基于MATLAB的RLC并联电路正弦稳态特性分析.doc

武汉理工大学课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 熊文武 专业班级： 电信0603 指导教师： 桂林 工作单位： 武汉理工大学 题 目： Matlab应用课程设计基于MATLAB的RLC并联电路正弦稳态特性分析初始条件：1. Matlab6.5以上版本软件；2. 先修课程：电路原理等； 3. 。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、 在RLC并联电路中，求电路中的电压和各元件的电流，并观察其波形变化；2、 画出程序设计框图，编写程序代码，上机运行调试程序，记录实验结果（含计算结果和图表等），并对实验结果进行分析和总结；3、 课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括： 目录； 理论分析； 程序设计； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少500字）； 参考文献（不少于5篇）。时间安排：周一、周二查阅资料，了解设计内容；周三、周四程序设计，上机调试程序；周五、整理实验结果，撰写课程设计说明书。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录 MATLAB 内容简介 （） RLC并联电路正弦稳态特性分析 （）源代码 （）MATLAB仿真波形实现 （） 结论 （） 心得体会 （）流程图 （）参考文献 （） MATLAB内容简介1.MATLAB的概况 MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多. 当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类. 开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包. 2.MATLAB产生的历史背景 在70年代中期,CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库,LINPACK是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平. 到70年代后期,身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序.CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB,该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传. 1984年,CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司,正式把MATLAB推向市场,并继续进行MATLAB的研究和开发. 在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类.一类是数值计算型软件,如MATLAB,Xmath,Gauss等,这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,Mathematica,Maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解,其缺点是处理大量数据时效率较低.MathWorks公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争,MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位. 在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。 MathWorks公司1993年推出了MATLAB4。0版，1995年推出4。2C版（forwin3。X）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。MATLAB5。X较MATLAB4。X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3。0或IE4。0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地浏览。 时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。 2MATLAB的语言特点 一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。 1）。语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。 具有FORTRAN和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试动不容易。即使有部分源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。以下用MATLAB编写以上两个小程序的具体过程。2）运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。 3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。 4）程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。 5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。 6）MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。 7）MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。 8）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。 2 RLC并联电路正弦稳态特性分析 对于RLC并联电路的正弦稳态特性的分析，宜采用相量法来求解。