【文章內(nèi)容簡介】 生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究單位和工業(yè)開發(fā)部門，MATLAB被廣泛的應(yīng)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(nèi)就將盛行起來，因為無論哪個學(xué)科或工程領(lǐng)域都可以從MATLAB中找到合適的功能[2]。 MATLAB的主要組成部分MATLAB系統(tǒng)由5個主要的部分構(gòu)成：(1) 開發(fā)環(huán)境(Development Environment)：微MATLAB用戶或程序編制員提供的一套應(yīng)用工具和設(shè)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(diào)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(shù)學(xué)函數(shù)庫(Math Function Library)：數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)函數(shù)。求和、正弦、余弦和復(fù)數(shù)運算等 specfun 特殊的數(shù)學(xué)函數(shù)。矩陣求逆、矩陣特征值、貝塞爾函數(shù)等； matfun 矩陣函數(shù)－用數(shù)字表示的線性代數(shù)。 atafun 數(shù)據(jù)分析和傅立葉變換。 polyfun 插值，多項式。 funfun 功能函數(shù)。 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(shù)組語言），包括控制流的描述、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、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(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)圖表（graph2d）、三維圖表（graph3d）專業(yè)化圖表（specgraph）、制圖法（graphics）、圖形用戶界面工具（uitools）。(5) 應(yīng)用程序接口：(Applied Function Interface) MATLAB的應(yīng)用程序接口允許用戶使用C或FORTRAN語言編寫程序與MATLAB連接。 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(dāng)前目錄瀏覽器（Current Directory ）、命令歷史窗口（ Commend 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(shè)置：(Setting) File 菜單中Preference對話框中設(shè)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(shù)、數(shù)組、表達式等信息，并顯示圖形以外的所有計算結(jié)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(diào)出該命令行。3．工作空間窗口：(Workspace Window) 用于儲存各種變量和結(jié)果的空間，顯示變量的名稱、大小、字節(jié)數(shù)及數(shù)據(jù)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(nèi)容進行觀察、編輯與修改，可以用三種方法打開內(nèi)存數(shù)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(shù)據(jù)類型等信息）或命令who（只顯示變量名）。4．當(dāng)前目錄瀏覽器：(Current Directory)用于顯示及設(shè)置當(dāng)前工作目錄，同時顯示當(dāng)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(dāng)前目錄或搜索路徑下的文件及函數(shù)可以被運行或調(diào)用。設(shè)置當(dāng)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(shè)置當(dāng)前目錄，如：cd c:\mydir 可將c盤上的mydir目錄設(shè)為當(dāng)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(shù)、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(fù)制與重運行。6．啟動平臺：(Launch Pad)幫助用戶方便地打開和調(diào)用MATLAB 的各種程序、函數(shù)和幫助文件。平臺列出了系統(tǒng)中安裝的所有的MATLAB產(chǎn)品的目錄，可以通過雙擊來啟動相應(yīng)的選項。7．MATLAB 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(dāng)前路徑和已安裝的全部工具箱的路徑。搜索目錄的設(shè)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(nèi)存數(shù)組編輯器：(Array Editor)提供對數(shù)值型或字符型二維數(shù)組的顯示和編輯功能，對其他數(shù)據(jù)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。 SIMULINK仿真基礎(chǔ)SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(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(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)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(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（），進而進行仿真與分析。2．Simulink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(gòu)建完成后，將各層連接起來構(gòu)成一個完整系統(tǒng)。模型創(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(nèi)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(jié)果可以以圖形方式在示波器窗口顯示，也可將輸出結(jié)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)。 SIMULINK啟動在MATLAB命令窗口中輸入simulink，結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)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Simulink Library Browser窗口。 SIMULINK的模塊庫介紹整個Simulink模塊庫是由各個模塊組構(gòu)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(shù)學(xué)運算模塊組(Math)、非線性模塊組(Nonlinear)、函數(shù)與表格模塊組(Functionamp。Tables )、信號與系統(tǒng)模塊組(Signalsamp。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(lián)系構(gòu)成的子模塊組，用戶還可以將自己編寫的模塊組掛靠到整個模型庫瀏覽器下。 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(shù)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)模型并進行仿真。