Matlab论文.docx
- 文档编号:7471782
- 上传时间:2023-01-24
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:232.81KB
Matlab论文.docx
《Matlab论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Matlab论文.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
Matlab论文
Matlab/Simulink的仿真应用
一、基于Matlab的信号与系统仿真实验
《信号与系统》是电气信息类专业的重要专业基础课,其理论性较强,概念抽象而难以理解,公式推导复杂、计算繁琐,系统分析时的时域图和频谱图都较难绘制。
该课程传统教学一直采用黑板式的单一教学方式,大量的数学计算使课堂教学枯燥沉闷,学生依靠做大量习题来巩固和理解教学内容,对课程中众多的应用性较强的内容不能实际动手设计、调试、分析,严重影响和制约了教学效果,直接造成理论教学课时不够,实践教学环节薄弱,学生学习负担加重的不良后果针对《信号与系统》课程内容的特点,利用MATLAB的信号处理工具箱和图形处理及数据可视化,将结论直接用图形来演示,具有让学生直观地认识抽象的概念、定理、结论,深入理解重要概念的作用。
●1.1MATLAB简介
美国MathWorks公司于1984年推出一款面向工程和科学运算的MATLAB(MatrixLaboratory--矩阵实验室)高性能软件,被广泛应用于数值分析、自动控制、信号处理、信息通信、工程建筑金融分析及图像处理等众多领域,是目前国际上公认的最具影响力的科技应用软件,深受工程技术人员及科研工作者的欢迎。
目前,国内外很多高等院校已将MATLAB列为本科生、研究生必须掌握的基础工具软件之一。
它的主要特点包括:
(1)高效的数值计算及符号计算功能,使用户摆脱了繁杂的数学运算分析;
(2)完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;
(3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,易于学习和掌握,编程效率极高;
(4)开放性好,能与多种平台工具软件兼容;
(5)功能丰富的应用工具箱,具有广泛解决各学科专业领域内复杂问题的能力。
●1.2MATLAB仿真实验应用
MATLAB强大的符号运算功能与图形处理功能,为实现信号的可视化及系统分析提供了强有力的工具。
工具箱函数可以分析连续信号、连续系统、离散信号、离散系统等,并可对信号进行时域和频域的各种计算、分解和变换,如相加、相乘、移位、反折、傅立叶变、拉氏变换、Z变换和频谱分析等多种计算功能。
下面以抽样信号的实现、周期方波信号傅立叶级数分解、两个余弦周期信号的相加与相乘、RLC带通滤波器的频谱特性等仿真实例说明MATLAB仿真在信号与系统教学中的应用。
●1.2.1抽样信号的实现
在信号与系统中,信号的表征是进行系统分析与设计的基础。
信号的表征是写出它的数学表达式,该式是关于时间或者频率的函数。
而常用的时间信号有:
正弦型信号、冲激信号、阶跃信号、门信号、衰减型指数信号和抽样信号等。
抽样信号的基本数学形式定义为:
而在MATLAB中用与类似的函数来表示:
而两个函数没有本质上的区别,仅是时间尺度上不同。
程序中的时间区间,
仿真波形如图1所示。
图1
在MATLAB中实现的程序代码如下:
t=-6*pi:
pi/100:
6*pi;
Sat=sinc(t/pi);
plot(t,Sat),gridon
xlabel('t'),ylabel('Sa(t)')
axis([-20,20,-0.3,1.1])
title('抽样信号')
从图1中看出,Sa(t)为偶函数,是非周期的振荡衰减信号,当
当t=0时,峰值Sa(t)=1,(k)=0,(k为整数),当t2后,衰减幅度减小。
●1.2.2周期方波信号傅立叶级数分解与合成
在系统时域分析中,以正弦函数为基本信号,分析工程上常用的周期信号的一些基本特性以及信号在系统中的传输问题。
周期信号到正弦信号的分解是利用傅里叶级数,系统的响应可看作各不同频率正弦信号产生响应的叠加。
设周期信号为f(t),周期为T,角频率
,则傅立叶级数的三角展开式为:
其中,积分区间取,
n=1,2,...则各项系数为:
公式表明,任何满足狄利赫利条件的周期信号都可以分解成不同频率的正弦分量和余弦分量的叠加。
n=0时为直流分量,n=1时为一次谐波分量,以此类推。
可见,周期信号可分解成各次谐波分量的叠加,反过来,各次谐波分量的叠加可以合成周期信号。
下面,用MATLAB实现周期方波的信号分解与合成,并绘出各次谐波叠加的傅立叶综合波形图。
设方波周期信号如图2所示,
取T=1,则方波信号的傅立叶三角级数为:
所以各次谐波分量
=0,n=1,2...,
分别求5、11和39次谐波的合成波形。
如图3所示,MATLAB程序如下:
t=-1:
0.001:
1;
omega=2*pi;
y=square(2*pi*t,50);
subplot(221)
plot(t,y),gridon
axis([-1,1,-1.5,1.5])
xlabel('t'),title('周期方波信号')
n_max=[51139];
N=length(n_max);
fork=1:
N
n=1:
2:
n_max(k);
b=4./(pi*n);
x=b*sin(omega*n'*t);
subplot(2,2,k+1);
plot(t,y),holdon
plot(t,x),holdoff
axis([-1,1,-1.5,1.5]),gridon
xlabel('t'),title(['合成波形,最大谐波=',num2str(n_max(k))]);
end
从图3中看出,随着傅立叶级数项的增加,合成信号与方波信号之间的误差越来越小但是在信号跳变点附近,却总是存在一个过冲,这就是典型的Gibbs现象。
●1.2.3两个余弦周期信号的相加与相乘
信号的相加与相乘是指在同一时刻信号取值的相加与相乘,是信号的基本运算形式,在MATLAB中是基于向量的点运算。
设已知信号,
则两个信号相加与相乘的波形如图4所示。
为了便于观察,增加了包络线,MATLAB程序如下:
f=1;t=0:
0.01:
3/f;
f1=cos(2*pi*f*t);f2=cos(2*pi*8*f*t);
subplot(411);
plot(t,f1),gridon,title('f1(t)')
