MATLAB在直流稳态电路中的分析及应用.docx

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MATLAB在直流稳态电路中的分析及应用

基础强化训练任务书

学生姓名：

专业班级：

自动化0805班

指导教师：

梁红工作单位：

自动化学院

题目:

MATLAB在直流稳态电路分析中的应用之一

初始条件：

已知条件如图,求I1、I2、I3

图1题目电路图

要求完成的主要任务:

（1）分析题意，根据所给电路，采用合适的电路分析方法进行分析，并建立数学模型；

（2）根据解题步骤，绘制程序流程图，并编写出完整的MATLAB语言程序及；

（3）调试、修改该程序，显示并分析运行结果；

（4）按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”，撰写总结报告一份，内容包括：

包括封面、任务书（指导老师提供）、目录、摘要（中、英文对照）、正文、参考文献（5篇以上）、附录（程序清单，要求有注释）、成绩评定表（指导老师提供）。

正文部分包括：

训练题目、电路分析、软件设计说明（流程图设计及说明等）、仿真波形、结果分析和基础强化训练的收获及心得体会（不少于500字）。

时间安排：

序号

设计内容

所用时间

1

指导老师就课程设计内容、设计要求、设计进度安排和评分标准等作具体介绍。

强调课程设计期间纪律要求。

学生确定选题，明确设计要求，开始查阅资料，对选定的设计题目进行原理分析。

1天

2

学生根据设计要求，设计程序框图，学习并编写MATLAB程序代码

2天

3

按设计要求，上机调试程序，修改并完善设计，完成程序调试后，记录结果。

1天

4

学生撰写课程设计说明书，进行答辩。

1天

合计

1周

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

前言

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（MatrixLaboratory）的简称。

它在数学类科技应用软件中在数值方面首屈一指。

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等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork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，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。

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户的交互接口是基于windows模型化图形输入，使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非编程上。

目前MATHWORKS公司已经把SIMULINK发展成一个一系列产品。

本实验室基于MATLAB软件，运用其解决电路基础的一些简单知识，从而学会简单运用MATLAB软件，为以后更好的掌握这款软件打下基础。

目录

基础强化训练任务书…………………………………………………………2

前言…………………………………………………………………………………3

目录…………………………………………………………………………………4

1MATLAB在直流稳态电路中的分析及应用……………………………5

1.1训练要求……………………………………………………………………5

1.2设计分析……………………………………………………………………6

1.3编程及仿真…………………………………………………………………7

1.3.1程序编写及模块分析…………………………………………………8

1.3.2用simulink仿真电路…………………………………………………9

2结束语…………………………………………………………………………10

参考文献

MATLAB在直流稳态电路中的分析及应用

１训练要求

运用MATLAB解决数值线性代数问题及MATLAB的实现；MATLAB在“电路工作原理”中的应用；MATLAB工具箱的运用。

要求选其中的一道作为课设的题目，学会简单运用MATLAB。

基本电路是电类专业非常重要的专业基本课,其中,线性含源一端口的戴维南定理及正弦稳态电路的分析计算是大家普遍反映难于理解的内容。

本文以基本电路理论中典型的直流电阻电路和含有复数运算的正弦稳态电路的分析计算为例，详述了如何分别运用MATLAB语言编程的方法来对电路进行仿真分析和计算。

结论表明，应用这两种方法可以使复杂电路的分析和计算变得非常快捷、方便，从而为电路分析提供了一个有效的辅助工具。

2设计分析

图2-1是由电压源和电阻组成的简单电路，运用回路电流法，网孔法，节点法等一些经典的电路分析法即可解决此问题。

电路也可用simulink进行仿真实验，并通过数据测量等从而检测计算及编程的结果。

2.1基本电路数学模型分析

基本电路分析的基本方法是先建立数学模型，一般是电路方程组。

然后通]]]过求解方程组，得到各支路电压和电流。

图2-1基本电路图

如图2-1所示：

设三个回路的电流分别为im1，im2，im3。

对图2-1应用

网孔电流法，可列出如下方程：

网孔1：

-V1+R1im1+R3（im1-im2）=0

网孔2：

-V2+R2im2+R4im2+R3（im2-im1）=0

经化简可得：

（R1+R3）im1-R3im2=V1-V2

-R3im1+（R2+R3+R4）im2=V2

整理以上方程，并写成形如AI=B的矩阵方程形式，可得：

R1+R3-R3im1V1-V2

=

-R3R2+R3+R4im2V2

依题，要求I1、I2、I3，根据节点电流的关系，有：

I1=im1；I2=im2；I3=im1-im2

由以上网孔电流分析法的分析过程可得以下程序流程图：

图2-2程序流程图

2.2Simulink仿真分析

用simulink仿真以上电路，并观察测量数据。

I1、I2、I3的测量结果再和程序的结果相比较，若相同，则说明电路仿真和程序编写多是正确的；若不同，则说明电路的仿真与程序编写至少一个有问题，认真检查程序及电路的仿真，找出错误，认真分析，纠正错误，在比较结果。

使用simulink进行仿真一般分为两步：

用户首先需要在仿真模型编辑窗口中搭建好自己的模型，设置好具体模型参数和仿真参数；然后用户就可以开始仿真，simulink将根据用户搭建的模型，模型系统在用户设定条件下的具体行为。