（1）電路元件模型 該部分包括斷路器（Breaker)、分布參數(shù)線(Distribute Parameter Line)、線性變壓器(Linear Transformer)、并聯(lián)RLC負荷(Parallel RLC Load)，II型線路參數(shù)(II Section Line)、飽和變壓器(Saturable Transformer)、串聯(lián)RLC支路（Series RLC Branch)、串聯(lián)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(shè)備模型此部分含有二極管（Diode)、GT0、理想開關(guān)(Ideal Switch)、MOS管(Mosfet)、可控晶閘管(Thyristor)的仿真模型。這些設(shè)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(shè)備。（3）電機設(shè)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(Synchronous Machine)。這些模型可以仿真電力系統(tǒng)中發(fā)電機設(shè)備，電力拖動設(shè)備等。 （4）接線設(shè)備模型 這一部分包括一些電力系統(tǒng)中常用的接線設(shè)備。如接地設(shè)備、輸電線母線等。（5）測量設(shè)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(jù)自己的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖使用POWERLIB和SLMULINK中相應(yīng)的模型來組成仿真的電路模型。 SIMULINK簡單模型的建立1．簡單模型的建立（1）建立模型窗口。（2）將功能模塊由模塊庫窗口復(fù)制到模型窗口。（3）對模塊進行連接，從而構(gòu)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(gòu)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(shè)置參數(shù)對話框。 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(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、顏色設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、屬性設(shè)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(xiàn)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(fù)制：選中模塊，然后按住鼠標右鍵進行拖曳即可復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向。在菜單Format中選擇Flip Block旋轉(zhuǎn)180度，選擇Rotate Block順時針旋轉(zhuǎn)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）改變大小：選中模塊，對模塊出現(xiàn)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(xiàn)，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(shè)定：Format菜單中的Foreground Color可以改變模塊的前景顏色，Background 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(shù)設(shè)定：用鼠標雙擊模塊，就可以進入模塊的參數(shù)設(shè)定窗口，從而對模塊進行參數(shù)設(shè)定。參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)定，就可以獲得需要的功能模塊。（9）屬性設(shè)定：選中模塊，打開Edit菜單的Block Properties可以對模塊進行屬性設(shè)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 function屬性是一個很有用的屬性，通過它指定一個函數(shù)名，則當(dāng)該模塊被雙擊之后，Simulink就會調(diào)用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調(diào)函數(shù)。（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(fù)合信號，是多個信號的集合，它對應(yīng)著系統(tǒng)中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數(shù)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(shù)的設(shè)定，可以使模塊輸出向量信號。 SIMULINK線的處理SIMULINK模型的構(gòu)建是通過用線將各種功能模塊進行連接而構(gòu)成的。用鼠標可以在功能模塊的輸入與輸出端之間直接連線。所畫的線可以改變粗細、設(shè)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(dāng)選中Format菜單下的Wide Vector Lines時，線的粗細會根據(jù)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(shè)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(shè)定，其中signal name屬性的作用是標明信號的名稱，設(shè)置這個名稱反映在模型上的直接效果就是與該信號有關(guān)的端口相連的所有直線附近都會出現(xiàn)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(xiàn)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?；蛘甙醋trl鍵，并在要建立分支的地方用鼠標拉出即可。 SIMULINK仿真的運行構(gòu)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(jié)果。運行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設(shè)置仿真參數(shù)，啟動仿真和仿真結(jié)果分析。1．設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會彈出一個仿真參數(shù)對話框，它主要用三個頁面來管理仿真的參數(shù)。Solver頁，它允許用戶設(shè)置仿真的開始和結(jié)束時間，選擇解法器，說明解法器參數(shù)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(shè)置有：選擇仿真開始和結(jié)束的時間；選擇解法器，并設(shè)定它的參數(shù)；選擇輸出項。① 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，則需要執(zhí)行100步，若把步長減小，則采樣點數(shù)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(shè)為0，而結(jié)束時間視不同的因素而選擇。總的說來，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(fù)雜程度、解法器及其步長的選擇、計算機時鐘的速度等等。② 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Variablestep（變步長）和Fixedstep（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(yīng)模式下仿真所采用的算法。變步長模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。a) ode45：缺省值，四/五階龍