武汉理工大学 课程设计

基础强化训练任务书

学生姓名：胡宁恺专业班级：电气1104

指导教师：许湘莲工作单位：自动化学院

题目：MATLAB 在直流稳态电路分析中的应用

换路前图示电路已达稳态。试求i(t)，t≥0。

要求完成的主要任务:

1．用尽可能多的方法（理论计算、MATLAB编程计算、MATLAB建模和仿真）完成计算和仿真；

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．将仿真结果保存至工作空间并用plot指令绘制相应曲线；

4．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。

5. 书写报告，报告应包括电路分析计算、参数设计、MATLAB建模、仿真及结果分析、结束语、参考文献等部分。

时间安排：2013.7.1-7.7

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要 (1)

1 题目分析 (2)

1.1电路标识 (2)

1.2 电路分析 (2)

1.2.1 阶跃响应 (2)

1.2.2 电路理论分析 (3)

2 MATLAB编程与运行 (4)

2.1程序编写 (4)

2.2程序运行 (5)

3 Simulink进行建模仿真 (5)

3.1 Simulink原理 (5)

3.1.1 电阻、电感与电容 (6)

3.1.2 电源器件 (7)

3.1.3 测量器件 (7)

3.2 仿真元件选取 (8)

3.3 连接仿真电路 (10)

3.4 元件参数设 (10)

3.4.1 电阻参数的设定 (10)

3.4.2 电源参数的设定 (12)

3.4.3开关设定 (13)

3.5 Simulink仿真 (14)

3.5.1 电路（a） (14)

3.5.2 Simulink仿真结果分析 (14)

4 心得体会 (15)

参考文献 (16)

摘要

对于电气专业的学生而言，《电路基础》是一门基础性的必修课，学好这门课将为后续专业课程的学习打下坚实的基础。本文将用电路分析中基于基尔霍夫定律的网孔电流法、节点电压法对直流稳态电路进行分析求解。作为一款商业数学软件，MATLAB功能强大。MATLAB是Matrix Laboratory的简称，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可以进行矩阵运算、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，在工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域发挥了巨大的作用，极大地提高了工作效率。

关键字：MATLAB、编程、电路、仿真。

1 题目分析

1.1电路标识

换路前图示电路已达稳态。试求i(t)，t≥0。

由于题图没有对各电路元件进行明确的标识，不便于后续的电路理论分析说明，因此，我先对电路各元件进行标号。

左边支路电流为i

L ，右边支路电流为i

C

.

1.2 电路分析

1.2.1 阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。

稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是

指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。

1.2.2 电路理论分析

先算出i

L 和i

C

i L (0

+

)=60/(100+150)=0.24 A

u C (0

+

)=0.24*100=24 V i

C

(0

+

)=-24/100=-0.24 A

再求出时间常数t

t

RC

=RC=2 ms

t

RL

=L/R=1 ms

求出i

C (t)和i

L

(t)

i

C

(t)=-0.24e-500t A

i

l

(t)=0.24e-1000t A

得出i（t）=-i

C （t）-i

L

（t）=0.24（e-500t-e-1000t） A，t≥0

2 MATLAB编程与运行

2.1程序编写

新建一个M文件，在其中进行调试。调试确保程序准备后，在MATLAB软件的Command Window 中输入以下程序：

对于程序的几点说明：程序中r1 r2 r3是电路中从左往右的电阻。

u1是电源电压

l为电感

c为电容。

2.2程序运行

在MATLAB软件的Command Window中输入编写完成的程序，按回车键运行，弹出输出波形窗口。

如上图得出i1 i2 t1 t2.

3 Simulink进行建模仿真

3.1 Simulink原理

在Simulink Library Browser对话框工具栏单击新建按钮即可新建一个mdl文

件。

在Matlab软件的Simulink仿真工具中，电路仿真元件库SimPowerSystems的内部有基本连接件（Connectors）、电源

（Electrical Sources）、基本元器件（Elements）、特别元件（Extra

Library）、电机（Machines）、测量仪表（Measurements）和电力电子

（Power Electronics）7个子库。下面分别介绍电路系统仿真中常用

的电气元件。

3.1.1 电阻、电感与电容

由于在Matlab元器件库中，无单独的电阻、电感及电容元件，它们是以复合元件的形式出现在基本元器件

（SimPowerSystems/Elements）子库中，分别是并联RLC支路、并联

RLC负载、串联RLC支路和串联RLC负载4种形式，如图3.1.1所示。

通过设置RLC串联支路和RLC并联支路的参数可以获得独立电阻、电

感和电容，具体参数设置如表3.1.1所示。

图3.1.1 RLC

表3.1.1 独立电阻、电感和电容参数设置

3.1.2 电源器件

在SimPowerSystems/ElectricalSources电源库中有三相可编程电压源、三相电源、交流电流源、交流电压源、受控电流源、受控电压源

和直流电压源7个电源模块，如图3.1.2所示。

图3.1.2 电源器件库

由于在SimPowerSystems/ElectricalSources库中，没有提供直流电流源，在实际仿真应用中，可利用以下两种方法实现：

（1）使用数据库中的常数模块和受控电流源参数的合理设置来代替直流电流源。

（2）使用交流电流源，把其频率设为0，相位设为90，即可作为直流电流源。

3.1.3 测量器件

在Simulink测量元件库中有5种测量模块，分别是电流表（Current Measurement）、电压表（Voltage Measurement）、阻抗表（Impedance

