计算机仿真技术与CAD—基于MATLAB的电气工程

本书分两部分，分别介绍MATLAB及其电气工程中的应用，基础部分重点介绍MATLAB的基本语法、MATLAB图形绘制基础、MATLAB程序设计、MATLAB的数值计算，以及动态仿真集成环境Simulink的应用。应用部分重点介绍MATLAB在电力电子变流技术、直流调速系统、交流调速系统以及电力系统中的应用。书中提供大量实例供读者学习和理解MATLAB的程序设计方法和仿真方法，在每章末提供习题供读者练习。

李国勇 男，山西闻喜人，1963年生，工学博士，山西省教学名师，太原理工大学教授，研究生导师。主要研究方向为预测控制、智能控制理论及其应用等。主持和参研完成国家及省部级的科研与工程项目9项。

目 录

第1章 MATLAB语言简介 （1）
1.1 MATLAB的功能特点 （1）
1.2 MATLAB的操作界面 （3）
1.3 MATLAB的工作窗口 （4）
1.4 MATLAB的文件管理 （4）
1.5 MATLAB的帮助系统 （6）
小结 （8）
思考题 （8）
第2章 MATLAB基本操作 （9）
2.1 MATLAB的语言结构 （9）
2.2 MATLAB的窗口命令 （10）
2.2.1 窗口命令的执行及回调 （10）
2.2.2 窗口变量的处理 （11）
2.2.3 窗口命令的属性 （12）
2.2.4 数值结果显示格式 （13）
2.2.5 基本输入输出函数 （13）
2.2.6 外部程序调用 （14）
2.3 MATLAB的数值运算 （15）
2.3.1 矩阵运算 （15）
2.3.2 向量运算 （20）
2.3.3 关系和逻辑运算 （22）
2.3.4 多项式运算 （23）
2.4 MATLAB的符号运算 （25）
2.4.1 符号表达式的生成 （26）
2.4.2 符号表达式的基本运算 （27）
2.4.3 符号表达式的微积分 （29）
2.4.4 符号表达式的积分变换 （32）
2.4.5 符号表达式的求解 （33）
小结 （35）
习题 （35）
第3章 MATLAB程序设计 （37）
3.1 MATLAB的M文件 （37）
3.1.1 文本文件 （37）
3.1.2 函数文件 （38）
3.2 MATLAB的程序结构 （39）
3.2.1 循环语句 （39）
3.2.2 控制语句 （40）
3.2.3 转移语句 （41）
小结 （43）
习题 （43）
第4章 MATLAB图形处理 （44）
4.1 二维图形 （44）
4.1.1 二维图形的绘制 （44）
4.1.2 二维图形的修饰 （46）
4.1.3 二维特殊图形 （47）
4.1.4 二维函数图形 （48）
4.2 三维图形 （49）
4.2.1 三维图形的绘制 （50）
4.2.2 三维图形的修饰 （51）
4.2.3 三维特殊图形 （54）
4.2.4 三维函数图形 （54）
4.3 四维图形 （55）
4.4 图像与动画 （56）
4.4.1 图像处理 （56）
4.4.2 声音处理 （58）
4.4.3 动画处理 （59）
小结 （60）
习题 （60）
第5章 MATLAB高级操作 （61）
5.1 MATLAB的矩阵处理 （61）
5.1.1 矩阵行列式 （61）
5.1.2 矩阵的特殊值 （61）
5.1.3 矩阵的三角分解 （62）
5.1.4 矩阵的奇异值分解 （63）
5.1.5 矩阵的范数 （64）
5.1.6 矩阵的特征值与特征向量 （64）
5.1.7 矩阵的特征多项式、特征方程和
特征根 （65）
5.2 MATLAB的数据处理 （65）
5.2.1 数据插值 （66）
5.2.2 曲线拟合 （67）
5.2.3 数据分析 （68）
5.3 MATLAB的方程求解 （70）
5.3.1 代数方程求解 （70）
5.3.2 微分方程求解 （72）
5.4 MATLAB的函数运算 （73）
5.4.1 函数极值 （73）
5.4.2 函数积分 （74）
5.5 MATLAB的文件I/O （75）
5.5.1 处理二进制文件 （76）
5.5.2 处理文本文件 （78）
5.6 MATLAB的图形界面 （80）
5.6.1 启动GUI Builder （80）
5.6.2 对象设计编辑器 （81）
5.7 MATLAB编译器 （81）
5.7.1 创建MEX文件 （82）
5.7.2 创建EXE文件 （84）
小结 （85）
习题 （85）
第6章 Simulink动态仿真集成环境 （87）
6.1 Simulink简介 （87）
6.1.1 Simulink的启动 （87）
6.1.2 Simulink库浏览窗口的功能菜单 （87）
6.1.3 仿真模块集 （88）
6.2 模型的构造 （106）
6.2.1 模型编辑窗口 （106）
6.2.2 对象的选定 （108）
6.2.3 模块的操作 （108）
6.2.4 模块间的连接线 （109）
6.2.5 模型的保存 （110）
6.2.6 模块名字的处理 （111）
6.2.7 模块内部参数的修改 （111）
6.2.8 模块的标量扩展 （112）
6.3 连续系统的数字仿真 （112）
6.3.1 利用Simulink菜单命令进行
仿真 （113）
6.3.2 利用MATLAB指令操作方式
进行仿真 （122）
6.3.3 模块参数的动态交换 （124）
6.3.4 Simulink调试器 （126）
6.4 离散系统的数字仿真 （127）
