專業(yè)基礎實踐Matlab運算與二階動態(tài)電路分析

1、武漢理工大學專業(yè)基礎實踐課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 電信1306班 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 課程設計名稱：專業(yè)基礎實踐課程設計題目：Matlab運算與二階動態(tài)電路分析初始條件：1. Matlab7.1以上版本軟件；2. 專業(yè)基礎實踐輔導資料：“Matlab語言基礎及使用入門”、“Matlab及在電子信息課程中的應用”、“線性代數(shù)”及“信號處理類”相關書籍等；3. 先修課程：高等數(shù)學、線性代數(shù)、電路、Matlab應用實踐及信號處理類基礎課程等。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 實踐內(nèi)容：根據(jù)指導老師給定的7

2、套題目，按規(guī)定選擇其中1套獨立完成；2. 本專業(yè)基礎實踐統(tǒng)一技術(shù)要求：研讀輔導資料對應章節(jié)，對選定的設計題目進行理論分析，完成針對具體設計部分的原理分析、建模、必要的推導和可行性分析，畫出程序設計框圖，編寫程序代碼（含注釋），上機調(diào)試運行程序，記錄實驗結(jié)果（含計算結(jié)果和圖表等），并對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。具體設計要求包括： 初步了解Matlab、熟悉Matlab界面、進行簡單操作等； Matlab的數(shù)值計算：創(chuàng)建矩陣、矩陣運算、多項式運算、線性方程組、數(shù)值統(tǒng)計等； 基本繪圖函數(shù)：了解plot, plot3, mesh, surf等，要求掌握以上繪圖函數(shù)的用法、簡單圖形標注、簡單顏色設定等；

3、使用文本編輯器編輯m文件，會函數(shù)調(diào)用等； 能完成簡單電路的Matlab編程分析； 按要求參加專業(yè)基礎實踐的實驗演示和答辯等。3. 課程設計說明書按學?！罢n程設計工作規(guī)范”中的“統(tǒng)一書寫格式”撰寫，具體包括： 目錄； 與設計題目相關的理論分析、歸納和總結(jié)； 與設計內(nèi)容相關的原理分析、建模、推導、可行性分析； 程序設計框圖、程序代碼（含注釋）、程序運行結(jié)果和圖表、實驗結(jié)果分析和總結(jié)； 課程設計的心得體會（至少500字）； 參考文獻（不少于5篇）； 其它必要內(nèi)容等。時間安排：1周指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄MATLAB運算與二階動態(tài)電路分析11. MATLA

4、B概述11.1 MATLAB簡介11.2 MATLAB的功能11.3 MATLAB的應用22.設計內(nèi)容32.1題一32.2題二42.3題三52.4題四62.5題五112.6題六132.7題七142.8題八162.9題九182.10題十202.11題十一213.心得體會254.參考文獻26MATLAB運算與二階動態(tài)電路分析1. MATLAB概述1.1 MATLAB簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，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兩大部分。MATLAB將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視

5、化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。1.2 MATLAB的功能（1）強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線

6、性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。(2)出色的圖形處理功能 圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。(3)應用廣泛的模塊集合工具箱 MATLAB對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。它們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不

7、同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱家族中有了自己的一席之地。 (4)實用的程序接口和發(fā)布平臺 新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學庫以及圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和

8、C+的代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C+語言程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。(5)應用軟件開發(fā) 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。1.3 MATLAB的應用MATLAB產(chǎn)品族可以用來進行以下各種工作：數(shù)值分析數(shù)值和符號計算工程與科學繪圖控制系統(tǒng)的設計與仿真數(shù)字圖像處理技術(shù)數(shù)字信號處理技術(shù)通訊系統(tǒng)設計與仿真財務與金融工程管理與調(diào)度優(yōu)化計

9、算（運籌學）MATLAB的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、 財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱擴展MATLAB環(huán)境，以解決這些應用領域內(nèi)特定類型的問題。2.設計內(nèi)容2.1題一：求100,200之間第一個能被21整除的整數(shù)。2.1.1分析利用for循環(huán)語句控制，并結(jié)合rem函數(shù)求得符合條件的數(shù)。2.1.2程序編碼圖2.1.1 題一的程序編碼2.1.3結(jié)果顯示圖2.1.2 題一的結(jié)果顯示2.1.4 程序流程圖圖2.1.3 題一的程序流程圖2.1.5結(jié)果分析利用for語句逐個取值，然后通過if語句對rem(n,21)=0進行判斷滿足條件時，循

