手把手教你学Simulink实例：基于Simulink的电力电子系统抗干扰能力分析仿真实例
目录
从零开始学习Simulink实例：基于Antenna Toolbox的Antenna Impulse Response Matching技术在电力电子系统抗干扰能力分析中的仿真应用
一、背景介绍
二、所需工具和环境
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
步骤1.1：打开Simulink并新建模型
步骤2：添加电源模块
步骤2.1：添加直流电源
步骤3：设计Buck转换器
步骤3.1：添加Buck转换器模块
步骤4：设计LC滤波器
步骤4.1：添加电感模块
步骤4.2：添加电容模块
步骤4.3：连接LC滤波器
步骤5：添加负载模块
步骤5.1：添加电阻性负载
步骤6：添加传感器模块
步骤6.1：添加电压测量模块
步骤6.2：添加电流测量模块
步骤7：添加干扰源模块
步骤7.1：添加电网电压波动干扰
步骤7.2：添加负载突变干扰
步骤7.3：添加电磁干扰
步骤8：设置仿真参数
步骤9：运行仿真
步骤10：分析仿真结果
输出电压和电流波形
上升时间和调节时间
动态响应特性
效率计算
纹波和噪声分析
步骤11：优化抗干扰措施
增加滤波器容量
引
从零开始掌握Simulink：电力电子设备抗噪声性能评估实践教学案例
在实际应用过程中,电力电子系统经常面临多种外部干扰的影响,包括电网电压波动、负载突变以及电磁干扰等因素.为了保证系统的稳定性和可靠性要求,在分析这些干扰时需要采取适当的措施以增强系统的抗干扰能力.本示例旨在演示如何利用Simulink和Simscape Electrical Toolbox设计一个Buck转换器系统,并通过仿真分析其抗扰动能力.
一、背景介绍
Buck 转换器（降压转换器） 是一种被广泛应用于将 DC 电压转换为 DC 电压的关键组件，在电力电子领域具有重要地位。为了深入研究其抗干扰能力，在模型中引入不同的噪声源并观察系统运行状态是一个有效的方法论选择。研究发现：
- 电压异常变化：电源输入的波动性。
- 负载参数发生显著变化：包括电阻值或电感值的改变。
- 电磁环境异常：由高频噪声影响以及脉冲状干擾影響造成的干擾現象。
为了验证系统稳定性，在进行了仿真实验后能够评估系统的动态行为特性，并且通过采取一系列优化策略以增强系统的抗干扰能力。
二、所需工具和环境
为了进行抗干扰能力的仿真分析，你需要以下工具和环境：
- MATLAB/Simulink 提供建模与仿真功能。
- Simscape Electrical 包含电力电子元件库，并支持电力电子系统建模与仿真。
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
首先，打开 MATLAB 并启动 Simulink 创建一个新的空白模型。
步骤1.1：打开Simulink并新建模型
- 开始MATLAB程序。
- 在命令行界面输入
simulink后会切换至Simulink启动界面。 - 单击‘Blank Model’按钮生成一个新的空模型。
步骤2：添加电源模块
在 Buck 转换器中，我们需要一个直流电源作为输入。
步骤2.1：添加直流电源
- 在 Simscape 高级模块库中进行模块导入操作。
- 配置 DC 电压源模块的参数设置。
matlab
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% 添加直流电源模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Sources/DC Voltage Source', [modelName '/DC_Voltage_Source']);
set_param([modelName '/DC_Voltage_Source'], 'Voltage', '48'); % 设置电压为48V步骤3：设计Buck转换器
接下来，我们将设计一个简单的 Buck 转换器。
步骤3.1：添加Buck转换器模块
- 将模块导入至模型编辑区。
- 在指定库中配置参数设置时，请参考以下具体数值：开关频率设置为50 kHz、占空比设定为0.5。
matlab
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% 添加Buck转换器模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Power Electronics/Buck Converter', [modelName '/Buck_Converter']);
set_param([modelName '/Buck_Converter'], 'SwitchingFrequency', '50e3'); % 设置开关频率为50kHz
set_param([modelName '/Buck_Converter'], 'DutyCycle', '0.5'); % 设置占空比为0.5步骤4：设计LC滤波器
为了平滑输出电压和电流，我们将设计一个 LC 滤波器。
步骤4.1：添加电感模块
- 在 SimPowerSystems 库中的 Electrical 子库下的 Specialized Power Systems 子模块中进行拖放操作。
- 配置电感参数（如指定 100 microhenrys）。
matlab
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% 添加电感模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Inductor', [modelName '/Inductor']);
set_param([modelName '/Inductor'], 'L', '100e-6'); % 设置电感值为100μH步骤4.2：添加电容模块
- 在指定库中拖放
Capacitor模块至模型编辑区。- 配置电容参数（例如指定 100 μF）。
matlab
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% 添加电容模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Capacitor', [modelName '/Capacitor']);
set_param([modelName '/Capacitor'], 'C', '100e-6'); % 设置电容值为100μF步骤4.3：连接LC滤波器
