专业基础实践Matlab运算与二阶动态电路分析

1、武汉理工大学专业基础实践课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信1306班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 课程设计名称：专业基础实践课程设计题目：Matlab运算与二阶动态电路分析初始条件：1. Matlab7.1以上版本软件；2. 专业基础实践辅导资料：“Matlab语言基础及使用入门”、“Matlab及在电子信息课程中的应用”、“线性代数”及“信号处理类”相关书籍等；3. 先修课程：高等数学、线性代数、电路、Matlab应用实践及信号处理类基础课程等。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. 实践内容：根据指导老师给定的7

2、套题目，按规定选择其中1套独立完成；2. 本专业基础实践统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目进行理论分析，完成针对具体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析，画出程序设计框图，编写程序代码（含注释），上机调试运行程序，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。具体设计要求包括： 初步了解Matlab、熟悉Matlab界面、进行简单操作等； Matlab的数值计算：创建矩阵、矩阵运算、多项式运算、线性方程组、数值统计等； 基本绘图函数：了解plot, plot3, mesh, surf等，要求掌握以上绘图函数的用法、简单图形标注、简单颜色设定等；

3、使用文本编辑器编辑m文件，会函数调用等； 能完成简单电路的Matlab编程分析； 按要求参加专业基础实践的实验演示和答辩等。3. 课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括： 目录； 与设计题目相关的理论分析、归纳和总结； 与设计内容相关的原理分析、建模、推导、可行性分析； 程序设计框图、程序代码（含注释）、程序运行结果和图表、实验结果分析和总结； 课程设计的心得体会（至少500字）； 参考文献（不少于5篇）； 其它必要内容等。时间安排：1周指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录MATLAB运算与二阶动态电路分析11. MATLA

4、B概述11.1 MATLAB简介11.2 MATLAB的功能11.3 MATLAB的应用22.设计内容32.1题一32.2题二42.3题三52.4题四62.5题五112.6题六132.7题七142.8题八162.9题九182.10题十202.11题十一213.心得体会254.参考文献26MATLAB运算与二阶动态电路分析1. MATLAB概述1.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB将数值分析、矩阵计算、科学数据可视

5、化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。1.2 MATLAB的功能（1）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线

6、性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。(2)出色的图形处理功能 图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。(3)应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不

7、同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱家族中有了自己的一席之地。 (4)实用的程序接口和发布平台 新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库以及图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和

8、C+的代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。(5)应用软件开发 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。1.3 MATLAB的应用MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理技术数字信号处理技术通讯系统设计与仿真财务与金融工程管理与调度优化计

9、算（运筹学）MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、 财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱扩展MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。2.设计内容2.1题一：求100,200之间第一个能被21整除的整数。2.1.1分析利用for循环语句控制，并结合rem函数求得符合条件的数。2.1.2程序编码图2.1.1 题一的程序编码2.1.3结果显示图2.1.2 题一的结果显示2.1.4 程序流程图图2.1.3 题一的程序流程图2.1.5结果分析利用for语句逐个取值，然后通过if语句对rem(n,21)=0进行判断满足条件时，循

10、环继续。不满足时，循环结束。输出n的值为105。2.2题二：绘制余弦曲线y=cos(x)和指数函数y=x2曲线。2.2.1分析在matlab中绘制函数图像有很多的函数可以完成。如：fplot函数，plot函数等，不同的函数使用规则是有区别的，合理使用任何一个画图函数得到预期的结果。2.2.2程序编码图2.2.1 题二余弦函数y=cos(x)程序编码图2.2.2 题二指数函数y=x2程序编码2.2.3结果显示 图2.2.3 题二余弦函数y=cos(x)曲线显示 图2.2.4 题二指数函数y=x2曲线显示2.2.4结果分析plot函数用于绘制二维图形，plot函数的基本调运格式为：plot(x,y

11、) 其中x,y为向量,可存储x坐标和y坐标数据。2.3题三：计算2+4+6.+100 的值，当和大于2000时终止计算。2.3.1分析利用for循环语句来起到累加的效果，并利用while语句来控制和大于2000时终止计算。2.3.2程序编码图2.3.1 题三的程序编码2.3.3结果显示图2.3.2 题三的结果显示2.3.4结果分析利用for语句使i从2到100逐个取值，利用y=y+i语句实现累加，利用if y2000语句最终达到题目要求，求得y=2070。2.4题四：分析下面每条指令的功能并运行，观察执行结果。2.4.1 X=0:0.25:3; Y=X.*exp(-X); plot(X,Y),

12、xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x);2.4.1.1分析X=0:0.25:3；得到以0.25为步长，取得0到3内的所有实数，确定自变量X的范围。利用plot函数画出函数Y的图像，并设置图像的一些基本性质。2.4.1.2结果显示图2.4.1 题4.1的结果显示2.4.2 题4.2程序编码图2.4.2 题4.2的程序编码2.4.2.1 分析zeros函数建立一个2*5全0矩阵赋给A，再将-4到5内的整数赋给A，形成新的矩阵。L=abs（A）4，获得新的矩阵L，通过逻辑函数islogical得到新的矩阵赋给X。2.4.2.2 结果显示图2.4.3 题4.2的结

