数学建模案例分析--MATLAB在电气工程中应用

Matlab软件在电气工程中的应用Matlab软件,在电力工程的应用实践过程中，是一种功能性强、操作简便、效率比较高仿真软件。

目前已经成为相关专业领域内,使用最广泛、影响最大的软件。

它可以将很多复杂而繁琐的数值计算工作，用最短的时间、最高的效率计算出来，大大降低人力计算所花费的时间.一、Matlab软件简介Matlab软件综合了符号计算、矩阵计算、数值计算、图形处理等很多功能,里面涵盖了很多常用的数字分析和函数计算公式，因而可以建立起完整而系统的学习模型.它可以将很多繁重的人工计算工作，在很短的时间内通过计算机的软件操作工序完成，极大地提高了实际的编程效率和正常编程所需要的时间，在解决实际的工程中所遇到的问题起到了很好的果效，而且Matlab软件特别善于解决一些数学或者工程方面的问题。

Matlab 6。

5、Matlab 7.0是两款目前应用过程中比较广泛的软件版本，而且随着时代的发展与计算机信息技术的加强，加之科学水平的不断进步与提高，Matlab软件的版本也在不断地提高，软件的计算功能也在不断地更新和加强。

在科学研究领域与某些技术分析领域的计算工作，基本上大部分都可以由该软件来解决和完成。

Matlab软件中有很多不同类型的子程序系统，为实际的程序运算预编了很多的常用的函数,并且每一个使用该软件的用户可以根据自身的个人喜好与函数了解的程度，合理选用不同的函数，并且所有的使用函数都可以直接从软件的库函数中直接调取出来.此外,Matlab软件还具有十分强大的图形的绘制功能，同样在软件内部已经预先安设了很多的不同的图形绘制软件,可以满足用户方方面面的图形绘制要求。

在电气工程系统的应用过程中，该软件能够迅速建立用户个人的电力系统的数字模型,通过这个模型，用户可以直接按照的软件中的操作界面所显示的图形，准确地分析电气工程中电路的电压情况，分析电流的波形变化情况。

图1为Matlab软件的操作界面: 图1 Matlab软件的操作界面二、Matlab软件在电气工程中的应用电气工程图在电气工程的施工过程中占据了重要的地位,只有科学精准的工程图的使用,才能更好地指导实际的电气施工，提高电气工程的施工质量。

