基于MATLAB GUI 的線性動態(tài)電路分析論文.doc

論文（設(shè)計）題目基于MATLAB-GUI的線性動態(tài)電路分析學(xué)生姓名：所在院系：機電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育導(dǎo)師姓名：完成時間：摘要在電路分析中,對線性動態(tài)電路的分析方法一般是經(jīng)典法和拉普拉斯變換法。不過對于較高階的動態(tài)電路,用這些方法就會比較繁瑣。而本文設(shè)計了一種新的方法-伴隨網(wǎng)絡(luò)法。這種方法是把動態(tài)電路的過渡過程時間t0T劃分成若干時間間隔t，把動態(tài)元件電感L和電容C用相應(yīng)的離散模型來取代，經(jīng)過代換后的電路稱為原電路的伴隨網(wǎng)絡(luò)。因而對該時間間隔內(nèi)相應(yīng)伴隨網(wǎng)絡(luò)的分析可視為穩(wěn)態(tài)電路分析。不過這種方法需要多次重復(fù)計算,若由人來計算就會相當?shù)膹?fù)雜。所以我們利用MATLAB軟件來進行編程，把計算工作交給計算機。這樣就可以方便快捷地算出結(jié)果。為了使軟件的界面更加友好，我們利用MATLAB自帶的GUI工具做了一個圖形用戶界面。用戶只需要按照界面的要求進行元件參數(shù)和支路編號的輸入，運行后即可在屏幕上顯示GUI界面下的輸出電壓波形和電流波形。關(guān)鍵詞：伴隨網(wǎng)絡(luò)法，圖形用戶界面，離散模型AbstractGenerally,themethodofthelineardynamiccircuitanalysisistheClassicandLaplacetransformmethodincircuitanalysis.Butthesemethodswillbecomplextothehigh-levellineardynamiccircuit.Inthisarticlewedesignanewmethod-accompanyingnetworkmethod.Thismethoddividedthetime(t0T)oftransitionalprocessofdynamiccircuitintoanumberofintervalst,ThedynamiccomponentinductanceLandcapacitanceCwiththecorrespondingdiscretemodeltoreplace,aftersubstitutionofthecircuit,theoriginalcircuitiscalledaccompanyingnetwork.Sotheanalysisofaccompanyingnetworkcouldbedeemedassteady-stateanalysis.However,thetimesofcalculationaresomany.Itwillbetoocomplextocalculateitbypeople.Therefore,weuseMATLABtoprogram.Bydoingthis,itwillbeconvenienttoobtaintheresults.Atthesametime,inordertogetamorefriendlyinterface,Ialsousethetools(GUI)ofMATLABmadeagraphicaluserinterface.Theuseronlyneedstoinputtheparameterofthecomponentsandthenumberofbranchesaccordingtotherequirementoftheinterface.Aftertherunning,itcouldoutputthevoltageandcurrentwaveformsontheGUIinterface.Keywords：accompanyingnetwork,graphicuserinterface,目錄1緒論.12線性動態(tài)電路分析的常用方法.22.1經(jīng)典法.22.2拉普拉斯變換法.23電路分析中常用的仿真軟件.23.1PSPICE和SABER.23.1.1PSPICE簡介.23.1.2SABER簡介.33.2MATLAB.43.2.1MATLAB簡介.43.2.2MATLAB-GUI簡介.54伴隨網(wǎng)絡(luò)法.74.1動態(tài)元件的離散模型.74.1.1電容C的伴隨網(wǎng)絡(luò)模型.74.1.2電感L的伴隨網(wǎng)絡(luò)模型.84.2伴隨網(wǎng)絡(luò)法分析瞬態(tài)電路的步驟.85伴隨網(wǎng)絡(luò)法的MATLAB編程實現(xiàn).85.1程序流程圖.95.1.1主程序流程圖.95.1.2GUI程序流程圖.105.2算例分析.105.2.1輸入?yún)?shù).115.2.2GUI輸出參數(shù).126結(jié)語.13致謝.14參考文獻.15附錄.161緒論通常情況下，我們對一個線性動態(tài)電路進行瞬態(tài)分析往往采用的是經(jīng)典法，即列寫出電路的時域微分方程并求解,得出電感電流或者電容電壓,然后再根據(jù)各支路間的約束關(guān)系進一步求得其它各支路的電壓或電流。