【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ratory)是美國(guó) MathWorks 公司開(kāi)發(fā)的一套高性能的數(shù)值分析和計(jì)算軟件，用于概念設(shè)計(jì) ,算法開(kāi)發(fā) ,建模仿真 ,實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的理想的集成環(huán)境，是目前最好的科學(xué)計(jì)算類(lèi)軟件之一。 MATLAB 將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶(hù)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問(wèn)題的分析計(jì)算和程序設(shè)計(jì)工具，它還提供了專(zhuān)業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能，是具有全部語(yǔ)言功能和特征的新一代軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 MATLAB 已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科，多種工作平臺(tái)、功能強(qiáng)大的大型軟件。在歐美等國(guó)家的高校， MATLAB 已成為線(xiàn)性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具。成為攻讀學(xué)位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)開(kāi)發(fā)部門(mén)， MATLAB 被廣泛的應(yīng)用于研究和解決各種 具體問(wèn)題。在中國(guó)， MATLAB 也已日益受到重視，短時(shí)間內(nèi)就將盛行起來(lái)，因?yàn)闊o(wú)論哪個(gè)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(gè) 主要的部分構(gòu)成： (1) 開(kāi)發(fā)環(huán)境 (Development Environment)： 微 MATLAB 用戶(hù)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(hù)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(kù) (Math Function Library)： 數(shù)學(xué)和分析功能在MATLAB 工具箱中被組織成 8個(gè) 文件夾。 elmat 初 步矩陣，和矩陣操作。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 4 elfun 初步的數(shù)學(xué)函數(shù)。 求和、正弦、余弦和復(fù)數(shù)運(yùn)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(xiàn)性代數(shù)。 atafun 數(shù)據(jù)分析和傅立葉變換。 polyfun 插 值 ，多項(xiàng)式。 funfun 功能函數(shù)。 sparfun 稀 疏 矩陣。 (3) MATLAB 語(yǔ)言： (MATLAB Language)一種高級(jí)編程語(yǔ)言（ 高階的矩陣/數(shù)組語(yǔ)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(duì)對(duì)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(dòng)畫(huà)片制作和表示圖形 功能 。 可以 對(duì)各種圖形對(duì)象進(jìn)行更為細(xì)膩的修飾和控制。 允許你建造完整的圖形用戶(hù)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(gè) 文件夾： 二 維數(shù)圖表 （ graph2d）、 三維圖表 （ graph3d） 專(zhuān)業(yè)化圖表 （ specgraph）、 制圖法 （ graphics）、 圖形用戶(hù)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(hù)使用 C 或 FORTRAN 語(yǔ)言編寫(xiě)程序與 MATLAB 連接。 MATLAB 的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 (System Developing Environment) 1．操作桌面 (Operating Desktop) （ 1）桌面布局： 6 個(gè)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(dòng)平臺(tái) （ 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(gè)菜單 和帶有 9個(gè)快捷按鈕的工具欄組。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 5 （ 3） 改變桌面設(shè)置： (Setting) File 菜單中 Preference 對(duì)話(huà)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(dá)式等信息，并顯示圖形以外的所有計(jì)算結(jié)果。還可在命令窗口輸入最后一次輸入命令的開(kāi)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(chǔ)存各種變量和結(jié)果的空間，顯示變量的名稱(chēng)、大小、字節(jié)數(shù) 及數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)變量進(jìn)行觀(guān)察、編輯、保存和刪除。 臨時(shí)變量不占空間 。 為了對(duì)變量的內(nèi)容進(jìn)行觀(guān)察、編輯與修改，可以用三種方法打開(kāi) 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(kāi)圖標(biāo)；鼠標(biāo)指向變量名，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右 鍵，彈出選擇菜單，然后選項(xiàng)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(chēng)、大小、數(shù)據(jù)類(lèi)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(shí)顯示當(dāng)前工作目錄下的文件名、文件類(lèi)型及目錄的修改時(shí)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(yùn)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(diǎn)擊瀏覽器下拉按鈕進(jìn)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(pán)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(yùn)行過(guò)的 MATLAB 命令歷史，包括已運(yùn)行過(guò)的命令、函數(shù)、表達(dá)式等信息，可進(jìn)行命令歷史的查找、檢查 等工作，也可以在該窗口中進(jìn)行命令復(fù)制與重運(yùn)行。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 6 6．啟動(dòng)平臺(tái)： (Launch Pad) 幫助用戶(hù)方便地打開(kāi)和調(diào)用 MATLAB 的各種程序、函數(shù)和幫助文件。 