Matlab仿真平台

Matlab仿真平台（精选10篇）

Matlab仿真平台 篇1

0 引 言

自适应算法是高等院校《数字信号处理》课程的重要内容, 是自适应滤波器的两大组成部分 (参数可调的数字滤波器 (或称为自适应处理器) 和自适应算法) 之一, 是现代自适应信号处理技术的重要组成部分, 在自适应系统模拟和辨识、自适应逆滤波、自适应干扰抵消和自适应预测等方面有着极其广泛的应用[1,2]。但该算法的讲授多以理论推导和分析为主, 没有直观的结果来供学生观察和分析, 也没有一个合适的环境来仿真、分析和比较这些算法的性能和特点。

Matlab是美国Mathworks公司推出的一套高性能数值分析和计算软件, 它将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起, 为用户提供了一个强有力的科学及工程问题分析计算和程序设计的工具[3,4]。

本文在实现各自适应算法编程的基础上, 利用Matlab的GUI (用户界面) 开发功能, 采用M脚本文件设计了用户界面, 实现了自适应算法仿真分析和比较的平台化和集成化。

1 自适应算法仿真平台的设计

1.1 仿真平台的功能和特点

自适应算法仿真平台要设计成一个具有良好交互性、开放式、可视化的仿真环境。具体功能主要包括以下几个方面:

a) 选择自适应算法, 设置算法参数, 运行仿真, 观察算法收敛曲线, 观察同一参数不同值对算法性能的影响, 观察算法学习曲线;

b) 选择不同算法进行比较仿真;

c) 保存仿真波形。

该仿真平台具有以下特点:

a) 用户界面友好, 操作方便, 简单明了, 结果直观, 用户可以不用深入到复杂难懂的算法程序内部, 就可直观的观察到算法仿真结果, 方便地分析自适应算法的性能;

b) 可以根据需要, 在用户界面上方便的设定和修改算法的自适应参数, 以观察和分析不同参数对算法性能的影响, 如对各自适应算法, 可以同时输入7个不同的自适应参数, 以分析和比较该参数不同值对算法性能的影响, 各自适应算法的迭代总次数可以任意设定, 没有上限, 这有利于用户分析迭代次数对算法性能的影响;

c) 可以根据需要, 任意选择4种算法中的几种同时进行仿真, 以观察、分析和比较不同算法在同一信号处理中的性能特点。

1.2 仿真平台用户界面的设计

平台的用户界面包括单个算法仿真界面和算法比较仿真界面。平台的启动界面为单个算法仿真界面, 如图1 (a) 所示, 算法比较仿真界面如图1 (b) 所示 , 均由标题栏、菜单栏和仿真操作面板三部分组成 。其中, Option菜单项的子菜单项“Single Algorithm”和“Algorithms Comparison”用来切换单个算法仿真界面和算法比较界面, 也可通过快捷键Ctrl+A和Ctrl+C来进行操作。

用户界面均在Matlab中利用M脚本文件 (Script file) 加以实现, 各个界面均独立为一个M文件, 这样就减小了主程序体积, 提高了运行速度, 便于维护和修改。实现的主要方法如下:

H=axes (’unit’, ’normalized’, ’position’, [0, 0, 1, 1, ], ’visible’, ’off’) ;

set (gcf, ’currentaxes’, H) ;

str=’fontname{隶书}自适应算法仿真平台’;

h_axes=axes (’parent’, h_fig, ...) ;

h_frame=uicontrol (h_fig, ’style’, ’frame’, ’unit’, ’normalized’, ...) ;

h_text=uicontrol (h_fig, ’style’, ’text’, ’unit’, ’normalized’, ...) ;

%用户界面的大致生成

……

h_menu=uimenu (h_fig, ’label’, ’&Option’) ;

h_submenu1=uimenu (h_menu, ’label’, ’Single Algorithm’, ’accelerator’, ’a’) ;

h_submenu2=uimenu (h_menu, ’label’, ’AlgorithmsComparison’, ’accelerator’, ’c’, ’separator’, ’on’) ;

set (h_submenu1, ’callback’, ’subsystem1’) ;

set (h_submenu2, ’callback’, ’subsystem2’) ; %Option菜单项的制作和功能设置

……

set (h_push, ’callback’, [...

’if vpop==1’, ’callback11 ( ) ;’, ...

’elseif vpop==2’, ’callback21 ( ) ;’, ...

’elseif vpop==3’, ’callback31 ( ) ;’, ...

’elseif vpop==4’, ’callback41 ( ) ;’, ...

’end’]) ; %回调函数的设置

1.3 自适应算法仿真程序的实现

整个仿真平台由用户界面和自适应算法仿真程序函数库两大部分组成。自适应算法仿真程序函数库是整个仿真平台的核心, 是平台能否正常运行, 仿真性能优良与否的关键。所以各个算法仿真程序的设计和实现是平台设计和实现的基础和核心内容。所有自适应算法的Matlab仿真程序都放在函数库中, 并单独为一个M函数文件。修改一种算法的仿真程序, 不会影响到其它算法的仿真程序。即使一种算法的程序出现问题, 仿真平台无法调用其进行仿真, 其它算法完全不受影响, 可以正常被用户界面调用来实现算法仿真。这就保证了仿真平台的可靠性和开放性, 也提高了仿真平台的可扩展性。

各自适应算法的Matlab仿真程序均是基于对2阶自回归随机过程模型参数的预测来实现的。在这里以LSL (最小二乘格形) 自适应算法为例来说明算法仿真程序的设计和实现。

1.3.1 LSL算法编程思路

建立一个2阶自回归随机过程, 信号模型为[3]

$x(n)=a1\cdot x(n-1)+a2\cdot x(n-2)+w(n)(1)$

该信号模型由单位方差的高斯白噪声w (n) 激励一个线性移不变全极点系统产生, 该系统的两个极点为z1=0.9·ejπ/6和z2=0.9·e-jπ/6, 对应的滤波器的参数是a1=1.558, a2=-0.81。用一个LSL自适应滤波器作为预测器, 预测信号x (n) , 从而得到对信号模型的两个参数的估计值$\widehat{a}$1 (n) 和$\widehat{a}$2 (n) , 通过比较估计值$\widehat{a}$1 (n) 、$\widehat{a}$2 (n) 和真实值a1, a2来分析LSL算法的性能。

LSL算法程序的流程图如图2所示。

1.3.2 LSL算法实现程序

function callback31 ( )

u=get (h_edit_1, ’string’) ;

N=get (h_edit_2, ’string’) ; %获得用户设定的参数数据

m=str2num (N) ;

v=str2num (u) ;

b=length (v) ;

if b==1

……

end %初始化

rd=randn (1, m) ;

x (1) =rd (1) ;

x (2) =rd (2) ;

for i=3:m

x (i) =1.558*x (i-1) -0.81*x (i-2) +rd (i) ;

end %用randn函数按照式 (1) 产生信号模型

for i=2:m

……

end %迭代计算

plot (n, w1, ’r-’, n, w2, ’b-’)

ylim ([-1.5 2]) ;

legend (’参数afontsize{10}1’, ’参数a2’) ;

xlabel (’迭代次数fontsize{15}n’) ;

ylabel (’参数fontsize{15}afontsize{13}1, fontsize{15}afontsize{13}2’) ;

grid on %绘制仿真波形

2 仿真实例

该算法仿真平台可以进行基本自适应算法中的LMS (最小均方) 算法、RLS (递归最小二乘) 算法、LSL (最小二乘格形) 算法和FTF (快速横向滤波) 4种算法的单个算法的仿真和几种算法的比较仿真。图3 (a) 为在单个算法仿真界面, 选择LSL算法, 设定delta值分别为0.1, 1.6, 3.1, 4.6, 6.1, 7.6和9.1, 并按下“delta对收敛的影响”按钮后的仿真结果。从图中可以很清晰的看到, delta值越小, 收敛速度越快, 但收敛初期的迭代失调量也越大, 表现在波形上就是在收敛轨迹的开始部分有大的上冲或下冲;delta值增大, 虽然收殓速度慢了一些, 但开始部分的上冲却大为削弱。这很好的印证了LSL的性能, 表明了仿真平台仿真的正确性。

图3 (b) 为在算法比较仿真界面, 选择模型参数为a2=-0.81, 选择LMS, RLS, LSL, FTF四种算法进行比较, 并且依次设定各算法参数为mu=0.002, lambda=0.98, delta=1.0, delta=1.0的仿真结果。仿真曲线表明的各算法性能与理论完全吻合。

3 结束语

本仿真平台完全利用Matlab强大的计算功能和面向对象编程功能, 基于2 阶自回归随机过程模型参数预测, 实现了对4种基本自适应算法的仿真比较功能和程序用户的界面化。为观察、分析、比较和研究基本自适应算法性能提供了便利条件, 也可用于高校相关课程的教学或试验。该平台具有良好的可视化、开放式和扩充性。下一步要做的工作是增加仿真平台的自适应算法种类, 实现算法仿真模型阶数和参数的可变。

摘要：文中详细论述了基于Matlab的自适应算法仿真平台的设计和实现。在实现各算法编程的基础上, 利用Matlab的GUI设计功能, 采用M脚本文件实现了该平台的交互式用户仿真界面。平台具有界面友好、操作方便、交互性强、开放式、可视化和易扩充等优点。利用该平台可进行自适应算法的性能仿真、分析和比较, 也可解决相关高校教学中教学工具不足的问题。

关键词：Matlab,自适应算法,界面,仿真平台

参考文献

[1]沈福民.自适应信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001.

