基于MATLAB-Simulink的模擬電子電路仿真

1、課程作業(yè)課程名稱：MATLAB班 級：姓 名：學 號：基于Matlab-Simulink的LRC整流濾波電路仿真摘要：模擬電子是工科類專業(yè)的技術基礎課程，實踐性和應用性都很強。在模擬電子學習實踐中，引入MATLAB仿真工具，將傳統(tǒng)學習方式和計算機技術有機地結合起來，使學習過程生動形象更利于掌握。學實踐表明該法不僅能提高學習質量，而且能提高學生的綜合素質。關鍵詞：模擬電子 MATLAB-Simulink仿真 學習實踐Abstract：Analog-electric is the technical basement of engineering majors，it is practical an

2、d applying，in the practice of study in analog-electric ，we take advantage of Matlab-Simulink tool to combine conventional learning method with computer technology organically，which make learning progress more vivid and understanding . Learning Practice turned out that this method not only advance th

3、e quality of studying，but also the comprehensive diathesis of students.Keyword：analog-electric MATLAB-Simulink Emulation Learning Practice0 前言目前,模擬電子課程所涉及的理論和技術應用十分廣泛,發(fā)展迅速,并且日益滲透到其他學科領域, 在我國社會主義現代化建設中具有重要的作用。模擬電子課程是高等學校工程類專業(yè)的一門技術基礎課程, 同時是我校面向機械制造、電氣自動化、計算機信息技術、通訊工程等工科類專業(yè)開設的一門技術基礎課程。但這門課程知識覆蓋面廣,理論嚴密,

4、邏輯性強,且有廣闊的工程背景,其教學內容中有許多教學難點過于抽象, 用傳統(tǒng)的教學模式教師無法講解清楚,學生也難以理解和接受。近幾年由于多媒體技術的發(fā)展，一些教師在授課過程中運用PPT投影和Flash動畫工具對知識難點加以補充，但由于教學內容多，課程時間短的原因，這樣的方式反而讓很多同學更難以理解與消化學習內容。因此在模擬電子的教學過程中可以借助其他方式來加強教學效果。MATLAB 由于其本身具有的特點成為電類課程教學中的一個重要的工具。而MATLAB中的Simulink更是具有框圖界面和交互仿真功能的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析等功能。所以MATLAB是學習、分析與設計模擬電子電路的很好的方法

5、。1 問題的描述為了形象化的學習理解與分析設計模擬電子電路問題，應結合以往學習試驗的經驗，將MATLAB應用于模擬電子電路的開發(fā)。這里就是主要研究如何應用MATLAB的數據處理功能與其Simulink功能模擬及仿真實際中的幾種常見的模擬電子電路輸入與輸出情況。2 數學模型一與模擬電子電路相關的MATIAB-Simulink MATLAB是Matrix Laboratory 的縮寫，其核心是一個基于矩陣運算的快速解釋程序，它以交互式接受用戶輸入的各項指令，輸出計算結果，它提供了一個開放式的集成環(huán)境，用戶可以運行系統(tǒng)提供的大量的命令，包括數值計算和圖形繪制等。Simulink 是基于MATLAB

6、語言環(huán)境下的一個集成軟件包，具有框圖界面和交互仿真功能的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析等功能。Simulink處理的系統(tǒng)包括:線性、非線性系統(tǒng),離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)，單任務、多任務離散事件系統(tǒng)，用戶只需在Simulink提供的圖形用戶界面GUI 上，對所需要的系統(tǒng)模塊進行鼠標的簡單拖拉操作，就可構造出復雜的仿真和分析模型。MATLAB 提供很多工具箱，以MATLAB6.5為例，在電工學CAI 中，分析和計算所要用到的Simulink工具庫模塊庫集主要有：(1)Simulink 庫集；(2)PowerSystems 庫集(PSB)；(3)Extra Simulink 庫集。二模擬電子電路的仿真E2

7、=20VE1=8VR2=5R3=20R1=4I1I2 I3圖1 直流電路 - +- +1.直流電路求解利用MATLAB 分析電路時，應該首先對電路進行分析，列出電流方程和電壓方程，然后將方程用矩陣形式表示，最后用MATLAB 求解矩陣的方法得到所求電流和電壓。如圖1所示：已知：E1=8V，E2=20V ，R1=4，R2=5，R3=20。采用支路電流法列寫支路電流方程和回路電壓方程，得方程組： I1+I2-I3=0 5I2+20I3=204I1+20I3=8上面這個三元一次方程組可以改寫為下面矩陣的形式：11-105204020 I1I2I3 = 0208定義上面這個方程最左邊這個矩陣為系數矩陣

