武汉理工大学《暑期基础强化训练》说明书.doc

武汉理工大学暑期基础强化训练说明书基础强化训练任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：_ 题目：29 电路在开关S闭合前已达稳态，已知uc(0_)=-100 V,求电流。图题29要求完成的主要任务:1用尽可能多的方法（理论计算、MATLAB编程计算、MATLAB建模和仿真）完成计算和仿真；2报告应对建模、参数设置、仿真模型搭建中使用的元器件所在的工具库、和仿真的过程进行详细说明（可截屏说明实现过程）；3将仿真结果保存至工作空间并用plot指令绘制相应曲线；4将仿真结果与理论计算进行对照，对仿真结果的正确性进行分析说明。5. 书写报告，报告应包括电路分析计算、参数设计、MATLAB建模、仿真及结果分析、结束语、参考文献等部分。时间安排：2012.7.1-7.7 目录目录摘要1基于Matlab的二阶电路仿真2一.电路的理论分析计算21.读题分析22.解答题目2二. 电路的Matlab仿真61.元件选择62.电源参数设定73.电阻、电感和电容参数的设定7三.整体电路及其仿真结果8四.电路的编程运算及曲线输出11五.结果对比及误差分析13结束语14参考文献15摘要Mutlab软件应用相当广泛，设计绘图，仿真，计算，建模等各个领域，本文着重研究其对电路仿真的能力，并与真实计算出来的结果相比较，总结该软件使用的准确度，本文从一道电路基础题入手，对该题进行了参数的设定，仿真电路的连接，添加观察参数元件，然后开始仿真，使用仿真结果与计算出来的比较，并且分析其原因，最后对实验中存在的问题和优缺点进行总结说明。电路仿真具有很重要的意义，可以减少实际对一些电路的复杂计算，也可以降低对某电路验证的成本，熟悉并掌握这软件应用与环境的管理，将有很大的用处和帮助。关键字：Mutlab 参数 仿真 元件 基于Matlab的二阶电路仿真一.电路的理论分析计算1.读题分析A 电路在开关S闭合前已达稳态，已知uc(0_)=-100 V,求电流。图1-1 题图读题后可以知道本电路中的电源是输入电压恒定的直流恒压源，电路开始时是处于稳态的，在开关闭合后，电路状态有所改变，但是最终将回归稳态。电路中有一个电容、一个电感，一共两个储能元件，显然可知这是一个二阶电路。分析二阶电路，需要利用二阶电路公式和使用二次求导等步骤来完成。在这个电路中，要将开关闭合前后电感的电流和电容的电压分别求出来，并结合电路等效简化、二阶电路分析等方法来解题，求出题目中需要求的的iL(t)。有一个基本点应明确，即在开关闭合的一瞬间电感的电流和电容的电压是没有变化的。2.解答题目(1)开关闭合前即t=0-s时的电路计算图1-2 开关闭合前等效电路 开关闭合前，= =5A=-100V（2）开关闭合瞬间的电路计算 如图1-1题图中所示A点可知，所以，（3）开关闭合后稳定状态下电路计算图1-3 开关闭合后稳定状态等效图由此可知： =V（4）开关闭合后正常工作时，去掉电源的等效电路 图1-4正常状态下的等效电路如图所示，闭合原来的恒压源，A点处的电压设为u，干路电流设为i 在A点处，由KCL得 由KVL得 综合上面、两个式子，得 该式可以转化为 解得s=-200因此， 由于 所以 当t=0时，求得因为，且当t=0时刻， 所以 ， 由式子可知，将式代入得，二. 电路的Matlab仿真1.元件选择打开Matlab软件，点击菜单栏里面的按钮，可以弹出仿真元器件的对话窗口，如下图所示，然后选择其中的SimPowerSystems菜单下的Elements选项及其他目录下的相应选项，就会弹出一系列需要使用的仿真元件，如图2-1所示，右击需要使用的元件，然后选择 选项，就会加入到untitled面板中了，在这块面板里可以进行元件的连接和仿真。 图2-1 Matlab仿真元件选择框截图按照本电路的要求，我选择了直流电源DC Voltage Source、理想开关Ideal Switch、仿真驱动源powergui、接地端Ground各一个，三个串联的LCR电路Series RLC Branch，一个电流测量器Current Measurement，一个电压测量器Voltage Measurement，两个示波器Scope，两个数值显示器Display所选元件如图2-2所示。