计基于MatlabSimlulink的电路分析毕业论文

本科生毕业论文基于 Matlab/Simlulink 的电路分析Circuit Analysis Based on Matlab/Simulink学生姓名所在专业所在班级申请学位指导教师 职称副 指 导 教 师 职称答辩时间 年 月 日目 录目 录摘要 IABSTRACT .II1 前言 .11.1 Matlab软件的简介 .11.2 关于 Simulink工具箱及 PSB电力系统模块库 .21.3 本论文完成内容 .22 经典电路的分析与仿真 .32.1 直流稳态电路 .32.1.1 电路建模 .32.1.2 Matlab 程序 .42.1.3 Simulink 仿真 .42.2 正弦交流稳态电路 .62.2.1 电路建模 .62.2.2 Matlab 程序 .72.2.3 Simulink 仿真 .82.3 一阶动态电路 .102.3.1 电路建模 .102.3.2 Matlab程序 .112.3.3 Simulink仿真 .112.4 二阶动态电路零输入响应 .142.4.1 建模 .142.4.2 Simulink 仿真 .153 电路辅助分析系统的实现 .183.1 直流稳态电路 .183.2 交流稳态电路 .193.3 一阶动态电路 .204 总结 .22鸣 谢 .23参考文献 .24摘要I摘要电路理论是电工科学技术的重要理论基础。 电路分析一课，作为电子信息工程专业中一门重要的必修课，是其它专业课程的理论基础，是一种专业能力的体现。在电路分析中，随着电路规模日益庞大，线路更加复杂，计算机仿真技术应运而生。引入 Matlab软件包辅助分析，虽然不能代替传统方法，但它提高了电路的可视性和使变得生动，对人们更直观，高效地理解电路有很大帮助。本论文对一些典型的电路进行分析，如： 直流稳态电路，交流稳态电路，一阶暂态电路等，通过运用 Matlab/Simulink和 PowerSystemBlock(PSB)电力系统模块集工具箱仿真环境，对电路进行建模、计算和仿真分析。仿真工具通过这些仿真工具可以形象地展示电路性能，证明计算方法，减少复杂电路的计算量，使用参数变量实现理想的解决方法等。论文通过经典电路的仿真体现了 Matlab/Simulink的强大仿真功能，和其简单，方便，快捷和灵活性等优点，同时也使更深入地认识这些电路的特性。关键词：Matlab/Simulink;PowerSystemBlock 电力系统；电路分析；电路仿真ABSTRACTIIABSTRACTCircuit analysis is a necessary course and basic knowledge for electronic special student. As one of the most important subjects for an under-graduated student whos mayor in electronic information engineering,circuit analysis state for the professional capability.With the development of the circuit analysis field, circuits get more complicated and simulation technology using computer grown up. The paper followed uses the Matlab/Simulink simulation tools and the powersystemblock model library to make analysis on several simple circuit such as the alternating current steady-state circuit,direct current steady-state circuit and first-order dynamic circuit.The circuits are Programmed by Matlab language and simulate it by simulink tools.Although simulation by computer software can not replace the traditional way,but it help people to understand circuit analysis directly and effectively. By these tools， people can demonstrate the circuit performances and reduce complicated calculation.It makes us save a lot of work. During this process，we know how Matlab/Simulink work and show the advantage of Matlab/Simulink tools on circuit analysis，it turns out to be simple，convenience，efficient and flexible .etc.KEYWORDS： Matlab/Simulink; Powersystemblock model library; Circuit analysis;Circuit analysis;Circuit simulation; 1 基于 Matlab/Simulink 的电路分析1 前言电路分析是电子类各专业的重要专业基础课，学生学好电路分析一课，对以后大部分以电路分析研究为基础的课程是至关重要的。同时，电路实验是电路分析教学过程中的重要环节，以培养学生的动手能力、创新意识、科学研究的能力为目的。为此，一方面增加电路实验的类型和内容。但是，理论教学与实验教学是分离的，学生在课堂上不能看到实际的电路的结构和其工作特性，而在实验教学当中，由于受到实验学时和实验设备等诸多客观条件的限制，也不可能把所有电路实验都开设出来，例如：大部分实验都用实验箱来完成所做的实验，几乎所有的电路都是封闭的。因此，学生对电路的结构了解得不多，使得学生只能机械地、被动地连接电路，读取数据，再套用公式，分析数据。只要连线正确、实验仪器仪表完好，学生也能完成实验报告，很多学生仅机械地抄写实验报告，不能真正地达到预习的目的。因此，这样不利于学生掌握电路的特性，尤其是常见的、典型的电路。