài)時使用它。固定步長模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。i) ode5：缺省值，是ode45的固定步長版本，適用于大多數連續(xù)或離散系統(tǒng)，不適用于剛性系統(tǒng)。j) ode4：四階龍格庫塔法，具有一定的計算精度。k) ode3：固定步長的二/三階龍格庫塔法。l) ode2：改進的歐拉法。m) ode1：歐拉法。n) discrete：是一個實現積分的固定步長解法器，它適合于離散無連續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)。 步長參數：對于變步長模式，用戶可

38、以設置最大的和推薦的初始步長參數，缺省情況下，步長自動地確定，它由值auto表示。a) Maximum step size（最大步長參數）：它決定了解法器能夠使用的最大時間步長，它的缺省值為“仿真時間/50”，即整個仿真過程中至少取50個取樣點，但這樣的取法對于仿真時間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點過于稀疏，而使仿真結果失真。一般建議對于仿真時間不超過15s的采用默認值即可，對于超過15s的每秒至少保證5個采樣點，對于超過100s的，每秒至少保證3個采樣點。b) Initial step size（初始步長參數）：一般建議使用“auto”默認值即可。 仿真精度的定義（對于變步長模式）a) Rela

39、tive tolerance（相對誤差）：它是指誤差相對于狀態(tài)的值，是一個百分比，缺省值為1e-3，表示狀態(tài)的計算值要精確到0.1%。b) Absolute tolerance（絕對誤差）：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。如果它被設成了auto，那么simulink為每一個狀態(tài)設置初始絕對誤差為1e-6。2啟動仿真設置仿真參數和選擇解法器之后，就可以啟動仿真而運行。選擇Simulink菜單下的start選項來啟動仿真，如果模型中有些參數沒有定義，則會出現錯誤信息提示框。如果一切設置無誤，則開始仿真運行，結束時系統(tǒng)會發(fā)出一鳴叫聲。2.3 MATLAB的GUI程序設

40、計GUI(Graphical User Interfaces):由各種圖形對象組成的用戶界面，在這種用戶界面下，用戶的命令和對程序的控制是通過“選擇”各種圖形對象來實現的?；緢D形對象分為控件對象和用戶界面菜單對象，簡稱控件和菜單。2.3.1 控件對象及屬性1GUI控件對象類型(The mode of controller object)控件對象是事件響應的圖形界面對象。當某一事件發(fā)生時，應用程序會做出響應并執(zhí)行某些預定的功能子程序（Callback）。2控件對象的描述(Description of controller object) MATLAB中的控件大致可分為兩種，一種為動作控件，鼠標

41、點擊這些控件時會產生相應的響應。一種為靜態(tài)控件，是一種不產生響應的控件，如文本框等。 每種控件都有一些可以設置的參數，用于表現控件的外形、功能及效果，既屬性。屬性由兩部分組成：屬性名和屬性值，它們必須是成對出現的。（1）按鈕(Push Buttons)：執(zhí)行某種預定的功能或操作。（2）開關按鈕(Toggle Button)：產生一個動作并指示一個二進制狀態(tài)（開或關），當鼠點擊它時按鈕將下陷，并執(zhí)行callback（回調函數）中指定的內容，再次點擊，按鈕復原，并再次執(zhí)行callback 中的內容。 （3）單選框(Radio Button)：單個的單選框用來在兩種狀態(tài)之間切換，多個單選框組成一個單

42、選框組時，用戶只能在一組狀態(tài)中選擇單一的狀態(tài)，或稱為單選項。（4）復選框(Check Boxes)：單個的復選框用來在兩種狀態(tài)之間切換，多個復選框組成一個復選框組時，可使用戶在一組狀態(tài)中作組合式的選擇，或稱為多選項。（5）文本編輯器(Editable Texts)：用來使用鍵盤輸入字符串的值，可以對編輯框中的內容進行編輯、刪除和替換等操作。 （6）靜態(tài)文本框(Static Texts)：僅僅用于顯示單行的說明文字。（7）滾動條(Slider)： 可輸入指定范圍的數量值。（8）邊框(Frames)：在圖形窗口圈出一塊區(qū)域。（9）列表框(List Boxes)：在其中定義一系列可供選擇的字符串。（

