基础强化训练MATLAB在电路交流稳态分析中的应用.docx

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基础强化训练MATLAB在电路交流稳态分析中的应用

学号：

基础强化训练

题目

在电路交流稳态分析中的应用之一

学院

自动化学院

专业

自动化

班级

姓名

指导教师

李浩

年

月

日

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

在电路交流稳态分析中的应用之一

初始条件：

已知电路如图所示，已知R1=30kΩ，R2=10kΩ，L=100mH，C=2uF，电流源电流为i（t）=10cos50000tmA，求电流源两端电压u（t）。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

（1）熟悉Matlab的相关界面以及操作，掌握MATLAB的数值计算、符号运算、基本绘图等功能，使用文本编辑器编辑m文件，并且运行，熟悉Simulink仿真环境；

（2）对阻抗匹配网络进行原理分析、经过必要的推导建立数学模型，并求解得出正确的计算结果；

（3）编写程序代码（含注释）；

（4）上机调试运行程序，给出程序运行结果和图表、以及实验结果分析和总结；

（5）采用WORD撰写课程设计说明书，说明书中涉及的表格、电路图、图形等采用Word、Visol、Autocad、Matlab、Simulink等软件绘制。

说明书不少于8页（A4），课程设计的心得体会（至少500字）。

时间安排：

具体时间

设计内容

7月1日

指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。

学生确定选题，明确设计要求

7月3日

开始查阅资料，完成系统的分析、建模、求解，上机熟悉MATLAB相关界面与基本操作。

7月4日

采用MATLAB语言编程，上机调试，得出实验结果

7月6日

撰写课程设计说明书

7月7日

上交课程设计说明书，并进行答辩

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要2

1.训练目的3

2.训练要求4

2.1题目4

2.2要求4

3理论计算5

4设计分析6

4.1整体分析6

4.2设计流程图6

4.3设计方案7

4.3.1建模7

4.3.2MATLAB程序7

5Simulink仿真8

5.1总电路图8

5.2元件的查找9

5.3仿真结果11

6结果分析11

7心得体会12

参考文献13

摘要

在本文中将从总体上讲解MATLAB在电路原理中的应用，它包含两方面的使用：

其一为根据电路图列出矩阵方程然后编写程序求解矩阵方程中的未知量；另一种方法是在Simulink中构建电路图进行仿真，由此得出结果。

两种方法都有其各自的优点，在实际应用中应该根据具体情况分析，两种到底那一种更适合。

关键字：

编程，电路图，仿真

ABSTRACT

Inthisarticle,IwillexplainthegeneralprinciplesofMatlabapplicationinthecircuit,whichincludestheuseofbothmethods:

Oneislistedunderthecircuitmatrixequationandthenwriteprogramstosolvematrixequationintheunknownquantity;AnotherapproachistobuildinSimulinkcircuitsimulationandgaintheanswers.

Bothmethodshavetheiradvantagesanddisadvantages,inpracticalapplications,oneshouldthinkabouttheanalysisofspecificsituationsanddecidedwhichapproachisbetter.

KeyWords:

programming,circuitdiagram,simulation

1.训练目的

就自动化专业的需要，在平时的学习中我们会经常针对各种电路进行分析,在这个过程会遇到各种各样的问题。

但是随着电路规模的加大,微积分方程阶数以及联立方程的个数的增多,解题运算会变得越来困难。

而此次基础强化训练的主要内容是通过实践学习并掌握MATLAB语言工具，结合《线性代数》、《电路原理》等课程，强化、巩固专业理论基础，掌握MATLAB语言的编程技巧，为后续专业课程的仿真学习打下良好的基础，以解决更加复杂的电路问题等等。

据了解，MATLAB语言的两个最显著特点，即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使它成为控制界应用最广的科学计算工具。

此外，它还具有用于各种不同领域解决实际问题的计算工具箱。

通过分析研究发现，用MATLAB语言进行电工、电子电路的分析、设计与仿真，简单、高效，可以避免复杂的数学计算编程（比如矩阵的计算），并且借助其绘图函数可方便实现计算结果的可视化，若采用MATALAB进行电路的调试、仿真、验证，不仅省时、省力，而且还可以节约大量的成本。

