MATLAB在电路中的应用.ppt

第12章利用MATLAB计算电路,2.电路传递函数及其频率特性；,3.MATLAB在基本电路中的应用.,重点：,1.MATLAB程序设计基础及概念；,12.1MATLAB的概述,MATLAB的由来,矩阵实验室，是一门高级计算机编程语言，具有强大的数值计算功能和仿真功能.,MATLAB的应用领域,线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理。,MATLAB的主要结构和功能,12.2MATLAB程序设计基础,MATLAB7.5桌面集成环境包括多个窗口：(1)命令窗口(CommandWindow)；(2)工作空间管理窗口(Workspace)；(3)命令历史窗口(CommandHistory)；(4)当前目录窗口(CurrentDirectory)，编译窗口、图形窗口和帮助窗口等其他种类的窗口。此外在MATLAB主窗口左下角，还有一个“Start”按钮。,1.MATLAB操作界面,（1）桌面,MATLAB7.5桌面集成环境,（2）命令窗口,命令窗口是MATLAB的主要交互窗口，用于输入命令并显示除图形以外的所有执行结果；,在默认设置下，命令窗口自动显示于MATLAB界面中，如果用户只想调出命令窗口，也可以选择DesktopDesktopLayoutCommandWindowOnly命令并显示除图形以外的所有执行结果；,MATLAB命令窗口中的“”为命令提示符，表示MATLAB正处于准备状态。在命令提示符后输入命令并按下回车键后就会执行所输入的命令，并在命令后面给出计算结果。,命令窗口环境,（3）工作空间管理窗口,工作空间管理窗口用来显示当前计算机内存中MATLAB变量的名称、数学结构、该变量的字节数及其类型，可对变量进行观察、编辑、保存和删除，在默认设置下，工作空间管理窗口自动显示于MATLAB界面中。,（4）命令历史窗口,命令历史窗口显示用户在命令窗口中所输入的每条命令的历史记录，并标明使用时间，方便用户查询。用户想再次执行某条已经执行过的命令，只需在命令历史窗口中双击该命令。要清除这些历史记录，可以选择Edit菜单中的ClearCommandHistory命令。,（5）当前目录窗口,在默认设置下，当前目录窗口自动显示于MATLAB桌面中，用户也可以选择DesktopCurrenDirectory命令调出或隐藏该命令窗口。当前目录窗口显示当前用户工作所在的路径。,（6）Start菜单,MATLAB7.5的主窗口左下角有一个“Start”按钮，单击该按钮会弹出一个菜单，选择其中的命令可以执行MATLAB产品的各种工具，并且可以查阅MATLAB包含的各种资源。,（7）编译窗口(MATLAB文本编辑窗口),编译窗口为用户提供了一个图形界面进行M文件的编写和调试。,启动MATLAB文本编辑器的3种方法,命令操作。在MATLAB命令窗口输入命令edit，启动MATLAB文本编辑器后，输入M文件的内容并存盘。,菜单操作。从MATLAB主窗口的File菜单中选择New菜单项，再选择M-file命令，屏幕上将出现MATLAB文本编辑器窗口。,命令按钮操作。单击MATLAB主窗口工具栏上的“NewM-File”命令按钮，启动MATLAB文本编辑器后，输入M文件的内容并存盘。,利用命令窗口和M文件进行编程。,例1.,建立函数文件将输入的参数加权相加。,解：编写M函数如下：functionf=wadd(x,y)globalALPHABETA%ALPHA,BETA在命令窗口和函数中都被声称为全局变量f=ALPHA*x+BETA*y;在命令窗口中调用函数，输入如下语句：globalALPHABETAALPHA=1;BETA=2;s=wadd(5,6)程序运行结果如下：s=17,2.程序控制结构,（1）顺序结构,1）数据的输入,从键盘输入数据，可以使用input函数来进行，该函数的调用格式为A=input(提示信息，选项)；其中提示信息为一个字符串，用于提示用户输入什么样的数据。如果在input函数调用时采用s选项，则允许用户输入一个字符串。例如，想输入一个人的姓名，可采用命令xm=input(Whatsyourname?,s);如果按回车键没有输入什么数据，则input返回一个空阵。,利用输入函数进行数据的输入。,例2.,通过检测一个空矩阵返回一个默认值。,解：编写M函数如下：reply=input(Doyouwantmore?Y/NY:,s);ifisempty(reply)reply=Yend,2.程序控制结构,（1）顺序结构,2）数据的输出,MATLAB提供的命令窗口输出函数主要有disp函数，其调用格式为：disp(输出项)其中输出项既可以为字符串，也可以为矩阵。,2.