matlab在電路仿真

1、整理ppt MATLAB在電路仿真在電路仿真 中的應(yīng)用中的應(yīng)用1整理ppt本章學(xué)習(xí)目標(biāo)q掌握電路系統(tǒng)模塊集的使用q掌握電阻電路、電路的時(shí)域、穩(wěn)態(tài)和頻域分析方法2整理ppt主要內(nèi)容n1 電路系統(tǒng)模塊集簡(jiǎn)介 n2 電 阻 電 路n3 動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析n4 動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析n5 電路的頻域分析 3整理ppt1 電力系統(tǒng)模塊集簡(jiǎn)介 電力系統(tǒng)模塊集共有Electrical Sources、Elements、Power Electronics、Machines、Measurements、Application Libraries、Extras、powergui和Demos等9個(gè)模塊組。模塊下面顯示的是

2、版本號(hào)和開(kāi)發(fā)該模塊的公司的一些信息。 雙擊Electrical Sources、Elements、Power Electronics、Machines、Measurements、Application Libraries和Extras中任一圖標(biāo)都將打開(kāi)一個(gè)下級(jí)子模塊集，可以看到有很多的子模塊。 4整理ppt【例1】 如圖所示電路，輸入的交流電壓源為10V、60Hz，電阻R1=15、R2=10，試求電阻R2上的電壓波形。 這個(gè)電路比較簡(jiǎn)單，只有1個(gè)交流電壓源和2個(gè)電阻，首先要搭建這個(gè)電路圖。5整理ppt 選擇菜單命令Model，出現(xiàn)如圖所示的模型編輯窗口。 然后在MATLAB命令窗口輸入powe

3、rlib，把powerlib模塊集調(diào)出來(lái)，雙擊打開(kāi)Electrical Sources，選中AC Voltage Source拖動(dòng)到如圖6所示的窗口；同理選中Elements里面的Series RLC Branch并拖動(dòng)到該窗口，由于有2個(gè)電阻，可以拖動(dòng)2次，也可以通過(guò)復(fù)制的方式來(lái)完成。6整理ppt 雙擊上圖中的AC Voltage Source，就會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在對(duì)話框中可以對(duì)交流電壓源的幅值(Peak amplitude)、相位(Phase)、頻率(Frequence)、采樣時(shí)間(Sample time)等進(jìn)行設(shè)置。本例題中幅值設(shè)為10V、頻率設(shè)為60Hz。整理ppt

4、同理對(duì)Series RLC Branch和Series RLC Branch 1支路中的電阻值分別設(shè)置。還可以對(duì)這些元器件的位置、方向和標(biāo)注進(jìn)行調(diào)整，具體方法讀者在實(shí)驗(yàn)時(shí)自己摸索。然后進(jìn)行連線，把光標(biāo)移動(dòng)到需要連線的元器件的連接端子，按住鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)到另一個(gè)元器件的連接端子，釋放鼠標(biāo)即完成連線。 注意：在多于2條支路的節(jié)點(diǎn)處連接時(shí)，需要按住Ctrl鍵，或?qū)⒐鈽?biāo)移動(dòng)至連線的拐點(diǎn)處，等光標(biāo)變?yōu)槭纸徊嫘卧籴尫攀髽?biāo)。 8整理ppt 同時(shí)還需要調(diào)用Measurements模塊中的Voltage Measurement和Simulink模塊中Sinks下的虛擬示波器Scope。最后添加上交互界面工具po

5、wergui。連接好的電路仿真圖模型如下圖所示。 9整理ppt 模型創(chuàng)建完成后，從模型編輯窗口中選擇菜單命令或Save As，選一個(gè)文件名(本例文件名為mdlExam9_1)將模型以模型文件的格式(擴(kuò)展名為.mdl)存入磁盤(pán)。 在模型編輯窗口中對(duì)仿真的時(shí)間等參數(shù)設(shè)置完成后，單擊Start simulation按鈕就開(kāi)始進(jìn)行仿真，本例題仿真時(shí)間設(shè)為0.1秒。仿真結(jié)束后在MATLAB工作空間中會(huì)有仿真產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)，用戶可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理等。在本例中雙擊虛擬示波器Scope，會(huì)出現(xiàn)如下頁(yè)圖所示的電阻R2兩端電壓的波形圖。10整理ppt 如果仿真時(shí)出錯(cuò)，會(huì)有出錯(cuò)信息的提示，

