基础强化训练.docx
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基础强化训练
基础强化训练任务书
学生姓名：
专业班级：
自动化1001
指导教师：
李浩工作单位：
自动化学院
题目:
MATLAB在电路瞬态分析中的应用之一
初始条件：
已知Is=2A,Vs=2V,R1=3,R2=R3=2。
求I3=?
和V=?
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，并建立该电路的数学模型；
（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Simulink建模仿真；
（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
目录
摘要4
1MATLAB的简介............................................................................................5
2基础强化训练的目的和要求....................................................................6
2.1训练的目的......................................................................................6
2.2训练的要求......................................................................................6
3基础强化训练的内容..................................................................................7
4设计分析7
5编程及其仿真8
5.1MATLAB程序8
5.2Simulink仿真9
6结果分析.................................................................................................10
7附录..........................................................................................................14
7.1MATLAB程序命令窗口.................................................................14
7.2Simulink仿真.............................................................................15
小结与体会15
致谢……………………………………………..................................................16
参考文献……………………………………………………..............................17
摘要
随着大学二年级的过去，作为自动化专业学生的我们，已经在专业知识上有所收获，比如电路基础，电子技术基础等课程也都学习完毕。
但是在课堂上学习的软件有限，学校为了能让我们学习功能更强大的软件，更好的解决生活上的问题，于是安排了基础强化训练的任务，通过MATLAB语言的学习与强化训练，从分析和解决《线性代数》、《电路原理》等课程中的基本理论问题入手，力图做到在后续专业课程学习中，能熟练应用MATLAB工具来分析和设计；这软件涉及到所学的专业知识，还有一些需要我们自己去课外拓展。
MATLAB目前已发展成为由MATLAB语言、MATLAB工作环境、MATLAB图形处理系统、MATLAB数学函数库和MATLAB应用程序接口五大部分组成的集数值计算、图形处理、程序开发为一体的功能强大的系统。
自动化专业学生进行毕业设计过程中，常常需要进行大量的数学运算。
在当今计算机时代，通常的做法是借助高级语言Basic、Fortran或C语言等编制计算程序，输入计算机做近似计算。
但是这需要熟练的掌握所运用的语法规则与编制程序的相关规定，而且编制程序不容易，费时费力。
此次基础强化训练主要是学会运用MATLAB来解决一些电路问题，从而对MATLAB有一个比较基础的认识。
由于所选的电路题目比较基础，使用MATLAB主要是学会使用它的矩阵运算功能，并且初步掌握MATLAB的程序编写。
这些基础的认识对于以后在MATLAB上的运用会有着很重要的影响。
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。
通过这基础强化训练可以锻炼我们的自主学习能力，也可以巩固所学的知识，这软件的学习明显基于我们平时所学知识的，既可以复习以前的知识又可以再次基础之上提高，发掘潜能，拓展知识，丰富自己的知识面和复习自己所学知识，是一个提高能力的跳板。
[关键字]：
MATLAB、控制系统、编制程序、数值计算、程序开发
summary
Asasophomoreinthepast,asautomationmajorstudentsintheus,hasprofessionalknowledgegains,suchascircuitbasis,electronictechnologyfoundationofthecoursearelearningfinished.ButintheclassroomlearningsoftwareCo.,LTD,theschoolinordertoletusstudymorepowerfulsoftware,bettertosolveproblemsinlife,thenarrangethefoundationofintensivetrainingtasks,andthroughMATLABlanguagelearningandintensivetraining,fromtheanalysisandsolvethelinearalgebra","thecircuitprinciple"andsoonthebasictheoryofcourse,endeavorstobeinthesubsequentspecialtycoursestudy,canskillfullyusingMATLABtoolstoanalysisanddesign;Thissoftwareinvolvesmajorknowledge,andsomeneedustogooutsidethedevelopment.
NowithasbecomeaMATLABbyMATLABlanguage,MATLABworkenvironment,MATLABgraphicalprocessingsystems,MATLABfunctionlibraryandMATLABmathematicsapplicationprograminterfacecomposedoffivesetnumericalcalculation,graphics,programdevelopmentfortheintegrationofthepowerfulsystem.