科 技 论 坛
电气工程 中的应用
陈天恩 李红月
（ 安徽理工大学 电气与信息工程学院 ， 安徽 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
摘 要： 我 国能源结构调整的重点是大力发展 清洁能源， 电能是能源体 系中的重要一环 ， 也是 重要的清洁能源之一。国民经济的增长 和可持 续发展 离不开电能的广泛应 用， 与此 同时带动和促进 了电气工程等重点学科的发展 。 电气工程 包含着丰 富的 内容 ， 是 一门宽 口径 学科 。ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ以其独特的优 势广泛应 用于科技领域 。结合 当前 电气工程的发展现状 ， Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真技 术在 电气工程 中的应用越来越普 遍 。本 文通过 ＭＡ １ １ Ｂ仿真在 电气工程典型环节 中的应 用来加深我们对 电气工程和 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿 真的理解和认 识 ， 以期有助 于电气工程 学科 的进 步和发展 。 关键词 － 电气工程 ； ＭＡ ⅡＡＢ ； Ｓ Ｉ ＭＵ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ仿真 ； 应用
电力 电子器件的开关特性 ， 并且不 同型号的 电力 电子器件具有相似 １ ． １电气工程 的模型结构。 Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ 中含有 常用 的电力 电子元器件模 型。 电气工程的应用非常广泛 ， 不断推动 国民经济的增 长。它是现 电力电子变流技术 的仿真是 电力 电子技术仿真 的重点 ， 电力电子变 代科学技术的重要课 题之一 ， 也是 当今 高新技术 领域 中不可缺少的 流技术通过 电力 电子器件来实 现对 电能 的转换 ，电能转换包 括电 电流 、 频率 、 相数 等转换 ， 其 形式主要包括 ： 交流 一直流变流器 、 关 键学科。 它包含 的内容非常丰富 ， 如 电力 电子技术 ， 计算机控制技 压 、 术， 电机 与拖动技 术 ， 电力系统与智 能电网技术等 ， 综合性 较强 ， 其 直流 一直流斩波调压器 、 直流 一交流变流器 、 交流 一交流变流器。 具 最 主要 的特征是 强电与弱 电、 机械与电气 、 软件与硬件 的结合。 电能 体应用如单相 和三相桥式整流器 的仿真 、 并 网逆 变器的仿真 、 直 流 是发展 国民经济 和提 高人 民生 活水 平的重要能源物质基础 ， 电气工 斩波调压器 的仿真 。 程技术将伴 随着基础理论 的深入研究 以及全新的设计理念 、 设计 方 ２ ． ４调速系统的仿 真 调速 系统是 最基 本的电力拖动控制系统 ， 它是根据某种控制 方 法 的提 出而得到进一步 的发展 。 在未来 ， 可以毫不夸 张的说 ： 电气工 程 的发展程度将对 国家科技进步水平产生重大影响 。 式、 控制方 法建立起来 的 ， 主要调节 电机的机 电能量转 换效率 和电 １ ． ２ ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ与 Ｓ Ｉ ＭＵ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ仿真 机转 速。根据 电机 流过的电流划分为直 流调速系统 和交流调速 系 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 是一种 以矩 阵为基础 的交互式程序 设计语言 ， 它是一 统 ， 直 流调速 系统通常 以他励 直流电机为控制对 象 ， 但其 结构上 的 近年来 ， 交流调 种科学计算软件 。它具有使用方便 、 输入便捷 、 运 算高效等特点 ， 以 局 限性在一定程度 上限制了直流调速 系统 的发展 ， 其强大 的功能在很多领域都得到了普遍的推广与应用。 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 语 速系统发展迅速 ，特别是变频调 速。调速系统中必然要 用到电机 ， 言的 出现与推广 ，使得仿真技术进入到实质性 的应用 阶段 。Ｍ Ａ Ｔ － Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ 中有 丰富的电机模块 ， 通过搭建相应 的模型来实现对调速 Ｌ Ａ Ｂ的计算 功能很强大 ， Ｓ Ｉ Ｍ Ｕ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ是基 于 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ环境的仿真平 系统 的基本原理和调速性 能的研究 。 具体应用如双闭环直 流调速 系 台， 以直观的模块 框图进行仿真 和计算 。