程序控制结构,（1）顺序结构,3）程序的暂停,暂停程序的执行可以使用pause函数，其调用格式为：pause(延迟秒数)如果省略延迟时间，直接使用pause，则将暂停程序，直到用户按任意键后程序继续执行。若要强行中止程序的运行可使用组合键Ctrl+C。,2.程序控制结构,（2）选择结构,1）单分支if语句,格式如下：if条件语句组end当条件成立时，则执行语句组，执行完之后执行if语句的后续语句，若条件不成立，则直接执行if语句的后续语句。,2.程序控制结构,（2）选择结构,2）多分支if语句,格式如下：if条件表达式1命令串1elseif条件表达式2命令串2else命令串3end,利用多分支if语句进行编程。,例3.,输入一个字符，若为大写字母，则输出其对应的小写字母；若为小写字母，则输出其对应的大写字母；若为数字字符，则输出其对应的数值；若为其他字符，则原样输出。,解：编写程序如下：c=input(请输入一个字符,s);ifc=Aend,3）switch语句,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case表达式1语句组1case表达式2语句组2case表达式m语句组motherwise语句组nend,利用switch语句进行数据的选择。,例4.,确定字符串。,解：MATLAB程序如下：method=Bilinear;switchlower(METHOD)caselinear,bilineardisp(Methodislinear)casecubicdisp(Methodiscubic)casenearestdisp(Methodisnearest)otherwisedisp(Unknownmethod.)end程序运行结果如下：Methodislinear,2.程序控制结构,（2）选择结构,4）try语句,语句格式为try语句组1catch语句组2endtry语句先试探性执行语句组1，如果语句组1在执行过程中出现错误，则将错误信息赋给保留的lasterr变量，并转去执行语句组2。,2.程序控制结构,（3）循环结构,1）for循环,for循环按照给出的范围或固定的次数重复完成一种运算。格式如下：for循环变量=表达式1:表达式2:表达式3循环体语句end,2.程序控制结构,（3）循环结构,1）for循环,循环变量可以为数组，命令被执行的次数等于数组a的列数，格式如下：for循环变量=数组循环体语句end,2.程序控制结构,（3）循环结构,2）while循环,while循环以不定次数求一组命令的值，基本格式如下：while条件表达式命令串end当条件满足时，执行命令串，否则跳出循环。,2.程序控制结构,（3）循环结构,3）break语句和continue语句,break语句和continue语句一般与if语句配合使用。break语句用于终止循环的执行。当在循环体内执行到该语句时，程序将跳出循环，执行循环语句的下一语句。continue语句控制跳过循环体中的某些语句。当在循环体内执行到该语句时，程序将跳过循环体中所有剩下的语句，继续下一次循环。,12.3电路的传递函数及频率特性,例5.,。,利用MATLAB进行电路传递函数的频域特性分析。,给定系统，其传递函数为，绘制其频率响应。,解：编写程序如下：a=10.41;b=0.20.31;w=logspace(-1,1);freqs(b,a,w),运行得到频率响应曲线,频域响应曲线,12.4MATLAB在基本电路中的应用例举,1.直流电路计算,如图所示电路，已知：R1=4,R2=2,R3=4,R4=8，is1=2A，is2=0.5A，负载RL为何值时能获得最大功率？研究在010范围内变化时，其吸收功率的情况。,例6.,利用MATLAB在矩阵运算中的优势，可以很好的解决复杂电路带来的计算问题，结合直流电路中节点电压分析法和戴维南定理进行举例。,解：这是涉及简单直流电路-戴维南定理的应用电路分析与计算。该电路不含受控源，仅含独立直流电流源。戴维南定理直接应用于简单直流电路的简单电路，可以使用网孔法、节点电压法等方法解决。在这里介绍使用节点电压法解此题。,图12-12直流电路,先求ao端以左的戴维南等效电路。首先用一个电流为ia的独立直流电流源代替电阻RL，以o点作为参考点，设其电位为零，其次设各个节点电压分别为u1,u2,ua，如图12-13所示,图12-13ao左端电路的戴维南等效电路图,图12-14戴维南等效电路,最后根据图12-13可以写出该电路的节点方程组如下所示：,将其写成矩阵形式如式12-4所示,编程思想为：令ia=0,is=2A,is2=0.5A，由式（12-4）解得u11，u21,ua1。因为ia=0，由（12-5）可得：uoc=ua1。