基于MATLAB GUI 的线性动态电路分析论文.doc

论文（设计）题目基于MATLAB-GUI的线性动态电路分析学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：摘要在电路分析中,对线性动态电路的分析方法一般是经典法和拉普拉斯变换法。不过对于较高阶的动态电路,用这些方法就会比较繁琐。而本文设计了一种新的方法-伴随网络法。这种方法是把动态电路的过渡过程时间t0T划分成若干时间间隔t，把动态元件电感L和电容C用相应的离散模型来取代，经过代换后的电路称为原电路的伴随网络。因而对该时间间隔内相应伴随网络的分析可视为稳态电路分析。不过这种方法需要多次重复计算,若由人来计算就会相当的复杂。所以我们利用MATLAB软件来进行编程，把计算工作交给计算机。这样就可以方便快捷地算出结果。为了使软件的界面更加友好，我们利用MATLAB自带的GUI工具做了一个图形用户界面。用户只需要按照界面的要求进行元件参数和支路编号的输入，运行后即可在屏幕上显示GUI界面下的输出电压波形和电流波形。关键词：伴随网络法，图形用户界面，离散模型AbstractGenerally,themethodofthelineardynamiccircuitanalysisistheClassicandLaplacetransformmethodincircuitanalysis.Butthesemethodswillbecomplextothehigh-levellineardynamiccircuit.Inthisarticlewedesignanewmethod-accompanyingnetworkmethod.Thismethoddividedthetime(t0T)oftransitionalprocessofdynamiccircuitintoanumberofintervalst,ThedynamiccomponentinductanceLandcapacitanceCwiththecorrespondingdiscretemodeltoreplace,aftersubstitutionofthecircuit,theoriginalcircuitiscalledaccompanyingnetwork.Sotheanalysisofaccompanyingnetworkcouldbedeemedassteady-stateanalysis.However,thetimesofcalculationaresomany.Itwillbetoocomplextocalculateitbypeople.Therefore,weuseMATLABtoprogram.Bydoingthis,itwillbeconvenienttoobtaintheresults.Atthesametime,inordertogetamorefriendlyinterface,Ialsousethetools(GUI)ofMATLABmadeagraphicaluserinterface.Theuseronlyneedstoinputtheparameterofthecomponentsandthenumberofbranchesaccordingtotherequirementoftheinterface.Aftertherunning,itcouldoutputthevoltageandcurrentwaveformsontheGUIinterface.Keywords：accompanyingnetwork,graphicuserinterface,目录1绪论.12线性动态电路分析的常用方法.22.1经典法.22.2拉普拉斯变换法.23电路分析中常用的仿真软件.23.1PSPICE和SABER.23.1.1PSPICE简介.23.1.2SABER简介.33.2MATLAB.43.2.1MATLAB简介.43.2.2MATLAB-GUI简介.54伴随网络法.74.1动态元件的离散模型.74.1.1电容C的伴随网络模型.74.1.2电感L的伴随网络模型.84.2伴随网络法分析瞬态电路的步骤.85伴随网络法的MATLAB编程实现.85.1程序流程图.95.1.1主程序流程图.95.1.2GUI程序流程图.105.2算例分析.105.2.1输入参数.115.2.2GUI输出参数.126结语.13致谢.14参考文献.15附录.161绪论通常情况下，我们对一个线性动态电路进行瞬态分析往往采用的是经典法，即列写出电路的时域微分方程并求解,得出电感电流或者电容电压,然后再根据各支路间的约束关系进一步求得其它各支路的电压或电流。