MATLAB-《基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練》--武漢理工大學(xué)自動化級

1、 武漢理工大學(xué)?根底強(qiáng)化訓(xùn)練?課程設(shè)計說明書前言 MATLAB 是美國MATHWORKS公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和SIMULINK兩大局部。MATLAB是矩陣實驗室Matrix Laboratory的簡稱。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)立用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的根本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常

2、用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也參加了對C ，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶的交互接口是基于windows模型化圖形輸入，使得用戶可以把更多的

3、精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非編程上。目前MATHWORKS公司已經(jīng)把SIMULINK開展成一個一系列產(chǎn)品。本實驗室基于MATLAB軟件，運(yùn)用其解決電路根底的一些簡單知識，從而學(xué)會簡單運(yùn)用MATLAB軟件，為以后更好的掌握這款軟件打下根底。目錄前言1目錄2一MATLAB在電路中的簡單應(yīng)用31訓(xùn)練要求32設(shè)計分析43編程及仿真63.1程序編寫及模塊分析63.2用simulink仿真電路7二.設(shè)計體會與小結(jié)11參考文獻(xiàn)12MATLAB在電路中的簡單應(yīng)用訓(xùn)練要求運(yùn)用MATLAB解決數(shù)值線性代數(shù)問題及MATLAB的實現(xiàn)；MATLAB在“電路工作原理中的應(yīng)用；MATLAB工具箱的運(yùn)用。要求選其中的一道作

4、為課設(shè)的題目，學(xué)會簡單運(yùn)用MATLAB。根本電路是電類專業(yè)非常重要的專業(yè)根本課,其中,線性含源一端口的戴維南定理及正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析計算是大家普遍反映難于理解的內(nèi)容。本文以根本電路理論中典型的直流電阻電路和含有復(fù)數(shù)運(yùn)算的正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析計算為例，詳述了如何分別運(yùn)用MATLAB語言編程的方法來對電路進(jìn)行仿真分析和計算。結(jié)論說明，應(yīng)用這兩種方法可以使復(fù)雜電路的分析和計算變得非常快捷、方便，從而為電路分析提供了一個有效的輔助工具。下面是運(yùn)用MATLAB編程并結(jié)合simulink解決簡單的電路問題。自選題目：圖1所示為典型的直流電阻電路3, 含有電壓控制的受控電流源VCCS，其中，R1=1,R2=

5、2, R3=3,US=10V, IS=15A, VCCS=，現(xiàn)需分析計算電流i1和電壓u2。圖1題目的電路圖設(shè)計分析圖一是由壓控電流源等組成的簡單電路，運(yùn)用回路電流法，網(wǎng)孔法，節(jié)點法等一些經(jīng)典的電路分析法即可解決此問題。電路也可用simulink進(jìn)行仿真實驗，并通過波形，數(shù)據(jù)測量等從而檢測計算及編程的結(jié)果。(1)根本電路分析的根本方法是先建立數(shù)學(xué)模型，一般是電路方程組。然后通過求解方程組，得到各支路電壓和電流。如圖所示：設(shè)三個回路的電流分別為Im1，Im2，Im3。并設(shè)壓控電流源的電壓為U3。對圖1應(yīng)用回路電流法，可列出如下方程組：R11Im1+R12Im2+R13Im3 =Us11R21m1

6、+R22Im2+R23Im3 =Us22R31Im1+R32Im2+R33Im3=Us33其中，R11 = R1+R2 ,R22 = R1+R3 ,R33 = R2+R3, R12 = R21= -R1 ,R13 = R31= -R2,R23 = R32= -R3,Us11=US ,Us22=U1,Us33=-U3而 I1的電流由Im1和Im2決定的，而I1的電流方向與Im1相同，與Im2的電流方向相反，故為Im1減去Im2，整理以上方程，并寫成形如AX=BU的矩陣方程形式，可得：          由以

