基于MATLAB-Simulink的模擬電子電路仿真

1、xxxx年XXXX大學(xué)XXX學(xué)院論文基于MATLAB-Simulink的模擬電子電路仿真課程名稱(chēng):MATLAB任課教師:X XX班級(jí):xxxxxxxx姓名:XX學(xué)號(hào):04091XXX成績(jī):基于MATLAB-Simulink的模擬電子電路仿真摘要:模擬電子是工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程,實(shí)踐性和應(yīng)用性都很強(qiáng),其教學(xué)效果的好壞直接影響著后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)。在模擬電子教學(xué)實(shí)踐中,引入MATLAB仿真工具,將傳統(tǒng)授課方式和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),使教學(xué)生動(dòng)形象更利于學(xué)生掌握。教學(xué)實(shí)踐表明該法不僅能提高教學(xué)質(zhì)量,而且能提高學(xué)生綜合素質(zhì)。關(guān)鍵詞:模擬電子MA TLAB-Simulink仿真教學(xué)實(shí)踐0 前言目前

2、,模擬電子課程所涉及的理論和技術(shù)應(yīng)用十分廣泛,發(fā)展迅速,并且日益滲透到其他學(xué)科領(lǐng)域, 在我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)中具有重要的作用。模擬電子課程是高等學(xué)校工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程, 同時(shí)是我校面向機(jī)械制造、電氣自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、通訊工程等工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程。但這門(mén)課程知識(shí)覆蓋面廣,理論嚴(yán)密,邏輯性強(qiáng),且有廣闊的工程背景,其教學(xué)內(nèi)容中有許多教學(xué)難點(diǎn)過(guò)于抽象, 用傳統(tǒng)的教學(xué)模式教師無(wú)法講解清楚,學(xué)生也難以理解和接受。近幾年由于多媒體技術(shù)的發(fā)展,一些教師在授課過(guò)程中運(yùn)用PPT投影和Flash動(dòng)畫(huà)工具對(duì)知識(shí)難點(diǎn)加以補(bǔ)充,但由于教學(xué)內(nèi)容多,課程時(shí)間短的原因,這樣的方式反而讓很多同學(xué)更

3、難以理解與消化學(xué)習(xí)內(nèi)容。因此在模擬電子的教學(xué)過(guò)程中可以借助其他方式來(lái)加強(qiáng)教學(xué)效果。MATLAB由于其本身具有的特點(diǎn)成為電類(lèi)課程教學(xué)中的一個(gè)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析等功能。所以MATLAB是學(xué)習(xí)、分析與設(shè)計(jì)模擬電子電路的很好的方法。1 問(wèn)題的描述為了形象化的學(xué)習(xí)理解與分析設(shè)計(jì)模擬電子電路問(wèn)題,應(yīng)結(jié)合以往學(xué)習(xí)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),將MATLAB應(yīng)用于模擬電子電路的開(kāi)發(fā)。這里就是主要研究如何應(yīng)用MA TLAB的數(shù)據(jù)處理功能與其Simulink功能模擬及仿真實(shí)際中的幾種常見(jiàn)的模擬電子電路輸入與輸出情況。2 數(shù)學(xué)模型一.與模擬電子電

4、路相關(guān)的MATIAB-SimulinkMA TLAB是Matrix Laboratory 的縮寫(xiě),其核心是一個(gè)基于矩陣運(yùn)算的快速解釋程序,它以交互式接受用戶(hù)輸入的各項(xiàng)指令,輸出計(jì)算結(jié)果,它提供了一個(gè)開(kāi)放式的集成環(huán)境,用戶(hù)可以運(yùn)行系統(tǒng)提供的大量的命令,包括數(shù)值計(jì)算和圖形繪制等。Simulink 是基于MA TLAB語(yǔ)言環(huán)境下的一個(gè)集成軟件包,具有框圖界面和交互仿真功能的動(dòng)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(xiàn)性、非線(xiàn)性系統(tǒng),離散、連續(xù)及混合系統(tǒng),單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng),用戶(hù)只需在Simulink提供的圖形用戶(hù)界面GUI 上,對(duì)所需要的系統(tǒng)模塊進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操

5、作,就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真和分析模型。MA TLAB 提供很多工具箱,以MA TLAB6.5為例,在電工學(xué)CAI 中,分析和計(jì)算所要用到的Simulink工具庫(kù)模塊庫(kù)集主要有:(1Simulink 庫(kù)集;(2PowerSystems庫(kù)集(PSB;(3Extra Simulink 庫(kù)集。二.模擬電子電路的仿真1.直流電路求解 利用MA TLAB 分析電路時(shí),應(yīng)該首先對(duì)電路進(jìn)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MA TLAB 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(xiě)支路電流方程和回