Ｓ Ｉ Ｍ Ｕ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ中包含有大量 统 的仿 真 、 无刷直流 电机 Ｐ Ｉ Ｄ控制系 统的仿真 、 基于 Ｐ ＷＭ控 制技 的模块库 ， 为 系统 的仿真提供 了便利 。本 文所 使用到的模块库主要 术的三相逆变 器调 速系统 的仿真 。 有两个 ： Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ和 Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｓ ｅ ｔ 。 ３ 结论 ２ 应 用 综上所述 ， 电气工程是一门专业性 、 实用性 都很强的重点学科 ， 与我们 的生活 息息相关 ， 越来越受 到人 们的重视和青 睐 ， 目前 为止 ２ ． １电力系统 的仿真 电力系统常称为电力 网络 ， 既强大又复杂 。电力系统仿真技术 已取得了许多辉煌 的成就 。在未来 ， 科 技的不 断进步将对电气工程 主要包 括 ： 物理动 态模拟 技术 、 数字仿 真技术 、 数模混合 式仿 真技 产生及重大影 响 ， 电气工程与其 它学科相互交叉的领域将会不断加 日新月异 的新 技术 、 新 方法的不断涌现将 为 电气工程 带 术 。Ｓ Ｉ Ｍ Ｕ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ为 电力 系统 的仿真 计算和 分析提 供 了强 有力 的平 强和拓宽 ， 台， 通过绘制 电力系统的电路原理图 ， 能够得到其数学模型 。 电路模 来更科学 、 更实用的技 术方案。Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿 真技术 已成 为电气工程 型图有 良好 的人 机界 面 ， 方便了操作。 在电路图模 型建立以后 ， 还需 师必须掌握的基本技能之一 ，随着 当今科 技的不断前进 ， ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 将Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｕ ｉ 模块放置到电路图模 型中 ， 其 主要 目的是 为了分 析电力 仿真技术也正朝着更加人性化的方 向发展 。当然 ， Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ也会 随 系统提供 图形用户 界面（ Ｇ Ｕ Ｉ ） ， 用 来在仿真过程 中储 存 由状态空 间 着 电气工程等重点 学科 的发展 而进步 ， 同时 ， 也会 以其 更加强大 的 方 程所组成 的等效 电路 。具体 应用如 电力传 输线路 串联补偿 的仿 功能 为电气工程等关键学科的发展 助力 。 参 考 文献 真 、含 同步发 电机和异步发 电机 的分布式 电力传 输系统的仿真 、 提 高功率 因数 的电力变流 电路 的仿真 。 ［ Ｉ 】 祝 龙记 ． 电气工程与 自动化控制 系统的 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真［ Ｍ 】 ． 徐 州： 中 国矿 业大学出版社 ， ２ ０ １ ４ ． ２ ． ２控制系统的仿真 在 了解一个控制系统 的数学模型之后 ， 以此为基础设计一个控 【 ２ 】 王 兆安 ， 刘进 军． 电力 电子技 术（ 第五版 ） 【 Ｍ］ ． 北京 ： 机械 工业 出版 ２ ０ １ ３ ． 制器 ， 然后对 系统进行仿 真 ， 使系统达到预期 目标 ， 进而满足实际 的 社 ． 需要 。ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ中含有许多与控制系统分析 与设计相关联 的函数 ， 【 ３ 】 陈伯 时． 电力拖 动 自动控 制 系统——运 动控 制 系统 （ 第三版 ） 【 Ｍ 】 ． 控制 系统经典和 现代 的分析和设计 方法可 以通 过这些 函数进行计 北京 ： 机械 工 业 出版 社 ， ２ ０ １ ２ ． 算并能 以图形模块的形式展现 出来 。Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ提供 了许 多控制系统 ｆ ４ 】 洪乃刚． 电力电子 和电力拖动控制 系统的 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真［ ＭＩ ． 北京 ： ２ ｏ ｏ ６ ． 所 需的基本模块 ，通过调用这些模 块在模型窗 口中构造 系统模 型 ， 机 械 工 业 出版 社 ， 并 且能够灵 活的改变 系统的结构 和参 数 ， 快速 、 直观的仿 真便 于系 统 的动 态性 能和稳态性 能的分析 ， 从而使 系统 的设计 得到优化。具 体应用如 ： 线性连续系统的仿真 、 线性定 常离散系统的仿真 、 非 线性 系统 的仿真 。 ２ ＿ ３电力电子技 术的仿 真 电力电子技术的仿真是基于电力 电子器件展开 的 ， 开关特性是 电力电子器件的主要特性 ， ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ电力 电子器件模型主要仿真 了