10、環(huán)繼續(xù)。不滿足時，循環(huán)結(jié)束。輸出n的值為105。2.2題二：繪制余弦曲線y=cos(x)和指數(shù)函數(shù)y=x2曲線。2.2.1分析在matlab中繪制函數(shù)圖像有很多的函數(shù)可以完成。如：fplot函數(shù)，plot函數(shù)等，不同的函數(shù)使用規(guī)則是有區(qū)別的，合理使用任何一個畫圖函數(shù)得到預期的結(jié)果。2.2.2程序編碼圖2.2.1 題二余弦函數(shù)y=cos(x)程序編碼圖2.2.2 題二指數(shù)函數(shù)y=x2程序編碼2.2.3結(jié)果顯示 圖2.2.3 題二余弦函數(shù)y=cos(x)曲線顯示 圖2.2.4 題二指數(shù)函數(shù)y=x2曲線顯示2.2.4結(jié)果分析plot函數(shù)用于繪制二維圖形，plot函數(shù)的基本調(diào)運格式為：plot(x,y

11、) 其中x,y為向量,可存儲x坐標和y坐標數(shù)據(jù)。2.3題三：計算2+4+6.+100 的值，當和大于2000時終止計算。2.3.1分析利用for循環(huán)語句來起到累加的效果，并利用while語句來控制和大于2000時終止計算。2.3.2程序編碼圖2.3.1 題三的程序編碼2.3.3結(jié)果顯示圖2.3.2 題三的結(jié)果顯示2.3.4結(jié)果分析利用for語句使i從2到100逐個取值，利用y=y+i語句實現(xiàn)累加，利用if y>2000語句最終達到題目要求，求得y=2070。2.4題四：分析下面每條指令的功能并運行，觀察執(zhí)行結(jié)果。2.4.1 X=0:0.25:3; Y=X.*exp(-X); plot(X

12、,Y),xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x);2.4.1.1分析X=0:0.25:3；得到以0.25為步長，取得0到3內(nèi)的所有實數(shù)，確定自變量X的范圍。利用plot函數(shù)畫出函數(shù)Y的圖像，并設置圖像的一些基本性質(zhì)。2.4.1.2結(jié)果顯示圖2.4.1 題4.1的結(jié)果顯示2.4.2 題4.2程序編碼圖2.4.2 題4.2的程序編碼2.4.2.1 分析zeros函數(shù)建立一個2*5全0矩陣賦給A，再將-4到5內(nèi)的整數(shù)賦給A，形成新的矩陣。L=abs（A）>4，獲得新的矩陣L，通過邏輯函數(shù)islogical得到新的矩陣賦給X。2.4.2.2 結(jié)果顯示圖2.4.

13、3 題4.2的結(jié)果顯示2.4.3 題4.3程序編碼圖2.4.4 題4.3的程序編碼2.4.3.1分析先生成1至5和6至10的兩行五列矩陣賦給A，再利用pow2函數(shù)的使用獲得新的矩陣。pow2(A)的使用方法為A=2A。2.4.3.2結(jié)果顯示圖2.4.5 題4.3的結(jié)果顯示2.4.4 題4.4程序編碼圖2.4.6 題4.4的程序編碼2.4.4.1 分析zeros函數(shù)建立一個3*2全0矩陣賦給A，再將1到6內(nèi)的整數(shù)賦給A，形成新的矩陣。將A中的每個元素以A=A*(1+i)進行運算，獲得新的矩陣A，通過轉(zhuǎn)置運算和共軛轉(zhuǎn)置運算得到新的矩陣賦給A1和B1。2.4.4.2 結(jié)果顯示圖2.4.7 題4.4的

14、結(jié)果顯示(1)圖2.4.8 題4.4的結(jié)果顯示(2)2.4.5 題4.5程序編碼圖2.4.9 題4.5的程序編碼2.4.5.1分析ones函數(shù)建立一個2*3全1矩陣賦給A，建立一個2*2全1矩陣賦給B，再建立一個4階單位矩陣賦給C；利用diag函數(shù)對C取對角元素作列向量，形成新的矩陣D。利用repmat函數(shù)將C矩陣復制為1*3塊的矩陣，獲得新的矩陣E。2.4.5.2 結(jié)果顯示圖2.4.10 題4.5的結(jié)果顯示(1)圖2.4.11 題4.5的結(jié)果顯示(2)2.4.6 結(jié)果分析matlab中有多種生成矩陣的方法，以及矩陣的一些操作函數(shù)等。寫代碼的時候要注意分號的使用，若一個輸出表達式后有分號，則只

