基于MATLAB的电路模型仿真实验指导书

现代控制理论基于MATLAB的实验指导书第一部分实验要求1．实验前做好预习。

2．严格按照要求操作实验仪器，用毕恢复原状。

3．实验完成后，由指导教师检查实验记录、验收仪器后，方可离开。

4．实验报告应包括以下内容：1）实验目的；2）实验原理图；3）实验内容、步骤；4）仿真实验结果（保留仿真实验波形，读取关键参数）；5）仿真实验结果分析。

第二部分MATLAB平台介绍实际生产过程中，大部分的系统是比较复杂的，并且要考虑安全性、经济性以及进行实验研究的可能性等，这在现场实验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。

这时，就需要把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究，简称仿真。

到目前为止，已形成了许多各具特色的仿真语言。

其中美国Mathworks软件公司的动态仿真集成软件Simulink与该公司著名的MATLAB软件集成在一起，成为当今最具影响力的控制系统应用软件。

国内MA TLAB软件的著名论坛为“MATLAB中文论坛”，网址为：https:///forum.php，建议同学们注册并参与论坛相关内容的讨论。

图1 MA TLAB仿真环境第三部分 实验实验一线性系统的时域分析实验目的熟悉MATLAB 环境，掌握用MATLAB 控制系统工具箱进行线性定常系统的时域分析、能控性与能观性分析、稳定性分析的方法。

实验要求完成指导书规定的实验内容，记录并分析实验结果，写出实验报告。

实验内容1．已知系统的状态模型，求系统在单位阶跃输入下的各状态变量、输出响应曲线。

例：[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2121214493.69691.1,0107814.07814.05572.0x x y u x x x x 。

键入：a = [-0.5572, -0.7814; 0.7814,0]; b = [1; 0]; c = [1.9691,6.4493]; d = 0;[y, x, t]=step(a, b, c, d); plot(t, y); grid （回车，显示输出响应曲线。

实验一：单相桥式全控整流电路的性能研究一、实验目的1.加深理解单相桥式全控整流电路的工作原理2.研究单相桥式变流电路整流的全过程3.掌握单相桥式全控整流电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。

二、预习内容要点1. 单相桥式全控整流带电阻性负载的运行情况2. 单相桥式全控整流带阻感性负载的运行情况3. 单相桥式全控整流带具有反电动势负载的运行情况三、实验仿真模型1、电路结构单相桥式全控整流电路的电路用四个晶闸管，两只晶闸管接成共阴极，两只晶闸管接成共阳极，每一只晶闸管是一个桥臂。

2、建模在MATLAB新建一个Model，命名为dianlu1，同时模型建立如下图所示单相桥式阻感负载整流电路四、实验内容及步骤1.对单相桥式全控整流带电阻性负载的运行情况进行仿真并记录分析改变脉冲延迟角时的波形（至少3组）。

以延迟角30°为例（1）器件的查找以下器件均是在MATLAB R2014a环境下查找的，其他版本类似。

有些常用的器件比如示波器、脉冲信号等可以在库下的Sinks、Sources中查找；其他一些器件可以搜索查找（2）连接说明有时查找出来的器件属性并不是我们想要的例如：变压器可以双击变压器进入属性后，取消three windings transformer就是单相变压器。

（3）参数设置1.双击交流电源把电压设置为220V，频率为50Hz；2.双击脉冲把周期设为0.02s，占空比设为10％，延迟角设为30度，由于属性里的单位为秒，故把其转换为秒即，30×0.02/360；3.双击负载把电阻设为20Ω，电感设为0.1H；4.双击示波器把Number of axes设为5，同时把History选项卡下的Limit data points to last 前面的对勾去掉；5.晶闸管参数保持默认即可（4）仿真波形及分析1．当供电给纯电阻负载a.触发角α=0°c. α=90°从图中可以看出输出电压Ud的电压波形相对延迟角为30度时的波形向后推迟了，同理可以得出输出电压Ud的平均值变小了。

