MATLAB在电气工程中的应用课程设计部分学生版.doc

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。1.2 MATLAB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。1.3 SimPowerSystems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（Electrical Sources）、元件模块库（Elements）、电力电子模块库（Power Electronics）、电机模块库（Machines）、测量模块库（Measurements）、应用库（Application Libraries）、接口元件库（Interface Library）、控制和测量元件库（Control and Measurements Libraries）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1-1 SimPowerSystems工具箱组成电源模块库包括直流电压源（DC Voltage Source）、交流电压源（AC Voltage Source）、交流电流源（AC Current Source）、可控电压源（Controlled Voltage Source）、可控电流源（Controlled Current Source）、三相电源（Three-Phase Source）三相可编程电源（Three-Phase Programmable Source）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（Series RLC Branch）、串联RLC负载模块（Series RLC Road）、并联RLC分支模块（Parallel RLC Branch）、并联RLC负载模块（Parallel RLC Road）、三相串联RLC分支模块（Three Phase Series RLC Branch）、三相串联RLC负载模块（Three Phase Series RLC Road）、三相并联RLC分支模块（Three Phase Parallel RLC Branch）、三相并联RLC负载模块（Three Phase Parallel RLC Road）、三相谐波滤波器（Three Phase Harmonic Filter）、互感器（Mutual Inductance）、三相互感器（Three-Phase Dynamic Load）、过压抑制器（Surge Arrester）、三相动态负载（Three Phase Harmonic Filter）、地（ground）、节点（node）以及连接端口（Connection Port）。传输线包括Pi传输线（Pi Section Line）、分布参数传输线（Distributed Parameters Line）以及三相Pi传输线（Three-Phase Pi Section Line）。断路器包括断路器（Breaker）、三相断路器（Three-Phase Breaker）以及三相故障定位器（Three-Phase Fault）。变压器包括线性变压器（Linear Transformer）、饱和变压器（Saturable Transformer）、多绕组变压器（Multi-Winding Transformer）、三相变压器（双绕组）（Three-Phase Transformer(Two Windings)）、三相变压器（三绕组）（Three-Phase Transformer(Three Windings)）、异相变压器（Phase-Shifting Transformer）、三相变压器（12个接头）（Three-Phase Transformer(12 Terminals)）、接地变压器（Grounding Transformer）、三相变压器电感矩阵型（双绕组）（Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type(Two Windings)）以及三相变压器电感矩阵型（三绕组）（Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type(Three Windings)）。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 & Signal Generators）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（Detailed Thyristor）、GTO、IGBT、IGBT /二极管、MOS管（MOSFET）、理想开关（Ideal Switch）、通用桥（Universal Bridge）以及三电平桥（Three-Level Bridge）。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（DC Machine）、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（Simplified Synchronous Machine pu Units）、同步电机归一化基本模型（Synchronous Machine pu Fundamental）、同步电机归一化标准模型（Synchronous Machine pu Standard）、简化的同步电机国际单位单元（Simplified Synchronous Machine SI Units）、同步电机国际单位基本模型（Synchronous Machine SI Fundamental）以及永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine）。异步电机模型包括异步电机归一化单元（Asynchronous Machine pu Units）、异步电机国际单位单元（Asynchronous Machine SI Units）、单相异步电机（Single Phase Asynchronous Machine）。电动机模型包括开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）和步进电机（Stepper Motor）。原动机与调速器模型包括通用电力系统稳定器（Generic Power System Stabilizer）、多带电力系统稳定器（Multi-Band Power System Stabilizer）、励磁系统（Excitation System）、附加的励磁系统（Additional Excitation System）、水轮机和调速器（Hydraulic Turbine and Governor）以及蒸汽机和调速器（Steam Turbine and Governor）。