7、上回路電流分析法的分析過程可得以下程序流程圖。設(shè)參數(shù)，并賦予參數(shù)值與題中所給的要求一致為系數(shù)矩陣中個元素賦值，并得出系數(shù)矩陣，為下面計算作準(zhǔn)備由得出矩陣的計算公式，并列出I1，U2的表達(dá)式開始結(jié)束 圖2程序流程圖(2)用simulink仿真以上電路，并觀測波形，測量數(shù)據(jù)。I1，U2的測量結(jié)果再和程序的結(jié)果相比擬，假設(shè)相同，那么說明電路仿真和程序編寫多是正確的；假設(shè)不同，那么說明電路的仿真與程序編寫至少一個有問題，認(rèn)真檢查程序及電路的仿真，找出錯誤，認(rèn)真分析，糾正錯誤，在比擬結(jié)果。使用simulink進(jìn)行仿真一般分為兩步：用戶首先需要在仿真模型編輯窗口中搭建好自己的模型，設(shè)置好具體模型參數(shù)和仿真

8、參數(shù)；然后用戶就可以開始仿真，simulink將根據(jù)用戶搭建的模型，模型系統(tǒng)在用戶設(shè)定條件下的具體行為。對于建模，simulink提供了一個圖形化的用戶的界面GUI，用戶可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。simulink的所有模型是分級的，因此可以通過自上而下或者自下而上來建立模型。編程及仿真.程序編寫及模塊分析程序如下：>> clear;US=10;IS=15;R1=1;R2=2;R3=3; %為給定元件賦值R11=R1+R2;R12=-R1;R21=-R1;R13=-R2;R31=-R2; R22=R1+R3;R23=-R3;R32=-R3;R33=R2+R3; %為下面系數(shù)

9、矩陣A各元素賦值作準(zhǔn)備，A=R11 R13 0 0;R21 R23 -1 0;R31 R33 0 1;0.25*R2 1-0.25*R20 0; %列出系數(shù)矩陣AB=1 -R12;0 -R22;0 -R32;0 0;USS=US;IS; %列出系數(shù)矩陣BX=AB*USS; %由方程AX=BU解出XI1=X(1)-IS %顯示要求的分量I1和U2 U2=2*(X(1)-X(2)運(yùn)行結(jié)果顯示有I1 =-10.0000U2 =20程序分析：程序由2.1節(jié)的設(shè)計思路分析所得：開始先給元件與電路圖相對應(yīng)賦值，因為MATLAB編程計算矩陣的，所以此賦值是必須的，其為下面的的系數(shù)矩陣賦值作準(zhǔn)備。由以上的元件

10、賦值可得形如AX=BU矩陣方程形式的系數(shù)矩陣，這樣使得A，B，U矩陣變得。MATLAB提供了兩種除法運(yùn)算：左除和右除，一般情況下，X=AB是方程A*X=B的解，而X=B/A是方程X*A=B的解。在傳統(tǒng)的MATLAB算法中，右除是先計算矩陣的逆再相乘，而左除那么不需要計算矩陣直接進(jìn)行除運(yùn)算。通常右除快一點，但左除可防止被除矩陣的奇異性所帶來的麻煩。由上所述，由公式X=AB*USS可求得。以上所得矩陣的元素有：Im1，Im3，U1，U3。這四個元素在矩陣中的順序也如此?？梢奨(1Im1，X2Im3，由第二節(jié)的分析知I1=Im1-IS，U2R2*Im1Im3，而R2=2，可見程序的最后兩行I1=X(

11、1)-IS，U2=2*(X(1)-X(2)和以上的分析一樣。程序運(yùn)行后，得到I1，U2的值，并顯示出來。與題中要求所求的一樣，程序編寫正確，并正常運(yùn)行，與預(yù)期一樣。.用simulink仿真電路總體電路如下圖3原電路圖的仿真圖仿真電路圖說明：圖3與實際的電路圖對應(yīng)，下面對以上進(jìn)行簡單說明：I1measurement為測量電流I1的器件。其輸出電流I1；U2measurement1為R2兩端電壓即U2的測量器件，其輸出U2；gain為實現(xiàn)增益局部，在電路中值設(shè)為1/4，因為U2/4為壓控電流源，受U2控制，增益為1/4。電路其余局部與實際電路差不多，值設(shè)置也一樣。圖4電路及顯示完整圖圖4電路說明：