[2]姚天任, 孙洪.现代数字信号处理[M].武汉:华中科技大学出版社, 1999.

[3]薛年喜.Matlab在数字信号处理中的应用[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[4]张志涌.精通Matlab6[M].5版.北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

基于MATLAB的控制器仿真 篇2

[关键词] 模糊控制器MATLAB仿真

MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言。作为强大的科学计算平台，它几乎能够满足所有的计算需求。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集或工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接是用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制等。由于MATLAB语言在各方面的强大功能，目前它已作为工程和科学教育界的一种行业标准。

一、基于MATLAB的模糊控制器的设计

采用MATLAB的模糊逻辑工具箱的GUI(Graph User Interface)工具设计模糊控制器。具体操作：进入MATLAB编辑环境后，键入fuzzy即可进入FIS编辑器。在FIS编辑器中设置模糊控制器的模糊算子(max，min等)、输入输出变量个数、名称、解模糊化的方法(加权平均法、中位数法、最大隶属度法等)。模糊控制器的整体结构确定后，双击FIS编辑器中的输入、输出变量方框，便进入隶属函数界面，在这里定义输入、输出变量的论域(根据实际要求确定)，各变量模糊子集的个数，隶属函数的类型。其中，模糊子集的个数，要从实际出发，不要盲目追求数量，以缩短调试的优化时间。三角形隶属函数性能较好，计算量小，较多采用。

下面应定义模糊控制规则，这是模糊系统的核心，集中体现了人的操作经验。选择FIS编辑器或隶属函数编辑器中View菜单下的Edit Rule子菜单，或双击FIS编辑器中流程图中的规则方框即可进入模糊规则编辑器主界面。以常用的二维模糊控制器为例，用户可按照规定的书写格式编写模糊规则。见图1。必须注意，在语言变量级数相同的情况下，规则的质量对控制品质起着关键作用。在许多情况下，虽然规则条数不多，但其质量较高，也可达到相当好的控制效果。

至此，一个模糊控制器已设计完毕。可以选择FIS编辑器窗体主菜单中的View surface查看经模糊矩阵运算并解模糊化后的三维坐标图;选择主菜单中的view rules还可以对所设计的模糊控制系统进行仿真检验。用户可将设计好的模糊控制器模型存盘，文件后缀为.fis。

二、基于MATLAB的模糊控制器的仿真

使用SIMULINK建立模糊控制器仿真模型。SIMULINK是MATLAB基于模型化图形组态的控制系统仿真软件，它使得一个复杂控制系统的数学仿真问题变得十分直观而且相当容易,图2是某型位置控制系统PID模糊控制器的SIMULINK仿真模型。

该模型通过三个模糊逻辑控制功能模块调用上述FIS编辑器建立的控制规则进行运算仿真，输入的量化因子及输出的比例因子由各功能模块前后的放大模块仿真，这样的模型，为凑试参数提供了方便。

在MATLAB命令窗口键入SIMULINK，即进入了SIMULINK环境。此时，系统提供给用户两个主界面:SIMULINK结构图编辑界面和模块库。用户拷贝模块库中的模块到结构图编辑器中，再将它们适当连接便构成自己的控制系统结构图，然后即可用SIMULINK进行仿真，并可通过示波器模块(Scope)观察仿真曲线。

图2中的FLC(Fuzzy Logic Controller)就是前面所设计的模糊控制器，此模块可从模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)的模块库中“抓取”(即用鼠标右键拖动)。注意，仿真开始前必须将模糊控制器的．fis文件用“Save to workspace” 子菜单存入内存缓冲区， 然后将该文件名赋予FLC。这样，设计好的模糊控制器以矩阵变量形式存入内存，供SIMULINK调用，以参与仿真。

从仿真结果看，模糊控制器不仅对被控对象参数变化适应能力强，而且在对象模型结构发生较大改变的情况下，也能获得较好的控制效果。

三、结论

从实践中体会到，利用MATLAB 设计模糊控制器并进行仿真，简单快速， 直观高效。MATLAB的功能强大，其工具箱已涵盖控制系统、信号处理、神经网络、小波分析、模糊系统、通信系统等各个领域，值得进一步推广应用。利用MATLAB中的模糊控制逻辑工具箱设计模糊控制器灵活、方便、可视性强，并可在SIMULINK环境中非常直观地构建各种复杂的模糊PID控制系统，观察其控制效果。这样就克服了工程实践中的盲目性，为实际控制系统的设计与调试提供了理论参考依据。

参考文献:

[1]施阳:MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK．西北工业大学出版社,1998

[2]楼顺天等:基于MATLAB的系统分析与设计．西安电子科技大学出版社,2001

[3]费春国:模糊自调整控制器的研究与应用[D]．天津:天津科技大学,2003

[4]闻新:MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京:科学出版社,2001:63—65

Matlab仿真平台 篇3

1 六自由度并联平台的结构特点介绍

六自由度并联平台有上下两个平台,下平台为固定平台、上平台为工作平台。每个平台上以一定参数规律安装着六个虎克铰或万向铰。两平台之间有六个受控的伺服液压缸,通过虎克铰或万向铰与两平台连接。工作时通过控制六个液压缸的伸缩运动,从而完成工作台所需要的空间运动。对于一般串联结构的工业机器人来说,六自由度并联平台的刚度大、结构稳定。载荷分布在并联的六个液压缸上,使得工作台的承载能力非常强。工作台行程误差比较小、位置精度高、动力性能优越。

2 对六自由度并联平台的空间分析

2.1 位置分析

为了方便分析工作平台在空间中的位姿变换情况,需要在固定平台上建立一个静坐标系O-XYZ,在工作平台上建立一个连体坐标系O1-xyz。

连体坐标系在静坐标系系中分量也就代表了工作平台在空间中的位姿。当需要分析工作平台移动后各铰点在静坐标系O-XYZ下的空间坐标,就可以通过工作平台当前的位姿状态和工作平台的六个铰点(简称上铰点)相对于工作平台本身位置不变的条件计算出来。工作平台所有的运动都可以写出对应的位姿变换矩阵,工作平台的状态变化都可以认为是当前位姿矩阵去乘一个位姿变换矩阵。下面给出位姿变换矩阵的一般形式:

一般平移变换矩阵,式中(X Y Z)为对于X轴、Y轴、Z轴的平移距离一般轴旋转变换矩阵

式中:xyz------一般轴的单位矢量在静坐标系3个方向的分量;

V------1-cosθ的缩写;

θ------旋转的角度。

所有的位姿变换都可以由上面两种变换相乘组合而成。值得注意的是,后变换的矩阵需要放在前一个变换矩阵的左边。若变换矩阵相乘后为T,工作台面变换前位姿矩阵为A,变换后为。则变换公式为:

B=T×A。

各液压缸的长度分析可在分析出上铰点在静坐标系中的坐标之后,通过空间两点的距离公式求出。

2.2 用Matlab进行位置数据的初始化

一个六自由度并联平台初始姿态,能够由以下5个参数唯一确定:上铰点分布圆半径r、下铰点分布圆半径R、上铰点短边长度s、下铰点短边长度S、初始时两平台之间的距离h。

例如输入初始条件为:r=0.5;R=1;s=0.2;S=0.3;h=1.2。

通过Matlab计算出下铰点坐标见表1。通过Matlab计算出上铰点坐标见表2。工作台面的原始位姿矩阵为:

各液压缸的初始长度应该设计为:1.3864之后的各种变换分析,只要对上面各种位姿信息矩阵乘上变换矩阵即可。

3 六自由度并联平台运动与液压缸收缩运动间的关系

在设计的过程和工程应用上,往往是指定工作平台的运动速度,希望工作台以工程设定的速度进行空间运动。而控制部分只能通过液压缸的伸缩运动来完成工作平台的空间运动,所以需要把工作平台的空间运动参数转换为液压缸的伸缩运动参数。工作平台的运动参数中,平台的旋转运动参数,一般都是基于自身连体坐标系三个坐标轴给出的,要先把连体坐标系中的角速度转化为相对于静坐标系下的角速度。其转化公式为:

式子:αβγ------连体坐标系相对于静坐标系的三个欧拉角;

ωxωyωz------工作平台在静坐标系下的对于X轴Y轴Z轴的转速分量;

ωpxωpyωpz------为工作平台在连体坐标系下的对于x轴y轴Z轴的转速分量对于液压缸伸缩速度的分析,可以借助对液压缸上下铰点之间的距离公式求导来确定。

其推倒后的速度公式为:

式中:Cx------上铰点变换后的坐标值,K=1,2,3分别代表X坐标,Y坐标,Z坐标;

Bx------下铰点的坐标值,K=1,2,3 分别代表X坐标,Y坐标,Z坐标,

A------上铰点变换前的坐标向量;

T------位置变换矩阵的导数。

下面直接给出T中所有元素的计算公式:

式中:Vx Vy Vz------工作平台在静坐标系下的速度分量。

通过以上分析方法,通过Matlab软件就可以方便、直观的解析出任意时刻的液压缸运动参数,为设计液压动力机构与确定液压油泵流量提供数据参考依据。

在分析工作平台承载后空间加速运动与液压缸受力之间的关系时,这类六自由度并联平台的动力学问题分析方法有很多,例如:拉格朗日法、牛顿-欧拉法、虚构原理法和影响系数法。对于用Matlab对六自由度并联平台编程分析来说拉格朗日法比较适合的,因为拉格朗日法以系统的动能和势能为基础,不用分析机构的真实运动,推到过程较简单,能用形式简洁的动力学方程表示出各构件的耦合特性,这个方法不仅能用于动力学分析,还能用于动力学控制。通过Matlab能够简单的编程出算法,大量的复杂运算Matlab都能非常效率准确的完成。

4 利用Matlab对六自由度并联平台仿真

Matlab给用户提供一个名为simulink的系列工具软件包。它能够对离散系统、连续系统及连续离散的混合系统进行充分的建模和仿真。六自由度并联平台这类连续的系统,一旦完成设计,用户还可以借助工具生成嵌入式的代码,进行编译、连接之后,直接嵌入到硬件设备中。这样无须手工编写代码和复杂的调试,就可以完成从动态系统设计到最后代码实现的全过程,给后期控制系统程序的分析和烧写提供了极大的便利。并且simulink支持非常多种类的硬件系统,有着很直观简洁的图形用户界面,使用起来非常方便和灵活。使用Matlab对六自由度并联平台建立系统建模任务,就是把适合数据分析的模块按照建模要求连接起来即可。这些模块可以是系统自带的模块,也可以是用户根据需求自己编辑的模块。如果对仿真结果不满意,可以随时调整各模块的相关参数再进行仿真,直到达到预期效果。

5 结语

六自由度并联平台研究和开发在未来的发展中,会有相当重要的作用。这类多自由度或多关节的机构,在分析和仿真上是十分困难的,因为它们都涉及到大量的矩阵分析与矩阵运算。而Matlab这一款高级语言就能很好的帮助解决这些困难。使用Matlab对这类复杂的机构分析,是十分便捷和有效的,加上Matlab的强大模拟仿真能力和对侵入式芯片开发的便捷性,使得Matlab在六自由度并联平台进行分析与仿真上有着得天独厚的优势。本文希望能给研究六自由度并联平台的朋友起到借鉴作用。

摘要：六自由度并联平台不仅在现代大型高科技设备运动模拟中扮演着相当重要的角色,在机械可靠性测试、4D立体电影座椅、导弹发射机座等领域中也具有非常重要的地位。六自由度并联由于自由度多、分析变量多、高度非线性耦合的关系复杂,需要进行大量的矩阵运算,所以传统的编程软件对此很难完成高精度、便捷、有效的编程分析。而利用Matlab强大、便捷的矩阵运算能力,就可以非常有效的解决六自由度并联平台这类多自由度或多关节的机构分析和模拟仿真问题。

关键词：六自由度平台,Matlab分析计算,设备模拟仿真,矩阵运算

参考文献

[1]赵强.运动模拟器并联六自由度平台的理论和应用[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2008.

[2]孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安:西北工业大学出版社,2006.

[3]刘浩,韩晶.MATLAB R2012a完全自学一本通[M].北京:电子工业出版社,2012.

Matlab仿真平台 篇4

关键词：

微电網； 孤岛运行； 分布式电源； 仿真

中图分类号： TM 74文献标志码： A

近年来，大机组、大电网凭借其在发电量和调配能力上的优势快速发展，并组成了我国电力供应的主要构架.但是，随着现代社会的发展，无论是城市还是乡村，对电力供应的要求都在不断提高，且这样的提高不仅仅限于电力需求量的增加，还在于供电过程中稳定性及可靠性等指标的提升.而不断扩大中的电厂和超高压输电网正逐渐暴露出环境危害大、运行难度大及维护成本高等一系列问题，越来越难以满足当前用户绿色且多样化的电力需求.因此，伴随着新电力时代前行的浪潮，微电网技术孕育而生，且逐渐受到世界各国的重视与扶持[1].

作为未来智能电网的重要组成部分，微电网最鲜明的特点之一就是拥有孤岛运行机制.当大电网发生故障或其电能质量不符合系统标准时，微电网可以脱离大电网进入孤岛运行模式，保护自身的正常运行，提高微网的供电可靠性和安全性.本文利用Matlab/Simulink软件模拟搭建了一个由风能和水能提供电源的微电网仿真平台，并对其在遇到主网故障时的两种运行模式（关闭/开启孤岛运行）进行了仿真和分析.

1微电网简介

1.1微电网的概念和意义

微电网（microgrid）也称微网，是智能电网的一种新型网络结构，由分布式电源（多为可再生能源）、储能装置、监控装置和负荷构成，既可孤岛运行，又可并入大电网，是一套能够实现自我管理与保护的自动供能系统.

在微电网中就近建设分布式电源（distributed generation，DG）不仅大大减少了电能在传输过程中的损耗，而且也为新世纪绿色发电的推广和接入提供了一条有效途径.当微电网中负荷增大时，本地电源无法满足的电能需求可由公共电网提供；当负荷减小时，微电网中多余的电量可通过向大电网输电的方式来消化.灵活的能源传输与利用使微电网真正成为一种区别于传统电网的供配电新途径[2].

1.2微电网发展现状

目前美国和日本等发达国家都已经完成了对微电网的基础理论研究，也建成了一些分布式电源及微电网的实验模型和平台，完成了微电网控制、保护策略和通信协议等方面规范的制定，并通过实验室和示范工程进行了验证，且已经开始出现微电网的商业化和规模化趋势.微电网的应用范围和等级也在不断扩大与提升，大多已从原来的兆瓦级以下单建筑微电网，发展到510 MW多建筑商业区或工业园微电网，并开始探索向10～30 MW级馈线、30 MW级以上的变电站以及地理范围更大的农村配网发展.我国对微电网的研究起步较晚，目前还处于理论、仿真和实验研究阶段，但我国已将“分布式供能技术”列入2006—2020年中长期科学和技术发展规划纲要，颁布了863H973计划支持微电网领域的研究，并在深圳和内蒙古各建有一个微电网示范性工程[3].

1.3微电网展望

未来的微电网不仅可以建在医院、军队、科研院所等重点供电单位，以保证这些用户在公共电网遭遇自然或人为破坏时仍能获得稳定的电力供应，还可以在居民小区中推广，将住宅及屋顶电源（风能、太阳能等）连接起来，升级为智能电力社区.这样的社区不仅能满足新时代用户的绿色用电需求，而且能在社区电量富余时向大电网售电，为住户创造利润.

2微电网建模

2.1微电网结构

本文的微电网系统采用10 kV配网模型，通过一个35 kV/10 kV的变压器和公共连接点（PCC）与主网连接.该系统频率为50 Hz，电源为小型风力发电机组（WT）和小型水力发电机组（HT）.实际情况中负荷较多、较杂，此处将负荷集中简化为三个简单大负荷（负荷1、负荷2、负荷3），均采用恒定有功模型，不考虑无功.微电网结构如图1所示.微电网的电源和负荷如表1所示.