电力系统仿真实验指导书本指导书以电力系统仿真实验为主题，介绍了电力系统仿真实验的基本原理、实验步骤以及实验注意事项。

通过本实验的学习，能够加深对电力系统仿真的理解，掌握基本的仿真技术和方法，为后续电力系统相关实验的学习打下基础。

本实验采用仿真软件实现，所需软件主要为MATLAB和SIMULINK。

学生需要提前熟悉MATLAB和SIMULINK的基本操作和常用函数，具备一定的电力系统基础知识。

一、实验原理电力系统仿真实验是通过电力系统的模型来模拟和控制真实电力系统的运行，以实现对电力系统的研究和分析。

通过仿真实验，可以1观察和分析电力系统在不同工况下的运行特性，验证电力系统的稳定性和可靠性，优化电力系统的运行参数等。

电力系统仿真实验的基本原理是将真实电力系统抽象成数学模型，并通过计算机软件来模拟和控制这个数学模型。

模型的输入是电力系统的初始条件和外部扰动，输出是电力系统的动态响应和稳态结果。

通过对模型输入的控制和模型输出的观测，可以实现对电力系统的研究和分析。

二、实验步骤1. 确定仿真实验的目标和内容。

根据实验要求和实验目标，确定仿真实验的内容和范围。

2. 建立电力系统的数学模型。

根据实验要求和实验目标，将电力系统抽象成数学模型，并确定模型的输入和输出。

23. 编写仿真程序。

使用MATLAB和SIMULINK等软件，编写仿真程序，实现对电力系统模型的仿真和控制。

编写的程序应包括模型的输入和输出控制，仿真参数的设置，仿真结果的观测和分析等。

4. 运行仿真程序。

加载仿真程序，设置仿真参数，运行仿真程序，观察仿真结果。

5. 分析仿真结果。

根据仿真结果，分析电力系统的运行特性，验证仿真模型的准确性和有效性。

6. 优化仿真模型和参数。

根据实验结果，对仿真模型和参数进行优化，提高仿真模型的准确性和有效性。

三、实验注意事项31. 熟悉仿真软件的基本操作。

在进行电力系统仿真实验前，需要提前熟悉使用MATLAB和SIMULINK等仿真软件的基本操作和常用函数。

实验一MATLAB 在控制系统模型建立与仿真中地应用一、MATLAB 基本操作与使用1. 实验目地1)熟悉MATLAB工作环境平台及其各个窗口,掌握MATLAB 语言地基本规定,MATLAB图形绘制功能、M 文件程序设计.2) 学习使用MATLAB控制系统工具箱中线性控制系统传递函数模型地相关函数.2. 实验仪器PC计算机一台,MATLAB软件1套3. 实验内容1) MATLAB工作环境平台Command Window图1 在英文Windows 平台上地MATLAB6.5 MATLAB工作平台①命令窗口（Command Window）命令窗口是对 MATLAB 进行操作地主要载体,默认地情况下,启动MATLAB 时就会打开命令窗口,显示形式如图 1 所示.一般来说,MATLAB地所有函数和命令都可以在命令窗口中执行.掌握 MALAB 命令行操作是走入 MATLAB 世界地第一步.命令行操作实现了对程序设计而言简单而又重要地人机交互,通过对命令行操作,避免了编程序地麻烦,体现了MATLAB 所特有地灵活性.p1Ean。

在运行MATLAB后,当命令窗口为活动窗口时,将出现一个光标,光标地左侧还出现提示符“>>”,表示MATLAB正在等待执行命令.注意：每个命令行键入完后,都必须按回车键！DXDiT。

当需要处理相当繁琐地计算时,可能在一行之内无法写完表达式,可以换行表示,此时需要使用续行符“…”否则 MATLAB 将只计算一行地值,而不理会该行是否已输入完毕.使用续行符之后 MATLAB 会自动将前一行保留而不加以计算,并与下一行衔接,等待完整输入后再计算整个输入地结果.在 MATLAB 命令行操作中,有一些键盘按键可以提供特殊而方便地编辑操作.比如：“↑”可用于调出前一个命令行,“↓”可调出后一个命令行,避免了重新输入地麻烦.当然下面即将讲到地历史窗口也具有此功能.jLBHr。