对于建模，simulink提供了一个图形化的用户的界面（GUI），用户可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。

simulink的所有模型是分级的，因此可以通过自上而下或者自下而上来建立模型。

3编程级仿真

3.1程序编写及模块分析

程序如下：

clear;

R1=5;R2=6;R3=10;R4=4;V1=15;V2=10;%给定初始值

A=[R1+R3-R3;-R3R2+R3+R4];%给出系数矩阵A

B=[V1-V2;V2];%给出系数矩阵B

I=A\B;%求解未知变量矩阵I

im1=I

（1）;%网孔电流的定义

im2=I

（2）;

I1=im1;%求解电流I1

I2=im2;%求解电流I2

I3=im1-im2;%求解电流I3

运行结果如图3-1所示：

图3-1M文件建模仿真结果

程序分析：

程序由2.1节的设计思路分析所得：

开始先给元件（与电路图相对应）赋值，因为MATLAB编程计算矩阵的，所以此赋值是必须的，其为下面的的系数矩阵赋值作准备。

由以上的元件赋值可得形如AI=B矩阵方程形式的系数矩阵，这样使得A，B，I矩阵变为已知。

MATLAB提供了两种除法运算：

左除（＼）和右除（／），一般情况下，I=A\B是方程I*X=B的解，而I=B/A是方程I*A=B的解。

在传统的MATLAB算法中，右除是先计算矩阵的逆再相乘，而左除则不需要计算矩阵直接进行除运算。

通常右除快一点，但左除可避免被除矩阵的奇异性所带来的麻烦。

由上所述，由公式I=A\B可求得I。

以上所得I矩阵的元素有：

Im1、Im2。

这四个元素在矩阵I中的顺序也如此。

可见I

（1）＝Im1，I

（2）＝Im3，由第二节的分析知I1=im1；I2=im2；I3=im1-im2。

程序运行后，得到I1、I2、I3的值，并显示出来。

与题中要求所求的一样，程序编写正确，并正常运行，与预期一样。

3.2用Simulink仿真电路

总电路如图3-2所示：

图3-2Simulink仿真电路及显示图

图3-3所示为simulink仿真电路图的电流表A3值在示波器中的演示：

图3-3simulink仿真电路图的电流表A3值

仿真电路图说明：

图3-2与实际的电路图对应，下面对以上进行简单说明：

A1为测量电流I1的器件，其输出电流I1，通过display1显示；A2为测量电流I2的器件，其输出电流I2，通过display2显示；A3为测量电流I3的器件，其输出电流I3，通过Scope显示。

电路其余部分与实际电路差不多，值设置也一样。

仿真结果分析：

由以上电路仿真可见，电路的编程求解及仿真所得结果一样。

都达到了预期的效果，可见编程及电路仿真没有问题。

MATLAB与simulink的结合运用是电路求解问题得以简化，使电路求解问题省时且精炼，精简。

设计体会与小结

MATLAB软件功能强大，本设计是运用MATLAB求解电路题目，这只是它的一个简单的应用，MATLAB还在多方面有应用，如数学和计算算术发展模型；模拟仿真和原型；数据分析，开发和可视化；科学和工程图形；应用发展包括图形用户界面设计等方面。

由于时间问题，不能一一举例，只有自己在以后的学习中慢慢学习，自己探索，更好的掌握这款软件。

MATLAB语言是一种简单，高效，功能极强的高级语言，且具有强大的矩阵运算能力和极高的编程效率，这一方面使得MATLAB程序可以被高度向量化，另一方面使得程序易读易写。

MATLAB已变得非常普及。

　　通过这几天对MATLAB的学习，对其有了一个大致的认识并能简单的应用，解决一些简单的线性代数及电路问题，当然在今后的学习中，还会加强自己对这款软件的学习，应为这款软件应用太广，且自己对Ｃ语言会，而且有线性代数的基础，个人认为掌握MATLAB这款软件不是问题。

快要进入大三，MATLAB这款软件在以后的专业课学习中的应用很广泛，掌握好MATLAB，为以后的专业课学习将有很大的帮助。

通过基本电路理论中的典型题目介绍了如何应用MATLAB语言编程的方法来对复杂电路进行分析和计算。

该方法不仅可以节约计算时间、方便地调试电路参数,而且还可以非常直观地观察和测量电路中的电压、电流和功率等物理量。

结论表明，MATLAB提供了高效简洁的编程方法,其强大而简易的绘图功能、矩阵和数组运算能力以及很强的扩充性，能充分满足基本电路分析、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有很好的应用价值

参考文献

[1]张学敏.MATLAB基础及应用.[M]中国电力出版社.2009

[2]张琨毕.MATLAB7.6从入门到精通.[M]电工电子出版社.2009

[3]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.[M]中国电力出版社.2009

[4]阎石.电路.[M]高等教育出版社.2006

[5]梅志红、杨万铨.MATLAB程序设计基础及其应用.[M]清华大学出版社.2005

[6]CharlesK.Alexander.FundamentalsofElectricCircuits.[M]清华

大学出版社.2003

本科生基础强化训练成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

基础强化训练题目：

基础强化训练答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

评定项目

评分成绩

1．考勤、态度（15分）

2.查阅资料能力（10分）

3.电路分析，建立电路模型，编程仿真（20分）

4．Simulink建模仿真结果（20分）

5．设计说明书质量及规范化、参考文献充分（不少于5篇）（15分）

6．答辩（20分）

总分：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日