Automationmajorstudentsintheprocessofgraduationdesign,oftenneedalotofmathematicaloperations.Inthiscomputerage,itisusuallywithhigh-levellanguageBasic,FortranorClanguageofapplications,suchasinputcomputerdoapproximatecomputation.Butthisrequirestheuseofmasteringthegrammarrulesandtherelevantprovisionsoftheprogram,andtheprogrammingisnoteasy,time-consuming.
ThebasicintensivetrainingmainlyislearnhowtouseMATLABtosolvesomeproblems,andonthecircuitMATLABthereisarelativelybasicunderstanding.BecauseoftheselectedtopiccircuitbasedusingMATLABismainlyistolearntouseitsmatrixoperationfunction,andtrytograsptheMATLABprogramming.ThesebasicknowledgeinintheuseofMATLABafteronwillhasaveryimportantinfluence.
Thefoundationisthepurposeofintensivetraining,letusknowandfamiliarwithMATLAB,useofMATLABtosolvesomesimplecircuitanalysis,studyandworkforthefutureofthemetinthelarge-scalecircuitanalysisforpreparation.Throughthisfoundationwecanexerciseregimenofautonomouslearningability,alsocanconsolidateofknowledge,thisstudybasedonthesoftwareobviouslyweusuallyknowledge,canreviewtheknowledgeandcanbeusedtoimprove,basedonthepotential,expandingknowledge,enrichourknowledgeandreviewtheirknowledge,isaspringboardtoenhancetheirability.
[keywords]:
MATLAB,controlsystem,programming,numericalcalculation,programdevelopment
1、Matlab的简介
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，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。
它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越收到人们的喜欢，工具箱越来越多，应用也越来越广泛。
MATLAB是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。
它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。
它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。
MATLAB语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。
MATLAB有如下应用领域：
技术计数、控制系统设计、信号处理和通信、图像处理、测试和测量、计算生物学、计算金融。
合理的运用matlab于各行各业中是具有十分重要的意义的，可以为其在工作和学习中带来更多的方便。
2、基础强化训练的目的和要求
2.1训练的目的
（1）本环节通过MATLAB语言的学习与强化训练，使学生能掌握MATLAB软件，从分析和解决《线性代数》、《电路原理》等课程中的基本理论问题入手，力图做到在后续专业课程学习中，能熟练应用MATLAB工具来分析和设计；
（2）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。
2.2训练的要求
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、基础强化训练的内容
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
题目：
已知Is=2A,Vs=2V,R1=3,R2=R3=2。
求I3=?
和V=?
图3-1：
选题电路图
4、设计分析
图3-1是由电压源、电流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，并通过波形，数据测量等从而检测计算及编程的结果。
因为此电路特别适合网孔法的运用。
所以下面运用网孔法对电路加以理论分析。
理论分析：
设左边网孔的电流为i1,右边网孔的电流为i2。
对左边的网孔使用KVL得：
R1i1+（i1-i2）R3=V.......................①
整理得：
（R1+R2）i1-i2R3=V....................②
对右边的网孔使用KVL得：
i2R2+（i2-i1）R3=Vs...................③
整理得：
（R2-R3）i2-i1R3=Vs...................④
对整个电路由KCL得：
IS+I3=i2...........................⑤