matlab结课论⽂—matlab在电⽓⼯程中的应⽤Matlab结课论⽂MATLAB在电路原理中的应⽤2014/11/29⼀、matlab 在节点电压法中的应⽤节点分析法是电路理论中最常⽤的⽅法，相⽐于⽀路分析法和回路电流法它的计算量和需要考虑的因素都相对较少，所以在电路理论中被⼴泛使⽤。

但是随着节点数量的增多，实现⼈⼯计算的可能性就变得相当的低，因为每⼀个独⽴节点需要列出⼀个节点电压⽅程，多个线性⽅程的求解并不容易。

利⽤MATLAB 就可以很好地解决这个问题。

⽅法是：做出电路模型写出节点导纳矩阵列写节点电流矩阵写出节点分析法的矩阵形式利⽤MATLAB 进⾏求解例：列写混合⽅程，编写Matlab 程序求解节点1、2、3、4的电压；解：（1）混合⽅程矩阵形式（要求写出考虑不同⽀路情况时的步骤）-+--++---++--+010000010100032222222211111µµG G G G G jwc gjwc g jwc jwc jwL jwc jwc jwc jwc G=??00014321S S k I G U I U U U U （2）matlab 程序：G1=0.2,G2=0.1,G3=0.5,C1=10e-6,C2=22e-6,L=1e-4,miu=0.5,g=1.5; Is=10*exp(20/180*pi*j); Us=100*exp(50/180*pi*j);w=10000;Y=[G1+j*w*C1,-j*w*C1,0,0,0;-j*w*C1,j*w*C1+1/(j*w*L)+j*w*C2,-j*w*C2,0,1; -g,- j*w*C2+g,j*w*C2+G2,-G2,0;0,0,-G2,G2+G3,0;0,1,miu,-miu,0];I=[Us*G1;0;0;Is;0];U=inv(Y)*IUabs=abs(U)Uang=angle(U)*180/pi（3）结果（写出时域表达式）G1 =0.2000G2 =0.1000G3 =0.5000C1 =1.0000e-005C2 =2.2000e-005L =1.0000e-004miu =0.5000U =1.0e+002 *0.5536 + 0.5926i 0.2068 + 0.7710i -0.3083 - 1.7819i 0.1052 - 0.2400i -0.1915 + 0.1281i Uabs =79.8204180.837126.203823.0413Uang =46.948874.9868-99.8162-66.3225146.2121时域U1=81.0982sin（10000t+46.9488）；U2=79.8204sin（10000t+74.9868）；U3=180.8371sin（10000t-99.8162）；U4=26.2038sin(10000t-66.3225);Ik=23.0413sin(10000t+146.2121)(4) 绘制出各节点电压及Ik的波形图⼆、Matlab在⼆端⼝⽹络中的应⽤：⼆端⼝⽹络在电⽓中应⽤⼴泛，研究⼆端⼝⽹络也极具意义，因为⼆端⼝⽹络应⽤较普遍；⼆端⼝的分析⽅法易推⼴应⽤于n 端⼝⽹络络可以分割成许多⼦⽹络（⼆端⼝）进⾏分析；仅研究端⼝特性时，可以⽤等效⼆端⼝电路模型进⾏分析。

Matlab 是 今 年来非常热门的高性能 数值计 算 软件， 是 由 美 国 MathWorks 公司于 20 世 纪 80 年 代 中 期 推 出的。 在 欧美高校中，M“ 数 理 统 计”、“ 数 字 信号 分析与处 理” 等课 程 的 基 本 教学工具， 成 为高 校 大 学生、 研 究 生 必 须掌 握 的 基 础 知 识 和 基本 技能。Matlab 集 数值运算、 矩阵运算、 符号运算 和图 形 处 理等 功能 于 一 体， 包含基 本的 数值 分析 和 矩 阵运 算的函 数， 丰富的工具 箱函数， 利用该 软件可以方便 地建 立 系 统 数
（1） 传递函数的分子、分母均按 s'的降幂排列，在 MATLAB 中， 用分子、分母多项式系数构成的两个向量 num 与 den 表示系统。
（2）
用 tf() 函数命令 来建 立传 递函数 模 型， 或 者将 零 极点 模 型 或 者 状 态 空 间 模 型 转 为 传 递 函 数 模 型， 调 用 格 式 为 sys=tf(num,den)。
图 1 含非线性特性的系统方框图模型
运行以下指令，可以得到系统的 Bode 图及阶跃给定响应。 sys=tf(5,[1 0]);sys1=tf([1],[1 5 2]); figure(1); margin(sys*sys1); hold on; figure(2); closys1=sys*sys1/(1+sys*sys1); step(closys1) 系统的 Bode 图如图 2 所示，给定阶跃响应曲线如图 3 所示。 四、Matlab 软件在电力系统仿真中的应用 Matlab 在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真 模 块 Power System Blockset ( 简 称 PSB) 来 完 成。PSB 是 在 Simulink 环境下使用的模块，采用变步长积分法，可以对非线 性、刚性和非连续系统进行精确仿真，并精确地检测出断点和 开关发生时刻，PSB 程序库含有代表电力网络中一般部件和设 备的 Simulink 程序块，通过 PSB 可以迅速建立模型，并立即