1.8 Matlab軟件簡介

本書使用Matlab軟件對電機的瞬態過程進行仿真分析。Matlab是近年來應用廣泛、性能卓越的科學計算工具軟件，它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個操作方便、界面友好的系統仿真和CAD平臺。Matlab軟件中提供了很多具有源程序的開放性和功能齊備的工具箱，例如，信號處理、控制系統、神經網絡、圖像處理、系統辨識、最優化分析與綜合、模糊邏輯、小波變換等工具箱。人們可直觀而方便地利用它們進行分析、計算及設計工作，從而大大節省時間。

Matlab的另一個顯著特點，就是提供了系統動態仿真工具箱——Simulink。Simulink由模塊庫、模型構造及指令分析和演示程序組成，是一個模塊化、模型化的系統動態仿真環境。Simulink既保留了編程方式的優點，又克服了編程方式的缺點，用戶只要從模塊庫中拖放合適的模塊組合在一起即可實現系統仿真，方便易學。通過Simulink可以對電氣、機械，以及通信等的連續、離散或混合系統進行深入的系統建模、仿真與分析研究。

S函數簡介

S函數即系統函數（System Function）的意思。對于有些復雜的算法若用普通的Simulink模塊來搭建仿真模型，有可能難以實現或顯得非常煩瑣，這時可采用編程的形式設計出S函數模塊，將其嵌入到系統中來建立仿真模型。如果恰當地使用S函數，理論上，可以在Simulink下對任意復雜的系統進行仿真。

S函數具有固定的程序格式，用Matlab語言可以編寫S函數，此外還允許用戶使用C、C++、Fortran和Ada等語言進行編寫，用非Matlab語言進行編寫時，需要采用編譯器生成動態鏈接庫DLL文件。

在主窗口中輸入sfundemos，或者單擊Simulink->User-Defined Functions->S-Function Examples，即可出現如圖1．4所示的界面，可以選擇對應的編程語言查看演示文件。

圖1．4 S函數范例庫

Matlab軟件為了用戶使用方便，有一個S函數的模板sfuntmpl．m，一般來說，僅需要在sfuntmpl．m的基礎上進行修改即可編寫出S函數。在主窗口輸入edit sfuntmpl即可出現M文件形式的S函數模板的內容，可以詳細地閱讀其幫助說明以便更好地了解S函數的工作原理。S函數模板的函數定義形式為

      Function[sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=sfuntmpl(t,x,u,flag)

一般來說，S函數的定義形式為

      [sys,x0,str,ts,simStateCompliance]=sfuntmpl(t,x,u,flag,P1,…,Pn)

其中sfunc為自己定義的函數名稱，以上參數中，t、x、u分別對應時間、狀態、輸入信號，flag為標志位，其取值不同，S函數執行的任務和返回的數據也是不同的，Pn為額外的參數，sys為一個通用的返回參數值，其數值根據flag的不同而不同，x0為狀態初始數值，str在目前為止的Matlab版本中并沒有什么作用，一般str=[]即可，ts為一個兩列的矩陣，包含采樣時間和偏移量兩個參數，如果設置為[00]，那么每個連續的采樣時間步都運行，[?10]則表示按照所連接的模塊的采樣速率進行，[0．250．1]表示仿真開始的0．1s后每0．25 s運行一次，采樣時間點為TimeHit=n*period+offset。simStateCompliance為Matlab 2010版加進去的。

S函數的使用過程中有2個概念值得注意：（1）direct feedthrough，系統的輸出是否直接和輸入相關聯，即輸入是否出現在輸出端的標志，若是為1，否則為0，一般可以根據在flag=3的時候，mdlOutputs函數是否調用輸入u來判斷是否直接饋通。（2）dynamically sized inputs，主要給出連續狀態的個數、離散狀態的個數、輸入數目、輸出數目和直接饋通否。

S函數中目前支持的flag選擇有0、1、2、3、4、9等幾個數值，下面說明在不同的flag情況下S函數的執行情況，見表1．1。（1）flag=0，進行系統的初始化過程，調用mdlInitializeSizes函數，對參數進行初始化設置，比如離散狀態個數、連續狀態個數、模塊輸入和輸出的路數、模塊的采樣周期個數、狀態變量初始數值等。（2）flag=1，進行連續狀態變量的更新，調用mdlDerivatives函數。（3）flag=2，進行離散狀態變量的更新，調用mdlUpdate函數。（4）flag=3，求取系統的輸出信號，調用mdlUpdate函數。（5）flag=4，調用mdlGetTimeOfNextVarHit函數，計算下一仿真時刻，由sys返回。（6）flag=9，終止仿真過程，調用mdlTerminate函數。

表1.1 不同flag的S函數的執行情況

在實際仿真過程中，Simulink會自動將flag設置為0，進行初始化過程，然后將flag的數值設置為3，計算模塊的輸出，一個仿真周期后，Simulink將flag的數值先后設置為1和2，更新系統的連續和離散狀態，再將其設置為3，計算模塊的輸出，如此循環直至仿真結束條件滿足。

在S函數的編寫過程中，首先需要搞清楚模塊中有多少個連續和離散狀態，離散模塊的采樣周期是如何的，同時需要了解模塊的連續和離散的狀態方程分別是什么，輸出如何表示。下面以實例說明S函數的具體應用。

Simulink是一個開放的編程環境，允許用戶開發自己的仿真模型。可以采用以下幾種方法建立新模型：

（1）用Simulink提供的功能模塊建立新模型；

（2）通過調用S-function模塊，編寫S函數建立新模型；

（3）調用M-function模塊，編寫Matlab函數的M文件建立新模型。

在對復雜系統仿真時，往往需要三種方法交叉使用。

另外，Matlab還提供了基于Simulink環境的電力系統模塊（Power System Blockset），專門用于電力電子與電氣傳動系統仿真。Power System Blockset中包含了變壓器模型、電機模型、電源模型、功率器件模型和無源器件模型等典型的電力裝置模型。Power System Blockset中的模型或模塊可以與Simulink中的模塊或建立的子系統混合使用，但要注意信號與電量及電量與信號之間的轉換。