15、計算而不在command窗口中顯示出來。2.5題五：利用whileend循環(huán)結(jié)構(gòu)編程求出1+3+5+101的值。2.5.1分析while語句的一般格式為：while(條件) 循環(huán)體語句 end。其執(zhí)行過程為：若條件成立，則執(zhí)行循環(huán)體語句，執(zhí)行后再判斷條件是否成立，如果不成立則跳出循環(huán)。2.5.2程序編碼顯示圖2.5.1 題五的程序編碼2.5.3程序流程圖圖2.5.2 題五的程序流程2.5.4結(jié)果顯示圖2.5.3 題五的結(jié)果顯示2.5.5結(jié)果分析該題目從i=1開始，每循環(huán)一次其值加2，由sum=sun+i起到累加器的效果，一直到i>101結(jié)束循環(huán)，最終結(jié)果為sum=2601。2.6題六：隨

16、機生成一個10000×3的矩陣，并繪制其柱狀圖。2.6.1分析利用rand函數(shù)生成本題矩陣。該題生成一個10000*3的矩陣賦給a，再利用bar函數(shù)畫一個a的二維條形圖，即本題要求的柱狀圖。2.6.2程序編碼顯示圖2.6.1 題六的程序編碼由于10000過大，在有限的區(qū)域內(nèi)顯示10000*3的柱狀圖不清晰、不明顯，為了方便觀察柱狀圖的分布，將以上程序稍加修改，利用axis函數(shù)顯示橫軸由0到10，縱軸由0到1的區(qū)域的柱狀圖。修改程序顯示如圖2.6.2所示：圖2.6.2 題六改進的程序編碼2.6.3柱狀圖顯示圖2.6.3 題六結(jié)果顯示圖2.6.4 題六改進的結(jié)果顯示2.6.4結(jié)果分析隨機

17、生成矩陣可用rand（m,n）來表示，其中m代表行數(shù)，n代表列數(shù)。繪制柱狀圖可用bar函數(shù)表示。由圖2.6.3可觀察得10000*3的柱狀圖全局，但因其容量過大無法清晰觀察，為此我截取一部分數(shù)據(jù)進行柱狀圖展示，如圖2.6.4方便觀察。2.7題七：利用switchcase編寫以下程序某商場對顧客所購買的商品實行打折銷售，標準如下(商品價格用price來表示)： price<200 無折扣 200price<500 5折扣 500price<1000 10折扣 Price1000 15折扣輸入所售商品的價格，求其實際銷售價格。2.7.1分析switch語句根據(jù)表達式的取值不同，分

18、別執(zhí)行不同的語句，其語句格式為：switch 表達式 case 表達式1 語句組1 case 表達式m 語句組m otherwise 語句組nend當表達式的值等于表達式1的值時，執(zhí)行語句組1，當表達式的值等于表達式2的值時，執(zhí)行語句組2，當表達式的值等于表達式m的值時，執(zhí)行語句組m，當表達式的值不等于case所列的表達式的值時，執(zhí)行語句組n。當任意一個分支的語句執(zhí)行完成后，直接執(zhí)行switch語句的下一句。這個題需要建立mfile文件，來將進行求解。2.7.2 M-file文件程序圖2.7.1 題七的程序編碼2.7.3結(jié)果顯示圖2.7.2 題七的結(jié)果顯示2.7.4結(jié)果分析當輸入100，fix

19、(price/100)為1，符合case 0,1，rate等于0，price=100*(1-0)=100。當輸入345，fix(price/100)為3，符合case 2,3,4，rate等于5%，price=345*(1-5%)=327.7500。當輸入780，fix(price/100)為7，符合case num2cell(5:9)，rate等于10%，price=780*(1-10%)=702。當輸入1500，fix(price/100)為15，符合otherwise，rate等于15%，price=1500*(1-15%)=1275。2.8題八：利用函數(shù)調(diào)用編寫函數(shù)文件，求半徑r分別為

20、0.5與5時圓的面積與周長。2.8.1分析在matlab中新建Function-M-file,建立一個函數(shù)并保存到matlab文件夾中，輸入程序求得結(jié)果。2.8.2函數(shù)文件圖2.8.1 題八的程序定義圖2.8.2 題八的程序編碼2.8.3結(jié)果顯示圖2.8.3 題八的結(jié)果顯示2.8.4結(jié)果分析本題先進行函數(shù)定義，利用function定義求面積和求周長公式，再來計算相關值時的結(jié)果。由此可見，半徑r為0.5時，面積為0.7854，周長為3.1416；半徑r為5時，面積為78.5398，周長為31.4159。2.9題九：已知，其中t的范圍是0 10，計算y的微分和積分并給出曲線圖。2.9.1分析分別利