8、A，第二個矩陣為電流矩陣I，右邊這個矩陣為U，因此可得到A*I=U，所以電流矩陣I=AU?？稍贛ATLAB窗口鍵入如下指令：clear all; A= 1,1,- 1;0,5,20;4,0,20;U= 0;20;8;I=AU立刻得答案： I = -1.0000 1.6000 0.6000在此列舉了一個很簡單的例子，但是無論直流電路如何復雜，只要能夠列出矩陣方程，利用MATLAB 進行的巨大運算量，在幾秒鐘內就可以得出結果。2.暫態(tài)電路的仿真+-uiC ucR Ii圖2 RC電路 +-(1).一階RC電路的數學模型為一階常系數微分方程，如圖2所示：列出微分方程為： RCducdt+uc=ui將微

9、分方程進行拉氏變換，得出系統(tǒng)傳遞函數為：Gs=1RCs+1若設定R=3，C=0.2F，代入得： Gs=106s+10據此，便可以模擬出一階系統(tǒng)在不同激勵信號下的輸出電壓。利用Simulink對上述電路進行仿真，建立一階RC電路的仿真模型如下：圖3-1 單位階躍輸入信號仿真模型圖3-2 單位脈沖輸入信號仿真模型圖3-1和圖3-2分別是RC一階電路輸入信號分別為單位階躍信號和單位脈沖信號時的仿真模型，運行軟件后即可得到輸出函數的波形圖像。為便于觀察與引用，可再利用Simulink中的“to workspace”模塊將上述模擬結果輸出到MATLAB工作區(qū)間中，并在MATLAB命令窗口引用plot命令

10、將輸出波形圖畫出，圖形如下：圖3-3 單位階躍輸入的輸出圖像圖3-4 單位脈沖信號輸入的輸出圖像圖3-3和圖3-4分別是以上兩種模型的仿真結果。從仿真波形我們可以清晰地看到一階電路在階躍信號激勵下電容電壓是以指數規(guī)律進行充電，而在脈沖信號作用下電容電壓不斷的進行正反方向的充放電。這樣在MATLAB虛擬環(huán)境下就可以完成RC一階電路的響應測試這個實驗。通過改變電阻R的阻值，可以進一步分析電容的阻值大小與電容充放電快慢之間的關系， 即電容充放電的快慢取決于時間常數=RC，阻值越大，充電越慢。(2).高階電路的仿真高階電路仿真在MATLAB-Simulink中也很簡單，其方法就是在一階電路仿真的基礎上

11、更改一些系統(tǒng)參數即可。例：二階震蕩系統(tǒng)的系統(tǒng)傳遞函數為s=n2s2+2ns+n2若=0.1，n=10，設輸入信號為單位階躍信號時，傳遞函數為： (s)=100/(s2+2s+100)利用Simulink對上述電路進行仿真，建立RC電路的仿真模型，如圖4-1：圖4-1 單位階躍信號輸入的二階系統(tǒng)仿真模型其中的to workspace模塊負責將模擬結果輸出到MATLAB工作區(qū)間中，注意將其Save format選項設置為“Array”。后可用plot(tout,simout)命令在MATLAB中繪制輸出信號圖形（之前的圖3-3與圖3-4出圖方式相同），如圖4-2：圖4-2 單位階躍信號輸入的二階系

12、統(tǒng)輸出信號3.整流電路的仿真三相橋式全控整流電路是應用最廣泛的整流電路，其電路簡圖如圖5所示：UdRLLV1V2V3V5V6V4abcACBIT圖5 三相橋式全控整流原理電路三相橋式全控整流電路的特點：a共陰極組和共陽極組各一個管子同時導通，且不能為同一相器件。b觸發(fā)脈沖按 VTl- VT2- VT3- VT4- VT5- VT6 的順序，相位依次差60；共陰極組的脈沖依次差120；共陽極組也依次差120；同一相的上下兩個橋臂脈沖相位相差180。c輸出直流電壓Ud一個周期脈動6次，且波形都一樣，故為6脈波整流電路。d可采用寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)保證同時有二個晶閘管導通。下面我們將著重討論一下三相橋