3仿真模拟

为了进行比较，仿真实验分两套方案进行，即：当大电网发生故障时，采取方案一，

微电网不作出任何反应（PCC仍然闭合），微电网继续与大电网相连；方案二，

微电网的检测设备发现主电网异常并反馈到能量管理系统，该系统在0.2 s内作出反应（断开PCC），微电网随即进入孤岛运行模式.

3.1方案一

微电网在35 s的仿真时间内始终运行在联网状态.故障发生前，微电网中风力发电及水力发电系统均稳定满负荷运行，5 s时主电网侧发生三相短路故障，1 s后故障排除，故障全程微电网未开启孤岛独立运行模式.

经分析：0～5 s时微电网运行稳定，微电网中主干电压有名值维持在10 kV（选10 kV为基准电压，则标幺值为1 P.U.，P.U.代表该值处于标幺制换算状态下），风力发电有功功率稳定输出为9 MW，水力发电有功功率稳定输出为32 MW，负荷2稳定吸收功率为12.5 MW（此处选择负荷2作为样本检测对象）；5 s时，35 kV外部电网发生三相短路故障，电压降为0.2 P.U.，故障发生1 s后恢复正常，但未作孤岛运行处理的微电网系统在外网故障消除后的短时间内无法恢复到稳定运行状态.图4为关闭孤岛运行模式时各电气量的波形.

由图中可以看出，从5 s开始，网中电压持续振荡，直到30 s时才恢复正常，期间最大电压为1.9 P.U.，最低电压为0.2 P.U..与此同时，风力发电和水力发电有功功率也都发生了剧烈振荡，受此影响，负荷2有功功率也出现了长时间的高频振荡.

图4关闭孤岛运行模式时各电气量的波形

Fig.4

Waveform of electrical parameters in the nonislanded operation mode

3.2方案二

微電网初始运行在联网状态，微电网中风力发电和水力发电系统均满负荷稳定运行，5 s时主配电网侧发生三相短路故障，5.2 s时，微电网监控系统作出反应，PCC断开，微电网进入孤岛运行模式；6 s时，主电网故障排除.

经分析：0～5 s时微电网运行稳定，网中10 kV主干电压维持在1 P.U.，风力发电有功功率稳定输出为9 MW，水力发电有功功率稳定输出为32 MW，负荷2稳定吸收功率为12.5 MW；5 s时，35 kV外部电网发生三相短路故障，电压降为0.2 P.U.；5.2 s时，微电网监控与能量管理系统作出反应（PCC断开），进入孤岛运行模式.图5为开启孤岛运行模式时各电气量波形.由图中可以看出：及时与外网断开后的微电网系统很快恢复稳定，电压在5.5 s时恢复至正常值（1 P.U.），振荡期间最大值达到1.72 P.U.，最小值为0.2 P.U.；风力发电有功功率输出在5.71 s时恢复正常；水力发电有功功率输出在6.25 s时结束较大幅度的振荡后进入32±（1～2） MW范围内的小幅振荡，并在14.09 s时完全恢复正常，而且这次波动较小，最大波峰为47 MW，最小波谷为10 MW，相比孤岛机制未开启时其波动幅度已明显减小；负荷2有功功率也在6.25 s时恢复正常.

4结论

对比两个仿真方案可以得出：开启孤岛运行模式后，微电网在遇到主网发生故障时的抗干扰能力明显增强.若遇到公共电网故障，方案一将会导致微电网中电压与功率高频振荡，且振幅过大，恢复时间较长，对微电网中的DG和负荷会产生不良影响.如果在公共电网故障后，微电网的检测及能量管理系统能快速发现问题，并断开PCC，进入孤岛运行状态（方案二），那么来自外网的影响将会得到有效隔离.这不仅能使系统恢复时间明显缩短，而且能使电压及有功功率在受到扰动时的波动频率及振幅都大大减小，微电网中的DG 和负荷都将得到有效保护，造成的影响将大幅降低.

参考文献：

[1]李笑帆，张思青.基于风-光-水互补的云南微电网建设可行性探讨[J].能源研究与信息，2012，28（4）：211-215.

[2]王帅，李鹏，崔红芬.风电以微网的形式并入智能电网的研究[J].电气技术，2010（8）：38-42.

[3]郭天勇，赵庚申，赵耀，等.基于风光互补的微电网系统建模与仿真[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：104-108.

[4]LI W，VANFRETTI L，CHOMPOOBUTRGOOL Y.Development and implementation of hydro turbine and governor models in a free and open source software package[J].Simulation Modeling Practice and Theory，2012，24：84-102.

[5]BAKOS G C.Feasibility study of hybrid wind/hydro power system for lowcost electricity production[J].Applied Energy，2002，72（3/4）：599-608.

Matlab仿真平台 篇5

关键词：非结构环境,轮式悬架,随机路面,仿真

0 引言

随着科技的发展,移动机器人已普遍应用于工业、农业、军事侦察、空间探索等领域,其中,移动机器人的行进方式仍然以轮式应用最为广泛[1]。通常情况下,多数轮式移动机器人没有安装悬架系统或安装悬架系统后模型中未考虑其对整体机构影响,而只考虑执行机构,将移动载体的自由度加到执行机构上,使其变为冗余机构,单独对轮式悬架移动载体进行研究较少[2]。对于非结构环境下的轮式悬架移动平台而言,悬架的运动学以及动力学分析是轮式悬架移动平台设计、运动校核的重要内容之一[3]。悬架的重要评价指标[4,5]有悬架的动挠度、轮胎的动载荷和车身加速度,这些参数对悬架的设计起到重要作用[6,7]。此外,车身俯仰角及侧倾角的变化规律关系到车体的控制策略。

本文针对轮式悬架移动平台,对非结构路面情况进行了分析并建立模型[8],之后对轮式悬架移动平台悬架系统的动挠度、轮胎动载荷、车身垂向加速度、车身俯仰角及车身侧倾角等重要指标参数建立数学模型,进行模拟仿真。

1 路面激励模型

由于轮式悬架移动平台所处工作环境路面情况未知,即非结构环境,为此必须建立一个合适的路面激励模型。在对线性悬架系统进行动力学分析研究时,通常要在时域里进行。产生随机路面不平度时间轮廓通常有两种方法,即由一白噪声通过积分器产生或由一白噪声通过成形滤波器产生,本文将采用第一种方法生成路面输入:

路面功率谱密度函数表达式如下:

将其转化为时间频率下路面不平度垂直速度功率谱密度:

当车速u为定值时,密度谱为常数。故路面轮廓即可由谱密度为白噪声加随机数通过积分器产生,表达式为:

当移动平台速度u=1.2m/s,路面为C级时:

根据以上分析,在Matlab/Simulink中建立仿真路面模型,如图1所示,左(A、C轮)右(B、D轮)两侧车轮采用不同路面输入。

2 轮式悬架移动平台建模与仿真

2.1 轮式悬架移动平台建模

2.1.1 轮式移动平台整车模型

本文忽略轮式悬架移动平台所承载的执行机构,建立的轮式悬架移动平台物理模型如图2所示。

图3为七自由度整车振动模型图,该模型主要考虑车体垂直、俯仰、侧倾3个自由度以及4个车轮质量的4个垂直自由度,共7自由度。

其中A、C分别为左前、左后轮;B、D分别为右前、右后轮;mb为车身质量;Ip为车体俯仰转动惯量;Ir为车体侧倾转动惯量;m1为车轮质量;k2为悬架刚度;c2为悬架阻尼系数;k1为轮胎刚度;a、b为前后轮距质心的距离;tf、tr为汽车左右轮到质心的垂直距离;xb为车身质心的垂向位移;θ为车身的俯仰角;φ为车身的侧倾角。

根据车体的受力情况建立如下车体运动微分方程。

车身质心处的垂向运动微分方程:

车身俯仰运动微分方程:

车身侧倾运动微分方程:

四个车轮的运动微分方程:

根据方程(5)~(11)在Matlab/Simulink中建立整车仿真模型如图4,仿真参数如下:

图4中,xb表示车体质心垂向位移,Theta表示车体俯仰角,Fi表示车体侧倾角(前面加字母D表示对其微分)。其中路面子系统为路面激励模型,左(A、C)右(B、D)两侧轮子采用不同的随机路面激励;反馈子系统表示了三个输出变量xb、Theta、Fi的反馈信号;函数模块编辑函数与输入输出变量间的数学关系;时钟模块为了把时间t导入到Matlab的workspace中方便后续绘图工作,设置Simulink仿真时间为10s。