6.5 仿真系统的线性化模型 （129）
6.6 创建子系统 （131）
6.7 封装编辑器 （133）
6.7.1 参数(Parameters)页面 （134）
6.7.2 图标(Icon)页面 （135）
6.7.3 初始化(Initialization)页面 （137）
6.7.4 描述(Documentation)页面 （137）
6.7.5 功能按钮 （137）
6.8 条件子系统 （139）
小结 （144）
习题 （144）
第7章 MATLAB在电力电子变流中的
应用 （146）
7.1 电力电子器件模型 （146）
7.1.1 二极管 （146）
7.1.2 晶闸管 （147）
7.1.3 门极可关断晶闸管 （148）
7.1.4 绝缘栅门双极晶体三极管 （149）
7.2 整流电路 （150）
7.2.1 单相半波可控整流电路 （150）
7.2.2 三相桥式全控整流电路 （152）
7.3 逆变电路 （155）
7.3.1 单相全桥逆变电路 （155）
7.3.2 三相电压型桥式逆变电路 （156）
7.4 直流-直流变流电路 （158）
7.4.1 降压式(Buck)斩波器 （159）
7.4.2 升降压式(Buck-Boost)斩波器 （160）
7.5 交流-交流变流电路 （161）
7.5.1 单相交流调压电路 （161）
7.5.2 三相交流调压电路 （163）
小结 （165）
习题 （165）
第8章 MATLAB在直流调速系统中的
应用 （166）
8.1 开环直流调速系统仿真 （166）
8.1.1 晶闸管直流开环调速系统模型 （166）
8.1.2 晶闸管直流开环调速系统参数
设置 （167）
8.1.3 晶闸管直流开环调速系统仿真和
系统分析 （169）
8.2 转速闭环控制的直流调速系统仿真 （170）
8.2.1 ASR采用比例调节器 （170）
8.2.2 ASR采用比例-积分调节器 （172）
8.2.3 带电流截止负反馈的转速闭环
调速系统 （173）
8.3 转速电流双闭环直流调速系统仿真 （174）
8.3.1 双闭环直流调速系统仿真模型 （174）
8.3.2 双闭环直流调速系统仿真结果及
分析 （176）
8.4 可逆直流调速系统仿真 （177）
8.4.1 直流PWM可逆调速系统 （177）
8.4.2 α=β配合控制的直流V-M
系统仿真 （181）
8.4.3 逻辑无环流直流V-M系统仿真 （185）
小结 （187）
习题 （188）
第9章 MATLAB在交流调速系统中的
应用 （189）
9.1 转速闭环控制的交流异步电动机变压
调速系统 （189）
9.1.1 基本原理 （189）
9.1.2 系统仿真模型与参数设置 （189）
9.1.3 仿真结果分析 （192）
9.2 转速开环的交流异步电动机恒压频
比控制调速系统 （193）
9.2.1 基本原理 （193）
9.2.2 系统仿真模型与参数设置 （194）
9.2.3 仿真结果分析 （196）
9.3 转速闭环转差频率控制的变压变频
调速系统 （196）
9.3.1 基本原理 （196）
9.3.2 系统仿真模型与参数设置 （197）
9.3.3 仿真结果分析 （198）
9.4 转速闭环、磁链开环控制的异步电动机
矢量控制调速系统 （199）
9.4.1 基本原理 （199）
9.4.2 系统仿真模型与参数设置 （199）
9.4.3 仿真结果分析 （204）
9.5 异步电动机直接转矩控制调速
系统 （205）
9.5.1 基本原理 （205）
9.5.2 系统仿真模型与参数设置 （206）
9.5.3 仿真结果分析 （210）
9.6 转速闭环、磁链闭环控制的异步电动机
矢量控制调速系统 （211）
9.6.1 基本原理 （211）
9.6.2 系统仿真模型与参数设置 （212）
9.6.3 仿真结果分析 （215）
小结 （215）
习题 （216）
第10章 MATLAB在电力系统中的
应用 （217））
10.1 电力系统潮流计算 （217）
10.1.1 简单电力系统潮流计算仿真模型
构建 （217）
10.1.2 模型参数的设置 （217）
10.1.3 仿真分析结果 （220）
10.2 电力系统故障分析 （220）
10.2.1 无穷大功率电源供电系统三相短路
仿真实例 （220）
10.2.2 同步发电机突然短路的暂态过程
仿真实例 （222）
10.2.3 小电流接地系统单相故障仿真
实例 （224）
10.3 电力系统稳定性分析 （227）
10.3.1 简单电力系统的暂态稳定性
仿真实例 （227）
10.3.2 简单电力系统的静态稳定性
仿真实例 （229）
10.4 电力系统继电保护 （231）
10.4.1 电网相间短路的方向电流保护及
仿真 （231）
10.4.2 电网的距离保护及仿真 （237）
10.4.3 输电线路的纵联保护与仿真 （243）
10.4.4 自动重合闸与仿真 （246）
10.4.5 电力变压器的继电保护仿真 （249）
10.4.6 发电机的继电保护与仿真 （252）
10.5 高压直流输电及柔性输电 （256）
10.5.1 高压直流输电系统 （256）
10.5.2 静止无功补偿器 （260）
小结 （262）
习题 （262）
附录A MATLAB函数一览表 （264）
附录B MATLAB函数分类索引 （275）
参考文献 （280）

