【文章內容簡介】 信號處理，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大學生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業(yè)部門， MATLAB被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題。在國內，特別是工程界， MATLAB 一定會盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個學科，都能在 MATLAB 里找到合適的功能。 ⑶ MATLAB 的特點 一種語言之所以能如此迅速地普及，顯 示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，正如同 FORTRAN 和 C 等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機硬件資源進行操作一樣，被稱作為第四代計算機語言的 MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。 MATLAB 最突出的特點就是簡潔。 MATLAB用更直觀的，符合人們思維習慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語言的冗長代碼。 MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下 MATLAB 的主要特點。 1）。語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。 MATLAB 程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領域的專家編寫，用戶不必擔心函數(shù)的可靠性?？梢哉f，用 MATLAB 進行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。 具有 FORTRAN 和 C 等高級語言知識的讀者可能已經注意到，如果用 FORTRAN 或 C 語言去編寫程序，尤其當涉及矩陣運算和畫圖時，編程會很麻煩。例如，如果用戶想求解一個線性代數(shù)方程，就得編寫一個程序塊讀入數(shù)據(jù)，然后再使用一種求解線性方程的算法（例如追趕法）編寫一個程序塊來求解方程，最后再輸出計算 結果。在求解過程中，最麻煩的要算第二部分。解線性方程的麻煩在于要對矩陣的元素作循環(huán)，選擇穩(wěn)定的算法以及代碼的調試動不容易。即使有部分源代碼，用戶也會感到麻煩，且不能保證運算的穩(wěn)定性。解線性方程的程序用FORTRAN 和 C 這樣的高級語言編寫，至少需要四百多行，調試這種幾百行的計算程序可以說中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 13 頁 共 36頁 很困難。以下用 MATLAB 編寫以上兩個小程序的具體過程。 MATLAB 求解下列方程，并求解矩陣 A的特征值。 Ax=b,其中： A= 32 13 45 67 23 79 85 12 43 23 54 65 98 34 71 35 b= 1 2 3 4 解為： x=A\b。設 A的特征值組成的向量 e， e=eig（ A）。 可見， MATLAB 的程序極其簡短。更為難能可貴的是， MATLAB 甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程， MATLAB 會根據(jù)矩陣的特性選擇方程的求解方法，所以用戶根本不用懷疑 MATLAB 的準確性。 2）運算符豐富。由于 MATLAB 是用 C語言編寫的， MATLAB 提供了和 C 語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用 MATLAB 的運算符將使程序變得極 為簡短。 3） MATLAB 既具有結構化的控制語句（如 for循環(huán)， while 循環(huán)， break 語句和 if 語句），又有面向對象編程的特性。 4）程序限制不嚴格，程序設計自由度大。例如，在 MATLAB 里，用戶無需對矩陣預定義就可使用。 5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。 6） MATLAB 的圖形功能強大。在 FORTRAN 和 C 語言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。 MATLAB 還具有較強的編輯圖形界面的能力。 7） MATLAB 的缺點是，它 和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于 MATLAB 的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。 8）功能強大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。 MATLAB 包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用于多種學科。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control,toolbox,signl proceessing toolbox,mumnication toolbox 等。這些工具箱都是由該領域內學術水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高，精，尖的研究。 9）源程序的開放性。開放性也許是 MATLAB 最受人們歡迎的特點。除內部函數(shù)以外，所有中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 14 頁 共 36頁 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構成新的工具箱。 SIMULINK 介紹 ⑴ SIMULINK 介紹 Simulink 工具箱是 Matlab 各種工 具箱中比較特別的，他是從底層開發(fā)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面。在這個環(huán)境中，用戶可以利用鼠標或鍵盤，完成面向框圖系統(tǒng)仿真的全部過程，并且更加直觀、快速和準確地達到仿真的目標。 Simulink工具箱的另一個優(yōu)點是他不給出任何新的函數(shù)。 