6、讀者可以根據(jù)這些提示來(lái)改正電路中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。后面一些復(fù)雜的電路仿真過(guò)程也和這個(gè)例題大致步驟相同，在以后的例題中只給出搭建好的仿真電路模型和參數(shù)設(shè)置說(shuō)明，不再詳述仿真電路的搭建過(guò)程。11整理ppt 2 電電 阻阻 電電 路路 1. 一般電阻電路一般電阻電路 【例2】 如圖10所示的電路，已知：us=10V，R1=6、R2=8、R3=2、R4=12、R5=10、R6=5。求i4和u6。12整理ppt解：方法一，M文件法。(1) 建模。用網(wǎng)孔法，按圖10可列出網(wǎng)孔方程為該方程組寫(xiě)成矩陣形式如下。1312a2 bsRRRiiu2 a234b4 cR(RRR )R0iii4 b456cR(RRR )0i

7、i122a22344bs4456cRRR01RRRRR00RRRR0iiui 整理ppt 該矩陣方程組可簡(jiǎn)寫(xiě)為 ，由于電源和電阻的值是已知的，從而可以求出ia、ib和ic，而 ， ，即可得問(wèn)題的解。 (2) MATLAB程序mExam9_2.m。 us=10; % 給電源賦值 R1=6; R2=8; R3=2; R4=12; R5=10; R6=5; % 為給定元件賦值 a11=R1+R2; a12=-R2; a13=0; % 計(jì)算系數(shù)矩陣各元素的值 a21=-R2;a22=R2+R3+R4;a23=-R4; a31=0;a32=-R4;a33=R4+R5+R6;14sABIu4bciii66

8、 cuR i整理pptb1=1;b2=0;b3=0; A=a11,a12,a13; a21,a22,a23; a31,a32,a33; % 列出系數(shù)矩陣A和BB=b1;b2;b3; I=AB*us; I=ia;ib;ic ia=I(1);ib=I(2);ic=I(3);display(i4和u6的值為);i4=ib-ic, u6=R6*ic % 求出問(wèn)題的解(3) 程序運(yùn)行結(jié)果。i4 = 0.2625u6 = 1.049915整理ppt 方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路。 根據(jù)圖10知道電路需要1個(gè)Electrical Sources模塊下的DC Voltage

9、 Source，6個(gè)Elements模塊下的 Series RLC Branch。由于要測(cè)量電流和電壓，所以還需要Measurements模塊下的電流測(cè)量模塊(Current Measurement)和電壓測(cè)量模塊(Voltage Measurement)，另需要2個(gè)Sinks模塊下的Display。然后根據(jù)題目給出的條件對(duì)各元件進(jìn)行賦值，搭建出如圖11所示的仿真電路，以文件名為mdlExam9_2存盤(pán)。最后進(jìn)行仿真，2個(gè)Display中顯示的值即為所要求的電流值和電壓值 16整理ppt17整理ppt 2 含受控源的電阻電路含受控源的電阻電路 【例3】 如圖12所示的是一個(gè)含受控源的電阻電路，

10、設(shè)R1=R2=R3=4、R4=2，控制常數(shù)k1=0.5、k2=4，is=2A。求i1和i2。18整理ppt解：方法一，M文件法。(1) 建模。按圖12列出節(jié)點(diǎn)方程為 由圖12知控制變量i1、i2與節(jié)點(diǎn)電壓ua、ub的關(guān)系為19abs1 2122111kRRRuuii2 1ab1 222343k1111kRRRRRiuui ab12Ruuib24Rui 整理ppt 上述4個(gè)公式中，只有is是已知的，把其他未知量全部移至等號(hào)左端，寫(xiě)成矩陣形式如下。 已知is=2A，由上式可解得i1和i2。201122a2122343bs122241110kRRR1k1111kRRRRR001110RR01001R