图2-2 电路untitled面板及仿真元件选择图图2-2中各元器件具体查找位置如下：DC Voltage Source：SimpowerSystemsElectricalSourcesIdeal Switch：SimpowerSystemspowerElectronicsPowergui：SimpowerSystemsSeries RLC Branch、Ground：SimpowerSystemsElementsCurrent Measurement、Voltage Measurement：SimpowerSystemsMeasurementsScope、Display：SimulinkSinks2.电源参数设定但是还需要对这直流电源进行参数的设定，设定好了以后的参数窗口如图2-3所示。 图2-3直流电源参数设定对话框3.电阻、电感和电容参数的设定 本实验电路图中干路上有一个30欧姆的电阻和一个0.1H的电感，参数设定如 图2-4所示。图2-4 干路RL串联电路参数设定对话框部分在并联的支路上，分别有一个10欧的电阻，参数设定如图2-5所示。图2-5 支路电阻参数设定对话框 并联支路上电感值为1000uF即0.1F，其参数设定如图2-6所示。图2-6支路电感参数设定对话框三.整体电路及其仿真结果如图3-1所示，这就是本题所要仿真的电路，图中的DC为电源，分别对原来的Series RLC Branch根据其种类及其值大小进行了更名，Ideal Switch是开关，Voltage Measurement是电压表，scope是显示器，显示输出的波形，Display是电平指示器，通过电平显示器可以读出电路输出的数值，Current Measurement是电流表。Powergui在电路开始仿真的时候必不可少，只有加入这个元件，才能进行仿真，相当于提供能量的元件。图3-1 Matlab电路仿真连线图 开关在仿真过程中起到控制电容是否接入电路，开关闭合之前，本电路是一阶电路，开关闭合以后，电路变成二阶电路，而开关的通过是通过对其参数的设置进行的。如图3-2所示，只要改变其中选项中的Initial satate的数值就可以控制开关了，当如图3-2所示，输入为0时，开关打开，输入为1时，开关闭合。为了增加仿真电路与实际操作的相近性，对于Iternal resistance Ron选项可以保留0.001的值，的值可以保留图示的1e5。图3-2 开关参数设置对话框部分截图（左为开关开启、右为开关闭合）按下电路面板上的运行选项（），即开始对电路进行仿真运行。在运行仿真后，输出的iL（t）可以直接在电平显示器上观察出数值，鼠标双击波形显示器，可弹出波形显示窗口。刚开始时没有观察出iL（t）的波形，是由于没有对显示器进行相关参数设置，使显示波形没有在显示屏中显示出来。根据理论计算及未设置参数时的显示情况估测出其显示范围，把显示器的参数设置成如图3-3所示，应该改掉原有参数换成如图所示的值，这样可以较为精准的反映仿真的准确度。 图3-3 显示器的参数设置对话框t/si/A图3-4 仿真输出波形 上述步骤调整完毕以后，再运行一次，示波器Scope显示如图3-4的波形（为方便观察，该图经过PS软件反色处理，仅对颜色进行处理，未改变线形及其参数）。其中纵轴表示所求的iL（t）值，单位是A，横轴表示的是时间t，单位是s。由波形图观察可知，开关闭合以后一段很短的时间内，电流会有些许上升，但是很快待电路趋于稳定状态以后，电流恢复到5A的附近。四.电路的编程运算及曲线输出运用Matlab变成进行该题的部分运算，依次输入下列程序得其运算结果，图4-1即Matlab程序计算输入框部分截图。 