《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》

本书介绍了MATLAB及其图形仿真界面SIMULINK的应用基础知识，详细介绍了SIMULINK模型库的电力电子和电机模块的功能和使用，并通过大量实例介绍了电力电子电路和交直流调速系统的仿真方法和技巧。

本书可以作为高等学校电力电子技术和电力拖动自动控制系统类课程的教学辅助或选修课教材，也可供相关专业研究生和工程技术人员学习与参考。

20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。

电力电子技术和电力拖动控制系统综合了电子电路、电机拖动、自动控制理论、微机原理和应用等多学科的知识，并且是两门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路和系统的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电力电子电路。现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的方法，可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加容易和有效，也是学习电力电子技术和电力拖动控制系统的重要手段。仿真是在计算机平台上虚拟实际的物理系统。早在20世纪50年代，人们就研究利用计算机的高速计算能力来帮助设计人员进行复杂的设计，以数学模型代替实际的物理器件和装置。到20世纪60年代随着数字计算机的出现和普及、数值算法的完善，出现了大量通用的数字仿真语言及软件，并产生了控制系统计算机辅助设计软件包(CADCS)，CADCS的出现对控制系统的研究起了巨大的作用。但是使用软件包仿真对大多数用户来说还是件不容易的事情，它需要编写调用软件包的程序，要熟悉各种子程序的功能，对非专业人员来说是困难的。现代的仿真软件，各种功能的子程序已经模块化，利用这些模块就可以方便地连接成给定系统的仿真模型，使它更适合广大工程技术人员的使用，成为科研设计人员以及学生学习的必备工具和好助手。

现在用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真软件已有多种，其中最具影响的当推PSPICE和MATLAB。PSPICE是美国加州大学伯克利分校推出的集成电路分析程序 SPICE的微机版，广泛应用于电子电路的设计。早期的MATLAB主要用于控制系统的仿真和分析，经过不断扩展已经成为包含通信、电气工程优化控制等诸多领域的科学计算软件。这两个软件都有很好的人机对话图形界面和内容丰富的模型库，在近几年的版本中已经都包含了电力电子器件和电机的模型，可以用于电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真。笔者认为，这两个软件在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真方面各有特点，PSPICE的电子元器件模型种类齐全，模型精细，使用它可以从事复杂精巧的大规模集成电路的设计和制造。MATLAB的电力电子器件使用的是宏模型，主要只是反映器件的外特性，但是它有强大的控制功能，用于系统的仿真更方便。这两者可以说是各有千秋，现在这两种软件也在互相渗透和融合，即PSPICE可以连接MAT.L.AB，MATLAB也可以连接PSPICE。本书仿真是在MATLAB的基础上进行的，主要考虑是 MATIAB 在科技界使用广泛和在系统仿真上的优势。

笔者在电力电子技术和电力拖动控制系统课程的教学中逐步引入了仿真对于加深学生对这两门课程的理解，引导学生对电力电子电路和调速控制系统的兴趣方面都起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，当学生有一些想法和创造的灵感时，马上可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力无疑是很有意义的，并且可调动学生学习的积极性。实验是这两门课程的重要组成部分，学校实验室的条件毕竟是有限的，也受到学时的限制，我们在仿真的基础上开发了虚拟实验，不足的实验通过虚拟仿真来补充，仿真不受空问、时间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。电力电子电路和电力拖动控制系统课程设计的结果，我们也由学生自己通过仿真来验证。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用，仿真对广大科技工程技术工作者来说也是重要的研究和设计方法。

在这里需要指出的是，仿真也不是一蹴而就的，尽管现在有了很好的仿真软件，但要获得正确的仿真结果，需要对仿真对象有正确的理解，也就是仿真的电路和系统模型要正确，参数设计要合理，并要选择恰当的数值计算方法。在仿真中出现计算不收敛，仿真中断和不能完成模型的初始化过程的情况是常有的事，这时要仔细检查模型是否正确，参数是否合适，有时还需要对模型作一定的调整和修改。出错时软件会给出一定的参考提示，但是这种提示不一定是准确的，仿真的技巧需要在实践中不断积累和提高。

为了节省篇幅，本书对MATLAB主要只介绍与电力电子电路和电力拖动控制系统仿真有关的内容，关于MATLAB的详细知识请阅读其他文献资料，有关电力电子技术和电力拖动控制系统的原理等本书也仅作简要介绍。

本书在写作过程中得到上海大学的陈伯时教授和西安交通大学的王兆安教授的关心和支持。上海交通大学的杨喜军博士后为本书撰写了第8章“提高功率因数的电力变流电路仿真”，将他在研究工作中使用MATLAB的成果和经验介绍给大家，为本书增色不少。安徽工业大学的黄松清副教授提出了许多宝贵的建议。在此谨表衷心的感谢。

作者

2005年8月于安徽工业大学