Simulink在电路系统仿真中的应用.docx

评 语复 核 人 意 见课程论文首页院、系 (部)学号课程名称论文题目电子信息工程系910706201专业姓名电子信息工 程XXX计算机仿真技术Simulink 在电路系统仿真中的应用班级任课教师成绩092XXX签字：年 月 日签字：年 月 日Simulink 在电路系统仿真中的应用XXX摘要： 运用 Matlab 提供的可视化仿真环境 Simulink 设计模块图的方法，通过建立电路的仿真模型来直观地观察电路中的电流、电压和功率的波形。关键字： Matlab Simulink 电路仿真1 背景简介电路理论中， 对电路的分析计算提出了各种方法。 但要用这些方法计算一些较为复杂的 电路， 传统的笔算方法不仅费时费力， 且容易出现错误。 因此， 有必要引进计算机辅助分析。 若用传统的计算机语言编写程序， 对编程者的计算机语言、 算法和数据结构等方面的知识要 求较高，而且这些语言的变量类型中没有复数，使得操作者很难直接应用。而利用 Matlab 的 M 文件求解电路方程，程序非常简洁，可读性强，且计算结果准确。同时 Matlab 提供的 Simulink 工具可以直接建立电路的仿真模型，可以非常直观地观察电路中的电流、电压和 功率的波形， 可以随意改变仿真参数且立即得到修改后的仿真结果， 进一步省去了编程的步 骤。2 原理简介在 Matlab 软件的 Simulink 仿真工具中，电路仿真元件库SimPowerSystems 的内部有 基本连接件(Connectors)、电源(Electrical Sources)、基本元器件(Elements)、特别 元件(Extra Library)、电机(Machines)、测量仪表(Measurements)和电力电子(PowerElectronics) 7 个子库。下面分别介绍电路系统仿真中常用的电气元件。2.1 电阻、电感和电容元件在 Matlab 软件中，没有独立的电阻、电感和电容元件，三者是以复合元件的形式出现 在基本元器件(Elements)子库中，分别是并联RLC 支路、并联 RLC 负载、串联 RLC 支路和 串联 RLC 负载 4 种形式， 如图 1 所示。 通过设置 RLC 串联支路和 RLC 并联支路的参数可以获 得独立电阻、电感和电容，具体参数设置如表 1 所示。1 / 7图 1 RLC 复合元件的四种形式表一 独立电阻、电感和电容参数设置RLC 并联支路电阻参数 设置Rinfinf电感参数 设置infLinf电容参数设置00CRLC 串联支路电感参数设置0L0MATLAB 库元件获得的独立元件独立电阻 独立电感独立电容电阻参数设置R00电容参数 设置infinfC2.2 电源元件在电源子库中有三相可编程电压源、 三相电源、 交流电流源、 交流电压源、 受控电流源、 受控电压源和直流电压源 7 个电源模块，如图 2 所示。图 2 电源子库在电源子库中，没有提供直流电流源，在实际仿真应用中，可利用以下两种方法实现：(1)使用数据库中的常数模块和受控电流源参数的合理设置来代替直流电流源。(2)使用交流电流源，把其频率设为 0，相位设为 90 ，即可作为直流电流源。2.3 测量元件在测量元件子库中有电流表 (Current Measurement)、 电压表 (Voltage Measurement)、 阻抗表(Impedance Measurement)、万用表(Multimeter)以及三相电源伏安特性表 (Three-Phase V-I Measurement) 5 种测量模块，如图 3 所示。2 / 7图 3 测量子库2.4 网孔电流法网孔电流是一个假象沿着各自网孔内循环流动的电流。网孔电流法是以网孔电流作为电 路的变量， 利用基尔霍夫电压定律列写网孔电压方程， 进行网孔电流的求解， 即网孔电流法 是对各个网孔列写 KVL 方程。3 实验内容和过程如图 4 (a)所示电路，已知U = 3V， I = 2A ，求U 和I 。