众所周知在经典法中，如果电路中只含有一个动态元件(电感或电容),那么列出的方程是一阶微分方程,其求解过程相对简单；但如果电路中含有两个或两个以上的动态元件，则所列出的方程将会是二阶或高阶微分方程，其求解过程会很麻烦，工作量很大。有鉴于此，人们又考虑采用积分变换的方法，利用拉普拉斯变换把已知的时域函数变换为频域函数，从而把时域的微分方程化为频域的代数方程。求出频域函数后，再作拉普拉斯反变换，返回时域，从而求得满足电路初始条件的原微分方程的解，且不需要确定积分常数1。但该方法同样也存在运算量大的问题，尤其是对于含有多个动态元件的高阶复杂动态电路，并且计算得出的结果很不直观，无法清晰地看出在过渡过程中各电量随时间变化的规律。本文就是从这个意义上出发，探索出一种线性电路瞬态分析的新方法伴随网络法。伴随网络法从建立电路方程开始，就设法避开微分方程。它把动态电路的过渡过程时间t0T划分成若干时间间隔t，把动态元件电感L和电容C用相应的离散模型来取代，经过代换后的电路称为原电路的伴随网络。对于每一个时间间隔t而言，在伴随网络中，不再含有动态元件，取而代之的是动态元件L、C的离散模型，因而对该时间间隔下相应伴随网络的分析可视为稳态电路分析。也就是说，通过伴随网络法，可以将瞬态电路分析归结为一系列不同离散时刻下电阻网络的稳态分析。在对每一个离散时刻下的电阻网络进行方程列写时采用的是改进结点法，所列出的线性方程组采用的是电路方程的矩阵型式。其中结点电压方程矩阵的建立是采用的直接添加法，方程系数矩阵及右端项的元素并非整体形成，而是采用逐次扫描电路中的每一个支路元件，分别添加它们对方程的贡献的方法。建立方程伊始，方程系数矩阵及右端项全部为零元素所填充，每扫描一个元件，就将它对方程的贡献填到合适的位置，这样逐次扫描，逐次添加，直至网络中每一条支路均被扫描，网络方程便被建立起来。当然整个网络方程的建立和求解都是借助于计算机并由MATLAB软件编程实现的，充分利用了该软件强大的数值计算功能和图形输出能力，力求更加方便直观。整个电路矩阵的建立也采用的是框架式结构，即电路规模、结点数、支路数以及各支路元件参数均由使用者自行输入，待分析支路的编号也由使用者输入，运行后即可直接显示出待求支路的电压和电流波形。同时为了使输入输出界面更加友好，我还利用MATLAB自带的GUI工具作了一个图形用户界面，用户只需要按照界面的要求进行网络拓扑参数和待分析支路编号的输入，运行后即可在屏幕上显示GUI界面下的输出电压和电流波形。简单方便，清晰直观。2线性动态电路分析的常用方法我们知道，对于动态电路的分析常用的方法有经典法和拉普拉斯变换法。对于经典法，我们常用来求解一些低阶的微分方程。运用拉普拉斯变换法可以求解一些较高阶的微分方程。2.1经典法对于仅含一个动态元件的简单电路,结合所给电路模型,根据KCL(基尔霍夫电流定律)、KVL(基尔霍夫电压定律)和支路的VCR(电压电流关系)建立描述电路的方程,建立的方程是以时间为自变量的线性常微分方程,然后求解常微分方程,从而得到电路所求变量(电压或电流)。2.2拉普拉斯变换法对于具有多个动态元件的高阶线性动态电路,用直接求解微分方程的方法比较困难。例如对于一个n阶方程,直接求解时需要知道变量及其各阶导数在t=0+时刻的值,而电路中给定的初始状态是各电容电压和电感电流在t=0+时刻的值,从这些值求得所需初始条件的工作量很大。于是人们通过拉氏变换,把已知的时域函数变换为频域函数,从而把时域的微分方程组转化为频域的代数方程组,求解代数方程组得到频域解后，再经拉普拉斯反变换返回时域，可以得到满足电路初始条件的原微分方程组的解,而不需要确定积分常数。因此，拉普拉斯变换是求解高阶复杂动态电路的有效而且重要的方法之一。3电路分析中常用的仿真软件目前国内外常用的电路仿真软件有PSPICE、SABER和MATLAB等一些软件。这些软件都有各自强大的功能，在不同领域有着各自的特点,现在将其介绍如下:3