图1-5电机模块库组成测量模块库主要包括电流测量（Current Measurement）、电压测量（Voltage Measurement）、三相电压电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）、阻抗测量（Impedance Measurement）、万用表（Multimeter）、负载流量总线（Load Flow Bus）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（Sequence Analyzer）、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（DC Dives）、交流驱动（AC Drives）、移相与减速器（Shafts and Speed reducers）以及特别电源（Extra Sources），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-Electronics Based FACTS）、变压器以及高压直流输电系统（HVDC Systems）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-Voltage Simscape Interface）和电压电流Simscape接口（Voltage-Current Simscape Interface），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 & Signal Generators）、逻辑（Logic）、变换（Transformations）以及附加元件（Additional Components）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-Order Filter（Variable-Tuned）以及超前滞后滤波器（Lead-Lag Filter），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（Edge Detector）、导通/关断延时（On/Off Delay）、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（Discrete Variable Time Delay）、离散移位寄存器（Discrete Shift Register）以及采样和保持（Sample and Hold），如图1-17所示。图1-17 附加元件模块库组成1.4 Simulink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。1.4.1 Buck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1-18 Buck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1-19 Buck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）To Workspace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Pulse Generator的周期和占空比。 下面给出主要模块的参数设置： （1）在Electrical Sources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Series RLC Branch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Power Electronics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“Show measurement port”选项。 （4）在Simulink模块库中的Sources模块库中，拖拽Pulse Generator模块，参数设置如图1-20所示。图1-20 Pulse Generator模块参数设置 （5）在Simulink模块库中的Commonly Used Blocks模块库中拖拽Scope模块。将“Number of axes”设为6，勾选“Save data to workspace”参数设置如图1-21所示。 图1-21 Scope模块参数设置 （6）平均值（Mean）计算：在Extra Library模块库中的Measurement模块库中拖拽Mean Value模块，将“Averaging period”其频率设为0.01s。将Mean Value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“Branch voltage”一项。 （8）在Simulink模块库的Signal Routing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Commonly Used Blocks模块库中选择Bus Selector模块，连接到Mosfet模块的m端。 （10）从Simulink模块库的Sink模块库拖拽To Workspace模块，修改变量名为UR，如图1-22所示。图1-22 To Workspace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.mfigure(1)plot(ScopeData.time,ScopeData.signals(1,1).values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(PWM,fontsize,10)title(PWM Pulse Signal,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)grid ontitle(Inductance Voltage,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)grid ontitle(Inductance Current,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)grid ontitle(Load Voltage,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)grid ontitle(Mosfet Voltage and Current,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)grid ontitle(Mosfet Voltage and Current,fontsize,10) figure(6)plot(UR.time,UR.signals.values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(UR/V,fontsize,10)grid ontitle(Load Voltage Mean Value,fontsize,10) （12）信号发生器产生PWM信号如图1-23所示。图1-23 PWM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1-26 Mosfet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1-41 Boost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？ 1.5 Simulink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，而系统的输出量没有反馈给定环节参与控制。图1-42 直流电动机开环控制原理利用SimPowerSystem模块库中的Universal Bridge模块和合成6脉冲发生器集成模块，可以搭建开环直流电动机调速系统的仿真模型如图1-43所示。