2.1.2 四分之一车悬架模型

为了研究轮式悬架移动平台的悬架动挠度、轮胎动载荷等悬架关键量化指标对移动平台的影响,在随机路面激励下,对于四组不同的悬架参数的时域变化趋势进行简要分析,从而选取适合移动平台的悬架系统的刚度、阻尼系数。

建立四分之一车体被动悬架模型,如图5所示(由于轮胎阻尼系数影响相对较小,故忽略不计)。

m2为四分之一车体质量,m1为轮胎质量,k2、c2分别为悬架刚度和阻尼系数,k1为简化轮胎刚度,x0为路面随机激励,x1,x2分别为轮胎和车体的垂向位移。

根据牛顿第二定律以及相关的振动理论,列出线性被动悬架移动载体车身与车轮两自由度车辆振动模型的振动微分方程:

其输入为路面随机信号,输出为悬架动挠度x2-x1和轮胎动载荷k1(x1-x0)。

在轮胎刚度不变的情况下选取的四组悬架刚度阻尼值实验参数,如表1所示。

其他参数m1=1kg;mb=48kg(车身总质量)。

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 整车仿真结果分析

车身质心在C、D级路面状况下的垂向加速度时域仿真曲线,如图6所示,随着时间的增加,车身垂向质心加速度在C级路面上变化范围大概在-0.1m/s2~0.3m/s2之间(D级路面在-0.2m/s2~0.5m/s2之间),C级路面7秒(D级在5秒8秒)左右,仿真曲线发生一次突变,分析认为该突变是由于地面随机输入信号在某些时刻变化过大而造成。总体来说波动较为平稳,速度变化量不大,车体较为稳定。

车身俯仰角在C、D级路面状况下的时域仿真曲线如图7所示,随着时间的变化车身俯仰角在C级路面-0.1rad~0.15rad之间(D级路面在-0.25rad~0.35rad之间)波动变化、变化角度相对比较小,且基本围绕着0上下轻微浮动,这样保证了移动平台不会剧烈俯仰,在可控范围之内。

车身侧倾角在C、D级路面状况下的时域仿真曲线如图8所示,随着时间的变化车身侧倾角变化范围在C级路面-0.01rad~0.1rad之间(D级路面在-0.02rad~0.23rad之间)波动变化,基本角度变化范围不大,围绕着0轻微浮动,这样保证了移动平台不会剧烈侧倾,仍在可控范围之内。

路面等级由C至D(即由好变坏),这三个输出变量波动变大,与实际情况相符。仿真结果印证了悬架系统对轮式移动载体在非结构环境下平稳行驶有很大的作用,为轮式悬架移动载体的控制器设计奠定了基础。

2.2.2 四分之一车仿真结果分析

以下为悬架动挠度(图9(a)-(d))、及轮胎动载荷(图10(a)-(d))的时域仿真曲线。

不同刚度、阻尼系数下的悬架动挠度时域仿真曲线,如图9所示,随着时间和悬架刚度、阻尼系数的变大,悬架动挠度时域仿真曲线波动幅度由-0.06m~0.04m之间到-0.045m~0.04m之间,当轮式悬架移动平台行驶在不平路面时,可根据实际需要选择合适的刚度阻尼,以满足有足够动挠度来保障悬架不被“击穿”。

不同刚度、阻尼系数下的轮胎动载荷时域仿真曲线,如图10所示,随着时间和悬架刚度、阻尼系数的变大,轮胎动载荷时域仿真曲线波动幅度由-140N~120N之间到-230N~200N之间,轮胎动载荷略有增大,当轮式悬架移动平台行驶在不平路面时,若需要轮胎产生横向力时会对轮胎附着力产生影响,故对轮胎的选择又提出了挑战。

3 结论

1)利用Matlab/Simulink对轮式悬架移动平台进行动力学仿真,能够通过其运动微分方程,很方便地建立计算机动态仿真模型,而且易于修改,省去了繁琐的程序编制,可以对车身垂直加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷、俯仰角及侧倾角等变量进行跟踪。

2)仿真结果为轮式悬架移动平台在非结构环境下选择合适的悬架系统提供了帮助,对其在非结构环境下行进保持稳定性有着非常重要的作用,也有助于评价移动平台有关的结构参数,能够帮助选择最优调节器的控制方法及控制器的设计。

参考文献

[1]张效祖.工业机器人的现状与发展趋势[J].世界制造技术与装备市场,2004,(5):1-3.

[2]杨玉维,张明路.6自由度轮式悬架柔性单杆移动机械手动力学研究与仿真[J].机械设计,2009(10):26-10.

[3]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.3.

[4]向博,高丙团.非连续系统的Simulink仿真方法研究[J].系统仿真学报,2006,18(7):1750-1754.

[5]王延娟,杨雪.JTG B01-2003与JTG B01-1997公路工程技术标准的车型换算方法研究[J].交通标准化,2006(10):31-34.

[6]Mohamed Bouazara,Marc J.Richard,An optimization method designed to improve3-D vehicle comfort and road holding capability through the use of active and semi-active suspensions,Eur.J.Mech.A/Solids,2001(20):509-520.

[7]Keum-Shik Hong,Dong-Seop Jeon and Wan-Suk Yoo,A new model and an optimal pole-placement control of the Macpherson suspension system,SaeTechnical Paper Series,1999-01-1331.

[8]周长锋.铰链式自卸车悬架系统动力学建模与仿真[J].汽车技术,2004(9):15-18.

Matlab仿真平台 篇6

电力电子技术是20世纪后半叶诞生与发展的一门崭新技术, 也是自动化、电气工程类专业的一门重要专业基础课。它日新月异的发展, 使得该门课程处于不断充实、更新之中。目前的电力电子技术实现了从以半控的晶闸管电路为主体向以全控型器件电路为主体的转变。随着电路越来越复杂, 在实际中应用就越来越来越难, 因此在验证一种电路的可行性时, 如果可以通过一种计算机软件来模拟它的可行性, 这样既可以节省时间, 又可以节省大量的财力和物力。因此, MATLAB软件中的Simulink可以在电力电子技术中找到它的用武之地。可以看出Matlab作为一种新型的高性能的语言, 为电力电子技术的研究与应用实现提供了理想的工具。

1 Matlab电力电子仿真简介

在Matlab环境下进行仿真, 可基于Simulink图形界面建立模块化交互式的仿真模型。而有关电力电子的仿真研究主要基于PSB (Power System Bloksets) 进行, 仿真模型依据元件模型来建立, 其中包括:电源模型库、连接模型库、元件模型库、电机模型库、测量模型库及附加模型库等。

在具体的仿真中建立模型是基础, 参数设置是关键。建立仿真, 一般采取以下步骤:

(1) 按自己习惯的方式 (有三种方式) 进入Matlab/Simulink界面建立模型 (Model) 文件;

(2) 依据要仿真的电路在模型库中选择相应元件模型, 然后布局连接;

(3) 设置元件模型参数及控制算法;

(4) 仿真分析, 参数微调。

2 仿真实例

本文以电力电子中典型单相半波可控整流电路及三相桥式全控整流电路为例, 从仿真模型建立、参数设置及结果分析进行研究。

2.1 仿真模型

2.2 参数设置及结果

参数设置是仿真的关键也是仿真的难点。本次仿真中选择ade23b算法, 设置脉冲幅值为100V, 脉冲占比为30%, 周期为0.02S, 采用单一参数负载。相误差设置为1e-5, 开始时间为0, 停止时间为0.1S, 改变触发角, 得到仿真结果如图3所示。

3 结论

本文通过Matlab对两种整流电路, 首先用模块搭建仿真模型, 进而设置参数, 最后进行仿真, 突破了传统的仿真方法需要大量繁琐的编程调试工作, 使用户不必对计算机系统本身赋予更多的注意, 而将主要的精力集中在课题本身。基于图形界面的仿真建模方式的仿真软件——Matlab适用范围极广, 值得大力推广。

参考文献

[1]陆治国.电源的计算机仿真技术[M].北京:科学出版社, 2001.

[2]李传奇.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京.电子工业出版社, 2007.