为防止理论教学和实践脱节，探索在教学过程中兼顾理论和实践的结合点是电路教学改革的一项重要任务。为此，引入了仿真实验教学环节可以弥补这方面的不足。现阶段，电路实验分为个层次，-即：验证型、提高型、设计型、综合型。由于受到实验学时和实验设备等客观的限制，以验证型实验为主，提高型、设计型、综合型为辅。很难使学生在动手能力、创新意识、教学研究的能力有所突破。所以，实验的目的大打折扣。譬如：含有受控源电路的戴维南定理的验证、复杂交流电路的功率测量、非正弦交流电路的测量、含有受控二端口网络参数的测量等，很难在实验中得以实现。为此，在电路的教学过程中引入仿真就可很好地解决电路实验中存在的不足，使电路实验与电路仿真有机的结合在一起，优势互补。共同促进学生对电路分析课程的学习、理解和掌握 1。1.1 Matlab软件的简介MATLAB代表 MATrix LABoratory，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。Matlab 具有起点高，人机界面适合科技人员，强大而简易的做图功能，智能化程度高和功能丰富，可扩展性强的优点。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 以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB 集 2 科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。MATLAB 不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用 3。1.2 关于 Simulink工具箱及 PSB电力系统模块库SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。自从 Mathworks公司于 1998年推出了 Matlab5。2 版以后，在 Simulink中就开始增加了 PSB模块集，它主要由加拿大的 Hydro Quebec和 TECSIM Internation-al公司共同开发的，其功能非常强大，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，在仿真前会自动将其变成状态方程描述系统形式，然后才能在 Simulink下进行仿真分析 4。Matlab语言实现对电路的仿真是基于 Simulink环境下的，在构建电路模型时，只需将所需的模块拷贝到新建模型的窗口中，双击某模块后，会得到该模块参数设置的对话框，然后键入所需数值，最后利用 connectors模块集中朝代的“连接”模块，把整个电路连接起来。若需要知道某些支路的电流或元件两端电压，只需将电流表串入某支路或将电压表并联在某元件两端即可，有时还需利用 Simulink模块集中提供的显示模块，如 Display，Scope 等来直观显示电量值或其波形等。以上操作均为所见即可得方式，用拖曳方式即可完成，同时支持鼠标右键快捷方式，对于复杂的交流电路，电力电子电路，动态电路和电气传动系统的仿真分析，无需编程，更感方便，可以节省大量的计算时间和耗材，大大提高了工作效率。1.3 本论文完成内容本论文涉及的工作内容可包括两方面。第一为论述研究部分；首先对本设计所基于的设计环境 Matlab软件作介绍，概括了 Matlab软件和其中的 Simulink仿真工具的诞生和发展过程和简介其强大的仿真功能。接着开始阐明本论文的核心内容，就是对若干个常见的典型的电路作分析，比较理论分析结果和通过 Matlab/Simulink工具仿真后得到的结果。第二部分为设计部分。利用 Matlab中的 GUI用户图形界面设计控制面板，能过设计的控制面板可以控制以上几个仿真电路中的主要参数，调节参数后比较仿真结果可以体现出电路中各元件对电路的影响等，为进一步了解电路特性提供方便的用户界面。 3 2 经典电路的分析与仿真2.1 直流稳态电路图 2-1所示为典型的直流电阻电路， 含有电压控制的受控电流源 VCCS，其中，R1=1，R2= 2， R3=3，US=20V， IS=10A， VCCS=0.25U 2，现需分析计算电流 i1和电压 u2。图 2-1 直流稳态电路2.1.1 电路建模电路建模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。对图 2-1，应用网孔回路电流法，在例图中可分三个网孔，可列出如下方程组：网孔 1：（I m1-Im2）R 1+（I m1-Im3）R 2 = US （2-1）网孔 2：（I m2-Im1）R 1+（I m2-Im3）R 3 = U1 （2-2）网孔 3：（I m3-Im1）R 2+（I m3-Im2）R 3 = -U3 （2-3）其中由电路图可得知：I m2 = IS， I m1 = I1- Im2， Im3 = -U2/2且：U 2 = （ I m3- Im2）R 2 ，即：Im3 = -U2/4 =-0.25 R2（ Im3- Im2） （2-4）整理公式 2-1到 2-4，并定义：R11 = R1+R2 ，R22 = R1+R3 ，R33 = R2+R3， R12 = R21= -R1 ，R13 = R31= -R2，R23 = R32= -R3，可写成形如 AX=BU的矩阵方程 4 形式：（2-5）2.1.2 Matlab程序应用 MATLAB 语言编程如下：clear;US=20;IS=10;R1=1;R2=2;R3=3; %为给定元件赋值R11=R1+R2;R12=-R1;R21=-R1;R13=-R2;R31=-R2; %为系数矩阵各元素赋值R22=R1+R3;R23=-R3;R32=-R3;R33=R2+R3; A=R11 R13 0 0;R21 R23 -1 0;R31 R33 0 1;0.25*R2 1-0.25*R2 0 0; %列出系数矩阵 AB=1 -R12;0 -R22;0 -R32;0 0;USS=US;IS; %列出系数矩阵 BX=AB*USS; %解出 XI1=X（1）-IS %，输出结果，显示要求的分量 I1和 U2U2=2*（X（1）-X（2） ）程序运行结果I1 = -4 ，U2 = 242.1.3 Simulink仿真打开 matlab软件界面，在命令窗口输入 Simulink打开 Simulink仿真操作界面新文档，在 Simulink Library Browser众多仿真模块中选中“simpowersystem”子模块，或者在直接在 matlab命令窗口中输入“powerlib”找到电力系统库，按电路结构所需元器件拖放