張思揚(yáng)　匡芳君

[摘要]引入MATLAB工具進(jìn)行電路分析教學(xué)探索與實(shí)踐,有利于使復(fù)雜電路的分析和計(jì)算變得非常快捷、方便,從而為電路分析提供一個(gè)有效的輔助工具。

[關(guān)鍵詞]MATLAB 電路分析 仿真

中圖分類號(hào):G71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0910193-02

在電路分析中,隨著電路規(guī)模的加大,微分方程階數(shù)以及聯(lián)立方程的個(gè)數(shù)增多,給解題運(yùn)算帶來(lái)一定困難。而MATLABA提供了高效簡(jiǎn)潔的編程方法,其強(qiáng)大而簡(jiǎn)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,能充分滿足基本電路分析、計(jì)算的需要,從而可以大大提高計(jì)算精度和工作效率,在電路分析研究與工程實(shí)踐中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。本文僅以一些典型電路為例,研究MATLAB在電路分析中的具體應(yīng)用。

一、MATLAB在直流穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用

例1:如圖1所示的電路中,已知C1=0.5F,R2=R3=2Ω,L4=1H;Us=10+10cost,Is(t)=5+5cos2t,求b,d兩點(diǎn)之間的電壓U(t)。

MATLAB程序源代碼:

% program daiweinan.m

Clear,format compact

% 置頻率及相應(yīng)的電壓、電流數(shù)組、各阻抗數(shù)組

w=[eps,1,2];us=[10,10,0];Is=[5,0,5];

z1=1/(0.5*w*j); z2=[2,2,2]; z3=[2,2,2]; z4=1*w*j;

uoc=(z2/(z1+z2)-z4/(z3+z4))*us; % 求開路電壓

zeq=z3*z4/(z3+z4)+z1*z2/(z1+z2); % 求等效內(nèi)阻

u=Is.*zeq+uoc; % 按等效電路求u

disp(' w umphi') % 顯示各分量的值

disp([w',abs(u'),angle(u')*180/pi])

程序運(yùn)行結(jié)果:

wumphi

0.0000 10.00000

1.00003.1623-18.4349

2.00007.0711 -8.1301

由此可以寫出U(t)的表示式:U(t)=10+3.1623cos(t-18.4349)+7.071

1cos(2t-8.1301)

二、MATLAB在直流暫態(tài)電路的應(yīng)用

例2:如圖2所示的電路,已知R1=3Ω,R2=12Ω,R3=6Ω,C=1F,Is=3A,Us=18V,C=1F。在t<0時(shí),開關(guān)K位于1,電路處于穩(wěn)態(tài),在t=0時(shí),開關(guān)K閉合到2,求Uc和IR2的響應(yīng),畫出它們的波形。

MATLAB程序源代碼:

% program zhiliuzhantai.m

r1=3;us=18;is=3;r2=12;r3=6;C=1; % 給出原始數(shù)據(jù)

uc0=-12;ir20=uc0/r2;ir30=uc0/r3; % 算出初值

ic0=is-ir20-ir30;ir2f=is*r3/(r2+r3); % 算出終值

ir3f=is*r2/(r2+r3);ucf=ir2f*r2;icf=0;

T=[[-2:0]-eps,0:15];% 注意時(shí)間數(shù)組的設(shè)置,在t=0附近設(shè)兩個(gè)點(diǎn)

uc(1:3)=-12;ir2(1:3)=is;% t<0時(shí)的值

T=r2*r3/(r2+r3)*C; % 求充電時(shí)常數(shù)

uc(4:19)=ucf+(uc0-ucf)*exp(-t(4:19)/T);

ir2(4:19)=ir2f+(ir20-ir2f)*exp(-t(4:19)/T);% 用三要素法求輸出

subplot(2,1,1);h1=plot(t,uc), grid,set(h1,'linewidth',2)% 繪uc圖并加大線寬

text(-2,15,'uc'),subplot(2,1,2),h2=plot(t,ir2); % 繪ir2圖

grid,set(h2,'linewidth',2)

text(-2,2.5,'ir2')% 標(biāo)注

set(gcf,'color','w') % 置圖形背景色為白色

程序運(yùn)行結(jié)果見圖3:

三、MATLAB在交流穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用

例3:在圖4所示的電路中,R=5Ω,ωL=3Ω,1/ωC=5Ω,Uc=10∠300,求Ir,Ic,I和UL,Us。并畫出其相量圖。

MATLAB程序源代碼:

% program jiaoliuwentai.m

z1=3*j;z2=5;z3=-2j;uc=10*exp(30j*pi/180);

z23=z2*z3/(z2+z3);z=z1+z23; % 交流電路方程

Ir=uc/z2,Ic=uc/z3,I=Ic+Ir,uL=I*z1,us=I*z

disp(' uc IrIc I uL us')

disp('幅值'),disp(abs([uc,Ir,Ic,I,uL,us]))

disp('相角'),disp(angle([uc,Ir,Ic,I,uL,us])*180/pi)

ha=compass([uc,Ir,Ic,I,uL,us]);

Set(ha,'linewidth',3)

程序運(yùn)行結(jié)果見圖5:

uc Ir IcI uL us

幅值10.00002.00005.0000 5.385216.1555 7.8102

相角30.000030.0000120.000098.1986-171.8014159.8056

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過電路分析中的典型例題介紹了如何應(yīng)用MATLAB軟件編程對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行分析和計(jì)算。實(shí)踐表明,在電路分析中引入MATLAB不僅可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間、方便調(diào)試電路參數(shù),而且可以直觀地測(cè)量電路中電壓、電流和功率等物理量,從而大大提高計(jì)算精度,縮短編程時(shí)間,提高工作效率。

參考文獻(xiàn):

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[2]王洪元,MATLAB語(yǔ)言及其在電子信息工程中的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3]丁衛(wèi)民,MATLAB在電類課程中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2007(18):256-258.

作者簡(jiǎn)介:

張思揚(yáng)(1973-),男,湖南衡陽(yáng)人,湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院電子信息工程系,講師,碩士研究生,從事電工電子學(xué)方面的教學(xué)與研究。