s s AB图 4 (a)电路原图 图 4 (b)网孔电流法电路图3.1 理论分析应用网孔电流法计算U 和I 的理论值，可假定两个网孔的网孔电流分别为i 和i ，AB m1 m2如图 4 (b)所示。可得如下方程：又支路电流I 可由网孔电流i 和i 来表示，故I = i 一i = 2 一 (一3) = 5A ，根据 KVL 定m1 m2 m1 m2理可得： 2 2 一3 一U = 0 ，解得U = 1V 。AB AB3.2 实验仿真3.2.1 仿真电路的建立与连接在 Simulink 仿真环境下新建一个 Model 窗口， 分别从 SimPowerSystems 子库Elements 中找到串联 RLC 支路、 Electrical Sources 中找到交流电流源和直流电压源、 Measurements 中找到电流表和电压表以及 Sinks 库中找到 Scope 模块，并用鼠标将它们拖到 Model 窗口，3 / 7并按照电路图进行布局， 同时根据实际电路连接关系以及仿真需要进行各元件的连接。连接后的仿真电路图如图 5 所示。图 5 仿真电路图3.2.2 电路元件的参数设置(1)设置电流源参数：双击电源模块，打开参数设置对话框，把电源的频率设为0，相位设为 90，使其充当直流电流源来使用。具体参数设置如图 6 所示。图 6 电流源参数设置(2)设置 RLC 参数：双击图 5 中横放的串联 RLC 支路模块，在弹出的对话框中将“Branch type”设置为 R，将串联 RLC 支路设置为2 的电阻，如图7 所示。用同样的方法把另一个RLC 支路设置为1 的电阻。4 / 7图 7 电阻 R 参数设置(3)设置直流电压源参数：双击直流电压源模块，在弹出的对话框中将 Amplitude 参 数设为 3 后点击“OK”按钮就把直流电压源设置为我们所需的 3V 直流电压源。3.2.3 仿真参数设置电路元件的参数设置完毕后， 进行仿真参数设置。 由于该系统是简单的连续系统， 仿真 参数设置中每个选项都可以使用默认值，采用步长 ode45 即可满足解算要求。4 实验结果和分析设置完各参数后， 仿真电路图如图 8 所示。 保存该仿真电路图， 单击工具栏中的按钮运行仿真，仿真结果如图 9 中的 Scope 模块中所示， U = 1V， I = 5A 。若把仿真电路中的AB显示元件替换为 Display 元件，如图 10 所示。保存后并运行，双击 Display 模块所得到的波形图同图 9，结果一样也是U = 1V， I = 5A。AB图 8 Scope 仿真模型AB(a) U 波形图 (b) I 波形图图 9 仿真波形图5 / 7图 10 Display 仿真模型通过比较理论分析值和实验仿真值， 二者明显相同。 可见仿真电路的模型建立与运行结 果是可行、准确的。故当电路比较复杂且列方程计算较麻烦时，可利用 Matlab 的可视化仿 真环境 Simulink 进行电路仿真，可以直观又快速地得出所需的波形图或数值。5 总结用 Matlab 提供的Simulink 来建模、 仿真， 用鼠标拖拉模块图标来建模， 其模型生成直 观、简单， 还可以在仿真时随时改变参数，并用Scope 等随时观察仿真波形， 使得仿真更具 有实时性、直观性。使用 Simulink 进行电路设计与仿真一般需要 4 个步骤。第一步，布局：根据实际电路 在 Simulink 元件库中找到所需元器件的仿真模块，根据电路元件的排列顺序和电压电流关 系进行布局。第二步，连线：根据实际电路元器件进行连线。第三步，设置参数：按照电路 要求设置各个元器件的参数，同时根据需求设置实验环境的参数。第四步， 保存并运行：当 仿真进度为 100%时，通过双击 Display、 Scope 等显示元件，即可查看要测量的的电压或电流等的仿真曲线。同时可以通过多次仿真，从而对设置的电路进行优化。参考文献：1吴旭光，杨慧珍，王新民.计算机仿真技术J.化学工业出版社， 2008.2王宏.Matlab6.5 及其在信号处理中的应用M.清华大学出版社， 2005.6 / 7