Matlab仿真平台 篇7

关键词：数字交换网络,T接线器,S接线器,Simulink

(一) 数字交换网络的工作原理

数字交换网络是程控数字交换机的核心, 主要由数字接线器组成, 能够直接交换从数字传输设备进来的数字信号。当数字交换网络只连接一套PCM系统时, 数字交换仅在这条总线的话路时隙之间进行;当数字交换网络同时连接多套PCM系统时, 数字交换不仅可以在不同PCM总线的相同时隙之间进行, 也可以在不同时隙之间进行。

组成数字交换网络的接线器有时间 (T) 接线器和空间 (S) 接线器两种。T接线器完成时隙之间的交换, S接线器完成PCM总线之间的交换。如果不同PCM总线的不同时隙之间进行交换则需要两种接线器协同完成, 称为多级数字交换网络。

(二) T接线器

1. T接线器的组成和工作原理

T接线器由话音存储器和控制存储器组成。话音存储器 (SM) 用于寄存经过PCM编码处理的话音信息, 每个单元存放一个时隙的内容。控制存储器 (CM) 用于寄存话音信息在SM中的单元号, 如果某话音信息存放于SM的2号单元中, 那么在CM的单元中就应写入“2”。通过在CM中存放地址, 从而控制话音信号的写入或读出。一个SM的单元号占用CM的一个单元, 所以CM的单元数和SM的单元数相等。

T接线器的工作方式分为输出控制方式和输入控制方式两种。如果SM的写入信号受定时脉冲控制, 而读出信号受CM控制, 则称为输出控制方式, 即SM是“顺序写入, 控制读出”。反之, 如果SM的写入信号受CM控制, 而读出信号受定时脉冲控制, 则称其为输入控制方式, 即SM是“控制写入, 顺序读出”。

图1所示为顺序写入、控制读出的T接线器示意图。在定时脉冲CP控制下将PCM总线上的每个输入时隙所携带的话音信息依次写入SM的相应单元中, 即A写入到SM单元号为10的单元中;然后根据要求, 在CM的相应单元中填写SM的读出地址, 即10写入到CM单元号为50的单元中, 最后在CP控制下按输出时隙的顺序读出SM中的话音信息, 这样A就被写入到时隙50中, 即完成了一次时隙交换。

2. T接线器的仿真

根据T接线器的组成和工作原理, 利用MATLAB对话音存储器“控制读出”的工作过程进行仿真。假设数字交换电路只有4个时隙, 要求将时隙1的内容交换到时隙4中。根据要求, 利用Simulink工具箱中的Pulse Generator (和采样时间无关) 、Step (阶跃信号) 、Dot Product (点乘运算) 、Date Store Real (从指定的数据存储器读数据) 、Date Store Memory (为数据存储器定义内存区域) 、Date Store Write (写数据到指定的数据存储器) 、Transport Delay (信号传输延时) 、Scope (示波器) 模块, 构建的T接线器的仿真图如图2所示。

首先用3个脉冲发生器来模拟3路话音作为话音存储器的输入数据, 其参数设置如表1所示。

为了把话音信号储存到存储器里, 需要对连续的话音信号进行采样。本文采用一个脉冲发生器和一个阶跃信号及一个点乘运算器对信号进行采样。对第1路话音的采样是用一个占空比为50%, 周期为4, 时延为0的脉冲信号和一个在2秒从1跳到0的阶跃信号进行点乘运算, 得到的采样时隙是第1个时隙, 然后和第1路话音信号进行点乘运算就将第1路话音放入到时隙1中。同理可以将第2、3路话音信号采样到时隙2和时隙3中, 形成的波形如图3所示。接着把三路信号分别送到三个由Date Store Real, Date Store Memory, Date Store Write组成的存储器中, 并用1个Transport Delay来实现对信号的控制读出。将第1路信号延时2个周期输出, 其余的信号正常输出, 得到的波形如图4所示。比较图3和图4所示的波形可以直观的看出, 时隙1的信号交换到了时隙4中, 即完成了同一总线上的时隙交换。

(三) S接线器

1. S接线器的组成和工作原理

数字交换网络的S接线器由交叉接点和控制存储器 (CM) 两部分组成。

图5所示为一个输入、输出端各有4条PCM总线 (HW) 的S接线器, 其中4×4开关矩阵由高速电子开关组成, 开关的闭合受4个CM控制。S接线器的工作过程如下:首先CPU根据路由选择结果在CM的相应单元内写入输入 (出) 线序号, 然后在CP控制下按时隙顺序读出CM相应单元的内容, 控制输入线与输出线之间的交叉接点的闭合。如果CM控制同号输出端的所有交叉接点, 则称为输出控制;反之, CM控制同号输入端的所有交叉接点, 则称为输入控制。

2. S接线器的仿真

假设S接线器有2路PCM总线, 要求将这两条总线中时隙2的内容进行交换。根据S接线器的工作原理, 利用Simulink工具箱中的Pulse Generator (和采样时间无关) 、Step (阶跃信号) 、Logical Operator (逻辑运算) 和Scope (示波器) 模块构建其仿真图, 如图6所示。

首先用2个脉冲发生器来模拟2路话音作为话音存储器的输入数据, 2个脉冲发生器的参数设置如表2所示。

为了实现不同总线之间的交换, 需要对连续的话音信号进行采样, 同时还需要将目的时隙清空以供交换。本文采用两个阶跃信号和一个与门对信号进行采样, 采用两个阶跃信号和一个或门来清空目的时隙。其交换过程如下:首先使用一个在2秒从1跳到0的阶跃信号和一个在4秒从0跳到1的阶跃信号相或, 接着和第1、2路话音信号相与就可以得到时隙2被清空的两路信号。然后采用一个在2秒从0跳到1的阶跃信号和一个在4秒从1跳到0的阶跃信号相与, 接着和第1、2路话音信号相与就可以得到两路信号中时隙2的内容被采样出来, 最后将采样出来的信号和被清空的两路信号分别相或产生的波形如图8所示, 和原来两路信号的波形 (如图7所示) 相比较, 可以清晰的看出两路信号中时隙2的内容进行了交换, 即不同总线相同时隙完成了交换。

(四) T-S交换网络的仿真

从以上的仿真结果可以看出, 时间接线器是完成同一总线不同时隙之间的交换, 空间接线器是完成不同总线相同时隙之间的交换, 而不同总线和不同时隙之间的交换则需要两种接线器的协同工作, 所以可以先进行时隙交换, 再进行总线交换, 这就构成了T-S交换网络;也可以先进行总线的交换, 再进行时隙的交换, 这构成了S-T交换网络;还可以先将时隙的内容交换到一个中间时隙, 在进行总线交换, 然后从中间时隙交换到目的时隙, 这构成的是T-S-T交换网络。当然, 还可以构成S-T-S、T-S-S-T等网络。本文是采用将T接线器封装成一个子系统作为S接线器的一路信号来仿真T-S交换网络, 也就是说, 先在T接线器中完成同一条总线上的时隙交换, 再进行不同总线上的时隙交换, 即完成不同总线不同时隙上的内容交换, 其仿真图如图9所示。为了与S接线器相区别, 本次交换的时隙设为4, 其交换前后的波形如图10、图11所示。通过比较发现, 两路总线中时隙4的内容进行了交换, 即第一条总线时隙1的内容交换到第二条总线时隙4中。

(五) 结束语

利用MATLAB软件中的Simulink工具箱对组成数字交换网络的T接线器、S接线器以及T-S交换网络进行了仿真, 结果表明采用最简单的输出控制方式和最简单的信号来演示同一总线不同时隙、不同总线相同时隙以及不同总线不同时隙之间的交换, 非常清楚并且便于理解。如果要对多极交换网络进行更完整的仿真, 还需要添加定时脉冲输入, 同时对来自控制存储器的控制信号进行操作, 这将大大增加电路仿真的复杂程度。

参考文献

[1]刘振霞, 马志强, 钱渊.程控数字交换技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2007.

[2]任瑞玲, 王忠.基于Simulink的时隙交换原理的仿真[J].电气电子教学学报, 2004, 26 (1) .

