Matlab論文MatlabSimulink的仿真應(yīng)用

Matlab/Simulink的仿真應(yīng)用一、基于Matlab的信號(hào)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)MATLAB的信號(hào)處理工1.1MATLAB美國MathWorks公司于1984年推出一款面向工程和科學(xué)運(yùn)算的MATLAB（MatrixLaboratory--矩陣實(shí)驗(yàn)室)高性能軟件，被廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析、自動(dòng)控制、信號(hào)將MATLAB列為本科生、研究生必須掌握的基礎(chǔ)工具軟件之一。它的主要特點(diǎn)包括:高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，使用戶擺脫了繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析；完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，易于學(xué)習(xí)和掌握，編程效率極高；開放性好，能與多種平臺(tái)工具軟件兼容；功能豐富的應(yīng)用工具箱，具有廣泛解決各學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜問題的能力。1.2MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用MATLAB強(qiáng)大的符號(hào)運(yùn)算功能與圖形處理功能，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可視化及系統(tǒng)分析提供了強(qiáng)有力的工具。工具箱函數(shù)可以分析連續(xù)信號(hào)、連續(xù)系統(tǒng)、離散信號(hào)、離散系統(tǒng)等，并可對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的各種計(jì)算、分解和變換，如相加、相乘、移位、反折、傅立葉變、拉氏變換、Z變換和頻譜分析等多種計(jì)算功能。RLC帶通濾波器的頻譜特性等仿真實(shí)例說明MATLAB仿真在信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。1.2.1抽樣信號(hào)的實(shí)現(xiàn)階躍信號(hào)、門信號(hào)、衰減型指數(shù)信號(hào)和抽樣信號(hào)等。抽樣信號(hào)的基本數(shù)學(xué)形式定義為：Satsintt而在MATLAB中用與類似的函數(shù)來表示：Sa(t

sint)t而兩個(gè)函數(shù)沒有本質(zhì)上的區(qū)別，僅是時(shí)間尺度上不同。t66仿真波形如圖1圖1在MATLAB 中實(shí)現(xiàn)的程序代碼如下t=-6*pi:pi/100:6*pi;Sat=sinc(t/pi);plot(t,Sat),gridonxlabel('t'),ylabel('Sa(t)')axis([-20,20,-0.3,1.1])title(')從圖1中看出，為偶函數(shù)，是非周期的振蕩衰減信號(hào)，t 0當(dāng)t=0時(shí)，峰值Sa（）=1（k）=0（k為整數(shù)，當(dāng)t2后，衰減幅度減小。周期方波信號(hào)傅立葉級(jí)數(shù)分解與合成在系統(tǒng)時(shí)域分析中，以正弦函數(shù)為基本信號(hào)，分析工程上常用的周期信號(hào)的一些基本特應(yīng)可看作各不同頻率正弦信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)的疊加。設(shè)周期信號(hào)為