MATALB语言不但可作为从事电工、电子专业的技术人员提供强大的设计和论证方面的保障，也可以作为学习、了解掌握电工、电子知识的一种更方便、更可靠的开发工具，还可以作为大中专学校实践教学手段的一种扩充和补充，将其引入电工电子电路的教学和科研中，显得十分必要。

这次基础强化训练的目的，就是让我们了解和熟悉MATLAB，利用MATLAB去掌握相关的理论知识及实际处理方法，熟练使用MATLAB语言编写所需应用程序，上机调试，输出实验结果，并对实验结果进行分析。

解决一些简单的电路分析，为今后学习和工作中遇到的大规模电路分析做准备。

同时通过本环节巩固和深化已学课程的知识，培养学生综合运用这些知识，分析和解决实际问题，逐步树立正确的设计思想，培养严谨认真的科学态度和严谨务实的工作作风。

2.训练要求

2.1题目

在电路交流稳态分析中的应用之一

初始条件：

已知电路如图所示，已知R1=30kΩ，R2=10kΩL=100mH，C=2uF，电流源电流为i（t）=10cos50000tmA，求电流源两端电压u（t）。

图2.1电路图

2.2要求

根据专业培养计划，本环节安排在第四学期的暑假进行，为期一周。

基础强化训练的选题范围规定如下：

（1）数值线性代数方法及MATLAB实现

（2）MATLAB在“电路原理”中的应用

（3）MATLAB工具箱的应用

通过训练，使学生掌握相关的理论知识及实际处理方法，熟练使用MATLAB语言编写所需应用程序，上机调试，输出实验结果，并对实验结果进行分析。

3理论计算

∵i（t）=10cos50000tmA,L=100mH,C=2uF

∴w=50000rad/s

∴ZL=j*w*L=j*50000*100*10^-3=5000jΩ

ZC=1/j*w*C=1/j*50000*2*10^-6=-10Jω

Z1=R2*ZC/（R2+ZC）;

Z2=Z1+ZL;

Z=Z2*R1/（Z2+R1）

由欧姆定律I=U/R得U=I*R

∴u（t）=i（t）*Z

把R1，R2,ZL,ZC的值代入以上式子可得

u（t）=8.07667+48.55656i

=49.2237cos（50000t+80.5561°）V

4设计分析

4.1整体分析

图2-1为一交流电流源经电阻、电感、电容串并联组成的简单一阶响应电路。

题目要求求出电流源两端的电压u（t）。

分析电路图可知，本题可用等效电阻法（欧姆定律）、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，并通过波形，数据测量等从而检测计算及编程的结果。

4.2设计流程图

4.3设计方案

4.3.1建模

用等效电阻法。

如图2.1的电路图：

从电流源向右看，是一个无源网络，进行等效阻抗

用ZL、ZC分别表示电感L、电容C的阻抗；

所以Z1=R2//ZC

Z2=Z1+ZL

Z=R1//Z2

由欧姆定律I=U/R得

Ùm=Ìm*Z

Ùm=Um∠θ°

u（t）=Ùmcos（wt+θ°）

所以，只要求出Ùm和θ°我们就可以得到u（t）

4.3.2MATLAB程序

MATLAB程序如下：

clear,closeall,formatcompact

R1=30000;R2=10000;L=0.1;C=2*10^-6;

Is=0.01;

w=50000;%为给定元件赋值

ZL=1j*w*L;

ZC=1./（1j*w*C）;

Z1=R2*ZC/（R2+ZC）;

Z2=Z1+ZL;