眾所周知在經(jīng)典法中，如果電路中只含有一個動態(tài)元件(電感或電容),那么列出的方程是一階微分方程,其求解過程相對簡單；但如果電路中含有兩個或兩個以上的動態(tài)元件，則所列出的方程將會是二階或高階微分方程，其求解過程會很麻煩，工作量很大。有鑒于此，人們又考慮采用積分變換的方法，利用拉普拉斯變換把已知的時域函數(shù)變換為頻域函數(shù)，從而把時域的微分方程化為頻域的代數(shù)方程。求出頻域函數(shù)后，再作拉普拉斯反變換，返回時域，從而求得滿足電路初始條件的原微分方程的解，且不需要確定積分常數(shù)1。但該方法同樣也存在運算量大的問題，尤其是對于含有多個動態(tài)元件的高階復(fù)雜動態(tài)電路，并且計算得出的結(jié)果很不直觀，無法清晰地看出在過渡過程中各電量隨時間變化的規(guī)律。本文就是從這個意義上出發(fā)，探索出一種線性電路瞬態(tài)分析的新方法伴隨網(wǎng)絡(luò)法。伴隨網(wǎng)絡(luò)法從建立電路方程開始，就設(shè)法避開微分方程。它把動態(tài)電路的過渡過程時間t0T劃分成若干時間間隔t，把動態(tài)元件電感L和電容C用相應(yīng)的離散模型來取代，經(jīng)過代換后的電路稱為原電路的伴隨網(wǎng)絡(luò)。對于每一個時間間隔t而言，在伴隨網(wǎng)絡(luò)中，不再含有動態(tài)元件，取而代之的是動態(tài)元件L、C的離散模型，因而對該時間間隔下相應(yīng)伴隨網(wǎng)絡(luò)的分析可視為穩(wěn)態(tài)電路分析。也就是說，通過伴隨網(wǎng)絡(luò)法，可以將瞬態(tài)電路分析歸結(jié)為一系列不同離散時刻下電阻網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)分析。在對每一個離散時刻下的電阻網(wǎng)絡(luò)進行方程列寫時采用的是改進結(jié)點法，所列出的線性方程組采用的是電路方程的矩陣型式。其中結(jié)點電壓方程矩陣的建立是采用的直接添加法，方程系數(shù)矩陣及右端項的元素并非整體形成，而是采用逐次掃描電路中的每一個支路元件，分別添加它們對方程的貢獻的方法。建立方程伊始，方程系數(shù)矩陣及右端項全部為零元素所填充，每掃描一個元件，就將它對方程的貢獻填到合適的位置，這樣逐次掃描，逐次添加，直至網(wǎng)絡(luò)中每一條支路均被掃描，網(wǎng)絡(luò)方程便被建立起來。當然整個網(wǎng)絡(luò)方程的建立和求解都是借助于計算機并由MATLAB軟件編程實現(xiàn)的，充分利用了該軟件強大的數(shù)值計算功能和圖形輸出能力，力求更加方便直觀。整個電路矩陣的建立也采用的是框架式結(jié)構(gòu)，即電路規(guī)模、結(jié)點數(shù)、支路數(shù)以及各支路元件參數(shù)均由使用者自行輸入，待分析支路的編號也由使用者輸入，運行后即可直接顯示出待求支路的電壓和電流波形。同時為了使輸入輸出界面更加友好，我還利用MATLAB自帶的GUI工具作了一個圖形用戶界面，用戶只需要按照界面的要求進行網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)和待分析支路編號的輸入，運行后即可在屏幕上顯示GUI界面下的輸出電壓和電流波形。簡單方便，清晰直觀。2線性動態(tài)電路分析的常用方法我們知道，對于動態(tài)電路的分析常用的方法有經(jīng)典法和拉普拉斯變換法。對于經(jīng)典法，我們常用來求解一些低階的微分方程。運用拉普拉斯變換法可以求解一些較高階的微分方程。2.1經(jīng)典法對于僅含一個動態(tài)元件的簡單電路,結(jié)合所給電路模型,根據(jù)KCL(基爾霍夫電流定律)、KVL(基爾霍夫電壓定律)和支路的VCR(電壓電流關(guān)系)建立描述電路的方程,建立的方程是以時間為自變量的線性常微分方程,然后求解常微分方程,從而得到電路所求變量(電壓或電流)。2.2拉普拉斯變換法對于具有多個動態(tài)元件的高階線性動態(tài)電路,用直接求解微分方程的方法比較困難。例如對于一個n階方程,直接求解時需要知道變量及其各階導(dǎo)數(shù)在t=0+時刻的值,而電路中給定的初始狀態(tài)是各電容電壓和電感電流在t=0+時刻的值,從這些值求得所需初始條件的工作量很大。于是人們通過拉氏變換,把已知的時域函數(shù)變換為頻域函數(shù),從而把時域的微分方程組轉(zhuǎn)化為頻域的代數(shù)方程組,求解代數(shù)方程組得到頻域解后，再經(jīng)拉普拉斯反變換返回時域，可以得到滿足電路初始條件的原微分方程組的解,而不需要確定積分常數(shù)。因此，拉普拉斯變換是求解高階復(fù)雜動態(tài)電路的有效而且重要的方法之一。3電路分析中常用的仿真軟件目前國內(nèi)外常用的電路仿真軟件有PSPICE、SABER和MATLAB等一些軟件。這些軟件都有各自強大的功能，在不同領(lǐng)域有著各自的特點,現(xiàn)在將其介紹如下:3