13、果显示2.4.3 题4.3程序编码图2.4.4 题4.3的程序编码2.4.3.1分析先生成1至5和6至10的两行五列矩阵赋给A，再利用pow2函数的使用获得新的矩阵。pow2(A)的使用方法为A=2A。2.4.3.2结果显示图2.4.5 题4.3的结果显示2.4.4 题4.4程序编码图2.4.6 题4.4的程序编码2.4.4.1 分析zeros函数建立一个3*2全0矩阵赋给A，再将1到6内的整数赋给A，形成新的矩阵。将A中的每个元素以A=A*(1+i)进行运算，获得新的矩阵A，通过转置运算和共轭转置运算得到新的矩阵赋给A1和B1。2.4.4.2 结果显示图2.4.7 题4.4的结果显示(1)图

14、2.4.8 题4.4的结果显示(2)2.4.5 题4.5程序编码图2.4.9 题4.5的程序编码2.4.5.1分析ones函数建立一个2*3全1矩阵赋给A，建立一个2*2全1矩阵赋给B，再建立一个4阶单位矩阵赋给C；利用diag函数对C取对角元素作列向量，形成新的矩阵D。利用repmat函数将C矩阵复制为1*3块的矩阵，获得新的矩阵E。2.4.5.2 结果显示图2.4.10 题4.5的结果显示(1)图2.4.11 题4.5的结果显示(2)2.4.6 结果分析matlab中有多种生成矩阵的方法，以及矩阵的一些操作函数等。写代码的时候要注意分号的使用，若一个输出表达式后有分号，则只计算而不在com

15、mand窗口中显示出来。2.5题五：利用whileend循环结构编程求出1+3+5+101的值。2.5.1分析while语句的一般格式为：while(条件) 循环体语句 end。其执行过程为：若条件成立，则执行循环体语句，执行后再判断条件是否成立，如果不成立则跳出循环。2.5.2程序编码显示图2.5.1 题五的程序编码2.5.3程序流程图图2.5.2 题五的程序流程2.5.4结果显示图2.5.3 题五的结果显示2.5.5结果分析该题目从i=1开始，每循环一次其值加2，由sum=sun+i起到累加器的效果，一直到i101结束循环，最终结果为sum=2601。2.6题六：随机生成一个100003的

16、矩阵，并绘制其柱状图。2.6.1分析利用rand函数生成本题矩阵。该题生成一个10000*3的矩阵赋给a，再利用bar函数画一个a的二维条形图，即本题要求的柱状图。2.6.2程序编码显示图2.6.1 题六的程序编码由于10000过大，在有限的区域内显示10000*3的柱状图不清晰、不明显，为了方便观察柱状图的分布，将以上程序稍加修改，利用axis函数显示横轴由0到10，纵轴由0到1的区域的柱状图。修改程序显示如图2.6.2所示：图2.6.2 题六改进的程序编码2.6.3柱状图显示图2.6.3 题六结果显示图2.6.4 题六改进的结果显示2.6.4结果分析随机生成矩阵可用rand（m,n）来表示

17、，其中m代表行数，n代表列数。绘制柱状图可用bar函数表示。由图2.6.3可观察得10000*3的柱状图全局，但因其容量过大无法清晰观察，为此我截取一部分数据进行柱状图展示，如图2.6.4方便观察。2.7题七：利用switchcase编写以下程序某商场对顾客所购买的商品实行打折销售，标准如下(商品价格用price来表示)： price200 无折扣 200price500 5折扣 500price1000 10折扣 Price1000 15折扣输入所售商品的价格，求其实际销售价格。2.7.1分析switch语句根据表达式的取值不同，分别执行不同的语句，其语句格式为：switch 表达式 cas

18、e 表达式1 语句组1 case 表达式m 语句组m otherwise 语句组nend当表达式的值等于表达式1的值时，执行语句组1，当表达式的值等于表达式2的值时，执行语句组2，当表达式的值等于表达式m的值时，执行语句组m，当表达式的值不等于case所列的表达式的值时，执行语句组n。当任意一个分支的语句执行完成后，直接执行switch语句的下一句。这个题需要建立mfile文件，来将进行求解。2.7.2 M-file文件程序图2.7.1 题七的程序编码2.7.3结果显示图2.7.2 题七的结果显示2.7.4结果分析当输入100，fix(price/100)为1，符合case 0,1，rate等

