第五章 Simulink与电力系统仿真

“示波器参数”，出现“Scope parameters”对话框，有 “General”和“Data history”两个基本选项卡，见下图 所示。下面简单介绍一下这两选项卡中重要参数的设置。
General选项卡： “Number of axes”用于设定示波器可以显示的信号路数， 即Y轴的数量。例如将其设置成5，则可以同时观察5路 信号。
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经成为国际上许多学校自动控制课程的教学辅助工具， 在MathWorks网站控制类工具箱下载中长期排名第一。
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5.2 Simulink的进入及内 容 1、Simulink的常见进入 方法 ①在MATLAB的命令窗口 下输入如下的命令： >> simulink 马上就会弹出Simulink Library Browser窗口如 右所示。 ②在MATLAB的主窗的工 具栏中点击 图标，也 可进入Simulink Library Browser窗口。
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“Time range”用于设定示波器时间轴的最大值，一般不 需要对这个项的默认设置（auto）进行改动，这样，X 轴就自动以“系统仿真参数设置”中设定起始和终止时 间作为示波器的时间显示范围。 “Tick labels” 用于轴标度的显示，默认设置为“bottom axis only”；而当选择“non”时，示波器将不显示横、纵 坐标的刻度，只显示波形的形状；当选择“all”时，将 显示所有的轴标度。 “Sampling”为数据取样方式/显示采样方式的选择。当 选择“Decimation”时，为数据取样方式，右边栏中输 入的数据为N,则每N个数据只取出一个用于显示，故N 越大，则显示的波形越粗糙，一般该项保持默认值“1”， 这样，所有进入示波器的数据将全部被显示出来，显示 的波形更逼真；当选择“Sample time”时，为显示采样 方式，右边栏中应该输入显示采样的间隔时间，这时， 2012-6-7 20 将
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在可以直接将结果显示出来的4个模块中，示波器(Scope) 是最经常使用的，它与我们实验室中使用的示波器几乎 没有什么两样，但操作却更简单，显示也更智能。双击 示波器模块图标，即可弹出示波器的窗口如下所示：
这其中，比较重要的设置在“示波器参数”按钮下。单 2012-6-7 18 击
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④ Simulink\Continous库
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⑤ Simulink\Discrete库
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⑥ Simulink\Discrete库
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3、Simulink仿真文件的建立 ①在Simulink Library Browser窗口工具栏上单击 图标
点 击
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②在Simulink Library Browser的file菜单New下选择 Model(Ctrl+N) ③在MATLAB主窗口的file菜单New下选择Model
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5.3 重点模块的基本功能 1、仿真结果的显示和数据的保存及输出 (1)仿真结果的显示 在Simulink/Sinks模型库中共有6种可以用于结果输出 的存储或直接显示的模块。因为MATLAB软件规定， 在Simulink仿真中必须有输出显示环节，否则会给出 仿真出错信息。这6个模块中，有4个可以直接将结果 以图形或者曲线的形式展现出来，是仿真中最为常用 的输出模块；而另外两种则更多的是一种结果存储形 式，可用相关M指令将结果绘制成相关曲线或图形。 有时，通过这种方式得到的结果曲线更符合我们的需 要。 ①示波器（Scope）
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1990年推出的MATLAB3.5版是第一个可以运行于 Microsoft Windows下的版本，它可以在两个窗口上 分页显示命令行计算结果和输出的结果波形。稍后， Mathworks公司推出的SimuLAB环境首次引入了基于 框图的仿真功能，其模型输入方式改为对基本环节的框 图连接，这种方式简便直观，令人耳目一新，其实，这 就是现在的我们称之为Simulink的最初形式。
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并不同时保存时间。这样，如果要用Array、Structure形 式的数据绘制输出波形图时，则会缺少相应的时间向量。 为此，可在Simulink仿真文件中加入“Clock”模块，并 将其连接一个示波器，用示波器的save data to workshop 功能将时间作为一个变量同时保存起来，这样，便有了 时间向量。所以，相比之下，Structure with time这种数 据保存形式更为简单方便。 下图所示的正弦信号放大系统中，输入信号为 sin(314*t+1.2)，对Sope的Data history选项卡设置如下 页所示，那么，运行仿真后，在数据空间可以得到输出 矩阵y和时间列向量tout(时间列向量是系统自带的)。
第五章 Simulink与电力系统仿真
5.1 MATLAB与Simulink发展的历史渊源 MATLAB是由美国MathWorks公司于1984年开始 推出的一种主要用于矩阵运算的数学工具软件。由于其 交互式的程序设计和以矩阵计算为基础的显著特色，使 其在解决科学和工程计算等复杂数学运算中得到了广泛 应用。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、形象生 动，因此，颇受广大用户欢迎，即便是到现在，利用 MATLAB编制的程序在大多数情况下的确比用其它计算 机语言或者别的仿真软件编制的程序更加简单可靠。但 是，随着计算机技术的发展和人们对复杂系统仿真的简 单化要求的不断提高以及各种各样的非线性元件在控制 系统中的大量应用，人们发现单纯的MATLAB语言已经 不能够满足要求了。
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②浮动示波器（Floating Scope）（略） ③函数记录仪（XY Graph） 这是MATLAB中一个十分重要的用来绘制输出函数 轨迹的输出显示模块。其图标和端口的基本情况如下 图所示。