②历史窗口（Command History）历史命令窗口是 MATLAB6 新增添地一个用户界面窗口,默认设置下历史命令窗口会保留自安装时起所有命令地历史记录,并标明使用时间,以方便使用者地查询.而且双击某一行命令,即在命令窗口中执行该命令.xHAQX。

基于Matlab的电路实时仿真平台设计与实现基于Matlab的电路实时仿真平台设计与实现一、引言电路仿真是电子工程领域中重要的工具之一，在电子电路设计过程中起着至关重要的作用。

而基于Matlab的电路实时仿真平台则是利用Matlab软件对电路进行仿真实验的重要应用之一。

本文将介绍基于Matlab的电路实时仿真平台的设计与实现过程。

二、电路仿真平台的设计与实现1. 平台功能需求分析基于Matlab的电路实时仿真平台的设计与实现主要包含以下功能需求：（1）电路建模：能够支持电路元件的建模以及电路的连接和布线。

（2）仿真参数设置：能够设置仿真的时间范围、步长等参数。

（3）仿真结果分析：能够实时显示电路中各个元件的电压、电流、功率等参数，并提供结果分析的功能。

（4）实验控制：能够控制实验的开始、暂停、恢复、停止等操作。

（5）数据记录与导出：能够记录仿真实验过程中的数据，并支持数据导出为Excel或其他格式。

2. 平台设计与实现基于以上功能需求，我们设计了一套基于Matlab的电路实时仿真平台。

平台的实现主要分为以下几个模块：（1）电路建模模块：利用Matlab提供的图形用户界面工具，搭建了一个电路建模界面。

用户可以通过该界面选择电路元件，并将元件进行连线和布线，从而实现电路的建模。

在建模过程中，用户还可以设置元件的参数和初始条件。

（2）仿真参数设置模块：通过设定仿真的时间范围、步长等参数，用户可以对仿真实验进行灵活的配置，以满足不同的需求。

（3）仿真运行模块：在完成电路建模和参数设置后，用户可以点击“运行”按钮，开始进行仿真实验。

平台利用Matlab强大的计算能力，根据电路模型和仿真参数进行实时的仿真计算，并实时绘制出电路中各个元件的电压、电流曲线等。

用户可以通过切换窗口或界面，实时观察仿真结果。

（4）实验控制模块：平台提供了开始、暂停、恢复、停止等操作按钮，用户可以根据需要自由控制仿真实验的进行。

例如，在观察到关键数据点时，用户可以暂停仿真实验，通过对元件参数的调整，进一步优化电路设计。

计算机仿真及应用实验指导书电气与电子信息工程学院实验一 S 函数实现单摆运动一、实验目的掌握S 函数的定义、功能模块调用方法、工作原理及应用场合。

二、预习及思考1、S 函数应用于哪些场合？2、S 函数的子程序是如何调用的？三、实验步骤在建立实际的S-函数时，可在该 模板必要的子程序中编写程序并输入参数便可。

S-函数的模板程序位于toolbox/simulink/blocks 目录下，文件名为sfuntmpl.m ，可以自己查看。

在运用S-函数进行仿真前，应当自行编制S-函数程序，因此必须知道系统在不同时刻所需要的信息：（1）在系统开始进行仿真时，应先知道系统有多少状态变量，其中哪些是连续变量，哪些是离散变量，以及这些变量的初始条件等信息。

这些信息可通过S-函数中设置flag=0获取。

（2）若系统是严格连续的，则在每一步仿真时所需要的信息为：通过flag=1获得系统状态导数；通过flag=3获得系统输出。

（3）若系统是严格离散的，则通过flag=2获得系统下一个离散状态；通过flag=3获得系统离散状态的输出。

单摆示意图：单摆的状态方程从MATLAB 的toolbox\simulink\blocks 子目录下，复制sfintempl.m ，并把它改名为simpendzzy.m ，再根据状态方程对文件进行修改，最后形成文件。

