毕业设计(论文)-基于Matlab函数编程在电路中的分析与应用Word格式.doc
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答辩委员会主席
51
摘要
对电路的分析除了涉及许多基本概念、基本原理和基本分析方法外,还涉及大量的计算,而这些计算有时是十分繁冗的,例如涉及到电力系统暂态和稳态的分析、傅里叶级数的分解、电厂供电PLC控制理论等。
本文通过引入Matlab函数编程方式,将电路分析中频繁遇到的计算问题编程写成函数,以提高电路分析效率,取得了较好的效果。
以一阶电阻电路、动态电路、正弦稳态电路、频率响应电路为例讨论了Matlab函数编程方法,介绍了Matlab函数编程在电路中的分析与应用。
关键词:
电路分析,Matlab,函数编程
Abstract
Circuitanalysisinvolvesalotofbasicconcepts,basicprinciplesandbasicanalysismethods.Besidesthis,alargeamountofcomputationwhichissometimesveryredundantisalsoinvolved.Forexamplewhenrelatedtothepowersystemtransientandsteadystateanalysis,Fourierdecomposition,PLCsupplywithcontroltheoryandpowersupplywithplant,andsoon.
Thiskindofcomputationcanbefinishedbymatlabthroughfunctionprogramming,methodsofmatlabfunctionprogrammingaredisscussed.Firstresistancecircuit,dynamiccircuit,sinesteady-statecircuit,frequencyresponsecircuitasanexampletodiscussthefunctionofMatlabprogrammingmethod,andintroducesthefunctioninthecircuitinMatlabprogramminganalysisandtheapplication.
Keywords:
circuitanalysis,Matlab,functionprogramming
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究水平及现状 1
1.3研究的内容及意义 3
1.4本章小结 3
2电阻电路
2.1利用回路电流法进行电路分析 5
2.2含受控源电阻电路分析 7
2.3本章小结 9
3RC动态电路
3.1RC串联电路的零输入响应 10
3.2RC串联电路的直流激励的零状态响应 11
3.3RC串联电路的直流激励的全响应 13
3.4RC串联电路的正弦激励的零状态响应 15
3.5RC串联电路的冲激响应 16
3.6本章小结 17
4RL动态电路
4.1RL串联电路的零输入响应 18
4.2RL并联电路的直流激励的零状态响应 19
4.3RL并联电路的直流激励的全响应 21
4.4全响应波形分解 23
4.5RL并联电路的正弦激励的零状态响应 24
4.6零状态响应分解为暂态分量与稳态分量之和 25
4.7RL串联电路的冲激响应 27
4.8典型RL电路利用三要素法求解分析 28
4.9本章小结 33
5周期性稳态电路
5.1正弦稳态电路 34
5.2傅里叶级数在电路中应用 36
5.3频率响应在电路中的分析与应用 37
5.4本章小结 40
6总结与展望
致谢 42
参考文献 43
附录 45
1.1课题研究背景
随着社会对电类人才实践能力和创新能力需求的提高,传统的电路课程教学存在许多不足之处,计划中规定的课程实验实践环节除对课程理论的认知与验证外,还必须形成基础认知、综合设计和研究创新等环节有机结合的实践教学体系,使学生不但能学到基本的实验技能和操作能力,更要提高实践与创新能力,尤其是激发学生的创新意识。
因此,深入开展该门课程的教学与研究有着十分重要的意义。
长期以来,电路课程的理论教学与实验教学通常都被分割成两个独立的环节。
在课堂上,理论讲解多,缺乏互动与启发;
而在实验室里,只能做设定好步骤的验证性实验,不能延伸到综合性和研究性实验[1]。
因此,实现电路课程理论教学与实验教学的一体化十分必要。
根据电路课程的特点,利用Matlab、Multisim等仿真软件作为电路仿真工具,精心设计虚拟实验,将虚拟实验与板书或课件相结合,使学生不仅能直观看到电路的输入和输出波形,还可以像现场实验一样,实时改变元件参数或电路结构,激发学生主动思维,培养学生的创新思维能力,提高分析和解决问题的能力,增强课堂教学效果[2]。
1.2国内外研究水平及现状
Matlab函数编程已经在生活,学习,科技,体育等等许多方面发挥着主体作用,与我们生活息息相关,我们享受其带来的高科技成果。
1、MATLAB内容简介
MATLAB语.言功能
MATLAB功能丰富,可扩展性强。
MATLAB软件包括基本部分和专业扩展两大部分的功能。