Matlab仿真平台 篇8

1 CDMA通信理论基础技术-扩频技术

扩频是一种处理信息传输技术。扩频技术是利用同域传输数据 (信息) 无关的码对被传输信号扩展频谱, 使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩频通信的理论基础来源于信息理论和抗干扰理论, 即香农公式:

式中, C代表信道容量, 单位为bps, 表示信道所允许的最大传输速率, 也是需要达到的目的性能;B代表信道带宽, 意味着为之付出的代价, 单位为Hz;S/N代表信噪比, 单位d B, 表示周围的环境影响或物理特性。鉴于此, 可得出结论:相对于给定的信息传输速率, 可使用不同的信噪比和带宽的组合来进行传输。扩频通信系统正是利用这一理论, 将信道带宽扩展很多倍以换取信噪比上的提高, 增强了系统的抗干扰能力。

扩频通信的重要参数 (扩频增益) , 反映了由频谱扩展对抗干扰性的强弱。其定义为:

式中, Si和So分别为输入、输出信号功率;Ni和No分别为输入、输出干扰功率;Bw为随机码的信息速率, Rb为基带信号的信息速率。

2仿真工具

矩阵实验语言 (MATLAB:Matrix Laboratory) 是一种以矩阵为基础的交互式的程序设计语言。不仅具有卓越的计算能力, 还可应用在可视化、数字信号、图像处理、过程控制等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵, 其编程语言与数学工程中常用的形式十分相似, 为此, 在具有相同工作量的情况下, 利用MATLAB来解决实际问题, 要比用C、Pascal等语言快捷, 简便得多, 开发周期较短和减少工作量。MATLAB 7.0/Simulink 4.0包括数百个内部函数和几十种工具包 (Toolbox) 。在通信仿真系统中, 通信工具箱中的各模块都是可以读写的, 操作起来比较方便, 可以让用户进行二次开发, 满足实际设计和运算的需要。

3 仿真模型结构及分析

本课题研究了比较简单的DS-CDMA通信系统, 与实际的系统相比较, 此仿真模型省去了信道编码和解码, 但还是可以很真实地模拟DS-CDMA通信系统的工作过程。

3.1 仿真结构

信源设计中, 信源采用二进制贝努利序列产生器 (Bernoulli Binary Generator) 产生二进制序列;伪随机序列生成器, 在扩频通信技术中, 正交编码技术和为随机序列比较重要的技术。主要的序列有Walsh序列、Golden序列和m序列等。本设计采用m序列生成器, 其参数设置如图1所示。

信道, 采用加性高斯白噪声信道进行分析。加性高斯白噪声信道是最简单的一种噪声, 它表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程。加性高斯白噪声信道的均值为0, 方差表现为噪声功率的大小。一般情况下, 噪声功率越大, 信号的波动幅度范围越大, 接收端接收到的信号的误比特率就越高。在研究通信系统的误码率与信道质量的关系时, 一般先研究它在加性高斯白噪声信道的性能, 然后再把它推广到具有快衰落的复杂情况。

本仿真结构主要包括三个部分:扩频;通过高斯信道, 加入干扰信号;解扩和误码率的计算, 由伯努利随机二进制信号产生器 (Bernoulli Binary Generator) 产生{0, 1}序列;PN序列发生器 (PN Sequence Generator) 产生用户地址码, 其码元周期远小于伯努利信号发生器产生的信号。并通过中继器 (delay) 将其转换为{1-, 1}, 此过程相当于BPSK调制;再将二者的序列用乘法器乘起来, 实现对数据序列的扩频, 即:将信号码元周期改造成PN序列的码元周期;再通过高斯信道 (AWGN Channel) 加入干扰信号, 模拟环境中的噪声;然后用相同的伪随机序列与其相乘, 达到对数据序列的解扩;再通过低通滤波器, 码元再生器, 就得到最后的信号, 再将原来的信号通过一个延迟器;将这两种信号通过误码率计数器 (Error Rate Calculation) 相比较可以计算出误码率, 再通过显示器显示出来。

3.2 仿真结果分析

运行上述仿真结构, 可以得出图2-6的仿真结果。

对扩频和解扩以后的波形进行傅里叶分析, 分析结果如图7-10。

通过对以上的波形和傅立叶变换分析, 最终将接受码元恢复到了发送信号, 而且误码率0.4%不到。证明了该系统具有很强的抗干扰能力, 保证了通信系统的可靠性和实用性。

摘要：在深入研究了CDMA通信系统的理论基础值之上, 利用了集成在MATLAB软件中的仿真软件SIMULINK对CDMA通信系统模型的组建和仿真。文章主要是在给定的条件下, 对各模块的设计, 运行仿真系统, 通过对波形和参数的分析, 证明系统设计的正确性, 即是CDMA系统具有较强的抗干扰能力, 在同频、同时, 信道是可以复用的特性。

关键词：CDMA,PN扩频,simulink仿真

参考文献

[1]徐明远, 等.MATLAB仿真在通信与电子工程的应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2005

[2]张葛祥, 等.MATLAB仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 2003

[3]樊昌信.通信原理教程[M].北京:电子工业出版社, 2004

[4]邓华.MATLAB通信仿真及实例详解[M].北京:人民邮电出版社, 2003

Matlab仿真平台 篇9

关键词：秃杉；Matlab；种群竞争模型；Simulink仿真

中图分类号： S718.54+1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0175-04

收稿日期：2014-03-25

基金项目：国家公益性行业科研专项（编号：201104053）。

作者简介：李骄（1982—），男，重庆合川人，硕士研究生，主要从事森林资源管理与评价研究。E-mail：48965058@qq.com。

通信作者：许彦红，男，云南易门人，硕士，副教授，主要从事森林测计学、森林资源经营管理与评价方面的研究。E-mail：xyhong64@163.com。秃杉（Taiwania flousiana）属裸子植物杉科台湾杉属，是中国特有的世界珍稀植物，现为我国一级保护植物，天然分布于我国湖北省西南部、贵州省东南部及云南省西部等地，垂直分布海拔高度800～2 500 m[1]。目前国内对于秃杉林竞争研究只是简单地通过Hegyi单木竞争方程计算其竞争指数，并未从宏观上对秃杉林与不同伴生树种间的种群竞争进行数学建模与分析，无法直观得出相应的竞争干扰程度结果，从而不能准确地对秃杉林进行经营策略指导。本研究引入 Lotka-Volterra 生态学数学竞争模型对秃杉林种群建模并进行Simulink仿真分析，采用系统、科学、客观的分析方法，利用Matlab平台对实地调查所得的原始数据进行因子指标分类，然后回归诊断分析得出秃杉与其竞争种群间在不同竞争平衡模式下的内在联系，为进一步确定合理的秃杉林经营密度，制定合理的经营管理措施，提高秃杉林经营管理水平提供科学的理论依据，对秃杉人工林的可持续经营具有十分重要的意义。同时，本研究是计算机建模仿真技术在林业领域应用的重要发展方向。

1Matlab建模平台与Simulink仿真

Matlab是matrix与laboratory 2个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。借助于Matlab强大的数据处理、图形处理能力，可以方便快捷高效地解决数学建模中的各种问题[2]。Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于Matlab的框图设计环境，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中[3]。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或2种混合的采样时间进行建模。Simulink与Matlab紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法的研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义[4]。

2种群竞争数学模型与仿真结构图构建

2.1种群竞争模型建立原理

4秃杉种群竞争平衡模式对应的经营策略

通过研究秃杉种群竞争模型仿真与3种种群竞争模式得出了以下秃杉林人工经营策略。

（1）要达到最优竞争模式（P1平衡点），需要提升秃杉种群N1所占的份额。首先要做好秃杉幼林郁闭前的抚育工作，幼林抚育的内容主要应从土壤管理入手，通过松土、除草改善土壤的理化性质，排除杂草、灌木对幼林的竞争[19]；其次对林木本身进行必要的抑制调节，如除蘖、平茬、间苗等，使幼林成林，到提升N1的效果。

（2）针对最差竞争模式（P2平衡点）的情况，需要降低N2所占份额。在营林上可以考虑采用抚育间伐与合理混交2种措施。幼林郁闭后，林木的个体逐渐增大，主要表现在冠幅、树高、直径方面的增加，林木与林木、林木与灌木或草本的竞争随之逐渐增加，这时需要对密度较大的秃杉林分进行适度

抚育间伐。若间伐强度过大，虽然可以减轻秃杉种群与竞争种群之间的竞争，但林分单位面积的生长量会减少；若间伐强度过小，则达不到抚育效果，解决不了林木激烈竞争的趋势。此外，还要及时修枝，对不利于优良木生长的病腐木、被压木、生长畸型的林木及时清理[20]，使秃杉有一个良好的生长环境。造林密度和混交树种及比例影响林分生长发育全过程。造林密度不同，混交树种及比例不同，林分郁闭、林木开始激烈竞争的时间及激烈程度不同。密度过大，郁闭越早，竞争时间越提前，会影响林分生长；密度过小，林木个体在单位面积上株数较少，不能很好利用营养空间。而秃杉与伴生树种种群混交密度应该遵循参数优化后秃杉种群竞争方程组中的标准化种群密度u1和u2来确定。

（3）林地内环境的保护管理。在研究的数学模型中，秃杉种群与其他竞争种群竞争所需的前提环境资源如阳光、水源、土壤等为固定值，所以在林地内应保护好地被物，禁止人为干预枯枝落叶层，以免破坏森林内营养元素的循环。如果林内没有枯枝落叶，营养元素的循环得不到保证，林地涵养水源能力差，导致地表水大量流失，土壤含水量低；同时由于地表径流、土壤流失大，林木所需的养分和水分不足，从而加剧林木的竞争。

5结论

随着计算机技术的不断发展，计算机在林业领域中的应用已经从相对简单的多媒体计算机技术时代进入了更高层次的计算机建模仿真技术时代。本研究利用生态学数学模型研究秃杉种群与其他竞争种群空间资源争夺结果，并建立了3种竞争模式。本研究通过Matlab进行数值模拟与Simulink仿真分析，得出3个种群竞争平衡点模式，并基于模型参数数值模拟图给出了腾冲县秃杉人工林经营策略建议。

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本研究是国家公益性行业科研专项“秃杉大径材人工培育关键技术研究（201104053）”的內容之一，研究成果已应用于试验示范区建设。随着数字化林业、林业信息化的推广，计算机仿真模拟技术将会在林业行业得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1]陈强，袁明，刘云彩，等. 秃杉的物种确立、天然林种群特征、保护、引种和种源选择研究[J]. 西部林业科学，2012，41（2）：1-16.

