基础强化训练.doc

0武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书附件1：学 号： 0121009330209课 程 设 计题 目matlab在电路分析中的应用学 院自动化学院专 业自动化专业班 级自动化1002班姓 名储忠涛指导教师李浩2012年9月5日1武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 储忠涛 专业班级： 自动化1002班 指导教师： 李浩 工作单位： 武汉理工大学 题 目: matlab在电路分析中的应用 初始条件：（1） matlab6.5以上版本软件； （2） 课程设计辅导资料：“matlab语言基础及使用入门”、“matlab教程”、“matlab宝典”、“matlab及在电子信息课程中的应用”、matlab及其在理工课程中的应用指南等； (3) 先修课程：电路基础、模拟电路、数字电路、matlab应用实践及信号处理类课程等。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）熟悉matlab的相关界面以及操作，掌握matlab的数值计算、符号运算、 基本绘图等功能，使用文本编辑器编辑m文件，并且运行，熟悉simulink仿真环境；（2）对阻抗匹配网络进行原理分析、经过必要的推导建立数学模型，并求解得出正确的计算结果； （3）编写程序代码（含注释）； （4）上机调试运行程序，给出程序运行结果和图表、以及实验结果分析和总结；（5）采用WORD撰写课程设计说明书，说明书中涉及的表格、电路图、图形等采用Word、Visol、Autocad、matlab、simulink等软件绘制。说明书不少于8页（A4），课程设计的心得体会（至少500字）。时间安排：具体时间设 计 内 容7月1日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求7月3日开始查阅资料，完成系统的分析、建模、求解，上机熟悉matlab相关界面与基本操作。7月4日采用matlab语言编程，上机调试，得出实验结果7月6日撰写课程设计说明书7月7日上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日14 摘要 matlab在数学类科技领域有着广泛的应用。matlab拥有非常强大的功能，可以进行矩阵运算、仿真、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。此次基础强化训练，主要是运用matlab进行电路分析及仿真，由于所选题目比较简单，用到matlab的功能也比较少，比较容易得到了结果。最后用simulink功能进行仿真，以验证结果的正确性。 关键词：matlab，simulink，电路分析，仿真 目 录1 matlab简介.12 训练题目.23 基础强化训练的目的和要求.2 3.1训练目的.2 3.2训练要求.24 设计分析与方法.3 4.1 M文件编程仿真法.3 4.1.1 建立模型.4 4.1.2 编程及仿真.4 4.2 simulink建模仿真.55 结果析.106 心得体会.117 参考文献.128 附录.13 matlab 在电路分析中的应用1 matlab简介 matlab是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理计算系统环境,除了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等语言简捷得多.matlab是国际公认的优秀数学应用软件之一. 概括地讲,整个matlab系统由两部分组成,即matlab内核及辅助工具箱,两者的调用构成了matlab的强大功能.matlab语言以数组为基本数据单位,包括控制流语句,函数,数据结构,输入输出及面向对象等特点的高级语言,它具有以下主要特点: 1)运算符和库函数极其丰富,语言简洁,编程效率高,matlab除了提供和C语言一样的运算符号外,还提供广泛的矩阵和向量运算符.利用其运算符号和库函数可使其程序相当简短,两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN的程序功能. 2)既具有结构化的控制语句(如for循环,while循环,break语句,if语句和switch语句),又有面向对象的编程特性. 3)图形功能强大 它既包括对二维和三维数据可视化,图像处理,动画制作等高层次的绘图命令,也包括可以修改图形及编制完整图形界面的,低层次的绘图命令. 4)功能强大的工具箱 工具箱可分为两类: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的功能.而学科性工具箱是专业性比较强的,如优化工具箱,统计工具箱,控制工具箱,小波工具箱,图象处理工具箱,通信工具箱等。 2 训练题目 已知条件如图2，R1=7，R2=11,R3=7,Us2=70V,Us2=6V。求I1、I2、I3 。 图2 分析：通过读题，读图，可以了解到本题是在大一时电路基础课程所学的电流的回路法的基本应用，它是基于基尔霍夫电路定律运用。由于该电路是纯电阻网路，并且只有三个电阻，两个电压源，元件少，分析起来比较容易，首先选定方法，回路电压法，再通过假设流过每个回路的电流，然后列出方程，最后化简求解即可。3 基础强化训练的目的和要求 3.1训练目的： （1）本环节通过matlab语言的学习与强化训练，使学生能掌握matlab软件，从分析和解决线性代数、电路原理等课程中的基本理论问题入手，力图做到在后续专业课程学习中，能熟练应用matlab工具来分析和设计； （2）通过本环节巩固和深化已学课程的知识，培养学生综合运用这些知识，分析和解决实际问题，逐步树立正确的设计思想，培养严谨认真的科学态度和严谨务实的工作作风。 