对左边网孔的回路得：
i1=IS..............................⑥
由②④⑤⑥四个方程带入R1=3，R2=R3=2，i1=IS=2A,Vs=2V即可得出所要求的i2、I3和V的值。
理论计算结果为：
i2=1.5AI3=-0.5AV=7V
另外观察②④可发现其可以写成矩阵AX=B的形式并加以求解。
②④可写成矩阵形式为：
=
根据这一特点可以运用MATLAB强大的矩阵运算功能编写程序求出I3和V。
同时还可以运用MATLAB中的simulink模块仿真图3-1中的电路，并观测波形，测量数据。
I3和V的测量结果再和程序的结果与理论计算的结果相比较，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，再比较结果。
5、编程及其仿真
5.1MATLAB程序
MATLAB程序编写分析流程如下：
下图为MATLAB程序及运行结果：
clear;
Vs=2;Is=2;R1=3;R2=2;R3=2;%给电路中的定元件赋值
A=[1000;1-110;R1+R3-R30-1;-R3R2+R300];%给系数矩阵A赋值
B=[Is;0;0;Vs];%给系数矩阵B赋值
I=A\B;%由AI=B解出I
I3=I（3）,V=I（4）%显示要求的分量I3和V
I3=
-0.5000
V=
7
图5-1-2MATLAB程序运行后workspace界面
5.2simulink仿真
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仿真模型，设置好具体模型参数和仿真参数；然后，用户就开始仿真,Simulink将根据用户搭建的模型，模拟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。
用simulink仿真以上电路，并观测波形，测量数据。
I3，V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。
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5-2所示。
Sink
System
Source
图5-2-1:
Simulink模型的典型结构
总体电路图如图5-2-2所示：
说明：
1）图中相关参量数值
，
，
，
。
2）电压表和电流表是测量电流源两端电压和I3大小的元件，其可以在simpowersystems的Measurements找到。
3）Scope是电路波形输出，输出电流源两端电压和I3的波形，其可以在Simulink的Sinks里找到。
4）display是数值显示模块，可以显示出测量仪器的测量值，可以在simulinksinks找到。
图5-2-2总体电路图
由显示模块看出电压表和电流表的数值如下图所示V=7V，I3=-0.5A。
图5-2-3Display显示数值
电流源两端的电压由Scope1检测显示结果如下图：
电流I3由Scope检测显示结果如下图：
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。
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。
7、附录：
7.1MATLAB程序命令窗口：
图7-1-1MATLAB程序及运行结果
7.2Simulink仿真图
图7-1-2总体电路图
小结与体会
基础强化训练是对大学生综合素质的考察，也是通过实际操作提升动手能力的过程。
在整个学习的过程中，通过老师教导，查询相关资料，同学们相互之间交流，学到了很多课堂上学习不到的知识。
同时使我们认识到平时所学知识的重要性、必要性、实用性，增强了学习知识的兴趣、欲望。
随着基础强化训练接近尾声，我们的作品也完成了。
在经历了这紧张的学习后，我感触良多，以下列几点谈一下自己的感受：
一、对MATLAB的认识。
MATLAB软件功能强大，其语言是一种简单，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。
二、强化过程中的感受。
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。
经过这次的基础强化训练，更多的了解到了matlab的在学习中的应用，不仅仅在数学上有着强大的运用功能，而且在其他的各个学科中都有着十分强大的运用。
通过这次的学习，提高了自己动手操作的能力，实在是受益匪浅，作为一款功能十分强大的软件，MATLAB对我们的学习有着十分好的应用价值，可以让我们更深刻的去认识学习的知识，而且，在我们今后的工作中一定会有着十分大的作用。
因此我们以后应该继续学习它，更多的去了解它，让我们通过这款强大的软不断地体会着它的乐趣，不断地学习
这是一款非常实用的软件，而且未来的学习和生活都还要借助MATLAB。
目前自己对MATLAB的运用熟练程度还是远远不够的，所以今后还要不断的加强对MATLAB的学习。
争取早日能够熟练的运用MATLAB以便更好的解决学习和工作中遇到的问题。
总之MATLAB和我的专业息息相关，所以今后一定要好好学习这款软件，更好的完成自己的学习任务为未来走上工作岗位打好基础。
致谢
基础强化训练结束了，在此，我要衷心感谢徐老师对我的指导和教诲，还有我的同学们对我的热心帮助。
没有你们的帮助，我不会这么快的理解和解决电路，所以在此表示衷心的感谢。
感谢老师您课前的耐心指导，建议老师在以后的强化训练中有更多的交流，能进行所需软件使用的讲解，这更能激发我们的兴趣。
参考文献
1）《MATLAB从入门到精通》胡晓冬董辰辉编著人民邮电出版社
2）《MATLAB程序设计教程》刘卫国主编中国水利水电出版社
3）《MATLAB程序设计与实例应用》张铮编著中国铁道出版社
4）《数值方法（MATLAB版）》云计算刘鹏编著电子工业出版社
5）《电路计算C
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