【文章內(nèi)容簡介】 2022a ，同時(shí)還推出了最新版本的 Simulink 。 Simulink 是 Simulation (仿真 ) 和 link（連接）的簡寫形式，它提供一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，不用大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)模型。 Simulink 具有適用性廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛 應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理等復(fù)雜系統(tǒng)的方針和設(shè)計(jì)。同時(shí) Simulink 也成為 MATLAB 其他工具箱的圖形化仿真平臺，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、模糊控制工具箱、電力系統(tǒng)工具箱等。 Simulink 啟動 啟動 MATLAB 軟件之后，可以通過 3 種方式打開 Simulink 工具箱。 （ 1） 在 Command Window 輸入 “ sinmulink” 命令。 （ 2） 單擊 MATLAB 主窗口 左下角的【 Start】 按鈕，在彈出的快捷菜單中選擇 【 Simulink】/ 【 Library Browser】 命令。 （ 3） 單擊 MATLAB 主窗口 工具欄中的 工具。 啟動 Simulink 工具箱后，同時(shí)也打開了其他基于 Simulink 平臺的工具箱，如 Neural Network Toolbox 、 Fuzzy Logic Toolbox 和 Simpowrsystem 等。 Simulink 組成 Simulink 模塊庫共包含 16個(gè)子模塊庫，它們是 Commonly Used Blocks （常用模塊庫）、 Continous （連續(xù)）系統(tǒng)模塊庫、 Discrete（離散）系統(tǒng)模塊庫、 Logic and Bit Operation （邏輯與位操作）模塊庫、 Lookup Tables（查詢表 ） 模塊庫、 Math Operation (數(shù)學(xué)操作 )模塊庫、 Model Verification (模型驗(yàn)證 )模塊庫、 ModelWide Utilities Ports amp。 Subsystems（接口與子系統(tǒng)）模塊庫、 Signal Attributes（信號屬性）模塊庫、 Signal Routing（信號路由）模塊庫、 Sink（輸出）模塊庫、 Sources（信號源）模塊庫、 UserDefined Function（ 用戶自定義）模塊庫、 Additional Math amp。 Discrete（附加 數(shù)學(xué)和離散系統(tǒng)）模塊庫。 單擊 Simulink 庫瀏覽左側(cè)子模塊庫標(biāo)題，在庫右側(cè)顯示該庫所有模塊。也可以右擊子模塊庫標(biāo)題，在彈出的快捷菜單中選擇 【 Open】 命令，彈出子模塊庫 獨(dú)立窗口。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 6 仿真過程 在已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 或系統(tǒng)框圖的情況下，利用 Simulink 進(jìn)行建模仿真的基本步驟如下： (1)啟動 Simulink ，打開 Simulink 庫瀏覽器。 (2) 建立空白模型窗口。 (3) 由控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型或結(jié)構(gòu) 圖建立 Simulink 仿真模型。 (4) 設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真。 (5) 輸出仿真結(jié)果。 Simulink 模塊庫簡介 為便于用戶能夠快速構(gòu)建自己所需的動態(tài)系統(tǒng)， Simulink提供了大量以圖形方式給出的內(nèi)置系統(tǒng)模塊，使用這些內(nèi)置模塊可以快速方便地設(shè)計(jì)出特定的動態(tài)系統(tǒng) 。 Simulink的模塊庫能夠?qū)ο到y(tǒng)模塊進(jìn)行有效的管理與組織，使用 Simulink模塊庫瀏覽器可以按照類型選擇合適的系統(tǒng)模塊、獲得系統(tǒng)模塊的簡單描述以及查找系統(tǒng)模塊等，并且可以直接將模塊庫中的模塊拖動或者拷貝到用戶的系統(tǒng)模型中以構(gòu) 建動態(tài)系統(tǒng)模型 。 