Z=Z2*R1/（Z2+R1）;%求等效电阻

Us=Is*Z;%欧姆定律求Us

mUs=abs（Us）;%求Us的模

aUs=angle（Us）*180/pi;%求Us的幅角

程序运行结果

Us=8.076672478546026+48.556564056204350i

aUs=80.556149462343130°

mUs=49.223699081539770

所以

u（t）=49.223699081539770cos（50000t+80.556149462343130°）

5Simulink仿真

使用Simulink进行仿真一般分为两步：

首先需要在仿真模型编辑窗口中搭建好自己的仿真模型，设置好具体模型参数和仿真参数；然后，仿真开始，Simulink将根据所搭建的模型，模拟系统在设定条件下的具体行为。

一个典型的Simulink模型由信源、系统及信宿等3部分组成，它们的关系如图5-1所示:

图5-1Simulink模型的典型结构

5.1总电路图

图5-2Simulink仿真电路图

5.2元件的查找

ACCurrentSource是交流电流源，在SimPowerSysterms里的ElectricalSources库中，其参数Peakamplitude设置为0.01A，Frequency设置为7957.7Hz。

如下图：

图5-3ACCurrentSource的参数设置

R1、R2、L、C在SimPowerSysterms里的Elements库中SeriesRLCBranch,SeriesRLCBranch是RLC串联的支路，其值分别设置为30000Ω、10000Ω、0.1H、2*10^-6F，如下图：

图5-4R1的参数设置

VoltageMeasurement是测量电压的元件，其可以在SimPowerSystems的Measurements找到。

Scope是电路波形输出，输出电压的波形，其可以在Simulink的Sinks里找到。

图5-5Scope的参数设置

5.3仿真结果

Scope的波形输出如下图：

图5-6电路输出波形图

6结果分析

由MATLAB编程运算结果和simulink仿真电路的运行结果与理论计算值的比较可知，其三者结果基本一致。

由此可以看出合理借助MATLAB这一强大的运算和仿真工具可以很好的解决学习工作中遇到的难题，特别是计算量比较大且人力解决困难的问题，使解决电路问题省时省力。

7心得体会

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。

本次基础强化训练是利用MATLAB求解电路题目，不同的方法让我们见识到了MATLAB功能的强大。

虽然现在接触到的只是它一方面的应用，而且还是比较简单的，但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；科学领域的人工智能及医疗等的开发；工程图形的研究；应用发展包括图形用户界面设计等方面。

通过此次MATLAB训练，我不仅熟悉了MATLAB的基本功能及基本操作，还运用它来解决一些简单电路问题，受益匪浅。

刚开始拿到课题，无从下手，根本不知道MATLAB是干什么用的，但通过搜素资料和向图书馆借MATLAB的有关书籍了解了它，并产生浓厚的兴趣，我从简单的语句编程入手，参照书籍上的简单例题进行编程；渐渐了解它的编程方法，其实它的编程比C语言简单，编程语句灵活简洁。

这次训练，我还学会了用MATLAB的simulink来仿真电路，进而与通过编程算出来的结果对比，看是否达到预期的效果，尽管MATLAB里面的仿真元件并没有protues等仿真软件生动形象，但其用起来方便灵活，而且绘图功能十分强大，直观明了，结合仿真与编程，得出最终结果。

在训练当中遇到过许多问题，我多次失去信心，但通过不断的咨询，搜索资料，查阅书籍，请教同学，终于顺利把课题完成了。

总而言之，这次基础强化训练，我学到了很多东西，也都是一些很基础的东西，MATLAB还有很多强大的功能等待我去探索。

而且在以后的学习当中经常与MATLAB打交道，也都要运用到它来解决问题。

所以我一定要把它学好，把理论结合实际，把用到的运用到实际生活当中去，用它来实现仿真与编程计算相结合，得出准确的结果。

参考文献

1．MATLAB及在电子信息课程中的应用（第3版）

陈怀深吴大正高西全编著电子工业出版社2008.1

2．电路，第四版邱关源高等教育出版社1999年

3．控制系统计算机辅助设计---MATLAB语言及应用

薛定宇著清华大学出版社1996

4.MATLAB入门与提高龚剑清华版2000.3

5.基于MATLAB的系统分析与设计楼顺天西安电子科大1999.4

6.精通MATLAB6.5张志涌上海交大2002.2