再令is1=is2=0，ia=1A，仍由式（12-4）解得另一组u21，u22，ua2。由于内部独立电源is1=is2=0，故uoc=0。,其戴维南等效电路图如图12-14所示，方程为,当RL=Req时，RL获得最大功率，且最大功率的表达式,根据对题目的理论分析，编写MATLAB程序代码如下：clear,formatcompactR1=4;R2=2;R3=4;R4=8;%设置元件参数is1=2;is2=0.5;%按A*X=B*is列出此电路的矩阵方程。其中X=u1;u2;ua,is=is1;is2;iaa11=1/R1+1/R4;a12=-1/R1;a13=-1/R4;%设置系数矩阵Aa21=-1/R1;a22=1/R1+1/R2+1/R3;a23=-1/R3;a31=-1/R4;a32=-1/R3;a33=1/R3+1/R4;A=a11,a12,a13;a21,a22,a23;a31,a32,a33;B=1,1,0;0,0,0;0,-1,1;%设置系数矩阵B,%方法一：令ia=0,求Uoc=X1(3);再令is1=is2=0,设ia=1,求Req=ua/ia=X2(3)X1=AB*is1;is2;0;Uoc=X1(3)X2=AB*0;0;1;Req=X2(3)RL=Req;P=Uoc2*RL/(Req+RL)2%求其最大功率RL=0:0.01:10;P=(RL*Uoc./(Req+RL).*Uoc./(Req+RL);%设RL序列求其功率figure(1),plot(RL,P),grid%画出功耗随RL变化的曲线计算结果为：Uoc=5.0000Req=5.0000P=1.2500,功率随负载的变化曲线如下图所示,2.正弦稳态电路分析,如图12-13所示电路，求各支路的电流。,例7.,正弦稳态电路的分析计算比直流电阻电路更加复杂和繁琐，使用MATLAB可以让学生摆脱复杂枯燥的复数运算，把精力集中到电路原理的分析和方程组的列写当中。,图12-13,解：采用网孔电流法求解，设如图12-13所示3个网孔电流分别为，下面列写网孔的回路方程:,在网孔回路方程中，Zij是回路的自阻抗或互阻抗。用MATLAB语言编程实现上述计算,程序如下:,%输入初始参数R1=2;R2=2;R3=2;R4=2;C1=5e-4;C2=8e-4;L1=1e-3;L2=2e-3;w=1000;US=10;ZR1=R1;ZR2=R2;ZR3=R3;ZR4=R4;ZC1=1(j*w*C1);ZC2=1(j*w*C2);ZL1=j*w*L1;ZL2=j*w*L2;%计算方程组系数矩阵中各元素的值Z11=ZR1+ZR4+ZC2+ZL1;Z12=-ZR4;Z21=-ZR4;Z13=-ZC2;Z31=-ZC2;Z22=ZR2+ZR4+ZC1;Z23=-ZR2;Z33=ZR2+ZR3+ZC2+ZL2;Z32=-ZR2;,%组成方程组、求解结点电流A=Z11Z12Z13;Z21Z22Z23;Z31Z32Z33;B=0;US;0;I=AB。程序运行结果为:I1=1.4451-1.3276iI2=3.5402-1.7874iI3=1.0821-1.3621i,3.暂态电路分析,如图12-17所示电路中，S闭合前电路处于稳定状态，在t=0时S闭合，求S闭合后t0时电路中电容电压u(t)的值。,例8.,暂态电路主要研究电路的过渡过程，MATLAB提供了一种自适应变步长的4/5阶RKF数值积分算法的ODE45函数，在M文件中定义微分方程，然后在MATLAB命令中调用ODE45函数求解，并使用plot绘图函数画出变量的曲线。,图12-17,解：首先设电容电压u为未知量，根据换路定理得出:u(0+)=u(0-)=9v，再根据回路方程和电容的元件约束方程导出微分方程:du/dt=-0.13333u+0.45；u的初值为9。用MATLAB语言编程实现上述计算,首先在matlab中新建M文件定义函数，代码如下:functiondu=simulation(t,u);du=zeros(1,1);du=-0.13333*u+0.45000。然后将M文件保存并命名为bode,然后在matlab命令行中键入以下代码:,t,u=ode45(bode,040,9);%调用ODE45函数,设置时间范围,代入微分方程初值。plot(t,u,linewidth,1.5);grid;%绘图电容电压的波形如图12-18所示。,图12-18电容电压波形,12.5本章小结,对MATLAB的使用环境、程序设计基础做了简要的介绍，同时对电路传递函数和其频率特性做了简要阐述。通过在电路分析中的应用举例说明如何使用MATLAB其强大的计算功能和工具箱对各种电路求解问题进行辅助分析计算可以简化电路分析复杂的求解过程。,习题作业,12-1（T）；12-2；12-4。,