电路基本定理的相量形式，即KCL： I=0；KVL：U=0；VCR：U=ZI或I=YU 对于电阻R，当有正弦iR=IRcos（t+i）通过时，根据欧姆定律，电压电流的时域关系为UR=RiR=RIR cos（t+i），说明电阻上的电压电流都是同频的正弦量。令电压相量UR=U，则有IR=UR=GUR；IR=GIR；u=i. 对于电感L中，当有正弦电流iL=IL cos（t+i），同样有UL=L=-LILsin（t+i）=LIL cos（t+i+90），说明电感上的电压电流为同频正弦量。令电压相量UL=U，则UL=jLIL,即；IL=UL；IL=UL，u=i+90. 对于电容C，他的电压、电流关系的相量形式与电感L类似。当有正弦电流ic=Iccos(wt+i)通过时，其时域形式为：Uc=1cicdt=(wc)Ic sin(wt+i)说明电容上的电压、电流为同步的正弦量，电压、电流关系的相量形式为：Uc=ic即ic=jwcUc,Uc=1(wc)*Ic, u=i-90综上分析，可知其相量图标为ic=Icos(wt+i)其导纳表示电阻G，电感，电容jwc.由I=Y*U,则U(t)=Ii(G+jwc),又可求得：ic= U(t)*jwc,IL= U(t)*G.相量表示与实值表示关系，又得U(t)=Uu 即U(t)= | U(t)| cos(wt+u)同理 Ic(t)=|ic| cos(wt+c)； IL (t)= |ic| cos(wt+L); IR (t)= |ic| cos(wt+R); 3源代码 %初始条件R=2; %电阻L=2; %电感C=0.5; %电容w=100; %角频率I=20; %电流源有效值%时间变量t=0:0.0001:0.4;%元件导纳Yr=1/R;Yl=-j/(w*L);Yc=j*w*C;Yz=Yr+Yl+Yc;%电路描述U=I/Yzut=abs(U)*sqrt(2)*cos(w*t+angle(U); %电压正弦特性Ir=U*Yrirt=abs(Ir)*sqrt(2)*cos(w*t+angle(Ir); %电阻支路电流特性Il=U*Ylilt=abs(Il)*sqrt(2)*cos(w*t+angle(Il); %电感支路电流特性Ic=U*Ycict=abs(Ic)*sqrt(2)*cos(w*t+angle(Ic); %电容支路电流特性%特征曲线输出subplot(2,2,1)plot(t,ut, -k)grid title(RLC并联电路正弦稳态电压特性)xlabel(t/s),ylabel(u/V)subplot(2,2,2)plot(t,irt,-k)grid title(RLC并联电路正弦稳态电阻电流特性)xlabel(t/s),ylabel(i/A)subplot(2,2,3)plot(t,ilt,-k)grid title(RLC并联电路正弦稳态电感电流特性)xlabel(t/s),ylabel(i/A)subplot(2,2,4)plot(t,ict,-k)grid title(RLC并联电路正弦稳态电容电流特性)xlabel(t/s),ylabel(i/A);4 程序运行结果及图表分析U = 0.0040 - 0.4000iIr = 0.0020 - 0.2000iIl = -0.0020 - 0.0000iIc = 20.0000 + 0.2000i结果分析：由前面的理论分析以及图表可以得出（1） RLC并联电路的各支路输出电流均为和电源同频率的正弦稳态电流。（2） 电阻的电流和电源同相位，而电感的电流与电压的相位差为90，电容的电流与电压的相位差为90。根据电路理论分析写出源代码运用已知变量求解出未知变量表达式代入初始条件，运行程序输出结果，保存输出数据 4 结论 MATLAB课程的开设，可以说是对我们电路理论学习有很大的帮助。由于电路课程中的科学计算较多且繁，比如在画一个电路图形时，首先要找到不同的点，由于公式的复杂，给计算带来很大的阻碍，且人工作图精确度较差，因此在根据图形求解时，误差较大。 而MATLAB是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，专门针对科学、工程计算及绘图的需求。它大大提高了课程教学、解题作业、分析研究的效率。 其特点是简洁和智能化，适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，使得编程和调试效率大大提高。它用解释方式工作，键入程序立即得出结果。人机交互性能好，深得科学工作者及其他相关学者的喜爱。 除以上特点外，强大而简单的作图功能也是其特色之一。我们可以用它作二维、三维的图形，可以通过它绘制电路中各个量的波形图及相量图，并根据设置不同的线型、颜色，以便观察各个量的相位及幅值等参数。 MATLAB课程的学习，不仅能让理论知识得到较好的实践，更能熟练地应用MATLAB强大的作用功能解决实际问题，我深刻体会到了MATLAB在电子信息中的较大作用，为人类的生活、生产解决许多问题。 总之，MATLAB作为一种工具软件，它是目前工程界流行最广的科学计算语言，他应用的范围很广，它在工程技术中能有效的提高工作效率。 课程设计心得体会 通过本次课程设计，使我了解到MATLAB的作用，Matlab很好地克服了通常编制程序中不仅复杂、消耗人才与物力，而且影响工作进度和效率的缺陷，因而是一种功能强、效率高的软件，便于在电信工程中进行科学和工程计算的交互式软件运行。其特点是简洁和智能化，适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，使得编程和调试效率大大提高。它用解释方式工作，键入程序立即得出结果，人机交互性好。Matlab课程的开设，对于我们电信工程的科学研究和工程应用有很大帮助。通常编制程序是复杂的，不仅消耗人才与物力，而且影响工作进度和效率。Matlab很好地克服了这些困难，是一种功能强、效率高便于在电信工程中进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建摸和系统优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。Matlab大大降低了使用者数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算机效率很高，还可以在计算机上直接输出记过和图形拷贝。它与C语言有一定联系，但又有不同，它没有C语言的严格限制，有一定的自由。除了数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能，这是以后要学到的。MATLAB的基本