12、圖4與圖3相比，增加了一些顯示必須器件。圖三中的I1電流顯示和U2電壓顯示局部由英文名為display的元件組成，相當(dāng)于電流表及電壓表，可以看出他們分別顯示-10，20?？梢娊Y(jié)果和MATLAB編程結(jié)果一樣。Scope的前面的模塊為MUX模塊，它實現(xiàn)了同時測量多個波形的功能。I1與U2同時接入MUX模塊，再由MUX模塊輸出到scope，即可顯示所要求的波形，由scope輸出波形。Scope為電路波形輸出模塊，如圖5所示波形輸出。上面為U2輸出，下面為I1輸出，可見輸出波形的值顯示與圖三中所測得的U2，I1值一樣。圖5U2及I1的顯示波形由以上電路仿真可見，電路的編程求解及仿真所得結(jié)果一樣。都到達(dá)

13、了預(yù)期的效果，可見編程及電路仿真沒有問題。MATLAB與simulink的結(jié)合運(yùn)用是電路求解問題得以簡化，使電路求解問題省時且精煉，精簡。4.設(shè)計體會與小結(jié)MATLAB軟件功能強(qiáng)大，本設(shè)計是運(yùn)用MATLAB求解電路題目，這只是它的一個簡單的應(yīng)用，MATLAB還在多方面有應(yīng)用，如數(shù)學(xué)和計算算術(shù)開展模型；模擬仿真和原型；數(shù)據(jù)分析，開發(fā)和可視化；科學(xué)和工程圖形；應(yīng)用開展包括圖形用戶界面設(shè)計等方面。由于時間問題，不能一一舉例，只有自己在以后的學(xué)習(xí)中慢慢學(xué)習(xí)，自己探索，更好的掌握這款軟件。MATLAB語言是一種簡單，高效，功能極強(qiáng)的高級語言，且具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和極高的編程效率，這一方面使得MATL

14、AB程序可以被高度向量化，另一方面使得程序易讀易寫。MATLAB已變得非常普及。通過這幾天對MATLAB的學(xué)習(xí)，對其有了一個大致的認(rèn)識并能簡單的應(yīng)用，解決一些簡單的線性代數(shù)及電路問題，當(dāng)然在今后的學(xué)習(xí)中，還會加強(qiáng)自己對這款軟件的學(xué)習(xí)，應(yīng)為這款軟件應(yīng)用太廣，且自己對語言會，而且有線性代數(shù)的根底，個人認(rèn)為掌握MATLAB這款軟件不是問題?？煲M(jìn)入大四，MATLAB這款軟件在以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)中的應(yīng)用很廣泛，掌握好MATLAB，為以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)將有很大的幫助。通過根本電路理論中的典型題目介紹了如何應(yīng)用MATLAB語言編程的方法來對復(fù)雜電路進(jìn)行分析和計算。該方法不僅可以節(jié)約計算時間、方便地調(diào)試電路參數(shù),而且還可以非常直觀地觀察和測量電路中的電壓、電流和功率等物理量。結(jié)論說明，MATLAB提供了高效簡潔的編程方法, 其強(qiáng)大而簡易的繪圖功能、矩陣和數(shù)組運(yùn)算能力以及很強(qiáng)的擴(kuò)充性，能充分滿足根本電路分析、計算的需要，從而可以大大地提高計算精度和工作效率，在電路理論學(xué)科研究與工程實踐中具有很好的應(yīng)用價值參考文獻(xiàn) 張志勇，等。精通MATLAB6.5版。北京北京航空航天大學(xué)出版社，2003 蒲俊，等。MATLAB