6、路電壓方程,得方程組:I 1+I 2I 3=0 5I 2+20I 3=204I 1+20I 3=8上面這個(gè)三元一次方程組可以改寫(xiě)為下面矩陣的形式:11105204020 I 1I 2I 3 = 0208定義上面這個(gè)方程最左邊這個(gè)矩陣為系數(shù)矩陣A ,第二個(gè)矩陣為電流矩陣I ,右邊這個(gè)矩陣為U ,因此可得到A*I=U ,所以電流矩陣I=AU ?？稍贛A TLAB 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在此列舉了一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子,但是無(wú)論直流電路如何復(fù)雜,只要能夠列出矩陣方程,利用MA TLAB 進(jìn)行的

7、巨大運(yùn)算量,在幾秒鐘內(nèi)就可以得出結(jié)果。2.暫態(tài)電路的仿真(1.一階RC 電路的數(shù)學(xué)模型為一階常系數(shù)微分方程,如圖2所示: 列出微分方程為:RC du c dt+u c =u i將微分方程進(jìn)行拉氏變換,得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:G s =1RCs +1若設(shè)定R=3,C=0.2F ,代入得:G s =106s +10據(jù)此,便可以模擬出一階系統(tǒng)在不同激勵(lì)信號(hào)下的輸出電壓。利用Simulink 對(duì)上述電路進(jìn)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(hào)仿真模型圖3-2 單位脈沖輸入信號(hào)仿真模型Transfer Fcn106s +10StepScopeTransfer Fcn106s+1

8、0ScopePulse GeneratorE2=20VE1=8V R2=5R3=20R1=4I 1 I 2I 3圖1 直流電路-+-+ -u iC u c RI圖2 RC 電路+ -圖3-1和圖3-2分別是RC 一階電路輸入信號(hào)分別為單位階躍信號(hào)和單位脈沖信號(hào)時(shí)的仿真模型,運(yùn)行軟件后即可得到輸出函數(shù)的波形圖像。為便于觀(guān)察與引用,可再利用Simulink 中的“to workspace ”模塊將上述模擬結(jié)果輸出到MA TLAB 工作區(qū)間中,并在MA TLAB 命令窗口引用plot 命令將輸出波形圖畫(huà)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(hào)輸入的輸出圖像圖3-3和圖3-

9、4分別是以上兩種模型的仿真結(jié)果。從仿真波形我們可以清晰地看到一階電路在階躍信號(hào)激勵(lì)下電容電壓是以指數(shù)規(guī)律進(jìn)行充電,而在脈沖信號(hào)作用下電容電壓不斷的進(jìn)行正反方向的充放電。這樣在MA TLAB 虛擬環(huán)境下就可以完成RC 一階電路的響應(yīng)測(cè)試這個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變電阻R 的阻值,可以進(jìn)一步分析電容的阻值大小與電容充放電快慢之間的關(guān)系,即電容充放電的快慢取決于時(shí)間常數(shù)=RC ,阻值越大,充電越慢。(2.高階電路的仿真 高階電路仿真在MA TLAB-Simulink 中也很簡(jiǎn)單,其方法就是在一階電路仿真的基礎(chǔ)上更改一些系統(tǒng)參數(shù)即可。例:二階震蕩系統(tǒng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 s =n 2s 2+2n s +n 2若=0

10、.1,n =10,設(shè)輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)時(shí),傳遞函數(shù)為:(s =100/(s 2+2s +100 利用Simulink 對(duì)上述電路進(jìn)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(hào)輸入的二階系統(tǒng)仿真模型其中的to workspace 模塊負(fù)責(zé)將模擬結(jié)果輸出到MA TLAB 工作區(qū)間中,注意將其Save format 選項(xiàng)設(shè)置為“Array ”。后可用plot(tout,simout命令在MA TLAB 中繪制輸出信號(hào)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(hào)輸入的二階系統(tǒng)輸出信號(hào)12345678910輸出電壓Uc01234567891

11、0輸出電壓Uc012345678910輸出信號(hào)Transfer Fcns +2s+1002100To Workspacesimout StepScope3.整流電路的仿真三相橋式全控整流電路是應(yīng)用最廣泛的整流電路,其電路簡(jiǎn)圖如圖5所示: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(diǎn):a .共陰極組和共陽(yáng)極組各一個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)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(yáng)極組也依次差120°同一相的上下兩個(gè)橋臂脈沖相位相差180°。c .輸出