将Buck转换器的输出与电感模块相连，并将其输出与电容模块相连从而构成LC滤波电路
matlab
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% 连接各模块
add_line(modelName, [modelName '/DC_Voltage_Source'], [modelName '/Buck_Converter'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Buck_Converter'], [modelName '/Inductor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Inductor'], [modelName '/Capacitor'], 'autorouting', 'on');步骤5：添加负载模块
为了模仿实际应用中的负载情况，在配置过程中我们应引入一个电阻型负载与电感型负载。
步骤5.1：添加电阻性负载
- 在Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Elements库中导入Series RLC Branch模块至模型编辑区。
- 将其设定为纯电阻性，并在参数设置中输入10 Ω以达到所需的阻值。
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% 添加负载电阻模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Series RLC Branch', [modelName '/Load_Resistor']);
set_param([modelName '/Load_Resistor'], 'BranchType', 'Res');
set_param([modelName '/Load_Resistor'], 'R', '10'); % 设置电阻值为10Ω步骤6：添加传感器模块
为了监测系统的性能，可以添加一些传感器模块来测量电压和电流。
步骤6.1：添加电压测量模块
- 将
Voltage Measurement模块拖拽至模型编辑区所在的库中。- 配置相关参数以测量输出电压。
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% 添加电压测量模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/Output_Voltage_Measurement']);步骤6.2：添加电流测量模块
- 在
Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements库中导入Current Measurement模块到模型编辑区。- 配置参数以详细设置相关选项并实现对电感电流的精确测量。
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% 添加电流测量模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Current Measurement', [modelName '/Inductor_Current_Measurement']);步骤7：添加干扰源模块
为了模拟实际应用中的干扰，我们可以添加不同的干扰源模块。
步骤7.1：添加电网电压波动干扰
- 在 Simscape 集成库中的 Electrical 子目录下的 Specialized Power Systems 子模块中的 Fundamental Blocks 子目录下的 Sources 子模块中拖拽 Step 模块到模型编辑区。
- 配置参数设置包括 step time（例如 0.05 秒）、initial value（例如 48 V）以及 final value（例如 50 V）。
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% 添加电网电压波动干扰模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Sources/Step', [modelName '/Grid_Voltage_Fluctuation']);
set_param([modelName '/Grid_Voltage_Fluctuation'], 'Time', '0.05'); % 设置阶跃时间为0.05秒
set_param([modelName '/Grid_Voltage_Fluctuation'], 'InitialValue', '48'); % 设置初始电压为48V
set_param([modelName '/Grid_Voltage_Fluctuation'], 'FinalValue', '50'); % 设置最终电压为50V步骤7.2：添加负载突变干扰
- 在 Simscape 电气库中的 Specialized Power Systems 下的 Fundamental Blocks 区域的 Sources 子库位置上拖放 Step 模块至模型编辑区。
- 配置参数设置包括指定时间点（如第 0.07 秒）、设定初始电阻（如 10 Ω）以及设定终止电阻（如 5 Ω）。
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% 添加负载突变干扰模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Sources/Step', [modelName '/Load_Change']);
set_param([modelName '/Load_Change'], 'Time', '0.07'); % 设置阶跃时间为0.07秒
set_param([modelName '/Load_Change'], 'InitialValue', '10'); % 设置初始负载电阻为10Ω
set_param([modelName '/Load_Change'], 'FinalValue', '5'); % 设置最终负载电阻为5Ω步骤7.3：添加电磁干扰
- 从 Simulink 的 Sources 库中提取
Band-Limited White Noise模块并拖放至模型编辑区。- 配置参数包括噪声功率值（如 0.1）以及采样时间设置（如 1e-6 秒）。
