MATLAB课程总结

Matlab程序设计课程总结

学院

班级

学号 姓名

摘要：

Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它是一个高度集成的系统，集科学计算、图像处理、声音处理于一体，具有极高的编程效率。

关键字： Matlab；绘图；计算； 本书简单介绍了以下几个方面： MATLAB简介和基本运算 ： 1. MATLAB的集成环境

2. MATLAB的通用命令和帮助命令 3. 距阵函数和矩阵运算 4. 数组函数和数组运算 5. 数据输入和输出 数据和函数的可视化

1. 二维绘图（plot） 2. 三维绘图（mesh surf） 3. 特殊图形绘图 MATLAB程序设计

1. M文件 2. 程序结构 3. 程序流程控制 4. M文件调试 符号运算

1. 创建，修改符号表达式和符号矩阵 2. 符号运算特点 3. 符号运算的应用 4. maple函数调用 simulink仿真建模

1. simulink的特点

2. 构建模型（方框图）的过程 3. 仿真过程

MATLAB在数值分析中的应用

1. 插值运算 2. 数值积分，微分 3. 解方程 图像处理

1. 图像的输入与输出 2. 图像的显示 3. 图像处理

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室的简称，MATLAB和Mathematica，Maple并成为三大数学软件它在数学类科技应用软件中在数值方面首屈一指。MATLAB语言有不同于其它高级语言的特点，被称为第四代计算机语言。正如第三代计算机语言如Fortran语言与C语言等使人们摆脱了对计算机硬件的操作一样，MATLAB语言使人们从繁琐的程序代码中解放出来。主要特点如下：

(1)以复数矩阵或数组为数据单元进行运算，可直接处理矩阵或数组； (2)语言结构紧凑，内涵丰富，编程效率高，用户使用方便；

(3)有大的绘图功能。用户只需一条或几条语句可方便的给出复杂的二维、三维图形；

(4)含有丰富的内部函数，可直接调用而不需另行编程，如用来求解微分方程或微分方程组的dsolve函数、求解线性方程组的solve函数；

(5)带有Simulink动态模拟工具及toolbox等其他功能，可方便地生成模拟模型；

(6)便于系统扩充，通过M文件形式，共享C、Fortran等语言的资源； (7)在涉及复杂算法的仿真中（如电气传动控制系统），弥补了PSpice传递函数的不足。

MATLAB可以进行矩阵运算，绘制函数和数据，实现算法，创建用户界面，连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算，控制设计，信号处理与通讯，

图像处理，信号检测，金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用matlab来解算问题要比用C,FORTRAN等语言便捷的多，并且matlab也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

此高级语言可用与技术计算，此开发环境可对代码，文件和数据进行管理，交互式工具可以按迭代的方式探查，设计及求解问题，数学函数可用于线性代数，统计，傅立叶分析，筛选，优化以及数值积分等，二维和三维图形函数可用于可视化数据，各种工具可用于构建自定义的图形用户界面，各种函数可将基于matlab的算法与外部应用程序和语言集成

本专业应用 1.分析处理电路

应用MATLAB语言编程的方法来对复杂电路进行分析和计算，不仅节约时间，方便调试电路参数，而且还可以非常直观的观察和测量电路中的电压，电流和功率等物理量。结论证明，MATLAB提供了高效简洁的编程方法，其强大而简易的绘图功能，矩形和数组运算能力以及很强的扩充性，能充分的满足基本电路分析，计算的需要，从而可以大大地提高计算精度和工作效率，在电路理论学科研究与工程实践中具体很好的应用价值。

2.便于非计算机专业操作电脑

MATLAB语言是基于C++语言的基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好，可扩展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

4. 强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，已经过各种优化和容错处理。通常，可

以用它来代替底层编程语言，如C,C++等。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量，快速傅立叶变换的复杂函数。函数所解决的问题包括矩阵运算和线性方程组的求解，微分方程及偏微分方程的组的求解，符号运算，傅立叶变换和数据的统计分析，工程中的优化问题，稀疏距阵运算，复数的各种运算，三角函数和其他初等数学运算，多维数组操作以及建模动态仿真等。

5. 出色的图形处理功能

新版本的MATLAB不仅在一般数据可视化软件都具有的功能方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理，色衰处理以及四维数据的表现等）。高层次的作图包括动画和表达式作图等，可用于科学计算等。

MATLAB在本专业课业应用实例 1. 测量直流电路最大功率的实例：

直流电路如图所示，元件的参数已标在图中。试利用Simulink创建一个模型测量出电阻RL为何值时获得最大功率并测出最大功率的值。

分析：即求出ab两端的戴维南等效电路。 1 测量ab两端开路电压UOC的模型和仿真结果：

2 测量ab两端等效电阻Req的模型和仿真结果：(由于该电路存在受控源故采用加压求流法)

3测量电阻RL获得的最大功率的模型和仿真结果。

2.利用燃料电池的经验方程建立了质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）的一维稳态模型，进行了仿真和结果分析，仿真结果与实验数据吻合较好．利用ＶＢ

（ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ）编写人机交互界面作为前台用户程序，以ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ在后台运行，发展了一种基于ＭＡＴＬＡＢ和ＶＢ软件包的质子交换膜燃料电池特性参数仿真实验软件，并对ＰＥＭＦＣ的工作温度、反应气压力等参数对其性能的影响进行了仿真分析，有助于进行燃料电池特性参数仿真实验以及对