Simulink公共模塊庫是 Simulink中最為基礎(chǔ)、最為通用的模塊庫，它可以被應(yīng)用到不同的專業(yè)領(lǐng)域中。 Simulink公共模塊庫共包含 14個(gè)模塊庫 。它們分別為：常用模塊庫、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫、非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫、離散系統(tǒng)模塊庫、邏輯與位操作模塊庫、表格查詢模塊庫、數(shù)學(xué)操作模塊庫、端口與子系統(tǒng)模塊庫、信號屬性操作模塊庫、信號路由模塊庫、接收模塊庫、信號源模塊庫、用戶自定義模塊庫附加數(shù)據(jù)及離散系統(tǒng)模塊庫等 [16]。 電力系統(tǒng)工具箱簡介 在 Command Window 命令窗口輸入“ powerlib”命令，彈出 SimPowersystem 工具箱，也可以通過 Simulink 庫瀏覽器，單擊 “ Simpowersystem”前的 按鈕，可逐級打開電力系統(tǒng)仿真工具箱的模塊庫。還可通過 MATLAB 的開始菜單依次單擊【 Start】、【 Simulink】、【 SimPowersystem】、【 BlockLibrary】命令，彈出電力系統(tǒng)仿真工具箱窗口。 電力系統(tǒng)仿真工具箱主要包括電源模塊庫、電力元件模塊庫、電力電子元件模塊庫、電機(jī)模塊庫、測量模塊庫、應(yīng)用模塊庫、特別模塊庫 以及電氣系統(tǒng)仿真分析的圖形用 戶接口 [3]。 S函數(shù)簡介 S函數(shù)的基本概念 S函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù) (System Function)的簡稱，是指采用非圖形化的方式（即計(jì)算機(jī)語言，區(qū)別于 Simulink的系統(tǒng)模塊）描述的一個(gè)功能塊。用戶可以采用 MATLAB代碼，異步電動機(jī)ＳＰＷＭ變頻調(diào)速原理與仿真分析 7 C， C++， FORTRAM或 Ada等語言編寫 S函數(shù)。 S函數(shù)由一種特定的語法構(gòu)成，用來描述并實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)等動態(tài)系統(tǒng)； S函數(shù)能夠接收來自 Simulink求解器的相關(guān)信息，并對求解器發(fā)出的命令做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，這種交互作用類似 于 Simulink系統(tǒng)模塊與求解器的交互作用。 S函數(shù)作為與其他語言相結(jié)合的接口，可以使用這個(gè)語言所提供的強(qiáng)大能力。例如，MATLAB語言編寫的 S函數(shù)可以充分利用 MATLAB所提供的豐富資源，方便地調(diào)用各種工具箱函數(shù)和圖形函數(shù)；使用 C語言編寫的 S函數(shù)則可以實(shí)現(xiàn)對操作系統(tǒng)的訪問，如實(shí)現(xiàn)與其它進(jìn)程的通信和同步等。簡單來說，用戶可以從如下的幾個(gè)角度來理解 S函數(shù)： （ 1） S函數(shù)為 Simulink的“系統(tǒng)”函數(shù)。 （ 2） 能夠響應(yīng) Simulink求解器命令的函數(shù)。 （ 3） 采用非圖形化的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)。 （ 4） 可以開發(fā)新 的 Simulink模塊。 （ 5） 可以與已有的代碼相結(jié)合進(jìn)行仿真。 （ 6） 采用文本方式輸入復(fù)雜的系統(tǒng)方程。 （ 7） 擴(kuò)展 Simulink功能。 M文件 S函數(shù)可以擴(kuò)展圖形能力， C MEX S函數(shù)可以提供與操作系統(tǒng)的接口。 （ 8） S函數(shù)的語法結(jié)構(gòu)是為實(shí)現(xiàn)一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的（默認(rèn)用法），其它 S函數(shù)的用法是默認(rèn)用法的特例（如用于顯示目的） [4]。 