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，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(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，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。 Simulink 具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于 Simulink。 Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具， 是一種基于 MATLAB 的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿 真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。 Simulinkamp。reg。是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 36頁 工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。 Simulink 作為面向框圖的仿真軟件，具有以下功能： (1)用方框圖的繪制代替程序的編寫。 (2)仿真的建立和運行是智能化的。 (3)輸入輸出信號來源形式的多樣化。 通常在通信系統(tǒng)仿真模型中使用的工具箱除了 Simulink 之外，還有一些以Simulink 為基礎的模塊工具箱。最常用的有電力系統(tǒng) (Powersys)模塊工具箱，數(shù)字信號處理 (DSP Blocks)模塊工具箱，定點處理 (FixPointBlocks)模塊工具箱和通信系統(tǒng) (Comm)模塊工具箱。 電力系統(tǒng) (Powersys)模塊工具箱提供了電力傳輸和拖動中用到的各種子系統(tǒng)模型，他包含電源、元件、電機、電力電子、測量、聯(lián)接及其他。 數(shù)字信號處理 (DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號源庫、信號漏 (終端庫 )、通用 DSP 庫、數(shù)學函數(shù)庫、濾波器庫、頻譜分析庫及演示庫。 定點處理 (FixPoint Blocks)模塊工具箱主要是為分析計算機字長有限對處理信號造成的影響而提供的各種 Simulink 模塊，包括定點的算術運算、定點的邏輯運算、定點的變換運算、定點數(shù)的傳送和定點數(shù)的聯(lián)接。 通信系統(tǒng) (Comm)模塊工具箱主要包括信號源和信號終端庫、信源編碼和信源解碼庫、糾錯編碼和糾錯解碼庫、調制和解調庫、多路存取庫、發(fā)送濾波和接收濾波庫以及信道庫等。 通過使用 Simulink 工具箱以及以他為基礎的其他工具箱可以很容易地建立起一個直觀的通信系統(tǒng)模型。第一階段是用圖形方式來畫結構圖并進行編輯；第二 階段是進行運算仿真。在第一階段中首先要進行環(huán)節(jié)庫框圖的建立，從各種庫中查找到需要的圖標后進行排列；然后把各環(huán)節(jié)的端口按框圖連接起來；最后進行環(huán)節(jié)參數(shù)的設定。要注意在系統(tǒng)輸入端加上信號源，在用戶關心的輸出端加中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 16 頁 共 36頁 上信號終端 (即觀測或記錄信號的設備，如示波器、電壓表或文件等 )。這樣一個通信系統(tǒng)就確定了，接下來可以進行仿真、確定系統(tǒng)的性能指標及方案比較。 ⑵ Simulink 特點 ① 豐富的可擴充的預定義模塊庫 、 交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理 。 ② 通過 Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼 。 ③ 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成 。 ④ 使用 Embedded MATLAB? 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用 MATLAB 算法 。 ⑤ 使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯 C 代碼的形式來運行模型 。 ⑥ 圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和 異常行為 可訪問 MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù) 。 ⑦ 模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤 。 2 總體方案設計 根據(jù)設計要求，所設計的系統(tǒng)應為單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，選定轉速為負反饋，采用變電壓調節(jié)方式，實現(xiàn)對直流頂尖級的無級平滑調速。 所以，設計步驟流程圖如下： 計算所需參數(shù) 建立帶比例放大器的閉環(huán)系統(tǒng)對系統(tǒng)進行仿真得出需改進數(shù)據(jù)設計調節(jié)器 驗證校正后的系統(tǒng)是否滿足要求 中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 17 頁 共 36頁 設計原理 帶比例放大的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理圖與穩(wěn)態(tài)結構圖 由圖可知：轉速負反饋直流調速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) ： *n n nU U U? ? ? 放大器： c p nU K U?? 電力電子變換器： 0d s cU KU? 調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性： 0ddU I Rn Ce?? 測速反饋環(huán)節(jié)： Un n?? 整理后可得系統(tǒng)的靜特性方程式： *(1 )P s n dK K U RIn Ce k CeR??? () 其中 /p s eK K K C?? 如果斷開反饋回路，當電流連續(xù)時，系統(tǒng)的機械特性方程式為： 0ddU I Rn Ce?? 中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共 36頁 開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉速降落分別為： Nop