构成名为simpendzzy 的S-函数模块从simulink 的“user -defined Function ”子库中复制S-Function 框架模块到空白模型窗，如图所示。

m 121sin d g x K x K ux x θ=--+=双击S-Function框架模块，弹出下图所示对话窗；在“S-Function name ”栏中填写函数名simpendzzy；在“S-Function parameters”栏中填写函数simpendzzy.m的第4、5、6、个输入宗量名dampzzy,gngzzy(次序要对)；再点击【OK】，就得到单摆S-函数模块，如图所示。

MATLAB实训指导书一、Simulink中电力系统模块库简介图1 电力系统模块库1) 电源模块电源元件库中包含7种电源元件，如图2所示，分别是直流电压源（DC V oltage Soures）元件、交流电压源（AC V oltage Soures）元件、交流电流源（AC Current Soures）元件、受控电压源（Controlled V oltage Soures）元件、受控电流源（Controlled Current Soures）元件、三相电源（3-phase Soures）元件和三相可编程电压源（3-phase Programmable V oltage Soures）元件。

图2 电源元件库2) 线路元件模块线路元件库中包含了各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。

双击线路元件库图标，弹出线路元件库对话框，如图3所示，图中包含了4类线路元件，分别是支路（Elements）元件、输配电线路（Lines）元件、断路器（Circult Breakers）元件和变压器（Transformers）元件。

图3 线路元件库3 ) 电力电子元件库电力电子模块库包括理想开关（Ideal Switch）、二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘门极晶体管（IGBT）等模块，此外还有2个附加的控制模块组和一个整流桥，如图4所示。

图4 电力电子元件4 ) 电机元件库电机元件库包括同步电机（Synchronous Machines）、异步电机（Asynchronous Machines）、直流电机（DC Machines）、调节器（Prime Movers and Regulators）和电机输出测量分配器（Machines Measurements）等。

如图5所示。

图5 电机元件库5) 连接器元件连接器模块库包括10个常用的连接器模块，如图6所示。

武汉大学电气工程学院MATL AB电路仿真实验报告班级：0810学号：2008302540299姓名：李德澳2010年7月目录实验一直流电路（1） (3)实验二直流电路（2） (9)实验三正弦稳态 (18)实验四交流分析和网络函数 (27)实验五动态电路 (32)实验六频率响应 (44)实验一直流电路（1）一实验目的1 加深对直流电路的节点电压法和网孔电流法的理解2 学习使用MATLAB的矩阵运算的方法二实验示例1节点分析电路如图所示（见书本12页），求节点电压V1,V2,V3.根据电路图得到矩阵方程，根据矩阵方程使用matlab命令为Y =0.1500 -0.1000 -0.0500-0.1000 0.1450 -0.0250-0.0500 -0.0250 0.0750节点v1，v2和v3：v =404.2857350.0000412.85712 回路分析电路如图所示（见书本13页），使用解析分析得到同过电阻RB的电流，另外求10V电压源的输出功率。