S函數(shù)的使用 在動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析中，用戶可以使用 Functions amp。 Tables模塊庫中的Sfunction模塊來使用 S函數(shù)； Sfunction模塊是一個(gè)單輸入單輸出的系統(tǒng)模塊，如果有多個(gè)輸入與多個(gè)輸出信號，可以使用 Mux模塊與 Demux模塊對信號進(jìn)行組合和分離操作。 S函數(shù)的使用步驟如下： （ 1） 創(chuàng)建 S函數(shù)源文件。創(chuàng)建 S函數(shù)源文件有多種方法，當(dāng)然用戶可以按照 S函數(shù)的語法格式自行書寫每一行代碼，但是這樣做容易出錯(cuò)且麻煩。 Simulink為我們提供了很多 S函數(shù)模板和例子，用戶可以根據(jù)自己的需要修改相應(yīng)的模板或例子即可。 （ 2） 在動態(tài)系統(tǒng)的 Simulink模型框圖中添加 Sfunction模塊，并進(jìn)行正確的設(shè)置。 （ 3） 在 Simulink模型框圖中按照定義好的功能連接輸入輸出端口。 與 S函數(shù)相關(guān)的一些術(shù)語 （ 1） 仿真例程（ Routines） Simulink在仿真的特定階段調(diào)用對應(yīng)的 S函數(shù)功能模塊（函數(shù)），來完成不同的任務(wù)，如初始化、計(jì)算輸出、更新離散狀態(tài)、計(jì)算導(dǎo)數(shù)、結(jié)束仿真等，這些功能模塊（函數(shù)）稱為仿真例程或者回調(diào)函數(shù)（ call backfunctions）。 表 21列出了 S函數(shù) 的仿真階段。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 8 表 21 S函數(shù)例程 S函數(shù)仿真例程仿真階段 S函數(shù)仿真階段 mdlGetTimeofNextVarHit 計(jì)算下一個(gè) 采樣點(diǎn) mdlInitialization 初始化 mdlUpdate 更新離散狀態(tài) mdlOutput 計(jì)算輸出 mdlTerminate 結(jié)束仿真 mdlDerivatives 計(jì)算導(dǎo)數(shù) S函數(shù)仿真例程仿真階段 mdlInitialization 初始化 mdlGetTimeofNextVarHit 計(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn) mdlOutput 計(jì)算輸出 mdlUpdate 更新離散狀態(tài) mdlDerivatives 計(jì)算導(dǎo)數(shù) （ 2） 直接饋通（ Direct feedthrough）直接饋通意味著輸 出或可變采樣時(shí)間與輸入直接相 關(guān)。 在如下的兩種情況下需要直接饋通： a） 某一時(shí)刻的系統(tǒng)輸出 y中包含某一時(shí)刻的系統(tǒng)輸入 u。 b） 系統(tǒng)是一個(gè)變采樣時(shí)間系統(tǒng)（ variable sampletimtiem seys=tem(n）180。且采樣時(shí)間計(jì)算與輸入 u相關(guān) 。 Simulink 在每一個(gè)采樣點(diǎn) 調(diào)用 mdlOutput 和 mdlUpdate例程。對于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)采樣時(shí)間和偏移量的值應(yīng)該設(shè)置為零。采樣時(shí)間還可以繼承自驅(qū)動模 塊、 目標(biāo)模塊或者系統(tǒng)最小采樣時(shí)間，這種情況下采樣時(shí)間值應(yīng)該設(shè)置為 1，或者 INHERITED_SAMPLE_TIME。 （ 3） 動態(tài)輸入（ Dynamically sized inputs） S函數(shù)支持動態(tài)可變維數(shù)的輸入。 S函數(shù)的輸入變量 u的維數(shù)決定于驅(qū)動 S函數(shù)模塊的輸入信號的維數(shù)。 S函數(shù)的工作原理 S函數(shù)同樣是一個(gè) Simulink模塊。它的以下幾個(gè)例程函數(shù)清楚地體現(xiàn)了狀態(tài)空間所描述的特性。 （ 1） S函數(shù)中的連續(xù)狀態(tài)方程描述。狀態(tài)向量的一階導(dǎo)數(shù)是狀態(tài) x、輸入 u和時(shí)間 t的函數(shù)。