12、直流電壓Ud 一個(gè)周期脈動(dòng)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(shí)有二個(gè)晶閘管導(dǎo)通。下面我們將著重討論一下三相橋式全控整流電路的簡(jiǎn)化仿真方法。此方法簡(jiǎn)化掉了三相橋式全控整流電路中的變壓器部分,這對(duì)系統(tǒng)的輸出信號(hào)特性并無(wú)影響。通過(guò)這種方法,我們可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相橋式全控整流電路仿真測(cè)試的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)新建模型窗口,將所需元件模塊從模塊庫(kù)中拖入新建模型窗口并改名,設(shè)定有關(guān)參數(shù)后將各個(gè)模塊連接組成仿真模型,如圖5-1所示:在這個(gè)模型中, 三相交流電源設(shè)定為220V 、50Hz ,彼此相位互差120°。模型中的Synchronized6-Pulse Gener

13、ator 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(guò)對(duì)這個(gè)角度的設(shè)置,可以得到不同的輸出波形。t 為時(shí)間變量,用于之后的MA TLAB 繪圖中。圖5-1三相橋式全控整流電路的仿真模型U dR LLV 1 V 2V 3 V 5V 6V 4abcA CB I TpowerguiContinuous idi +-Universal Bridgeg A B C+-Udv+-Ucav+-UcUbcv+-UbUabv+-UaTo Workspace2tTo Workspace 1ITo WorkspaceUSynchronized 6-Pulse Generato

14、ralpha _deg AB BC CA BlockpulsesSeries RLC BranchScope 3Scope 2Scope 1ScopeCurrent Measurement 1i +-Current Measurementi+-Constant 10Constant0Clock模型相關(guān)參數(shù)設(shè)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(guān)察整流器在不同 負(fù)載，不同觸發(fā)角時(shí)整流器輸出電壓、電流波形，測(cè)量其平均值。 設(shè)置模型參數(shù)如下： 1）電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的電壓峰值 220V，頻率為 50Hz，相位分別為 0、-120、-240；

15、 2）RLC 負(fù)載參數(shù)設(shè)置：R 的值為 100 歐姆，L 為默認(rèn)值，C 的值為 inf； 3）觸發(fā)角設(shè)置：給定 alpha_deg 初始值設(shè)置為 0； 4）6 脈沖發(fā)生器設(shè)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(shù)設(shè)置：使用默認(rèn)值； 6）仿真時(shí)間設(shè)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(shí) 間，并將其 Save format 選項(xiàng)全部設(shè)置為 Array。 參數(shù)設(shè)置完畢后即可開(kāi)始仿真，其仿真結(jié)果可通

16、過(guò)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%& 的波形圖；Scope3 顯示的是輸出電流的波形圖。為清晰觀(guān)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(jié)果 圖 5-2 為當(dāng)負(fù)載 Z 為純阻性，觸發(fā)角為 0°時(shí)三相交流電壓(藍(lán)色線(xiàn)及整流電路輸出直流電壓(紅色線(xiàn) 的波形。其中： 1）線(xiàn)為%,-，線(xiàn)為%-.，·線(xiàn)為%.,，表三相交流電壓； 2）粗實(shí)線(xiàn)(紅色為整流電路輸出直流電壓%& 。 400 300 Uab Ubc Uca Ud 2

17、00 100 輸輸輸輸U(kuò) 0 -100 -200 -300 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 時(shí)時(shí) t 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%& 為頻率為 300Hz 的脈動(dòng)直流。 4 3.5 3 2.5 輸輸輸輸I 2 1.5 1 0.5 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 時(shí)時(shí) t 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(guò)改變觸發(fā)控制角的度數(shù)，可以得出整流電路在純阻性負(fù)載的情況下輸出直流電壓的各種不同情

18、 況。通過(guò)分析可以得出，三相全控橋整流電路在=60°的時(shí)候是波形連續(xù)和斷續(xù)的分水嶺；=120°時(shí)， 輸出電壓%& 等于零，所以電阻性負(fù)載時(shí)移向范圍是 120°。 2）通過(guò)改變負(fù)載的性質(zhì)以及其他參數(shù)，可以得到不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。這樣就為設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)提供 了科學(xué)方便的手段，改變各個(gè)參數(shù)直到得到滿(mǎn)意的結(jié)果。 注：由于本論文的特殊性，其他仿真結(jié)果已在之前各個(gè)部分的位置給出，這里將不再累述* 4 結(jié)論 (1利用 MATLAB 可方便地對(duì)直流電路進(jìn)行求解。 (2 利用 MATLAB-Simulink 仿真方法可方便、形象地對(duì)暫態(tài)電路進(jìn)行求解與測(cè)驗(yàn)。 (3 利用 MATLAB-Simulink 仿真方法可對(duì)復(fù)雜的模擬電子電路進(jìn)行系統(tǒng)形象地設(shè)計(jì)、求解與測(cè)驗(yàn)。 通過(guò) MATLAB-Simulink 對(duì)電工學(xué)電路的仿真，可以使同學(xué)們方便快速的得出仿真結(jié)果，一方面可以 使學(xué)生更好的理