21、用diff，以及int函數(shù)求的函數(shù)的微分和積分，利用ezplot畫圖函數(shù)得到函數(shù)的圖像。注意此處e(-1)，用exp(-1)表示。2.9.2程序編碼圖2.9.1 題九的程序編碼2.9.3結(jié)果顯示 圖2.9.2 題九的結(jié)果顯示2.9.4曲線圖展示圖2.9.3 題九的圖形顯示2.9.5結(jié)果分析本題利用求導函數(shù)diff求得已知函數(shù)的微分，其結(jié)果如圖2.9.2的第一個結(jié)果所示，由此可見該操作是正確的；再利用int函數(shù)求得已知函數(shù)的積分，其結(jié)果如圖2.9.2的第二個結(jié)果所示，由此可見該操作也是正確的。2.10題十：編寫程序，用plot(x,y)繪制下圖所示曲線。 a) b)2.10.1分析觀察第一個函數(shù)

22、圖像可以得到函數(shù)解析式為y=3*x+1，x的范圍為：0=<x<=5。畫圖時要標明x，y坐標軸，x軸坐標最小單位是0.5，y軸坐標最小單位是2。觀察第二個函數(shù)圖像，由兩條直線組成：y1=-x+1，y2=2*x?？v坐標最小單位為：0.2，且范圍為1,3，橫坐標最小單位為0.1，范圍為0,1。利用hold on語句在同一個坐標下畫出兩個函數(shù)的圖像。2.10.2程序編碼2.10.2.1第一個函數(shù)圖像的程序編碼圖2.10.1 題10.1的程序編碼2.10.2.2第二個函數(shù)圖像的程序編程圖2.10.2 題10.2的程序編碼2.10.3結(jié)果顯示 圖2.10.3 題10.1的結(jié)果顯示 圖2.10.

23、4題10.2的結(jié)果顯示2.10.4結(jié)果分析本題我先求得兩圖的表達式，再根據(jù)表達式編寫程序，給定x的范圍，再編輯表達式，最后利用plot函數(shù)繪制二維圖形得到圖2.10.3和圖2.10.4與題目所給圖形一致，因此該題編程正確。2.11題十一：在如圖所示的二階電路中，R=1k，,電容原先已充電。且。在t=0時開關S閉合。試求，繪出各曲線圖；開關S閉合后的為多大？ 2.11.1分析由電路圖及已知條件展開理論分析，當t<0時電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，電路元件為理想元件，電感相當于短路，電容相當于開路。當t>0時，電路接通。此時電路的微分方程為： （2.1） （2.2）初始條件為： =10V （2.3

24、）設對時間的一階導數(shù)為p，則可得微分方程的特征方程為： （2.4）由求根公式求得其根為： （2.5） （2.6）又由已知條件可知，當時，特征根、是一對共軛復數(shù)，即： （2.7） （2.8）其中：稱之為振蕩電路的衰減系數(shù)； 稱之為振蕩電路的衰減角頻率； 稱之為無阻尼自由振蕩角頻率，或浮振角頻率。顯然有，令，則有，如下圖所示。圖2.11.1 的關系圖根據(jù)歐拉公式： （2.9） （2.10）可得： （2.11） （2.12）所以有： （2.13）根據(jù)上式可得： （2.14） （2.15） （2.16）2.11.2程序編碼圖2.11.2 題十一的程序編碼2.11.3結(jié)果顯示圖2.11.3 題十一的結(jié)果

25、顯示2.11.4曲線圖展示圖2.11.4 題十一的圖形顯示2.11.5結(jié)果分析在2.11.1節(jié)中，已對電路進行分析計算，得到了，等的表達式，繼而將表達式帶入程序，通過編程與運行來計算電流的最大值，最后得出開關S閉合后的=0.0051。再利用plot函數(shù)繪制二維圖形如圖2.11.4所示。3.心得體會經(jīng)歷了一個星期的查閱資料和理論分析，終于完成了專業(yè)基礎實踐的編程和報告。經(jīng)歷了這次課程設計，大大的提高了我的操作能力以及分析問題的能力，從中也學到了很多書面上所沒有搞清楚的問題，也熟悉了應用Matlab這個軟件來進行程序編程。通過這次課程設計，我學到了很多有用的知識，并加強了自己掌握和理解書本知識的能力，培養(yǎng)了自己的實際動手能力與綜合設計能力，提高了自己的技術(shù)素質(zhì)。這對以后的學習和工作都是非常有益的。入手這個題目后我查閱了相關的資料，先進行相關軟件的基礎使用方法，多試多練后開始著手本次課程設計的題目要求。在實驗前我先熟悉了一下Matlab軟件的一些操作和它的界面，對Matlab如何使用有了初步的了解。