基本部分包括:
矩阵的运算和各种变换;
代数和超越方程的求解;
数据处理和傅立叶变换;
数值部分等等,可以充分满足大学理工科本科的计算需要。
扩展部分称为工具箱。
它实际上是用MATLAB的基本语句辩称的各种子程序集,用于解决某一方面的专门问题,或实现某一类的新算法。
MATLAB具有以下基本功能:
(1)数值计算功能;
(2)符号计算功能;
(3)图形处理及可视化功能;
(4)可视化建模及动态仿真功能。
2、MATLAB语言特点和开发环境
MATLAB作为一种科学计算的高级语言之所以受欢迎,就是因为它有丰富的函数资源和工具箱资源,编程人员可以根据自己的需要选择函数,而无需再去编写大量繁琐的程序代码,从而减轻了编程人员的工作负担。
被称为第四代编程语言的MATLAB最大的特点就是简洁开放的程序代码和直观实用的开发环境。
具体地说MATLAB主要有以下特点:
(1)库函数资源丰富
数百种库函数大大减轻了用户子程序的编写工作量,也避免了一些不必要的错误,因而用户也不必担心程序的可靠性问题。
(2)语言精炼,代码灵活
MATLAB的编程语言符合人们的思维习惯,对代码的书写也没有特别严格的控制,语言精炼,程序的亢余度非常小。
(3)运算符多而灵活
MATLAB的内核是用c语言编写的,它为用户提供了和C语言一样多的运算符,用户运用这些运算符可以使程序更加简炼。
(4)面向对象,控制功能优良
MATLAB在5.x各版本中优化了数据结构,使得程序的结构化控制更精良,面向对象的功能更加友善。
特别是当前的7.0版,在可视化编程方面比以前的版本又有了更大的提高,使界面编程更方便、自由。
(5)程序设计自由
MATLAB7.0版支持长变量名达到63个字符,用户可以不对矩阵进行预定义就使用,变量和数组的应用也有了很大的扩展,这为用户编写程序提供了更大的自由度,使编程更加简单、方便。
(6)图形功能强大
在很多程序语言中,绘制图形是一件很麻烦的事情。
但在MATLAB中,只需调用相应的绘图函数即可,既方便又迅速。
随着硬件的发展和MATLAB7.0推出,MATLAB的图形功能更好,可视化编程能力得到更进一步的提高。
(7)程序的兼容性好
MATLAB可以在各种PC机、大型计算机和各种操作系统上运行。
(8)源代码开放
MATLAB的最重要的特点是源代码的开放性,除了内部函数,所有的MATLAB核心文件和工具箱文件都完全开放,都可渎可改。
用户对源文件修改就可以生成适合自己的源代码文件。
(9)形形色色的工具箱
凡有工具箱的软件大都分为两大部分,就是核心部分和形形色色的工具箱。
MATLAB有数百个核心内部函数,数十个形形色色的工具箱。
工具箱大致可以分为两大类,——类是学科性工具箱,另一类是功能性工具箱。
学科性工具箱大都涵盖了本学科所有的已有的基本概念和基本运算,大都十分专业。
如符号数学工具箱,简直就是一个高等数学、工程数学解题器。
极限、导数、微分、积分、级数运算与展开、微分方程求解、Laplace变换等应有尽有。
还有控制系统、信号处理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、统计;
优化、金融预测等工具箱,无一不是非常优秀的运算工具。
这些工具箱都可以添加自己根据需要编写的函数,用户可以不断更新自己的工具箱,使之更适合于自己的研究和计算[3]。
1.3研究的内容及意义
根据所学的知识和内在联系规律,结合MATLAB具有的库函数和工具箱,在此基础上,编写相应电路分析任务的函数并予执行,可以极大提高电路分析和计算的效率。
研究方案:
传统电路课中的基础理论和例题分析都缺乏可视化的直观表现,利用Matlab、Multisim等仿真软件作为电路仿真工具,精心设计虚拟实验,在实验过程中设计基础型、综合型和提高型的电路实验项目,培养分析问题、解决问题的能力。
研究意义:
1.通过学习Matlab函数编程可以快速解决传统电路所带来的计算麻烦,概念不清楚等一些问题。
2.可以解决传统的电路课程教学存在许多不足之处,计划中规定的课程实验实践环节除对课程理论的认知与验证外,还必须形成基础认知、综合设计和研究创新等环节有机结合的实践教学体系,使学生不但能学到基本的实验技能和操作能力,更要提高实践与创新能力,尤其是激发学生的创新意识。
3.用Matlab函数编程对电路进行分析与应用,可以简化计算,同时对电路图像分析比较,让我们更能一目了然。
4.利用Matlab、Multisim等仿真软件作为电路仿真工具,精心设计虚拟实验,将虚拟实验与板书或课件相结合,使我们不仅能直观看到电路的输入和输出波形,还可以像现场实验一样,实时改变元件参数或电路结构,激发我们主动思维,提高分析和解决问题的能力,同时增强了课堂教学效果[4]。
1.4本章小结
研究拟达到的目标:
(1)利用MATLAB函数编程可以减少我们在电路基本概念,计算,分析上所花的大量时间,从而提高学习的效率。
(2)利用Matlab函数可以创建新的库函数,根据电路需要可方便的随时调用已解决出现的问题。
(3)利用Matlab函数编程在电路中的优点,可以完善《电路理论》课程教学网站建设,将设计的虚拟
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