分析电路得到节点方程，根据节点方程得到矩阵方程，根据矩阵方程，使用matlab的命令为z=[40,-10,-30;-10,30,-5;-30,-5,65];v=[10,0,0]';I=inv(z)*v;IRB=I(3)-I(2);fprintf('the current through R is %8.3f Amps \n',IRB)ps=I(1)*10;fprintf('the power supplied by 10v source is %8.4fwatts\n',ps)结果为：the current through R is 0.037 Ampsthe power supplied by 10V source is 4.7531 watts三实验内容1 根据书本15页电路图，求解电阻电路，已知：R1=2Ω,R2=6Ω,R3=12Ω,R4=8Ω,R5=12Ω,R6=4Ω,R7=2Ω(1)如果Us=10V,求i3,u4,u7(2)如果U4=4V,求Us,i3,i7使用matlab命令为clear% 初始化阻抗矩阵Z=[20 -12 0;-12 32 -12;0 -12 18];% 初始化电压矩阵V=[10 0 0]';% 解答回路电流I=inv(Z)*V;% I3的计算I3=I(1)-I(2);fprintf('the current I3 is %8.2f Amps\n',I3) % U4的计算U4=8*I(2);fprintf('the voltage U4 is %8.2f Vmps\n',U4) % U7的计算U7=2*I(3);fprintf('the voltage U7 is %8.2f Vmps\n',U7)结果the current I3 is 0.36 Amps the voltage U4 is 2.86 Vmps the voltage U7 is 0.48 Vmpsclear% 初始化矩阵XX=[20 -1 0;-12 0 -12;0 0 18];% 初始化矩阵YY=[6 -16 6]';% 进行解答A=inv(X)*Y;% 计算各要求量Us=A(2)I3=A(1)-0.5I7=A(3)结果Us = 14.0000I3 = 0.5000I7 =0.33332 求解电路里的电压如图1-4（书本16页），求解V1,V2,V3,V4,V5 使用matlab命令为clear% 初始化节点电压方程矩阵Z=[0.725 -0.125 -0.1 -5 -1.25;-0.1 -0.2 0.55 0 0;-0.125 0.325 -0.2 0 1.25;1 0 -1 -1 0;0 0.2 -0.2 0 1];I=[0 6 5 0 0]';% 解答节点电压U1，U3，U4与Vb，IaA=inv(Z)*I;% 最终各电压计算V1=A(1)V2=A(1)-10*A(5)V3=A(2)V4=A(3)V5=24结果V1 =117.4792V2 = 299.7708V3 =193.9375V4 =102.7917V5 = 243 如图1-5（书本16页），已知R1=R2=R3=4Ω,R4=2Ω,控制常数k1=0.5，k2=4，is=2A，求i1和i2.使用matlab命令为clear% 初始化节点电压方程矩阵Z=[0.5 -0.25 0 -0.5;-0.25 1 -1 0.5;0 0.5 0 -1;1 -1 -4 0];I=[2 0 0 0]';% 解答节点电压V1，V2及电流I1，I2A=inv(Z)*I;% 计算未知数V1=A(1)V2=A(2)I1=A(3)I2=A(4)结果如下：V1 =6V2 =2I1 = 1I2 =1实验二直流电路（2）一实验目的1 加深多戴维南定律，等效变换等的了解2 进一步了解matlab在直流电路中的作用二实验示例如图所示（图见书本17页2-1），分析并使用matlab命令求解为clear,format compactR1=4;R2=2;R3=4;R4=8;is1=2;is2=0.5;a11=1/R1+1/R4;a12=-1/R1;a13=-1/R4; a21=-1/R1;a22=1/R1+1/R2+1/R3;a23=-1/R3;a31=-1/R4;a32=-1/R3;a33=1/R3+1/R4;A=[a11,a12,a13;a21,a22,a23;a31,a32,a33];B=[1,1,0;0,0,0;0,-1,1];X1=A\B*[is1;is2;0];uoc=X1(3);X2=A\B*[0;0;1];Req=X2(3);RL=Req;P=uoc^2*RL/(Req+RL)^2;RL=0:10,p=(RL*uoc./(Req+RL)).*uoc./(Req+RL), figure(1),plot(RL,p),gridfor k=1:21ia(k)=(k-1)*0.1;X=A\B*[is1;is2;ia(k)];u(k)=X(3);endfigure(2),plot(ia,u,'x'),gridc=polyfit(ia,u,1);%ua=c(2)*ia=c(1) , 用拟合函数术,c(1),c(2)uoc=c(1),Req=c(2)RL =0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10p =Columns 1 through 70 0.6944 1.0204 1.1719 1.23461.2500 1.2397Columns 8 through 111.2153 1.1834 1.1480 1.1111A ．功率随负载变化曲线01234567891000.20.40.60.811.21.4B.电路对负载的输出特性00.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.82三实验内容1 图见书本19页2-3，当RL从0改变到50kΩ，校验RL为10kΩ的时候的最大功率损耗使用matlab命令为clear% 定义电压源和电阻值Us=10;Rs=10000;RL=0:20000;p=(Us^2.*RL)./(RL+Rs).^2;plot(RL,p);输出结果为-3x 104Maximum power occur at 10000.00hmsMaximum power dissipation is 0.0025Watts2 在图示电路里(书本20页2-4)，当R1取0，2，4，6，10，18，24，42，90和186Ω时，求RL的电压UL,电流IL和RL消耗的功率。