43、10）彈出式菜單(Popup Menus)： 讓用戶從一列菜單項中選擇一項作為參數輸入。（11）坐標軸(Axes)： 用于顯示圖形和圖象。3控件對象的屬性(Attributes of controller object) 用戶可以在創(chuàng)建控件對象時，設定其屬性值，未指定時將使用系統(tǒng)缺省值。 兩大類控件對象屬性：第一類是所有控件對象都具有的公共屬性，第二類是控件對象作為圖形對象所具有的屬性。2.3.2 GUI開發(fā)環(huán)境(GUI Development Environment, GUIDE)MATLAB提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，使用用戶界面開發(fā)環(huán)境可方便的創(chuàng)建GUI應用程序, 它可以根據用

44、戶設計的GUI布局，自動生成M文件的框架，用戶使用這一框架編制自己的應用程序。MATLAB提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形用戶接口（GUI）的工具，包括：1布局編輯器(Layout Editor)-在圖形窗口中加入及安排對象。布局編輯器是可以啟動用戶界面的控制面板，上述工具都必須從布局編輯器中訪問，用guide命令可以啟動，或在啟動平臺窗口中選擇GUIDE來啟動布局編輯器。2幾何排列工具(Alignment Tool)-調整各對象相互之間的幾何關系和位置3屬性編輯器(Property Inspector)-查詢并設置屬性值4對象瀏覽器Object Browser)-用于獲得當前MATLAB圖形用戶界

45、面程序中所有的全部對象信息，對象的類型，同時顯示控件的名稱和標識，在控件上雙擊鼠標可以打開該控件的屬性編輯器。5菜單編輯器(Menu Editor)-建立窗口菜單條的菜單和任何構成布局的彈出菜單 在MATLAB中， GUI的設計是以 M文件的編程形式實現的，GUI的布局代碼存儲在M文件和MAT文件中，而在MATLAB6中有了很大的改變，MATLAB6將GUI的布局代碼存儲在 FIG文件中，同時還產生一個M文件用于存儲調用函數，在M文件中不再包含GUI的布局代碼，在開發(fā)應用程序時代碼量大大減少。2.3.3 GUI程序設計(GUI Program design)包括圖形界面的設計和功能設計兩個方面

46、設計一個簡單的用戶圖形界面用于所設計的各種仿真電路的打開1設計步驟： （1）在布局編輯器中布置控件。（2）使用幾何位置排列工具對控件的位置進行調整。（3）設計控件的屬性。（4）設置其他繪圖屬性。2設置控件的標識(Set the Tag of controller) 控件的標識(Tag)是對于各控件的識別,每個控件載創(chuàng)建時都會由開發(fā)環(huán)境自動產生一個標識,在程序設計中,為了編輯、記憶和維護的方便,一般為控件設置一個新的標識。3編寫代碼(Edit code)GUI圖形界面的功能,還是要通過一定的設計思路和計算方法,由特定的程序來實現。為了實現程序的功能，還需要在運行程序前編寫一些代碼，完成程序中變量

47、的賦值、輸入輸出、計算及繪圖等工作。3 整流電路的仿真整流電路：出現最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?，電路形式多種多樣，本章主要對單相和三相整流電路進行模擬方針，并對其波形進行分析4。3.1 單相橋式全控整流電路的仿真3.1.1 單相橋式全控整流電路構成單相橋式全控整流電路(純電阻負載)如圖3.1所示，電路由交流電源亂 、整流變壓器T、晶閘管VT1 VT4 、負載電阻R 以及觸發(fā)電路組成。在變壓器次級電壓u2 的正半周觸發(fā)晶閘管VT1 和VT3。；在“u2的負半周觸發(fā)晶閘管VT2 和VT4 ，則負載上可以得到方向不變的直流電，改變晶閘管的控制角可以調節(jié)輸出直流電壓和電路的大小。圖3.1