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④数字显示（Display） Display是可以最终以数字量直观地显示结果的输出终 端，它不能动态地显示输出过程，只能提供最终的结果 数据。这对于只需要结果而不必关心过程的情况是非常 实用的。如图1－9所示，利用这个系统求sin10的值。双 击Display图标，出现Display模块参数设置对话框如图1 －10所示，其中最为关键的是Format项，即输出数据
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立的仿真模型可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口 中使用MATLAB命令和函数仿真时需要记忆大量M函数 的麻烦，这对于期盼一种简介、直观、高效的仿真软件 的广大科技人员来说无疑是最好的福音。
现在，Simulink已经成为MATLAB软件的一个不可 或缺的组成部分，完全有理由说Simulink的出现和发展 已经决不仅仅是为MATLAB增光添彩，而是很多时候 “反客为主”了！从1993年的MATLAB4.0/Simulink1.0 到2007年的MATLAB7.4/Simulink6.6，MATLAB的功能 已经远远地超出了“矩阵相关计算”这个狭小的范围。 由于MATLAB在其软件设计之初，其开发者Cleve Moler 教授就秉承开放性的理念，在1993年的Simulink1.0出现 以后，人们发现这是许多科学家和工程技术人员梦寐以 求的仿真形式，从此以后，许多领域的顶尖科研人员以
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格式的选择，共有short、long、short_e、long_e、bank 型5中结果显示形式，对应5种不同的显示精度。显示的 结果是－0.544（short）、－0.54402111088937（long）、 －5.4402e-001（short_e）、－0.5440211108893698 e-0 01(long_e)及－0.54（bank）。
按采样间隔提取数据进行显示。 “floating scope”如被选中，则该示波器成为浮动示波器， 即没有输入接口，但可以接受其他模块发来的数据。 Data history选项卡： “limit data points to last”为最后可以保存的用于显示的 数据的最多点数，默认值为5000点。也可以不选这一项， 这样，所有的数据都将显示，在所需显示的数据相对较 多时，需要计算机有较大的内存容量。 “save data to workshop”被选中时，可以将显示数据放 到工作空间去，以备MATLAB的绘图命令调用。与此相 关的项目有两个，“Variable name” 代表要保存的数据 名称；“Format”为数据的保存格式，共有三种，Array 格式适用于只有一个输入变量的情况， Structure with time 可以矢量的形式表示多个变量，且时间同时得以保 存， Structure也可以矢量的形式表示多个变量，但它
1993年出现了Simulink,这是一个基于框图的仿真 平台，它建立在MATLAB的基础上，依托MATLAB的强 大计算功能，可以采用模块框图直观地进行控制系统的 构建，不需要记忆众多的仿真算法和参数设置，它们都 可以在Simulation Parameters当中轻松地设置。在 Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真 对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink中建
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MATLAB语言为依托，编写了自己所从事领域的 Simulink工具箱，如控制界最流行的控制系统工具箱 （Control System Toolbox），系统辩识工具箱（System Identification Toolbox），鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox），神经网络工具箱（Neural Network Toolbox），模型预测控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox），还有如航空宇宙模块集（Aerospace Blockset），机械系统仿真模块（SimMechanics），电 力系统仿真模块（SimPowerSystems）甚至如生物系统 仿真模块（SimBiology）等。这其中，也有一些杰出中 国学者的贡献，如东北大学薛定宇教授在Control Kit的 基础上开发的CtrlLAB工具箱是专门用于反馈控制系统 的分析与设计的计算机程序，利用该模块进行系统的分 析与综合，比用MATLAB/Simulink更加方便快捷，已
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而利用Sope存储到数据空间的相关数据，采用MATLAB 绘图命令plot(y(:,1)',y(:,2)')得出的输出结果如下页示(其 实，这里的矩阵y是201×2维的，其第一列y(:,1)的含义与 单独的时间向量tout完全一样，而列项量y(:,2)是输出到 示波器Sope显示的纵坐标值。故plot(y(:,1)',y(:,2)')与 plot(tout'，y(:,2)')两个命令得出的Figure图形是完全一 致的)。
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(2)数据的保存 ①将结果写入工作空间(To Workshop) 其实，这个模块的功能与在Scope中将Data history 选项卡的save data to workshop项功能激活是完全一样的。 为了说明模块之间的联系，我们这里将From Workshop 模块的用法也一并介绍。左上图为一正弦信号记录系统。 双击To Workshop模块图标，可得模块参数设置对话框 如左下示，其设置与Scope中的完全一样。如果是标量 信号或者是一维信号，我们可将数据装在类型选择为 Array或者Structure，而当一个信号除了有大小，还有与 之对应的时间因素，就是一个2－D信号，必须采用 Structure with time的形式，而这是我们最为常见的一种 情况。由左图可知，我们必须选择Structure with time的 数据存储形式,则执行仿真之后，MATLAB数据空间中 便自动存放了既包含时间因素，又包含信号幅值因
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2、Simulink Library Browser窗口内容简介 下面选几个主要的 子项目内容进行介绍， 其余课后自学。 ① Simulink\Sources 库
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② Simulink\Sinks库
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③ Simulink\Signal Routing库