Simulink在电路系统仿真中的应用.doc

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课程论文首页

院、系（部）

电子信息工程系

专业

电子信息工程

班级

092

学号

910706201

姓名

XXX

任课教师

XXX

课程名称

计算机仿真技术

论文题目

Simulink在电路系统仿真中的应用

成绩

评

语

签字：

年月日

复

核

人

意

见

签字：

年月日

Simulink在电路系统仿真中的应用

XXX

摘要：

运用Matlab提供的可视化仿真环境Simulink设计模块图的方法，通过建立电路的仿真模型来直观地观察电路中的电流、电压和功率的波形。

关键字：

MatlabSimulink电路仿真

1背景简介

电路理论中，对电路的分析计算提出了各种方法。

但要用这些方法计算一些较为复杂的电路，传统的笔算方法不仅费时费力，且容易出现错误。

因此，有必要引进计算机辅助分析。

若用传统的计算机语言编写程序，对编程者的计算机语言、算法和数据结构等方面的知识要求较高，而且这些语言的变量类型中没有复数，使得操作者很难直接应用。

而利用Matlab的M文件求解电路方程，程序非常简洁，可读性强，且计算结果准确。

同时Matlab提供的Simulink工具可以直接建立电路的仿真模型，可以非常直观地观察电路中的电流、电压和功率的波形，可以随意改变仿真参数且立即得到修改后的仿真结果，进一步省去了编程的步骤。

2原理简介

在Matlab软件的Simulink仿真工具中，电路仿真元件库SimPowerSystems的内部有基本连接件（Connectors）、电源（ElectricalSources）、基本元器件（Elements）、特别元件（ExtraLibrary）、电机（Machines）、测量仪表（Measurements）和电力电子（PowerElectronics）7个子库。

下面分别介绍电路系统仿真中常用的电气元件。

2.1电阻、电感和电容元件

在Matlab软件中，没有独立的电阻、电感和电容元件，三者是以复合元件的形式出现在基本元器件（Elements）子库中，分别是并联RLC支路、并联RLC负载、串联RLC支路和串联RLC负载4种形式，如图1所示。

通过设置RLC串联支路和RLC并联支路的参数可以获得独立电阻、电感和电容，具体参数设置如表1所示。

图1RLC复合元件的四种形式

表一独立电阻、电感和电容参数设置

MATLAB库元件

RLC串联支路

RLC并联支路

获得的独立元件

电阻参数设置

电感参数设置

电容参数设置

电阻参数设置

电感参数设置

电容参数设置

独立电阻

R

0

inf

R

inf

0

独立电感

0

L

inf

inf

L

0

独立电容

0

0

C

inf

inf

C

2.2电源元件

在电源子库中有三相可编程电压源、三相电源、交流电流源、交流电压源、受控电流源、受控电压源和直流电压源7个电源模块，如图2所示。

图2电源子库

在电源子库中，没有提供直流电流源，在实际仿真应用中，可利用以下两种方法实现：

（1）使用数据库中的常数模块和受控电流源参数的合理设置来代替直流电流源。

（2）使用交流电流源，把其频率设为0，相位设为90，即可作为直流电流源。

2.3测量元件

在测量元件子库中有电流表（CurrentMeasurement）、电压表（VoltageMeasurement）、阻抗表（ImpedanceMeasurement）、万用表（Multimeter）以及三相电源伏安特性表（Three-PhaseV-IMeasurement）5种测量模块，如图3所示。

图3测量子库

2.4网孔电流法

网孔电流是一个假象沿着各自网孔内循环流动的电流。

网孔电流法是以网孔电流作为电路的变量，利用基尔霍夫电压定律列写网孔电压方程，进行网孔电流的求解，即网孔电流法是对各个网孔列写KVL方程。

3实验内容和过程

如图4（a）所示电路，已知，，求和。

图4（a）电路原图图4（b）网孔电流法电路图

3.1理论分析

应用网孔电流法计算和的理论值，可假定两个网孔的网孔电流分别为和，如图4（b）所示。

可得如下方程：

又支路电流可由网孔电流和来表示，故，根据KVL定理可得：

，解得。

3.2实验仿真

3.2.1仿真电路的建立与连接

在Simulink仿真环境下新建一个Model窗口，分别从SimPowerSystems子库Elements中找到串联RLC支路、ElectricalSources中找到交流电流源和直流电压源、Measurements中找到电流表和电压表以及Sinks库中找到Scope模块，并用鼠标将它们拖到Model窗口，并按照电路图进行布局，同时根据实际电路连接关系以及仿真需要进行各元件的连接。

连接后的仿真电路图如图5所示。

图5仿真电路图

3.2.2电路元件的参数设置

（1）设置电流源参数：

双击电源模块，打开参数设置对话框，把电源的频率设为0，相位设为90，使其充当直流电流源来使用。

具体参数设置如图6所示。

图6电流源参数设置

（2）设置RLC参数：

双击图5中横放的串联RLC支路模块，在弹出的对话框中将“Branchtype”设置为R，将串联RLC支路设置为的电阻，如图7所示。

用同样的方法把另一个RLC支路设置为的电阻。

图7电阻R参数设置

（3）设置直流电压源参数：

双击直流电压源模块，在弹出的对话框中将Amplitude参数设为3后点击“OK”按钮就把直流电压源设置为我们所需的3V直流电压源。

3.2.3仿真参数设置

电路元件的参数设置完毕后，进行仿真参数设置。

由于该系统是简单的连续系统，仿真参数设置中每个选项都可以使用默认值，采用步长ode45即可满足解算要求。

4实验结果和分析

设置完各参数后，仿真电路图如图8所示。

保存该仿真电路图，单击工具栏中的按钮运行仿真，仿真结果如图9中的Scope模块中所示，，。

若把仿真电路中的显示元件替换为Display元件，如图10所示。

保存后并运行，双击Display模块所得到的波形图同图9，结果一样也是，。

图8Scope仿真模型

（a）波形图（b）波形图

图9仿真波形图

图10Display仿真模型

通过比较理论分析值和实验仿真值，二者明显相同。

可见仿真电路的模型建立与运行结果是可行、准确的。

故当电路比较复杂且列方程计算较麻烦时，可利用Matlab的可视化仿真环境Simulink进行电路仿真，可以直观又快速地得出所需的波形图或数值。

5总结

用Matlab提供的Simulink来建模、仿真，用鼠标拖拉模块图标来建模，其模型生成直观、简单，还可以在仿真时随时改变参数，并用Scope等随时观察仿真波形，使得仿真更具有实时性、直观性。

使用Simulink进行电路设计与仿真一般需要4个步骤。

第一步，布局：

根据实际电路在Simulink元件库中找到所需元器件的仿真模块，根据电路元件的排列顺序和电压电流关系进行布局。

第二步，连线：

根据实际电路元器件进行连线。

第三步，设置参数：

按照电路要求设置各个元器件的参数，同时根据需求设置实验环境的参数。

第四步，保存并运行：

当仿真进度为100%时，通过双击Display、Scope等显示元件，即可查看要测量的的电压或电流等的仿真曲线。

同时可以通过多次仿真，从而对设置的电路进行优化。

参考文献：

[1]吴旭光，杨慧珍，王新民.计算机仿真技术[J].化学工业出版社，2008.

[2]王宏.Matlab6.5及其在信号处理中的应用[M].清华大学出版社，2005.

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