48、單相橋式全控整流電路原理圖 3.1.2 單相橋式全控整流電路模型建立根據單相橋式全控整流電路原理圖，在Simulink的Power System 工具箱里提取交流電源、晶閘管、RLC串聯電路、脈沖發(fā)生器、變壓器、示波器等元器件。在Simulink操作平臺上連接這些模塊，構成單相橋式全控整流電路模型，如圖3.2所示。圖3.2 單相橋式整流電路仿真模型圖3.1.3 模型參數設置雙擊仿真模型中的各個模塊彈出參數設置對話框，就可進行參數設置。在整流電路中，改變晶閘管觸發(fā)角輸出直流電壓和電流的大小就得到改變。因此觸發(fā)角 的設置是電路參數中的重要一項。晶閘管的觸發(fā)采用脈沖觸發(fā)器(Pulse Generat

49、or)產生，脈沖發(fā)生器的脈沖周期T 必須和交流電源“ 同步，晶閘管的控制角a 以脈沖的延遲列問t來表示，taTd360。其中，T 一1f，f 為交流電源頻率。仿真算法選擇ODE23TB算法，當電路帶阻感性負載時，應保證觸發(fā)脈沖具有足夠的寬度。3.2 三相橋式全控整流電路的仿真3.2.1 三相橋式全控整流電路的構成三相橋式全控整流電路原理圖如圖3.3 所示。三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來的,它由三相半波共陰極接法(V T1 ,V T3 ,V T5 ) 和三相半波共陽極接法(V T4 ,V T6 ,V T2 ) 的串聯組合。 圖3.3 三相橋式全控整流電路原理圖 三相橋式全控

50、整流電路原理圖其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通,構成電流通路,因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導通,必須對不同組別應到導通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖,所以觸發(fā)脈沖的寬度應大于/ 3 的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大,易使脈沖變壓器飽和,所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖;每隔/ 3 換相一次,換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進行,但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內6 個管子的組合導通順序是V T12V T22V T32V T42V T52V T6 ;共陰極組T1 , T3 , T5 的脈沖依次相差2/ 3 ; 同一相的上下兩個橋臂, 即V T1 和

51、V T4 ,V T3 和V T6 ,V T5 和V T2 的脈沖相差,給分析帶來了方便;當= 0 時,輸出電壓Ud 一周期內的波形是6 個線電壓的包絡線,所以輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6 倍,比三相半波電路高1 倍,脈動減小,而且每次脈動的波形都一樣,故該電路又可稱為6 脈動整流電路。同理,三相半波整流電路稱為3 脈動整流電路。> 0 時,Ud 的波形出現缺口,隨著角的增大,缺口增大,輸出電壓平均值降低。當= 2/ 3 時,輸出電壓為零,所以電阻性負載時,的移相范圍是02/ 3 ;當0 / 3 時,電流連續(xù),每個晶閘管導通2/ 3 ;當/ 3 2/ 3 時, 電流斷續(xù), 每個晶閘管

52、導通小于2/ 3 。23=/ 3 是電阻性負載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點。3.2.2 三相橋式全控整流電路模型建立根據三相橋式全控整流電路的原理可以利用Simulink內的模塊建立仿真模型如圖3.4 所示,設置三個交流電壓源Va ,Vb ,Vc 相位角依次相差120°,得到整流橋的三相電源。用6 個Thyristor 構成整流橋,實現交流電壓到直流電壓的轉換。6 個pulse generator 產生整流橋的觸發(fā)脈沖,且從上到下分別給16 號晶閘管觸發(fā)脈沖。 圖3.4 三相橋式全控整流電路仿真模型 3.1.3 模型參數設置三相電源的相位互差120°, 交流峰值電壓為100 V

53、,頻率為60 Hz。晶閘管的參數為: Rn = 0. 001 ,Lon = 0. 000 1 H ,Vf = 0 V , Rs = 50 , Cs = 250 ×10 - 9 。負載電阻性設R = 45 ,電感性負載設L = 1 H。脈沖發(fā)生器脈沖寬度設置為脈寬的50 % ,脈沖高度為5 V ,脈沖周期為0. 016 7 s ,脈沖移相角隨著控制角的變化對“相位角延遲”進行設置。4 整流電路GUI界面的開發(fā)4.1 Matlab GUI的實現方法Matlab可視化界面的設計方法一般有2種：一是直接通過Matlab的腳本文件來實現GUI；另一種是通過Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE來實現圖形界面。Matlab軟件GUIDE為用戶提供了一個方便高效的集成