3.2训练要求： 运用matlab解决数值线性代数问题及matlab的实现；matlab在“电路工作原理”中的应用；matlab工具箱的运用。要求选其中的一道作为课设的题目，学会简单运用matlab。 通过训练，使学生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。熟练使用simulink模块设计仿真，以及各元件的作用和参数设定。通过上机试验仿真，进行调试，输出试验结果，并进行试验结果的记录和分析。4 设计分析与方法 图2是由直流电源和电阻组成的简单电路，可以运用网孔法解决此问题。电路也可用simulink进行仿真实验，并通过波形，数据测量等从而检测计算及编程的结果。 4.1 M文件编程仿真法 4.1.1建立数学模型 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。 如图2所示，由2个网孔和电流关系可列出如下方程组： 整理以上方程，并写成形如AX=BU的矩阵方程形式，可得： 将数值带入4.1.2 编程及仿真 matlab程序： Clear,close all; R1=7;R2=11;R3=7;Us1=70;Us2=6; a11=R1+R3;a12=R3；a13=0； a21=R3；a22=R2+R3;a23=0； a31=1;a32=1;a33=-1; b1=70;b2=6;b3=0; A=a11,a12,a13;a21,a22,a23;a31,a32,a33; B=b1;b2;b3; X=AB； i1=X(1) i2=X(2) i3=X(3) 将本程序存为dianlu.m 程序运行结果： 在command window下输入dianlu即可显示一下结果： ans= 图4 综上，图中所求的直流电流为：i1= 6A , i2= -2A , i3=4A 。 4.2 simulink建模仿真法使用simulink进行仿真一般分为两步：用户首先需要在仿真模型编辑窗口中搭建好自己的模型，设置好具体模型参数和仿真参数；然后用户就可以开始仿真，simulink将根据用户搭建的模型，模型系统在用户设定条件下的具体行为。对于建模，simulink提供了一个图形化的用户的界面（GUI），用户可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。simulink的所有模型是分级的，因此可以通过自上而下或者自下而上来建立模型。 进入matlab软件界面，选中“simulate”界面，选择Simpower Systoms，按照电路图，在里面找出图中的各元器件，此时要注意元器件和电压的数值，再按图连线，并在要求解的直流电流中加入电流表。并在sink中找到示波器，将其插入电路中，对电流表进行观察。图5图6图7 如图6中所示，修改各元件的参数值。如图6，修改电阻值，在RLC串联电路中设置 L=0,C=inf，并将题中电阻值输入R中，点击OK即可。电压值的修改，双击电源，看到如图7界面，输入符合数题中电压值，点击OK即可。 最后连好的仿真电路图如图8所示 图8 仿真后，I1的波形图如图9，I2的波形图如图10，I3的波形图如图11。图9图10图11 从波形仿真图图9、图10、图11可知，电流I1=6A,I2=-2A,I3=4A 。 5 结果分析 对于第一种方法，体现了对问题的思考，运用回路电压法，列出方程式，转化成矩阵的形式，然后进行编程，利用matlab软件进行计算分析，然后得出结果，只要思路对，很容易就能得出正确结果。 对于第二种方法，只需要在simulink中画出电路图，对元器件进行正确设置，即可进行仿真计算。 这两种处理方法都能得出正确结果，第一种方法相对要麻烦些，需要对电路进行分析编程。而第二种方法只需画出仿真电路，即可得出正确波形，结果。6 心得体会 matlab软件功能强大，学习起来也比较麻烦，但运用的时候却很方便。本设计是运用matlab求解电路题目，这只是它的一个简单的应用，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；科学和工程图形；应用发展包括图形用户界面设计等方面。 simulink是matlab软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它使用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非编程上。 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在科学计算领域已变得非常普及。 此次基础强化训练，运用matlab解决电路分析中的简单问题，从而学习如何应用matlab软件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。 这几天一直在学如何用matlab软件来分析电路，由于软件功能比较强大，所以学起来也并不轻松，在图书馆借了一些这方面的书籍，也在网上找了一些资料，但掌握的并不好。这款软件功能比较强大，以后用到的地方还很多，这几天学了一些，今后还会进一步学习运用。7 参考文献 1刘同娟.matlab建模、仿真及应用.中国电力出版社，1999年 2 薛定宇.控制系统计算机辅助设计-matlab语言及应用.清华大学出版社，1996年 3龚剑.matlab 入门与提高.清华大学出版社，2000年 4楼顺天.基于matlab的系统分析与设计.西安电子科大，1999年 5张志涌.精通matlab6.5.上海交大，2002年 6邱关源.电路第四版.高等教育出版社