周期為T，角頻率0 2，則傅立葉級(jí)數(shù)的三角展開式為：T其中，積分區(qū)間取，t ,各項(xiàng)系數(shù)為：分量的疊加。n=0時(shí)為直流分量，n=1時(shí)為一次諧波分量，以此類推。可見，周期信號(hào)MATLAB實(shí)現(xiàn)周期方波的信號(hào)分解與合成，并繪出各次諧波疊加的傅立葉綜合波形圖。設(shè)方波周期信號(hào)如圖2所示，取T=1，則方波信號(hào)的傅立葉三角級(jí)數(shù)為：所以各次諧波分n=1，2...，分別求5、11和39次諧波的合成波形。如圖3所示，MATLAB程序如下：t=-1:0.001:1;omega=2*pi;subplot(221)plot(t,y),gridonaxis([-1,1,-1.5,1.5])xlabel('t'),title('周期方波信號(hào)')n_max=[51139];N=length(n_max);fork=1:Nn=1:2:n_max(k);b=4./(pi*n);x=b*sin(omega*n'*t);subplot(2,2,k+1);plot(t,y),holdonplot(t,x),holdoffaxis([-1,1,-1.5,1.5]),gridonxlabel('t'),title(['合成波形，最大諧波=',num2str(n_max(k))]);end從圖3中看出，隨著傅立葉級(jí)數(shù)項(xiàng)的增加，合成信號(hào)與方波信號(hào)之間的誤差越來越小但是在信號(hào)跳變點(diǎn)附近，卻總是存在一個(gè)過沖，這就是典型的Gibbs現(xiàn)象。兩個(gè)余弦周期信號(hào)的相加與相乘信號(hào)的相加與相乘是指在同一時(shí)刻信號(hào)取值的相加與相乘，是信號(hào)的基本運(yùn)算形式，在MATLAB中是基于向量的點(diǎn)運(yùn)算。設(shè)已知信號(hào)，則兩個(gè)信號(hào)相加與相乘的波形如圖4所示。為了便于觀察，增加了包絡(luò)線，MATLAB程序如下：f=1;t=0:0.01:3/f;f1=cos(2*pi*f*t);f2=cos(2*pi*8*f*t);subplot(411);plot(t,f1),gridon,title('f1(t)')subplot(412);plot(t,f2),gridon,title('f2(t)')subplot(413);plot(t,f1+1,':',t,f1-1,':',t,f1+f2)gridon,title('f1(t)+f2(t)')subplot(414);plot(t,f1,':',t,-f1,':',t,f1.*f2)gridon,title('f1(t)*f2(t)')從圖4中看到，兩個(gè)信號(hào)相加后，仍為振蕩周期信號(hào)，振幅相加，周期為 周期（ （）的周期最大，T）兩個(gè)信號(hào)相乘，振幅相乘，周期為Ts，在一個(gè)周期內(nèi)，前半個(gè)周期的波形與后半個(gè)周期的波形是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的。RLC帶通濾波器的頻率特性連續(xù)時(shí)間LTI（線性時(shí)不變）系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，是基于信號(hào)的頻譜分析的方法，包括幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性，是描述信號(hào)與系統(tǒng)特性的重要參數(shù)。圖5為一種RLC帶通濾波器的最簡單形式，設(shè)R=10,L=0.1H，C=0.1F時(shí)的頻率響應(yīng)。頻率特性為：諧振頻率為：則帶通濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線如圖6所示，MATLAB程序如下：b=[10];a=[11100];H=freqs(b,a,w);subplot(2,1,1);plot(w,abs(H)),gridonxlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('|H(\omega)|');title('帶通濾波器的幅頻特性')subplot(2,1,2);plot(w,angle(H)),gridonxlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('\phi(\omega)');title('帶通濾波器的相頻特性')從圖6中可以看到，該帶通濾波器的頻率特性就是讓接近諧振頻率的信號(hào)通過而阻止其他頻率的信號(hào)。二、Matlab/Simulink在直流斬波電路仿真中的應(yīng)用2.12.1.12.1.1.1由IGBT構(gòu)成的直流降壓斬波電路的建模和參數(shù)設(shè)置buck。打開PowerSystem工具箱中的電力電子模塊組,分別復(fù)制一個(gè)IGBT模塊、二極管Ds模塊、二極管Diode模塊到buck模型中。打開IGBT對(duì)話框,按照默認(rèn)值設(shè)置相關(guān)參RS=inf、。打開電源模塊,分別復(fù)制一個(gè)直流電壓源模塊E到buck模型窗口中,打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,電壓源Us=200V、E=80V。打開元件和接地模塊組,復(fù)制一個(gè)串聯(lián)RL元件模塊和接地模塊到buck模型窗口中。打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,設(shè)置、L=5mH。從Simulink信號(hào)與系統(tǒng)模塊組中復(fù)制一個(gè)具有兩個(gè)輸出信號(hào)的分離器 ,命名為DemuxIGBT的m端(用于IGBT電流和電壓的測量),兩個(gè)輸出端分別接到二通道示波器Scope1的輸入端上。從Simulink輸入源模塊組中復(fù)制一個(gè)脈沖發(fā)生器模型到buckPulse,并將其輸出接到IGBT的門極上。從連接器模塊組中復(fù)制兩個(gè)T連接器到仿真模型窗口中,作為多元件連接的節(jié)點(diǎn)。1buck仿真電路。圖1 由IGBT組成的Buck直流變換器仿真模型2.1.1.2直流降壓斬波電路的仿真打開仿真參數(shù)窗口,選擇ode23tb算法,相對(duì)誤差設(shè)置為1e-03,開始仿真時(shí)間設(shè)置為0,停止仿真時(shí)間設(shè)置為0.01s,控制脈沖周期設(shè)置為0.001s(頻率為1000Hz),控制脈沖占空比為50%。參數(shù)設(shè)置完畢后,啟動(dòng)仿真,得到圖2的仿真結(jié)果。占空比為50%負(fù)載電壓波形圖2 由IGBT組成的Buck直流變換器仿真結(jié)果由圖2可以看出負(fù)載上電壓為100V滿足 。2.1.2直流升降壓斬波電路的仿真圖3給出了由IGBT元件組成的升降壓斬波電路的仿真模型,IGBT按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置并取消緩沖電路、負(fù)載R=50W、C=3e-05H,電感支路L=5mH。啟動(dòng)仿真,得到圖3的仿真結(jié)果。從圖4可以看出,負(fù)載上電壓分別為滿足與升降壓斬波理論分析吻合。圖3 由IGBT組成的Boost-Buck直流變換器仿真模型占空比為50%時(shí)負(fù)載電壓波形圖4 由IGBT組成的Boost-Buck直流變換器負(fù)載電壓波形2.2結(jié)語通過以上的仿真過程分析,可以得到下列結(jié)論。本文利用Simulink對(duì)降壓斬波電路和升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析,與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用Matlab/Simulink對(duì)直流斬波電路進(jìn)行仿真分析,避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程,得到了一種較為直觀、快捷分析斬波電路的新方法。應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真,在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù),并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化