“电力电子”仿真实验指导书MATLAB仿真实验主要是在simulink环境下的进行的。

Simulink是运行在MATLAB环境下，用于建模、仿真和分析动态系统的软件包。

它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统。

由于它具有直观、方便、灵活的特点，已经在学术界、工业界的建模及动态系统仿真领域中得到广泛的应用。

Simulink提供的图形用户界面可使用鼠标的拖放操作来创建模型。

Simulink本身包含sources、sinks、Discrete、math、Nonlinear和continuous 等模块库。

实验主要使用Sinks、Sources、Signals & System和Power System Blockset这四个模块库中的一些模块搭建电力电子课程中的典型电路进行仿真。

在搭建成功的电路中使用scope显示模块显示仿真的波形、验证电路原理分析结果。

这些典型电路包括：1)单相半波可控整流电路（阻性负载和阻感负载）2)单相全控桥式整流电路（阻性负载和阻感负载）3)三相全控桥式整流电路（双窄脉冲阻性负载和双窄脉冲阻感负载）4)降压斩波电路、升压斩波电路5)三相半波逆变电路、三相全波逆变电路。

一、matlab、simulink基本操作多数学生在做这个实验是时候可能是第一次使用matlab中的simulink来仿真，因此下面首先介绍一下实验中要掌握得的一些基本操作（编写试验指导书时所使用的matlab6.1版本）。

若实验过程中使用matlab的版本不同这些基本操作可能会略有不同。

图0-1 matlab启动界面matlab的启动界面如图0-1所示，点击matlab左上方快捷键就可以进入simulink程序界面（在界面右侧的Command Window中输入simulink命令回车或者在Launch Pad窗口中点击simulink子菜单中Library Browser都可以进入simulink程序界面）如图0-2所示。

【电力电子技术实验】指导书合肥师范学院电子信息工程学院实验一电力电子器件仿真过程：进入MATLAB环境，点击工具栏中的Simulink选项。

进入所需的仿真环境，如图1.1所示。

点击File/New/Model新建一个仿真平台。

点击左边的器件分类，找到Simulink和SimPowerSystems，分别在他们的下拉选项中找到所需的器件，用鼠标左键点击所需的元件不放，然后直接拉到Model平台中。

图1.1实验一的具体过程：第一步：翻开仿真环境新建一个仿真平台，根据表中的路径找到我们所需的器件跟连接器。

元件名称提取路径触发脉冲Simulink/Sources/Pulse Generator电源Sim Power Systems/Electrical Sources/ DC Voltage Source接地端子Simulink/Sinks/Scope示波器Sim Power Systems/Elements/Ground信号分解器Simulink/Signal Routing/Demux电压表Sim Power Systems/Measurements/ Voltage Measurement电流表Sim Power Systems/Measurements/Current Measurement负载RLC Sim Power Systems/Elements/ Series RLC BranchGTO器件Sim Power Systems/Power Electronics/Gto 提取出来的器件模型如图1.2所示：图1.2第二步，元件的复制跟粘贴。

有时候相同的模块在仿真中需要屡次用到，这时按照常规的方法可以进行复制跟粘贴，可以用一个虚线框复制整个仿真模型。

还有一个常用方便的方法是在选中模块的同时按下Ctrl键拖拉鼠标，选中的模块上会出现一个小“+〞好，继续按住鼠标和Ctrl键不动，移动鼠标就可以将模块拖拉到模型的其他地方复制出一个相同的模块，同时该模块名后会自动加“1〞，因为在同一仿真模型中，不允许出现两个名字相同的模块。