clear U0=200;R1=30;R2=10;Uc0=-100; L=0.1;C=0.001; %赋初始值 iL0=U0/(R1+R2)图4-1 Matlab程序输入框截图iL0 = 5 ic0=iL0-Uc0/10ic0 = 15 iL1=iL0iL1 = 5 Uc1=R1/(R1+R2)*U0Uc1 = 150其后运算中有微积分知识的应用，由于对该软件的认识有限，其后运算难以编程完成在经过相当细致的分析计算之后，得出结果，利用plot命令绘制曲线命令如下 y=sym(5+1500*x*exp(-200*x);ezplot(y,0,0.03)输入y=sym(5+1500*x*exp(-200*x);ezplot(y,0,0.03)按回车即可，Matlab具有强大地运算功能和图形生成能力，由此可生成分析计算所得的i-t曲线。其中y代替i，x代替t，0,0.03表示x轴显示范围，即时间取值为0至0.03s，生成曲线图如图4-3所示，其中，横轴表示时间t，单位为s，纵轴表示电流iL。单位为A。t/si/A图4-3 计算结果用Matlab生成曲线五.结果对比及误差分析由理论计算得出 ，对理论结果进行探讨，在t=0的时候，i=5A，当趋于稳定状态时，即t=时，i=5A，由于 ，当t=-1/200 s时，=0，当时，0，当t时，0，所以t=-1/200s是该函数的最高点，而其两边应趋向5V。这个理论分析结果在编程运算输出的图象图4-3中可以十分清晰精确地显示出来。而在图3-4，即Matlab仿真直接得出波形图图中，波形最高点在t=0.0032s，这一结果显示与理论分析似有些不相符合。但是从理论分析、编程计算输出曲线、连接电路图进行电路仿真，所得出的一个表达式，两个曲线图的结果对比来看，其总体的趋势与计算分析出来的结果是相同的，这一点应该得到肯定。经过分析，仿真实验与理论计算及程序输出存在差距的可能原因如下：（1）在仿真中参数设定的不是完全理想状态，比如开关的闭合电阻和断开电阻都不是完全理想状态下的，还有simulation stop time的设置不同的话，出来的结果是不一样的，这个是造成理论与实验之间存在差距的重要原因。（2）任何实验仿真的误差都是存在的，本实验得到的结果大体与理论计算结果相同，趋势也完全类似，只有极值点存在千分之一秒的误差。（3）本实验的电阻，电感与电容的参数值不太理想，导致i（t）的值变化就在千分之一秒之内，仿真软件也不是万分的精确的，这样的误差可以认为是在允许范围之内的。本实验通过应用Matlab软件对电路的仿真计算目的已经达到了，可以通过显示器清楚的仿真出来需要的数据，误差可以保证在允许的范围内了。.结束语 历时一周的基础强化训练终于在这里可以写上结束语了，我在这一周内我学会了一些很重要的知识，同时也发觉了很值得修养的能力。为期一周的强化训练中，我对Matlab这个广泛应用与自动控制，数学建模，电路仿真，函数计算等等各个领域的软件有一个全新的认识。在进行电路仿真计算问题解答时也掌握了简单操作，及时发现操作问题的能力。此外就是，自主学习的能力，在基础强化训练这种没有老师的指导，限定的时间短，理论知识水平有限，甚至自己做的题目在以前的电路基础上，老师都没有讲到，在这样的条件下，对自己的自学能力、自主发现问题的能力、协作能力都有不小的挑战。在强化训练中碰到困难是必然的，自己在网上查资料、和舍友讨论、向同学请教，甚至有时难题不能解决了我们还要向做过了强化训练的学长请教。就是这样，我一边尝试一边摸索，凭着耐心和毅力完成了这份报告。在这个过程中，并不是每一次尝试都是正确的，也不是每一次尝试都会有回报的，尝试学习，尝试与人探讨是一个过程，更是一种锻炼，有不懂的需要寻求别人的帮助，这样会达到事半功倍的效果，方法不对，很有可能事倍功半，甚至一无所获。 就这个实验而言，它的起步都是比较困难的，因为自己没有学过这个题目所涉及的知识点，这个知识点是直流二阶电路的，我们只学习过一阶电路，这对于我们学习英文版教材的学生来说，自学的难度也还有点大。所以想要比较准确计算出结果来，的确挺艰难的，完成了这项很艰难的仿真后，我真正感觉到了什么是基础强化了。虽然基础强化训练已经结束了，我还要有很多的路要走，还有好多的知识要学习，保持不断对自己能力进行强化的意识，保持自己对新知识不断探索的激情。以后再遇到Mutlab的信息资料一定要抓住机会学习，书到用时方恨少，事非经过不知难！ 参考文献1邱关源.电路第5版.北京：高等教育出版社，19992Charles K.Alexander等原著、于歆