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% 添加电磁干扰模块
add_block('simulink/Sources/Band-Limited White Noise', [modelName '/EMI_Noise']);
set_param([modelName '/EMI_Noise'], 'NoisePower', '0.1'); % 设置噪声功率为0.1
set_param([modelName '/EMI_Noise'], 'SampleTime', '1e-6'); % 设置采样时间为1e-6秒步骤8：设置仿真参数
在模型编辑器顶部菜单栏中单击 Simulation > Model Configuration Parameters 菜单项。根据需求设置仿真时长（例如 0.1 秒），选择合适的求解器类型（建议选用 ode45 等常用求解器），并配置其他相关参数。
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% 设置仿真参数
set_param(modelName, 'StopTime', '0.1'); % 模拟运行时间为0.1秒
set_param(modelName, 'Solver', 'ode45');步骤9：运行仿真
在完成所有步骤之后，请单击工具栏中的“Run”按钮以启动仿真过程。随后，请监测输出电压与电流的波形特征，并确保其稳定性和纹波水平符合设计参数中的稳定性及谐波抑制需求。
步骤10：分析仿真结果
利用仿真手段可获取系统各项性能数据...以下列举了若干常见指标：输出电压...电流波形...上升时间...调节时间...超调量及效率等参数；其中一些常用的分析手段包括...]
输出电压和电流波形
利用 Scope 模块监测输出电压和电流波形，并保证其稳定性和纹波水平符合设计要求。
上升时间和调节时间
通过研究输出电压波形特征，在控制系统中能够有效计算系统的响应参数。其中包含两个关键指标：一是达到预定工作状态所需的时间段（称为上升段时间），二是维持稳定状态所需的时间长度（称为调节时间）。
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% 获取输出电压数据
outputVoltage = getOutputVoltage();
% 计算上升时间和调节时间
riseTime = calculateRiseTime(outputVoltage); % 自定义函数计算上升时间
settlingTime = calculateSettlingTime(outputVoltage); % 自定义函数计算调节时间
% 显示结果
disp(['Rise Time: ', num2str(riseTime), ' seconds']);
disp(['Settling Time: ', num2str(settlingTime), ' seconds']);动态响应特性
采用阶跃响应测试法或斜坡响应测试方法来评估系统动态特性包括超调系数、振荡次数以及系统的快速性指标
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% 计算超调量
overshoot = calculateOvershoot(outputVoltage); // 自定义函数计算超调量
// 显示结果
disp(['Overshoot: ', num2str(overshoot), '%']);效率计算
可以通过测量输入功率和输出功率来计算系统的效率：
该等式表明效率等于输出功率与输入功率之比
matlab
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% 计算输入功率和输出功率
inputVoltage = getInputVoltage();
inputCurrent = getInputCurrent();
outputVoltage = getOutputVoltage();
outputCurrent = getOutputCurrent();
inputPower = mean(inputVoltage .* inputCurrent); % 输入功率
outputPower = mean(outputVoltage .* outputCurrent); % 输出功率
efficiency = (outputPower / inputPower) * 100; % 计算效率百分比
disp(['System Efficiency: ', num2str(efficiency), '%']);纹波和噪声分析
通过频域分析方法或采用快速傅里叶变换技术分别对输出电压与电流的纹波与噪声水平进行评估。
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% 获取输出电压数据
outputVoltage = getOutputVoltage();
% 进行FFT分析
fftOutputVoltage = fft(outputVoltage);
frequencies = linspace(0, 1/(2*Ts), length(outputVoltage)/2+1); % Ts为采样时间间隔
powerSpectrum = abs(fftOutputVoltage(1:length(outputVoltage)/2+1)).^2;
% 绘制频谱图
figure;
plot(frequencies, powerSpectrum);
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Power Spectrum');
title('Output Voltage Ripple and Noise Analysis');步骤11：优化抗干扰措施
为了提高系统的抗干扰能力，可以采取以下几种措施：
增加滤波器容量
增加 LC 滤波器的电感和电容值，以更好地平滑输出电压和电流。
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% 调整电感和电容参数
set_param([modelName '/Inductor'], 'L', '150e-6'); % 增加电感值L
set_param([modelName '/Capacitor'], 'C', '150e-6'); % 增加电容值C
% 重新运行仿真
sim(modelName);