基于Simulink的电路暂态分析.docx
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南京航空航天大学
研究生实验报告
课程名称：
MATLAB仿真技术与应用
课程代码：
E030008
实验名称：
基于Simulink的电路暂态分析
学生姓名：
班级学号：
学科名称：
测试计量技术与仪器
2014年10月13日
一、背景和简要介绍
在RC串联电路中，接通或断开电源时，电路往往产生一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的暂态过程，这些电路的暂态过程不可忽视。
在瞬变时电路某些元件的电压或电流可能大于稳定状态是它最大值的好几倍，出现过电压或电流现象，所以，如不预先考虑到暂态过程中的暂态显现，电路元件便有损伤甚至毁坏的危险。
另一方面，通过暂态过程的研究，还可以从积极方面控制和利用过渡现象。
另外，通过改变与电容串联的电阻的阻值，还能观察不同阻值的电阻对电路稳定性的影响，也即时间常数对电路稳定性的影响。
电力系统的动态仿真研究将不能在实验室中进行的电力系统运行模拟得以实现。
在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济的。
电力系统工具箱是一个基于图形编程的电力系统仿真工具箱，主要是由加拿大的HydroQuebec英文字母统一修改为“TimesNewMan”
和International公司共同开发的，其功能强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，使用者不需要自己编程而只需将仿真的电力系统图搭建在工作窗口中，MATLAB自动将其变化成状态方程描述的系统形式，便可以在SIMULINK下进行仿真研究了。
本实验利用matlab的PSB对电路进行暂态分析，同时与理论计算得出的结果进行对比，simulink仿真使输出电压可视化，能增强我们对电路暂态过程的理解，便于对电路进行分析，同时也能验证理论分析过程的正确性。
二、实验目的
1.熟悉和运用MATLAB进行电子电路仿真；
2.掌握和应用电力系统仿真模块集PSB（PowerSystemBlockset）；了解电路建模的方式进行模型绘制，在Simulink下进行仿真分析。
3.利用PSB对本文电路进行建模，在Simulink下进行仿真分析，并与理论计算结果进行对比。
4.观察电压曲线，分析该电路的特性，比较不同时间常数下电压曲线的变化。
三、基本要求
如下图所示，假设U=20V,C=4μF,R1=R=50kΩ，当t=0s时闭合开关S1，在t=0.1s时闭合开关S2。
设Uc的初始状态Uc（0）=0。
要求：
1、试求电容上的电压Uc以及R上的电压UR，用示波器将两个电压的波形显示出来；
2、采集0～50ms以内的两种电压的值（可每隔0.1ms采集一个点）并采用Matlab的图形功能将其显示，比较示波器的显示图形和软件显示的图形的差异。
还是自己画个清楚一点的图吧。
图3.1原始电路图
四、电路分析
对该电路的暂态过程进行分析：
根据基尔霍夫电压定律，得到如下方程：
（4-1）
式中，为电源电压，为电容C两端的电压，为电阻R两端的电压。
当时，时间常数；当，时间常数。
其中，，。
由于的初始状态，则
（4-2）
将已知参数代入式4-2，则有
（4-3）
（4-4）
五、设计流程及硬件框图
（1）从电源元件库选择直流电压源元件，将直流电压源元件名称改为20V，表示电压幅值为20V的稳压直流电源，对其参数做如下设置：
图5.1设置直流电压源元件
（2）从线路元件库中选择两个断路器（breaker）元件，其中一个命名为Breaker0sec，表示断路器在0s后发生动作；另一个命名为Breaker0.1sec，表示断路器在0.1s后发生动作。
对两个断路器元件参数均做如下设置：
图5.2设置断路器元件
（3）在仿真元件库的Sources目录下选择两个阶跃变量（Step），分别连接在两个断路器上，对参数值做如下设置：
图5.3设置Breaker0sec的阶跃变量
图5.4设置Breaker0.1sec的阶跃变量
（4）从线路元件库中选择三个串联RLC支路（SeriesRLCBranch）元件，分别对电容C和电阻R1，R的参数进行如下设置：
图5.5设置电容元件
图5.6设置电阻R1元件
图5.7设置电阻R2元件
（5）从电路测量仪器库中选择两个电压计元件，分别对电容C和电阻R上的电压进行测量。
（6）在仿真元件库的Sinks目录下选择两个示波器元件，分别连接在两个电压计的输出端上。
（7）对该电路图进行接线，完成电路图的绘制。
如下所示：
图5.8电路仿真框图
（8）仿真参数设置：
激活Configurationparameters（参数设置）命令，对仿真参数进行如下设置：
图5.9仿真参数设置
对示波器仿真参数进行设置：
图5.10示波器仿真参数设置
六、实验结果及分析
6.1仿真得到的示波器上显示的电压波形图如下所示：
图6.1vc电压波形图
图6.2vr1电压波形图
从图6.1可以看出，电压曲线开始变化较快，而后逐渐缓慢，根据电路分析过程，从理论上来说，电路只有经过的时间才能达到稳态，但实际上经过约0.55s的时间，就足可认为达到稳态了。
从图中还可看出，当时间常数从0.2s突变到0.1s时，电压增长变快，由此可见，时间常数愈小，电压增长愈快。
因此，改变电路的时间常数，就可以改变电容元件充电的快慢。
从图6.2可以看出，在0.1s闭合开关s1时，电压产生了突变，根据理论计算结果，0.1s时电阻R两端的电压为，由此可见仿真结果与理论结算结果基本一致。
随着电容元件充电过程的进行，电压逐渐趋向于0。
6.2
（1）采集0～50ms以内的电容电压的值，得到的示波器上显示的电压波形图如下所示：
图6.350ms内示波器上电容电压
理论计算得到的0～50ms以内的电容电压的值如下图所示：
图6.450ms内理论计算得到的电容电压
采集0～50ms以内的电阻电压的值，得到的示波器上显示的电压波形图如下所示：
图6.550ms内示波器上电容电压
理论计算得到的0～50ms以内的电阻电压的值如下图所示：
图6.650ms内示波器上电容电压
从图6.3与6.4，图6.5与6.6的比较中可以看出，仿真结果与理论计算结果基本一致。
在0～50ms内，电容两端电压呈指数上升，电阻两端电压因开关s1闭合而一直为0。
八、课程总结及感想
在大学的时候就听说Matlab功能非常强大，它将计算、可视化和编程结合在一个容易使用的环境中，在这个环境中，用户可以把提出的问题和解决问题的办法用熟悉的数学符号表示出来。
在摸索了几个星期后，稍微领略了matlab的强大，我对matlab有了更深的认识。
由于我目前并不需要使用matlab，因此我选择了基于Simulink的电路暂态分析实验，以加深对Simulink的了解，虽然本实验较为简单，但由于我是初次学习，因此也碰到了一些问题，比如电路元件参数的设置，不同的参数会导致不同的结果，又比如对示波器输出的图形上的点进行采集，再利用matlab的图形功能将其显示出来。
总而言之，通过这次学习软将让我学会了很多东西，希望这次所学的能让我运用到今后的工作和实践中。
附：
源程序清单
1、0～50ms以内的电容电压：
t=0:
0.0001:
0.05;
u=20*（1-exp（-5*t））;
plot（t,u）;
title（'50ms内理论计算得到的电容电压'）;
xlabel（'时间t/s'）;
ylabel（'电容电压/V'）
2、0～50ms以内的电阻电压：
t=0:
0.0001:
0.05;
u=0;
plot（t,u）;
title（'50ms内理论计算得到的电阻电压'）;
xlabel（'时间t/s'）;
ylabel（'电阻电压/V'）
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