19、于0，price=100*(1-0)=100。当输入345，fix(price/100)为3，符合case 2,3,4，rate等于5%，price=345*(1-5%)=327.7500。当输入780，fix(price/100)为7，符合case num2cell(5:9)，rate等于10%，price=780*(1-10%)=702。当输入1500，fix(price/100)为15，符合otherwise，rate等于15%，price=1500*(1-15%)=1275。2.8题八：利用函数调用编写函数文件，求半径r分别为0.5与5时圆的面积与周长。2.8.1分析在matlab中新

20、建Function-M-file,建立一个函数并保存到matlab文件夹中，输入程序求得结果。2.8.2函数文件图2.8.1 题八的程序定义图2.8.2 题八的程序编码2.8.3结果显示图2.8.3 题八的结果显示2.8.4结果分析本题先进行函数定义，利用function定义求面积和求周长公式，再来计算相关值时的结果。由此可见，半径r为0.5时，面积为0.7854，周长为3.1416；半径r为5时，面积为78.5398，周长为31.4159。2.9题九：已知，其中t的范围是0 10，计算y的微分和积分并给出曲线图。2.9.1分析分别利用diff，以及int函数求的函数的微分和积分，利用ezpl

21、ot画图函数得到函数的图像。注意此处e(-1)，用exp(-1)表示。2.9.2程序编码图2.9.1 题九的程序编码2.9.3结果显示 图2.9.2 题九的结果显示2.9.4曲线图展示图2.9.3 题九的图形显示2.9.5结果分析本题利用求导函数diff求得已知函数的微分，其结果如图2.9.2的第一个结果所示，由此可见该操作是正确的；再利用int函数求得已知函数的积分，其结果如图2.9.2的第二个结果所示，由此可见该操作也是正确的。2.10题十：编写程序，用plot(x,y)绘制下图所示曲线。 a) b)2.10.1分析观察第一个函数图像可以得到函数解析式为y=3*x+1，x的范围为：0=x=

22、5。画图时要标明x，y坐标轴，x轴坐标最小单位是0.5，y轴坐标最小单位是2。观察第二个函数图像，由两条直线组成：y1=-x+1，y2=2*x。纵坐标最小单位为：0.2，且范围为1,3，横坐标最小单位为0.1，范围为0,1。利用hold on语句在同一个坐标下画出两个函数的图像。2.10.2程序编码2.10.2.1第一个函数图像的程序编码图2.10.1 题10.1的程序编码2.10.2.2第二个函数图像的程序编程图2.10.2 题10.2的程序编码2.10.3结果显示 图2.10.3 题10.1的结果显示 图2.10.4题10.2的结果显示2.10.4结果分析本题我先求得两图的表达式，再根据表

23、达式编写程序，给定x的范围，再编辑表达式，最后利用plot函数绘制二维图形得到图2.10.3和图2.10.4与题目所给图形一致，因此该题编程正确。2.11题十一：在如图所示的二阶电路中，R=1k，,电容原先已充电。且。在t=0时开关S闭合。试求，绘出各曲线图；开关S闭合后的为多大？ 2.11.1分析由电路图及已知条件展开理论分析，当t0时，电路接通。此时电路的微分方程为： （2.1） （2.2）初始条件为： =10V （2.3）设对时间的一阶导数为p，则可得微分方程的特征方程为： （2.4）由求根公式求得其根为： （2.5） （2.6）又由已知条件可知，当时，特征根、是一对共轭复数，即： （2

24、.7） （2.8）其中：称之为振荡电路的衰减系数； 称之为振荡电路的衰减角频率； 称之为无阻尼自由振荡角频率，或浮振角频率。显然有，令，则有，如下图所示。图2.11.1 的关系图根据欧拉公式： （2.9） （2.10）可得： （2.11） （2.12）所以有： （2.13）根据上式可得： （2.14） （2.15） （2.16）2.11.2程序编码图2.11.2 题十一的程序编码2.11.3结果显示图2.11.3 题十一的结果显示2.11.4曲线图展示图2.11.4 题十一的图形显示2.11.5结果分析在2.11.1节中，已对电路进行分析计算，得到了，等的表达式，继而将表达式带入程序，通过编程

25、与运行来计算电流的最大值，最后得出开关S闭合后的=0.0051。再利用plot函数绘制二维图形如图2.11.4所示。3.心得体会经历了一个星期的查阅资料和理论分析，终于完成了专业基础实践的编程和报告。经历了这次课程设计，大大的提高了我的操作能力以及分析问题的能力，从中也学到了很多书面上所没有搞清楚的问题，也熟悉了应用Matlab这个软件来进行程序编程。通过这次课程设计，我学到了很多有用的知识，并加强了自己掌握和理解书本知识的能力，培养了自己的实际动手能力与综合设计能力，提高了自己的技术素质。这对以后的学习和工作都是非常有益的。入手这个题目后我查阅了相关的资料，先进行相关软件的基础使用方法，多试多练后开始着手本次课程设计的题目要求。在实验前我先熟悉了一下Matlab软件的一些操作和它的界面，对Matlab如何使用有了初步的了解。于是，我便在上面输