1.8 Matlab软件简介

本书使用Matlab软件对电机的瞬态过程进行仿真分析。Matlab是近年来应用广泛、性能卓越的科学计算工具软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个操作方便、界面友好的系统仿真和CAD平台。Matlab软件中提供了很多具有源程序的开放性和功能齐备的工具箱，例如，信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、系统辨识、最优化分析与综合、模糊逻辑、小波变换等工具箱。人们可直观而方便地利用它们进行分析、计算及设计工作，从而大大节省时间。

Matlab的另一个显著特点，就是提供了系统动态仿真工具箱——Simulink。Simulink由模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成，是一个模块化、模型化的系统动态仿真环境。Simulink既保留了编程方式的优点，又克服了编程方式的缺点，用户只要从模块库中拖放合适的模块组合在一起即可实现系统仿真，方便易学。通过Simulink可以对电气、机械，以及通信等的连续、离散或混合系统进行深入的系统建模、仿真与分析研究。

S函数简介

S函数即系统函数（System Function）的意思。对于有些复杂的算法若用普通的Simulink模块来搭建仿真模型，有可能难以实现或显得非常烦琐，这时可采用编程的形式设计出S函数模块，将其嵌入到系统中来建立仿真模型。如果恰当地使用S函数，理论上，可以在Simulink下对任意复杂的系统进行仿真。

S函数具有固定的程序格式，用Matlab语言可以编写S函数，此外还允许用户使用C、C++、Fortran和Ada等语言进行编写，用非Matlab语言进行编写时，需要采用编译器生成动态链接库DLL文件。

在主窗口中输入sfundemos，或者单击Simulink->User-Defined Functions->S-Function Examples，即可出现如图1．4所示的界面，可以选择对应的编程语言查看演示文件。

图1．4 S函数范例库

Matlab软件为了用户使用方便，有一个S函数的模板sfuntmpl．m，一般来说，仅需要在sfuntmpl．m的基础上进行修改即可编写出S函数。在主窗口输入edit sfuntmpl即可出现M文件形式的S函数模板的内容，可以详细地阅读其帮助说明以便更好地了解S函数的工作原理。S函数模板的函数定义形式为

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

一般来说，S函数的定义形式为

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

其中sfunc为自己定义的函数名称，以上参数中，t、x、u分别对应时间、状态、输入信号，flag为标志位，其取值不同，S函数执行的任务和返回的数据也是不同的，Pn为额外的参数，sys为一个通用的返回参数值，其数值根据flag的不同而不同，x0为状态初始数值，str在目前为止的Matlab版本中并没有什么作用，一般str=[]即可，ts为一个两列的矩阵，包含采样时间和偏移量两个参数，如果设置为[00]，那么每个连续的采样时间步都运行，[−10]则表示按照所连接的模块的采样速率进行，[0．250．1]表示仿真开始的0．1s后每0．25 s运行一次，采样时间点为TimeHit=n*period+offset。simStateCompliance为Matlab 2010版加进去的。

S函数的使用过程中有2个概念值得注意：（1）direct feedthrough，系统的输出是否直接和输入相关联，即输入是否出现在输出端的标志，若是为1，否则为0，一般可以根据在flag=3的时候，mdlOutputs函数是否调用输入u来判断是否直接馈通。（2）dynamically sized inputs，主要给出连续状态的个数、离散状态的个数、输入数目、输出数目和直接馈通否。

S函数中目前支持的flag选择有0、1、2、3、4、9等几个数值，下面说明在不同的flag情况下S函数的执行情况，见表1．1。（1）flag=0，进行系统的初始化过程，调用mdlInitializeSizes函数，对参数进行初始化设置，比如离散状态个数、连续状态个数、模块输入和输出的路数、模块的采样周期个数、状态变量初始数值等。（2）flag=1，进行连续状态变量的更新，调用mdlDerivatives函数。（3）flag=2，进行离散状态变量的更新，调用mdlUpdate函数。（4）flag=3，求取系统的输出信号，调用mdlUpdate函数。（5）flag=4，调用mdlGetTimeOfNextVarHit函数，计算下一仿真时刻，由sys返回。（6）flag=9，终止仿真过程，调用mdlTerminate函数。

表1.1 不同flag的S函数的执行情况

在实际仿真过程中，Simulink会自动将flag设置为0，进行初始化过程，然后将flag的数值设置为3，计算模块的输出，一个仿真周期后，Simulink将flag的数值先后设置为1和2，更新系统的连续和离散状态，再将其设置为3，计算模块的输出，如此循环直至仿真结束条件满足。

在S函数的编写过程中，首先需要搞清楚模块中有多少个连续和离散状态，离散模块的采样周期是如何的，同时需要了解模块的连续和离散的状态方程分别是什么，输出如何表示。下面以实例说明S函数的具体应用。

Simulink是一个开放的编程环境，允许用户开发自己的仿真模型。可以采用以下几种方法建立新模型：

（1）用Simulink提供的功能模块建立新模型；

（2）通过调用S-function模块，编写S函数建立新模型；

（3）调用M-function模块，编写Matlab函数的M文件建立新模型。

在对复杂系统仿真时，往往需要三种方法交叉使用。

另外，Matlab还提供了基于Simulink环境的电力系统模块（Power System Blockset），专门用于电力电子与电气传动系统仿真。Power System Blockset中包含了变压器模型、电机模型、电源模型、功率器件模型和无源器件模型等典型的电力装置模型。Power System Blockset中的模型或模块可以与Simulink中的模块或建立的子系统混合使用，但要注意信号与电量及电量与信号之间的转换。