13、式全控整流電路的簡化仿真方法。此方法簡化掉了三相橋式全控整流電路中的變壓器部分，這對系統(tǒng)的輸出信號特性并無影響。通過這種方法，我們可實現對三相橋式全控整流電路仿真測試的各項實驗。打開新建模型窗口，將所需元件模塊從模塊庫中拖入新建模型窗口并改名，設定有關參數后將各個模塊連接組成仿真模型，如圖5-1所示：在這個模型中, 三相交流電源設定為220V、50Hz,彼此相位互差120。模型中的Synchronized6-Pulse Generator為同步6脈沖發(fā)生器，它為整流橋提供合適的脈沖。alpha_deg為觸發(fā)控制角，通過對這個角度的設置，可以得到不同的輸出波形。t為時間變量，用于之后的MATLA

14、B繪圖中。圖5-1 三相橋式全控整流電路的仿真模型模型相關參數設置：三相橋式全控整流電路，電源相電壓為220V，整流器輸出電壓為100V（相電壓），觀察整流器在不同負載，不同觸發(fā)角時整流器輸出電壓、電流波形，測量其平均值。設置模型參數如下：1）電源參數設置：三相電源的電壓峰值220V，頻率為50Hz，相位分別為0、-120、-240；2）RLC負載參數設置：R的值為100歐姆，L為默認值，C的值為inf；3）觸發(fā)角設置：給定alpha_deg初始值設置為0；4）6脈沖發(fā)生器設置：頻率為50Hz，脈沖寬度取1，選擇雙脈沖觸發(fā)方式，給定Block為0；5）三相晶閘管整流器等其他模型參數設置：使用默

15、認值；6）仿真時間設置為0.06秒。7）To Workspace變量名為U(電壓)，To Workspace1變量名為I(電流)，To Workspace2變量名為t(時間)，并將其Save format選項全部設置為Array。參數設置完畢后即可開始仿真，其仿真結果可通過系統(tǒng)中的示波器查看。其中Scope顯示的為三相交流電壓與輸出總電壓Ud的波形圖；Scope3顯示的是輸出電流的波形圖。為清晰觀察，可利用plot命令在MATLAB中繪圖，繪圖命令為plot(t,U) 與plot(t,I) 。3 仿真結果圖5-2為當負載Z 為純阻性，觸發(fā)角為0時三相交流電壓(藍色線)及整流電路輸出直流電壓(紅

16、色線)的波形。其中：1）線為Uab，線為Ubc，線為Uca，表示三相交流電壓；2）粗實線(紅色)為整流電路輸出直流電壓Ud。圖5-2 三相橋式全控整流電路的輸入、輸出電壓圖5-3為輸出電流波形。從圖中可以清楚的看到Ud為頻率為300Hz 的脈動直流。圖5-3 三相橋式全控整流電路的輸出電流由三相橋式全控整流電路得特性可知：1）通過改變觸發(fā)控制角的度數，可以得出整流電路在純阻性負載的情況下輸出直流電壓的各種不同情況。通過分析可以得出，三相全控橋整流電路在=60的時候是波形連續(xù)和斷續(xù)的分水嶺；=120時，輸出電壓Ud等于零，所以電阻性負載時移向范圍是120。2）通過改變負載的性質以及其他參數，可以得到不同參數對系統(tǒng)的影響。這樣就為設計系統(tǒng)參數提供了科學方便的手段，改變各個參數直到得到滿意的結果。 注：由于本論文的特殊性，其他仿真結果已在之前各個部分的位置給出，這里將不再累述* 4 結論(1) 利用MATLAB可方便地對直流電路進行求解。(2) 利用MATLAB-Simulink仿真方法可方便、形象地對暫態(tài)電路進行求解與測驗。(3) 利用MATLAB-Simulink仿真方法可對復雜的模擬電子電路進行系統(tǒng)形象地設計、求解與測驗。通過MATLAB-Simulink 對電工學電路的仿真，可以使同學們方便快速的得出仿真結果，一方面可以使學生更好的理解概念以及掌握原理，另一方面也大大增