MATLAB_在交流稳态电路中的分析应用.doc

1 训练目的 就自动化专业的需要，在平时的学习中我们会经常针对各种电路进行分析,在这个过程会遇到各种各样的问题。但是随着电路规模的加大,微积分方程阶数以及联立方程的个数的增多,解题运算会变得越来困难。而此次基础强化训练的主要内容是通过实践学习并掌握MATLAB语言工具，结合线性代数、电路原理等课程，强化、巩固专业理论基础，掌握MATLAB语言的编程技巧，为后续专业课程的仿真学习打下良好的基础，以解决更加复杂的电路问题等等。据了解，MATLAB语言的两个最显著特点，即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使它成为控制界应用最广的科学计算工具。此外，它还具有用于各种不同领域解决实际问题的计算工具箱。通过分析研究发现，用MATLAB语言进行电工、电子电路的分析、设计与仿真，简单、高效，可以避免复杂的数学计算编程(比如矩阵的计算)，并且借助其绘图函数可方便实现计算结果的可视化，若采用MATALAB进行电路的调试、仿真、验证，不仅省时、省力，而且还可以节约大量的成本。MATALB语言不但可作为从事电工、电子专业的技术人员提供强大的设计和论证方面的保障，也可以作为学习、了解掌握电工、电子知识的一种更方便、更可靠的开发工具，还可以作为大中专学校实践教学手段的一种扩充和补充，将其引入电工电子电路的教学和科研中，显得十分必要。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。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。2 训练要求2.1题目：图2-1所示示正弦交流电路中，已知V，R=10W，L=0. 1H，C=100mF。求电压is。图2-1 基本电路图2.2要求：1）用尽可能多的方法(计算/仿真)以求出题目的未知量；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）将仿真结果与理论计算进行对照，对仿真结果的正确性进行分析说明3 理论计算建立数学模型，确定公式与数学算法 输入函数与公式，编程，输出is的表达式与电路图 比较仿真与理论值计算，分析误差 结束根据题中电压源U的表达式可得角频率w图4-1 设计流程图4 设计分析4.1整体分析图2-1为一交流电压源经电容、电感、电阻串并联组成的简单一阶响应电路，题目要求求us输出的干路电流is。可以通过欧姆定律、基尔霍夫定律等一些基本电路定律列出干路电流is的表达式。然后通过在MATLAB中建立数学模型，通过一定的函数算法编程、仿真，输出结果，最后与理论值比较。4.2设计方案4.2.1理论编程要在交流电压源的供能下求得干路电流，需要求知电压源两端的负载大小，便可利用欧姆定律（电压、电流与阻抗的关系），计算出电路干路电流is。其计算公式基本如下：4.2.2 Simulink仿真通过Simulink库中所拥有的电气模型，连接题目的电路图，经过适当设置，及添加适当的测量元件，进行仿真，观察输出电流波形、相位是否符合理论计算的结果。 5 编程及仿真5.1理论编程5.1.1编程程序如下： clc %清除前面语句 Us=10*cos(pi/12)+j*10 *sin(pi/12) %给Us定义，复数形式表式w=100 %定义角频率以求得C、L的阻抗 R=10 %电阻阻抗 XC=1/(j*w*C) %电容阻抗XL=w*L*j %电感阻抗 X1=R+XC % RC支路阻抗值 X2=XL % L支路阻抗值 X=1/(1/X2)+(1/X3) )%电源U两端的总阻抗 Is=Us/X %欧姆定律 m=real(Is) %取所求Is的实部 n=imag(Is) %取所求Is的虚部du=atan(n/m) %求电流is的初相位（弧度制） t=0:1e-5:0.2;%定义时间段t is=sqrt(m2+n2)*sin(100*t+du);%将is的复数形式转变为三角函数 plot(t,Us)%输出Us的仿真波形图 plot(t,is)%输出is的仿真波形图5.1.2编程结果分析仿真结果图如图5-2根据图中数据，发现结果图形的特征点（包括峰值、零点）等基本点的数值基本符合理论值。图5-1 电压源的波形图5-2仿真结果电流波形图5.2 Simulink仿真5.2.1用Simulink仿真电路使用Simulink进行仿真一般分为两步：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，仿真开始，Simulink将根据所搭建的模型，模拟系统在设定条件下的具体行为。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5-1所示。图5-3 Simulink模型的典型结构1）总体电路图如下：图5-4仿真总电路图2）元件的查找：（1）AC Voltage Source是输出的函数v，其元件在SimPowerSysterms里的Electrical Sources库。（2）Series RLC Branch是RLC串联的支路，该支路元件在elements库中寻找。（3）Current Measurement是测量电流is的元件，其可以在SimPowerSystems的Measurements找到。（4）Scope是电路波形输出，输出电流is的波形，其可以在Simulink的Sinks里找到。3）元件的设置：电压源：图5-5 电压源参数设置RLC支路：在第一个支路中将Branch tybe选择为RC,设置RC参数R=10，C=1e-4；在第二个支路中将Branch tybe选择为L，L=1e-1。 图5-6 RC支路参数设置图5-7 L支路参数设置4）仿真结果：Scope的波形输出如图5-9所示：图5-8仿真is输出波形由以上电路仿真可见，电路的仿真所得结果和理论值(A)基本一样,从图中数据看，仿真达到了预期的效果，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。设计体会与小结利用MATLAB求解电路题目，不同的方法让我们见识到了MATLAB功能的强大。虽然现在接触到的只是它一方面的应用，而且还是比较简单的，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；科学领域的人工智能及医疗等的开发；工程图形的研究；应用发展包括图形用户界面设计等方面。MATLAB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。通过这几天对MATLAB相关知识的学习，对其有了一个大致的认识并能掌握简单的应用，解决一些简单的线性代数及电路问题。同时这也说明在今后的学习中，还需要加强自己对这款软件的学习。Matlab软件的应用广，还结合了以前的语言、线性代数、电路的基础，对以前的知识点也进行了回顾和复习。基本电路理论中的典型题目介绍了如何应用MATLAB语言编程的方法来对复杂电路进行分析和计算。该方法不仅可以节约计算时间、方便地调试电路参数,而且还可以非常直观地观察和测量电路中的电压、电流和功率等物理量。结论表明，MATLAB提供了高效简洁的编程方法, 其强大而简易的绘图功能、矩阵和数组运算能力以及很强的扩充性，能充分满足基本电路分析、计算的需要，从而可以大大地提高计算精度和工作效率，在电路理论学科研究与工程实践中具有很好的应用价值。总而言之，通过这次基础强化训练，我学到了许多东西。在不久的将来，我们肯定会有更多的机会与它打交道，在各个专业课也要经常用到它，所以我一定要把它学好，把理论结合实际，把用到的运用到实际生活当中去，用它来实现仿真与编程计算相结合，得出准确的结果。参考文献1朱金寿等主编线性代数华