Measurement）、万用表（Multimeter）以及三相电源伏安特性表

（Three-Phase V-I Measurement）如图3.1.3所示。

图3.1.3 测量器件

3.2 仿真元件选取

在Matlab工具栏上单击Simulink按钮，打开元器件库对话框。

电阻：在SimPowerSystems/Elements目录下选择Series RLC Branch，如图3.2-1所示，选中后右击，选择“Add to ”将元件添加到打开的

Model中，也可以直接将元件拖动入Model中，其他元件的添加也是如

此。

图3.2-1

直流电压源：在SimPowerSystems/Electrical Sources目录中选择DC Voltage Sources，如图3.2-2所示，添加到Model中。

图3.2-2

受控电压源：在SimPowerSystems/Electrical Sources目录中选择Controlled Voltage Sources,如图3.2-3所示，添加至Model中。

图3.2-3

受控电流源：在SimPowerSystems/Electrical Sources目录中选择Controlled Current Sources,如图3.2-4所示，添加至Model中。

图3.2-4

此外，可用Scope或Display显示仿真结果，本次仿真用到Scope 来显示，如图3.2-5所示，需要用直流电流表，如图3.2-6示，各元件

可在Simulink Library Browser对话框上方搜索框内输入名称进行搜索，搜索可设置为精确或模糊，搜索结果将显示于下方框内，如图3.2-7所示。

图3.2-5 图3.2-6

图3.2-7 搜索结果

注意到受控电流源、受控电压源有三个接口，需要用到线性放大器Gain，如图3.2-8所示。

图3.2-8

3.3 连接仿真电路

在Simulink Library Browser对话框上方工具栏单击新建按钮，即可新建一个.mdl文件。

按照题目电路图连接出对应的仿真电路，电路仿真电路如图3.3-1所示。

图3.3-1 电路仿真图

3.4 元件参数设

3.4.1 电阻参数的设定

在仿真电路图中双击Series RLC Branch打开参数设置对话框，将将“Branch type”设置为R,RL,RC.电阻就可以得出。

3.4.2 电源参数的设定

以60v恒压源为例，双击电源模块，打开参数设置对话框，具体参数设置如图3.4.2-1所示。受控电流源对话框中将Source Type设置为

DC。

图3.4.2-1

3.4.3开关设定

在开关上接入一个step控制开关在仿真的时候闭合

图3.4.3

3.5 Simulink仿真

3.5.1 电路（a）

电路模型搭建完毕后，在Model窗口菜单栏点击Simulation-Start，或者直接点击工具栏按钮即可开始仿真。

双击打开各示波器，调整XY轴坐标比例，得到仿真图

如图所示，横坐标为0.05时为t=0 符合得出的函数

3.5.2 Simulink仿真结果分析

由示波器读数可见，仿真结果与理论分析及Matlab软件编程计算结果高度一致，误差极小，仿真基本取得成功。

4 心得体会

通过这次基础强化训练，我对Matlab软件有了初步的了解，熟悉了Matlab在直流稳态电路分析中的应用，学会了用Matlab进行一些简单的数学计算，以及编写简单的Matlab程序并运行得到所需结果。本次训练虽说题目简易，但意义重大，Matlab给我们提供了一个解决工程分析问题的强大工具。

这次基础强化训练也锻炼了我网上查找资料的能力，及自学能力，对今后的工作学习生活有很大的裨益，同时激发了我的学习兴趣。

最后要说的是，写报告书这一环节极大地锻炼了我的Word运用能力，学会了以前不会的操作，在排版美观方面，也有了较强的意识。在撰写实验报告的时候，格式的要求非常的严格，字体的大小要求，段距，行距也都有统一的要求，开始时候没有注意到这一点，后来发现了，需要全部更改，工作量很大。

MATLAB软件在生活中应用广泛，它在以后的专业课程的学习中应用也是很广泛的，掌握好了MATLAB，这为以后的专业课程的学习将有很大的帮助。在以后的学习中，自己还要慢慢学习，慢慢探索，更好的掌握这个软件的运用，我会继续坚持学习。

参考文献

（1）邱关源.电路（第5版）.北京：高等教育出版社，2006,5

（2）Charles K.Alexander.电路基础.北京：清华大学出版社，2000

（3）潘晓辉.MATLAB 5.1 全攻略宝典.北京：中国水利水电出版社，2000 （4）同济大学数学系.工程数学-线性代数.北京：高等教育出版社，2007 （5）梅志红. MATLAB程序设计基础及其应用.北京：清华大学出版社，2005

本科生暑期基础强化训练成绩评定表