[2]席伟，微分方程方向场MATLAB仿真工具箱设计[J]. 信息安全与技术，2012（11）：65-67.

[3]Vahidi B，Esmaeeli E. MATLAB-SIMULINK-based simulation for digital differential relay protection of power transformer for educational purpose[J]. Computer Applications in Engineering Education，2013，21（3）：475-483.

[4]刘斐. 基于Simulink的通信系统仿真[J]. 电脑知识与技术，2011，7（7）：1593-1594.

[5]李海峰，李秋英，陆民燕.基于Logistic测试覆盖率函数的软件可靠性建模研究[J]. 计算机研究与发展，2011，48（2）：232-240.

[6]黄光球，赵魏娟，陆秋琴.基于3种群Lotka-Volterra模型的种群动力学函数优化算法[J]. 计算机科学，2013，40（8）：214-219.

[7]常振海，刘薇. Logistic回归模型及其应用[J]. 延边大学学报：自然科学版，2012，38（1）：28-32.

[8]王金良，李慧凤. Logistic种群演化模型的渐近加权周期性[J]. 应用数学学报，2011，34（3）：496-501.

[9]李敏. 真实模型Matlab仿真的过程控制系统实验研究[J]. 浙江工业大学学报，2011，39（2）：168-173.

[10]张金铖，李传东，李超辈. 基于Matlab的忆感器建模仿真及应用[J]. 固体电子学研究与进展，2012（3）：239-245.

[11]Zuliani P，Platzer A，Clarke E M. Bayesian statistical model checking with application to Stateflow/Simulink verification[J]. Formal Methods in System Design，2013，43（2，SI）：338-367.

[12]郝连秀，王浩轩，张亮. 基于Matlab/Simulink的频率合成器模型设计[J]. 计算机与现代化，2013（5）：206-210.

[13]刘佩云. 秃杉人工林立地指数的研究[J]. 林业科技，2011，36（6）：16-18.

[14]李典，杨永. 点隐式龙格-库塔方法的应用研究[J]. 航空计算技术，2011，41（3）：66-70.

[15]韩慎友，钟青. 三阶龙格-库塔时间分裂显式算法的误差分析[J]. 气象学报，2012，70（1）：119-127.

[16]Medina A，Segundo-Ramirez J，Ribeiro P，et al. Harmonic analysis in frequency and time domain[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2013，28（3）：1813-1821.

[17]赵峰. 贵州雷公山秃杉优势种群的生态位特征[J]. 中国农学通报，2012，28（1）：17-23.

[18]Zhou M. Using logistic regression models for selection in non-replicated sugarcane breeding populations[J]. Euphytica，2013，191（3）：415-428.

[19]雒志学，郭金生. 具有扩散和年龄结构竞争种群的最优收获[J]. 数学进展，2009，38（2）：209-219.

[20]陈志阳，杨宁，姚先铭，等. 贵州雷公山秃杉种群生活史特征与空间分布格局[J]. 生态学报，2012，32（7）：2158-2165.

基于MATLAB的双馈电机仿真 篇10

随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展, 人们在不断寻求采用新的途径解决电力系统稳定和无功问题的时候, 提出了采用交流励磁发电机取代或部分取代常规同步发电机的设想, 并已由理论到实践取得了一些成果。这种发电机的转子绕组由原来的直流励磁绕组改为三相对称交流励磁绕组。当通以某一额定频率 (fc) 的交流电时, 就会产生一个相对转子旋转的磁场, 其转速为: (np为极对数) , 转子实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场的转速 (方向可以相同或相反) 等于同步转速, 即:n1=nr±n2。

由此在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场, 在定子侧感应出同步速的感应电势。从定子侧看, 这与直流励磁的转子以同步速旋转时, 在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。如果按电机转子的转速是否与同步转速一致来区分异步发电机或同步发电机。则交流励磁发电机应当被称为异步发电机。但是, 从性能来看, 交流励磁发电机很多地方又与同步发电机相似。

二、定子磁链定向的矢量控制

在交流励磁发电机中, 考虑到发电机始终是在工频50Hz下运行, 在这样的频率下, 通常电机定子绕组的电阻可以忽略不计。此时, 定子绕组总磁链与定子电压的矢量之间的相位正好相差90度, 因此在实际应用中, 以定子电压矢量或者以定子绕组总磁链为参考矢量, 可使控制系统变得相对简单。

采用定子磁链定向, 同步转速n1旋转的坐标轴d与定子磁链ψs相重合, 则有:

由同步旋转坐标系下的数学模型可推出定转子电流的关系为 (忽略绕组) :

则功率关系为:

这表明, 电机有功功率和转子电流有功分量成正比, 无功功率和转子电流无功分量成正比, 只要分别控制转子电流分量和, 即可实现发电机有功功率和无功功率的独立调节。

三、变速恒频风电系统的控制

变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电方式, 它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中, 获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。风力机采用变速运行, 即风机叶轮跟随风速的变化改变其旋转速度, 保持基本恒定的最佳叶尖速比, 风能利用系数最大。因此, 可以根具风速的变化情况, 调整双馈电机的转速使之产生恒定频率的电能。

四、仿真

MATLAB软件是当今控制系统的设计与仿真中重要的工具软件。MATLAB提供的仿真工具箱SIMULINK就是一个功能十分强大的仿真软件, 可以根据用户的需要方便地为系统建立模型, 并且十分直观;它的仿真精度很高, 仿真结果准确。

由于交流励磁变速恒频风力发电系统的特点, Matlab/Simulink中的Power System基本模块提供的电机模型用于双馈发电机仿真时, 受到多方面因素的影响, 如转子侧供电时接入问题, 用PWM供电时如何调频等一系列问题, 不能完全适应仿真的需要。因而不能直接利用Simulink电机模型进行仿真研究。我们基于在两相同步旋转坐标系d-q中建立的双馈发电机的数学模型, 在Simulink环境下建立了相应的仿真模型。采用上述公式推导所得控制策略, 因此转子参考电压u*dr、u*qr直接送入发电机转子侧, , 省去了变换器的控制及坐标变换, 使仿真系统大大简化[4]。这样不但简化了对控制系统仿真的复杂性, 而且并不影响仿真结果的可信度。

首先, 根据双馈电机在两相旋转坐标系下的数学模型建立电机的仿真模型。单一选电流量为状态变量, 可得到电机的状态方程, 再根据电机的运动方程和转矩方程便可建立电机仿真模型, 仿真图型如下所示。

双馈发电机采用定子磁链定向的矢量控制, 因为所建立的模型为d-q坐标系下的仿真模型所以省去了坐标变换模块, 从而使仿真更加简化。

五、结论

由仿真结果可以看出, 采用矢量控制的方法可以很好地解决双馈发电机的解耦问题并实现变速恒频控制达到控制要求, 应用MATLAB/Simulink进行双馈发电机系统的仿真, 能够解决定转子电源接入的问题, 很大程度度上简化仿真难度。

摘要：根据双馈发电机的原理及数学模型采用定子磁链定向的方法, 对变速恒频风力发电系统进行研究, 确定了基本的控制策略。通过MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型进行仿真, 这些都为进一步地深入研究提供了有效的理论依据。

关键词：双馈发电机,仿真,数字模型

参考文献

[1]王振永, 王然冉.电机的数学模型及参数辨识[M].北京:机械工业出版社, 1991.

[2]李健, 李华德.双馈感应变速恒频风力发电机控制系统研究.2004.

[3]邓禹.双馈型变速恒频风力发电系统控制技术研究[M].华中科技大学硕士学位论文, 2005.4.