在 S函數(shù)中，狀態(tài)的一階導(dǎo)數(shù)是在 mdlDerivatives例程中計(jì)算的，并將結(jié)果返回供求解器積分。 （ 2） S函 數(shù)中的離散狀態(tài)方程描述。下一步狀態(tài)的值依賴于當(dāng)前的狀態(tài)輸入 u和時(shí)間 t。這是通過 mdlUpdate例程完成的，并將結(jié)果返回供求解器在下一步時(shí)使用。 （ 3） S函數(shù)中的輸出方程描述。輸出值是狀態(tài)、輸入和時(shí)間的函數(shù)。 S函數(shù)是 Simulink的重要組成部分，它的仿真過程包含在 Simulink仿真過程之中。S函數(shù)的仿真流程也包括初始化階段和運(yùn)行階段兩個(gè)階段。 （ 1） 初始化：在仿真開始前， Simulink在這個(gè)階段初始化 S函數(shù)。 ① 初始化結(jié)構(gòu)體 SimStruct，它包含了 S函數(shù)的所有信息。 ② 設(shè)置輸入輸出 端口數(shù)。 ③ 設(shè)置采樣時(shí)間。 異步電動機(jī)ＳＰＷＭ變頻調(diào)速原理與仿真分析 9 ④ 分配存儲空間。 （ 2） 計(jì)算下一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)：只有在使用變步長求解器進(jìn)行仿真時(shí)，才需要計(jì)算下一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)，即計(jì)算下一步的仿真步長。 （ 3） 計(jì)算輸出：計(jì)算所有輸出端口的輸出值。 （ 4） 更新狀態(tài)：此例程在每個(gè)步長處都要執(zhí)行一次，可以在這個(gè)例程中添加每一個(gè)仿真步都需要更新的內(nèi)容，例如離散狀態(tài)的更新。 （ 5） 數(shù)值積分：用于連續(xù)狀態(tài)的求解和非采樣過零點(diǎn)。如果 S函數(shù)存在連續(xù)狀態(tài)，Simulink就在 minor step time內(nèi)調(diào)用 mdlDdrivatives和 mdlOutput兩 個(gè) S函數(shù)例程。 編寫 M 文件 S函數(shù) （ 1） M文件 S函數(shù)的工作流程 。 M文件 S函數(shù)和 前面 所介紹的 S函數(shù)仿真流程是一致的。它調(diào)用例程函數(shù)的順序是通過標(biāo)志 Flag來控制的 。 圖 25給出了各仿真階段的標(biāo)志值、變量值及其對應(yīng)仿真例程。 圖 21 M文件 S函數(shù)流程 （ 2） M文件 S函數(shù)模板 Simulink為我們編寫 S函數(shù)提供了各種模板文件，其 中定義了 S函數(shù)完整的框架結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)自己的需要加以剪裁。編寫 M文件 S函數(shù)時(shí)，推薦使用 S函數(shù)模板文件 。這個(gè)文件包含了一個(gè)完整的 M文件 S函數(shù)，它包含 1個(gè)主函數(shù)和 6個(gè)子函數(shù)。在主函數(shù)內(nèi)程序根據(jù)標(biāo)志變量 Flag，由一個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（ SwitchCase）根據(jù)標(biāo)志將執(zhí)行流程轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的子函數(shù)，即例程函數(shù)。 Flag標(biāo)志量作為主函數(shù)的參數(shù)由系統(tǒng)（ Simulink引擎）調(diào)用時(shí)給出。了解這個(gè)模板文件的最好方陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 10 式莫過于直接打開看看其代碼。 要打開模板文件，可在 MATLAB命令行下輸入： edit sfuntmpl命令 或者雙擊\Sfunction demos\Mfile Sfunctions\Mfile template 塊 [57]。 異步電動機(jī)ＳＰＷＭ變頻調(diào)速原理與仿真分析 11 3 異步電 動 機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) [8] 概述 異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而