平臺(tái)列出了系統(tǒng)中安裝的所有的 MATLAB 產(chǎn)品的目錄，可以通過(guò)雙擊來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的選項(xiàng)。 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(guò)選擇主菜單 Set Path 菜單項(xiàng)進(jìn)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(duì)數(shù)值型或字符型二維數(shù)組的顯示和編輯功能，對(duì)其他數(shù)據(jù)類(lèi)型都不能編輯。通 過(guò)工作空間窗口打開(kāi)所選的變量時(shí)，該編輯器啟動(dòng)。 SIMULINK 仿真 基礎(chǔ) SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與 MATLAB 語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶(hù)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(hù)可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)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(lèi)的基本的系統(tǒng)模塊，用戶(hù)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(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以 .mdl 文件進(jìn)行存?。?進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。 2． Simulink 可將系統(tǒng)分為從高級(jí)到低級(jí)的幾個(gè)層次，每層又可以細(xì)分為幾個(gè)部分，每層系統(tǒng)構(gòu)建完成后，將各層連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)。模型創(chuàng)建完成后，可以啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真功能分析系統(tǒng)的動(dòng)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(xiàn)性化、尋求平衡點(diǎn)等。仿真結(jié)果可以以圖中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 7 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(lái)，并輸入到MATLAB 中以完成進(jìn)一步的分析 。 3. Simulink 可以仿真線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)，并能創(chuàng)建連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間或二者混合的系統(tǒng)。支持多采樣頻率系統(tǒng) 。 SIMULINK 啟動(dòng) 在 MATLAB 命令窗口中輸入 simulink， 結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱(chēng)為Simulink Library Browser 的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類(lèi)的各種模塊的名稱(chēng)。 也可以通過(guò) MATLAB 主窗口的快捷按鈕來(lái)打開(kāi) Simulink Library Browser 窗口。 SIMULINK 的模塊庫(kù)介紹 整個(gè) Simulink模塊庫(kù)是由各個(gè)模塊組構(gòu)成， 標(biāo)準(zhǔn)的 Simulink模塊 庫(kù) 中，包括 ： 信號(hào)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(yùn)算模塊組 (Math)、非線(xiàn)性模塊組 (Nonlinear)、函數(shù)與表格模塊組 (Functionamp。Tables )、 信號(hào)與系統(tǒng)模塊組 (Signalsamp。Systems)和子系統(tǒng)模塊組 (Subsystems)幾個(gè)部分，此外還有和各個(gè)工具相與模塊集之間的聯(lián)系構(gòu)成的子模塊組，用戶(hù)還可以將自己 編寫(xiě)的模塊組掛靠到整個(gè)模型庫(kù)瀏覽器下。 電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的介紹 進(jìn)入 MATLAB系統(tǒng)后打開(kāi)模塊庫(kù)瀏覽窗口，用鼠標(biāo)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(kù)，它包括連接元件庫(kù)(Connectors)，電源庫(kù) (Electrical Sources)，基本元件庫(kù) (Elements)， 元件庫(kù) (Extra Library)，電機(jī)元件庫(kù) (Machines)，測(cè)量元件庫(kù) (Measurements)和電力電子元件庫(kù) (Power Electronics)。這些模塊庫(kù)包含了大多數(shù)常用電力系統(tǒng)元件的模塊。利用這些庫(kù)模塊及其它庫(kù)模塊，用戶(hù)可方便、直觀(guān)地建立各種系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 8 （ 1）電路元件模型 該部分包括斷路器（ Breaker)、分布參數(shù)線(xiàn) (Distribute Parameter Line)、線(xiàn)性 變 壓器 (Linear Transformer)、并聯(lián) RLC 負(fù)荷 (Parallel RLC Load)， II 型線(xiàn)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(fù)荷 (Series RLC load)、過(guò)電壓自動(dòng)裝置（ Surge Arrester)。這部分可以仿真交流輸電線(xiàn)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(kāi)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(dú)進(jìn)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(jī)設(shè)備模型 此部分有異步電動(dòng)機(jī) (Asynchronous Machine)、勵(lì)磁系統(tǒng) (Excitation System)、水輪電機(jī)及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (Hydraulic Turbine and Governor(HTG))、永磁同步電機(jī)（ Permanent Mag Synchronous Machine)、簡(jiǎn) 化的同步電機(jī) (Simplified Synchronous Machine)、同步電機(jī) (Synchronous Machine)。這些模型可以仿真電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)設(shè)備，電力拖動(dòng)設(shè)備等。 （ 4）接線(xiàn)設(shè)備模型 這一部分包括一些電力系統(tǒng)中常用的接線(xiàn)設(shè)備。如接地設(shè)備、輸電線(xiàn)母線(xiàn)等。 （ 5）測(cè)量設(shè)備模型 該部分模型是用來(lái)采集線(xiàn)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(kuò)展庫(kù) 擴(kuò)展模塊組包含了上述各個(gè)模塊組中的各個(gè)附加子模塊組用 戶(hù)可以根中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 9 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(lái)組成仿真的電路模型。 SIMULINK 簡(jiǎn)單模型的建立 1． 簡(jiǎn)單模型的建立 （ 1）建立模型窗口 。 （ 2）將功能模塊由模塊庫(kù)窗口復(fù)制到模型窗口 。 （ 3）對(duì)模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型 。 2． 模型的特點(diǎn) （ 1） 在 SIMULINK 里提供了許多如 Scope 的接收器模塊，這使得用SIMULNK 進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果。 （ 2） IMULINK 的模型具有層次性，通過(guò)底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。 （ 3） SIMULINK 提供了對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶(hù)可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對(duì)話(huà)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(dòng)、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(hào)等。 1． 模塊庫(kù)中的模塊可以直接用鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳（選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放）而放到模型窗口中進(jìn)行處理。 2． 在模型窗口中，選中模塊，則其 4 個(gè)角會(huì)出現(xiàn)黑色標(biāo)記。此時(shí)可以對(duì)模塊進(jìn)行以下的基本操作。 （ 1） 移動(dòng)：選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫 離線(xiàn)而移動(dòng)，可按住 shift 鍵，再進(jìn)行拖曳。 （ 2） 復(fù)制：選中模塊，然后按住鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行拖曳即可復(fù)制同樣的一個(gè) 功能模塊。 （ 3） 刪除：選中模塊，按 Delete 鍵即可。若要?jiǎng)h除多個(gè)模塊，可以同中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 10 時(shí)按住 Shift 鍵，再用鼠標(biāo)選中多個(gè)模塊，按 Delete 鍵即可。也可以用鼠標(biāo)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(xiàn)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(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn) 90 度?；蛘咧苯影?Ctrl+F 鍵執(zhí)行 Flip Block，按 Ctrl+R鍵執(zhí)行 Rotate Block。 （ 5） 改變大?。哼x中模塊，對(duì)模塊出現(xiàn)的 4 個(gè)黑色標(biāo)記進(jìn)行拖曳即可。 （ 6） 模塊命名：先用鼠標(biāo)在需要更改的名稱(chēng)上單擊一下，然后直接更改即可。名稱(chēng)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(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以直接通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳。 Hide Name可以隱藏模塊名稱(chēng)。 （ 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(guò) Screen Color 來(lái)改變。 （ 8） 參數(shù)設(shè)定：用鼠標(biāo)雙擊模塊，就可以進(jìn)入模塊的參數(shù)設(shè)定窗口，從而對(duì)模塊進(jìn)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(diǎn)擊其上的 help 按鈕。通過(guò)對(duì)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(kāi) Edit 菜單的 Block Properties 可以對(duì)模塊進(jìn)行屬性設(shè)定。包括 Description 屬性、 Priority 優(yōu)先級(jí)屬性、Tag 屬性、 Open function 屬性、 Attributes format string 屬性。其中Open function 屬性是一個(gè)很有用的屬性，通過(guò)它指定一個(gè)函數(shù)名，則當(dāng)該模塊被雙擊之后， Simulink 就會(huì)調(diào)用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在 MATLAB中稱(chēng)為回調(diào)函數(shù) 。 中國(guó)石油大學(xué) （華東） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 11 （ 10） 模塊的輸入輸出信號(hào)：模塊處理的信號(hào)包括標(biāo)量信號(hào)和向量信號(hào)；標(biāo)量信號(hào)是一種單一信號(hào)，而向量信號(hào)為一種復(fù)合信號(hào)，是多個(gè)信號(hào)的集合，它對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)中幾條連線(xiàn)的合成。缺省情況下，大多數(shù)模塊的輸出都為標(biāo)量信號(hào)，對(duì)于輸入信號(hào)，模塊都具有一種 “ 智能 ” 的識(shí)別功能，能自動(dòng)進(jìn)行匹配。某 些模塊通過(guò)對(duì)參數(shù)的設(shè)定，可以使模塊輸出向量信號(hào)。 SIMULINK 線(xiàn)的處理 SIMULINK 模型的構(gòu)建是通過(guò)用線(xiàn)將各種功能模塊進(jìn)行連接而構(gòu)成的。用鼠標(biāo)可以在功能模塊的輸入與輸出端之間直接連線(xiàn)。所畫(huà)的線(xiàn)可以改變粗細(xì)、設(shè)定標(biāo)簽，也可以把線(xiàn)折彎、分支。 1． 改變粗細(xì)：線(xiàn)所以有粗細(xì)是因?yàn)榫€(xiàn)引出的信號(hào)可以是標(biāo)量信號(hào)或向量信號(hào)，當(dāng)選中 Format 菜單下的 Wide Vector Lines 時(shí)，線(xiàn)的粗細(xì)會(huì)根據(jù)線(xiàn)所引出的信號(hào)是標(biāo)量還是向量而改變，如果信號(hào)為標(biāo)量則為細(xì)線(xiàn)，若為向量則為粗線(xiàn)。選中 Vector Line Widths 則