图1-43开环直流电动机调速系统的仿真模型开环直流电动机调速系统仿真模型包括以下模块：（1）交流电源模块；（2）合成6脉冲发生器模块；（3）Universal Bridge模块；（4）DC Machine模块；（5）Demux模块；（6）示波器模块；（7）直流电源模块；（8）串联RLC分支模块；（9）电压测量模块；（10）常数模块； 分析仿真模型图1-43可知： （1）可以根据需要设定Synchronized 6-pulse generator Pulse Generator的触发角。 （2）可以通过Demux模块观测直流电动机的转速、励磁电流、电枢电流以及电磁转矩波形。 下面给出模块的参数设置：（1）在Electrical Sources模块库中拖拽三个交流电压源模块，设置三相对称交流电源的峰值电压为220V，初始相位分别为0，-120和120，频率为50Hz。（2）晶闸管整流桥参数设置如图1-44所示：从Power Electronics模块库中选取Universal Bridge模块。设置缓冲电阻Rs为50k，缓冲电容Cs为inf，内电阻Ron为0.001，内电抗Lon为0H，“Power Electronic device”选择“Thyristors”。图1-44 晶闸管整流桥参数设置 （3）在Elements模块库中，拖拽Series RLC Branch模块，选择电感L，设置L=5*10-3H。（4）直流电动机参数设置：从Machines模块库中拖拽DC Machine模块，直流电动机的励磁绕组“F+F-” 端接直流恒定励磁电源，励磁电源从Electrical Sources模块中拖拽DC Voltage Source模块，设置幅值为220V。电枢绕组“A+A-”端经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出端。电动机经TL端接恒转矩负载，通过m端可以测量直流电动机的转速、励磁电流、电枢电流以及电磁转矩。直流电动机的参数设置如图1-45所示。励磁电阻Rf为240，电感Lf为120H，电枢电阻Ra为0.6，电枢电感La为0.012H，电枢绕组和励磁绕组互感Laf为1.8H，电动机的转动惯量为，额定负载转矩。 （5） 6脉冲发生器的参数设置：从SimPowerSystem模块库中的Extra Library模块库中的Control Blocks模块库中拖拽Synchronous 6 Pulse Generator模块。由于该模块需要三相线电压同步信号，因此通过三个电压测量模块将三相理想交流电源的相电压转换成线电压。设置Block为0，触发角为50。双击打开参数设置对话框，设置频率为50Hz，脉冲宽度为10，勾选双脉冲。图1-45 直流电动机参数设置 （6）由于是开环控制，因此晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定信号。从Simulink模块库中拖拽Constant模块，设置为50rad/s。 （7）系统的仿真参数设置：打开Simulation菜单的Configuration Parameters对话框，选择变步长算法ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock），如图1-46所示。设置“Start time”为0，“Stop time”设定为10s。图1-46 系统的仿真参数设置 （8）打开M文件编辑器，编制绘图文件，并命名为DCWIT.mfigure(1)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,1).values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(rad/s,fontsize,10)title(Speed,fontsize,10)grid on figure(2)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,2).values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(Ia/A,fontsize,10)title(Armature Current,fontsize,10)grid on figure(3)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,3).values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(If/A,fontsize,10)title(Field Current,fontsize,10)grid on figure(4)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,4).values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(Te/Nm,fontsize,10)title(Mechanical Torque,fontsize,10)grid on figure(5)subplot(4,1,1)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,1).values,linewidth,1.5)ylabel(rad/s,fontsize,10)grid ontitle(DC Motor Simulation Waves,fontsize,10)subplot(4,1,2)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,2).values,linewidth,1.5)ylabel(Ia/A,fontsize,10)grid onsubplot(4,1,3)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,3).values,linewidth,1.5)ylabel(If/A,fontsize,10)grid onsubplot(4,1,4)plot(DCWIT.time,DCWIT.signals(1,4).values,linewidth,1.5)xlabel(time(s),fontsize,10)ylabel(Te/Nm,fontsize,10)grid on （9）转速波形如图1-47所示。图1-47 转速波形 （10）电枢电流波形如图1-48所示。图1-48 电枢电流波形 （11）励磁电流波形如图1-49所示。图1-49 励磁电流波形 （12）电磁转矩波形如图1-50所示。图1-50 电磁转矩波形1.5.2 交直流调速课程设计题目1. 基于Simulink的晶闸管单闭环有静差转速负反馈直流调速系统仿真（1）实验要求基于Simulink完成晶闸管单闭环有静差转速负反馈直流调速系统仿真。晶闸管单闭环有静差转速负反馈直流调速系统的原理框图如图1-63所示。图1-63 闭环有静差转速负反馈直流调速系统原理框图（2）设计要求直流电动机系统参数如图1-45所示。要求绘制直流电动机单闭环控制系统的转速、励磁电流、电枢电流以及电磁转矩波形。（3）思考题随着负载转矩TL的增加，则电枢电流波形如何变化？2. 基于Simulink的晶闸管单闭环无静差转速负反馈直流调速系统仿真（1）实验要求 基于Simulink完成晶闸管单闭环无静差转速负反馈直流调速系统仿真。晶闸管单闭环无静差转速负反馈直流调速系统的原理框图如图1-64所示。（2）设计要求直流电动机系统参数如图1-45所示。要求绘制直流电动机单闭环控制系统的转速、励磁电流、电枢电流以及电磁转矩波形。（3）思考题单闭环无静差转速负反馈直流调速系统与单闭环有静差转速负反馈直流调速系统的区别在哪里？ 图1-64 晶闸管单闭环无静差转速负反馈直流调速系统原理框图