subplot(412);
plot(t,f2),gridon,title('f2(t)')
subplot(413);
plot(t,f1+1,':
',t,f1-1,':
',t,f1+f2)
gridon,title('f1(t)+f2(t)')
subplot(414);
plot(t,f1,':
',t,-f1,':
',t,f1.*f2)
gridon,title('f1(t)*f2(t)')
从图4中看到,两个信号相加后,仍为振荡周期信号,振幅相加,周期为
(t)的周期,(
(t)的周期最大,T=1s)两个信号相乘,振幅相乘,周期为T=1s,在一个周期内,前半个周期的波形与后半个周期的波形是关于原点对称的。
●1.2.4RLC带通滤波器的频率特性
连续时间LTI(线性时不变)系统的频率响应特性,是基于信号的频谱分析的方法,包括幅频响应特性和相频响应特性,是描述信号与系统特性的重要参数。
图5为一种RLC带通滤波器的最简单形式,设R=10,L=0.1H,C=0.1F时的频率响应。
频率特性为:
谐振频率为:
则带通滤波器的幅频特性和相频特性曲线如图6所示,MATLAB程序如下:
w=-6*pi:
0.01:
6*pi;
b=[10];
a=[11100];
H=freqs(b,a,w);
subplot(2,1,1);
plot(w,abs(H)),gridon
xlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('|H(\omega)|');
title('带通滤波器的幅频特性')
subplot(2,1,2);
plot(w,angle(H)),gridon
xlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('\phi(\omega)');
title('带通滤波器的相频特性')
从图6中可以看到,该带通滤波器的频率特性就是让接近谐振频率的信号通过而阻止其他频率的信号。
2、Matlab/Simulink在直流斩波电路仿真中的应用
●2.1直流斩波电路的建模与仿真
●2.1.1仿真模型及参数设置
2.1.1.1由IGBT构成的直流降压斩波电路的建模和参数设置
(1)在命令窗口下建立一个新的模型窗口,命名为buck。
(2)打开PowerSystem工具箱中的电力电子模块组,分别复制一个IGBT模块、二极管Ds模块、二极管Diode模块到buck模型中。
打开IGBT对话框,按照默认值设置相关参数,并取消内部缓冲电路,即RS=inf、CS=0。
(3)打开电源模块,分别复制一个直流电压源模块Us、一个直流电压源模块E到buck模型窗口中,打开参数设置对话框,电压源Us=200V、E=80V。
(4)打开元件和接地模块组,复制一个串联RL元件模块和接地模块到buck模型窗口中。
打开参数设置对话框,设置R=10W、L=5mH。
(5)从Simulink信号与系统模块组中复制一个具有两个输出信号的分离器,命名为Demux,输入端连接到IGBT的m端(用于IGBT电流和电压的测量),两个输出端分别接到二通道示波器Scope1的输入端上。
(6)从Simulink输入源模块组中复制一个脉冲发生器模型到buck模型窗口中,命名为Pulse,并将其输出接到IGBT的门极上。
(7)从连接器模块组中复制两个T连接器到仿真模型窗口中,作为多元件连接的节点。
(8)通过信号线的适当连接后,得到图1的buck仿真电路。
图1由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型
●2.1.1.2直流降压斩波电路的仿真
打开仿真参数窗口,选择ode23tb算法,相对误差设置为1e-03,开始仿真时间设置为0,停止仿真时间设置为0.01s,控制脉冲周期设置为0.001s(频率为1000Hz),控制脉冲占空比为50%。
参数设置完毕后,启动仿真,得到图2的仿真结果。
占空比为50%负载电压波形
图2由IGBT组成的Buck直流变换器仿真结果
由图2可以看出,负载上电压为100V满足
。
●2.1.2直流升降压斩波电路的仿真
图3给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路的仿真模型,IGBT按默认参数设置并取消缓冲电路、负载R=50W、C=3e-05H,电感支路L=5mH。
启动仿真,得到图3的仿真结果。
从图4可以看出,负载上电压分别为100V,满足
与升降压斩波理论分析吻合。
图3由IGBT组成的Boost-Buck直流变换器仿真模型
占空比为50%时负载电压波形
图4由IGBT组成的Boost-Buck直流变换器负载电压波形
●2.2结语
通过以上的仿真过程分析,可以得到下列结论。
本文利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析,与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较,进一步验证了仿真结果的正确性。
采用Matlab/Simulink对直流斩波电路进行仿真分析,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,得到了一种较为直观、快捷分析斩波电路的新方法。
应用Matlab/Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数,并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况,适合电力电子技术的教学和研究工作。
参考文献:
1徐金明.MATLAB实用教程[M].北京:
清华大学出版社,2005(7):
23.
2王洪元.MATLAB语言及在电子信息工程中的应用[M].北京:
清华大学出版社,2004(12):
99-100.
3陈飞.MATLAB在信号与系统教学中的应用[J].计算机工程技术应用,2008(4):
1325-1328.
4谷源涛.信号与系统-MATLAB综合实验[M].北京:
高等教育出版社,2008:
1.
5甘俊英.基于MATLAB的信号与系统实验指导M.北京:
清华大学出版社,2007(8):
59-60.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Matlab 论文
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)