前    言
计算机仿真技术类课程是电气类专业的一门主干课程。根据高等学校电气类专业发展与教学改革的需要，为构建“课程设置合理、内容先进、体系科学”的电气类专业课程体系，对本教材进行了编写。本次编写在对电气类专业课程体系和教学内容进行深入研究的基础上，充分考虑电气类专业教学计划的需要，能满足多学科交叉背景学生的教学需求，体现宽口径专业教育思想，反映先进的技术水平，强调教学实践的重要性，有利于学生自主学习和动手实践能力的培养。本教材适应新形式下计算机仿真技术类课程教学，并适用于不同层次院校的选学需要，同时也符合电气类专业培养目标、反映电气类专业教育改革方向、满足电气类专业教学需要。
本书在叙述MATLAB通用功能时，对内容是精心挑选的，但在书后的索引中罗列了通用功能的几乎全部指令，以备读者查阅需要。面对MATLAB 6.x/7.x/8.x/9.x部分功能的较大变化，本书撰写了MATLAB 6.x/7.x和MATLAB 8.x/9.x几种不同经典版本的内容，以满足不同读者的需求。因为随着MATLAB的迅速变化，尽管目前版本MATLAB 9.x与版本MATLAB 7.5（R2007b）相比，其内容急剧扩充，但就本教材所涉及的内容而言，它们并无本质变化。另外，版本安装程序大，且运行速度慢，尤其是启动初始化时特慢。而MATLAB 6.5占用空间小，启动速度快，运行时间短，且功能已满足一般使用者和教学大纲的要求，故它仍为当前较为流行的教学版本。
本教材适用学时数为32～48（2～3学分），各章节编排具有相对的独立性，便于教师与学生取舍，便于不同层次院校的不同专业选用，以适应不同教学学时的需要。教材内容完善、新颖、有利于学生能力的培养。
本书由李国勇主编，曲兵妮副主编。全书共十章和两个附录，其中第1～6章由李国勇编写；第7章由曲兵妮编写；第8章由智泽英编写；第9章由任俊杰编写；第10章由潘峰编写。参加本书编写的还有研究生王浩然、郭鹤翔、刘旭强、荆雪君和王世伟，他们分别参与了第8章和第10章的调试工作。全书由李国勇教授整理定稿。李虹教授主审了全书，提出了许多宝贵的意见和建议，在此深表谢意。
本书可作为高等院校电气类专业本科生和研究生教材。鉴于本书的通用性和实用性较强，故也可作为从事电气工程及相关专业的教学、研究、设计人员和工程技术人员的参考用书。
由于作者水平有限，书中仍难免有遗漏与不当之处，故恳请有关专家、同行和广大读者批评指正（）。