燃料电池的分析、设计和优化．

3. MATLAB在自动控制理论实验中的应用

针对传统在模拟机上进行的自动控制理论实验的缺点，提出了将MATLAB尤其是SUMULINK与模拟实验互相结合起来的方法。详细介绍了电气工程自动化专业自动控制理论实验所涉及的主要内容。实际应用结果表明，通过仿真与模拟实验结果的对比分析，不仅可以让学生发现模拟实验存在的错误，锻炼学生分析，解决问题的能力，而且增强了学生的学习兴趣，并为以后从事相关研究工作打下午基础。 4. 基于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

大量电力电子装置和非线性负载的广泛应用，使得电力系统电压及电流波形发生畸变，产生了大量的谐波，导致电源输入功率因数降低，对电网环境造成严重的污染，使用电设备所处环境恶化，也对周围的通信系统和公共电网以外的设备带来危害。为了改善电网环境，必须了解产生谐波污染的原因，并对谐波进行有效的抑制，进行功率因数校正。为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准，以限制谐波电流含量。如：IEC555-2，IEC61000-3-2，EN60555-2等标准，规定允许产生的最大谐波电流。我国于1994年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准(GB／T14549-93)。因此，功率因数校正(PFC)技术便成为电力电子研究的热点。

传统功率因数校正电路的结构及其缺点

基于PFC的拓扑电路的研究现在已经非常成熟，而且得到了十分广泛的应用，使用得最多的是升压斩波(Boost)和降压斩波(Buck)电路。传统的单相功率因数校正电路的结构如图1所示。

其中，Boost拓扑电路由于结构简单和成本低廉而最为流行，电路中交流电源通过专用整流桥转换成直流，后经过Boost PFC电路输出，该方法具有较好的控制效果，在中小功率电源中应用较为广泛。但其也存在一些缺点：

(1)任何时刻都有三个半导体器件导通，随着功率的提高，整流桥上消耗的功率也会随之增加，从而提高了电源的发热损失，降低了电源效率； (2)该Boost电路有很高的开关频率，增大了电路的开关损耗； (3)直流侧的二极管降低了直流电压，增加了电路功耗和不稳定性。

应用这里所提出的交流斩波功率因数校正电路，可以解决传统校正电路中存在的以上问题。

交流斩波功率因数校正器的基本电路和工作原理 1. Boost型交流斩波功率因数校正电路

Boost型交流斩波功率因数校正电路的基本结构如图2所示。

Q为双向开关管。当开关管导通时，输入电流通过电感和开关管，电感储能，同时直流侧滤波电容给负载供电；当开关管断开时，输入电流经过电感和整流二极管到达负载端，电感储能和交流电源同时给负载和电容供电。 可以看出，与传统的功率因数校正电路相比较，具有以下优点：当开关管导通时，主回路电流不经过整流桥的二极管，减小了功率损耗；传统电路中的快速恢复二极管VD在交流斩波功率因数校正电路中也不存在了，减小了功率损耗，提高了系统的工作可靠性。

该电路相当于两个Boost电路的并联，在克服传统Boost PFC电路缺点的同时，保留了升压电路的优点。该方法的优点在于：

(1)增强了传统PFC电路的谐波抑制和功率因数校正能力，可实现单位功率因数；

(2)交流侧的电感增强了电路的电磁兼容性；

(3)降低了电路的传导损失，任何时刻都只有两个半导体器件导通； (4)通过开关管M1和M2的额定电流较小。

2． Buck型交流斩波功率因数校正电路

图3所示的为Buck功率因数校正电路的基本结构，Q为双向开关管。当开关管断开时，输入电流通过电感、电容和开关管，电容C1储能。

当开关管导通时，此时输入电流经过整流二极管到达负载端，电容储能和交流电源同时给负载和电容供电。可以看出，Buck型交流斩波功率因数校正电路中，当开关管断开，主回路电流不经过整流桥的二极管，可达到减小功率损耗的目的。

仿真分析

Simulink软件是Matlab软件包的扩展，专门用于动态系统的仿真，具有很强的动态系统仿真能力，仿真速度较快，特别是基于simuIink Power System工具箱进行功率因数校正电路的仿真，有两个优点：

(1)基于器件模型，可以仿真器件参数变化对系统的影响；

(2)仿真模型复杂。精度较高。可以将计算机仿真技术运用到PFC装置的分析和设计中。

以Boost型为例，对文中所提出的交流斩波功率因数校正电路进行仿真分析。功率因数校正电路采用输入电流断续工作模式的峰值电流控制，仿真参数：uin=311sin ωt，L=0．7 mH，输出功率P=500 W，uout=300 V。按图4模型建模，仿真波形如图5、图6所示。其中，图5为输入电压、电流的波形，图6为输出电压的波形。

从图5可以看出，输入电压和输入电流进入稳态后，输入电压和输入电流相位几乎一致，输入电流也几乎是正弦波。整个仿真时间段内的功率因数约为

0．997。从图6可看出，输出电压随着仿真时间的进行，逐渐趋于稳定状态，输出电压在300 V上下波动，符合电路设计要求。

这里讨论了应用较为成熟的单相Boost PFC电路的不足，介绍一种新型单相交流斩波功率因数校正电路，分析了其工作原理，并给出了仿真波形。结果表明，输人电流具有很高的品质因数，基本为标准的正弦波形，与输入电压相位相近，实现了高功率因数。与传统的电路相比，能减少系统的功耗，提高系统工作的可靠性，而取得相同的控制效果。仿真结果验证了方案的可行性。