11、uuiii 整理ppt (2) MATLAB程序mExam9_3.m。clearR1=4;R2=4;R3=4;R4=2; %給元件賦值is=2;k1=0.5;k2=4; %給電源及控制系數(shù)賦值%按照A*X=B*is列寫(xiě)電路的矩陣方程，其中X=ua;ub;i1;i2a11=1/R1+1/R2;a12=-1/R2;a13=0;a14=-k1; %設(shè)置系數(shù)Aa21=-1/R2;a22=1/R2+1/R3+1/R4;a23=-k2/R3;a24=k1;a31=1/R2;a32=-1/R2;a33=-1;a34=0;a41=0;a42=1/R4;a43=0;a44=-1;21整理pptA=a11,a12

12、,a13,a14;a21,a22,a23,a24;a31,a32,a33,a34;a41,a42,a43,a44;B=1;0;0;0; X=AB*is;display(i1和i2的值是);i1=X(3),i2=X(4)(3) 程序運(yùn)行結(jié)果。i1和i2的值是i1 = 1i2 = 122整理ppt 方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路。 搭建好的仿真電路如圖13所示，以文件名mdlExam9_3存盤(pán)。根據(jù)圖12知道電路需要4個(gè)Elements模塊下的 Series RLC Branch，2個(gè)受控源是Electrical Sources下的Controlled Curre

13、nt Source和Controlled Voltage Source。由于受控源分別受2條支路的電流控制，所以需要2個(gè)Measurements模塊下的電流測(cè)量模塊(Current Measurement)來(lái)引出這2條支路的電流。23整理ppt控制常數(shù)則由2個(gè)simulink庫(kù)下Math Operations中的 Gain來(lái)完成。分別雙擊各元件，在彈出的對(duì)話框中對(duì)各電阻及各控制元件根據(jù)題目給出的條件賦值。 MATLAB中沒(méi)有直流電流源，所以這里用了一個(gè)小技巧，用受控電流源來(lái)完成。由于powerlib中有直流電壓源，所以選用一個(gè)直流電壓源來(lái)控制受控電流源，還需要1個(gè)Measurements模塊下

14、的電流測(cè)量模塊(Voltage Measurement)。電路圖中電流源的電流為2A，所以直流電壓源的電壓設(shè)為2V。24整理ppt25整理ppt3 動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析1. 一階動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析一階動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析【例4】如圖14所示的是由正弦激勵(lì)的一階電路，已知R=2，C=0.5F，電容初始電壓uc(0+)=5V,激勵(lì)的正弦電壓,um=10V,。當(dāng)t=0，開(kāi)關(guān)閉合，求電容電壓的全響應(yīng)、暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并畫(huà)出波形。26整理ppt 方法二，方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路 搭建好的仿真電路如下圖所示，以文件名mdlExam9_4存盤(pán)。該電路

15、比較簡(jiǎn)單，只有1個(gè)交流電壓源，1個(gè)電阻，1個(gè)電容組成。但仿真過(guò)程需要改變這幾個(gè)元件的有些參數(shù)，需要一定技巧和近似處理。 27整理ppt 為了把電容上的三種電壓波形畫(huà)在一張圖內(nèi)，并便于和圖15比較，這里選用Voltage Measurement模塊取出電容兩端的電壓，并送給Sinks下的out模塊，這樣在仿真時(shí)會(huì)在MATLAB工作空間中產(chǎn)生2個(gè)默認(rèn)變量，時(shí)間變量tout和數(shù)據(jù)變量yout。仿真時(shí)間設(shè)為10S，步長(zhǎng)和方法一保持一致，設(shè)為0.1S。仿真過(guò)程由以下幾個(gè)步驟完成： 如圖16連接好仿真電路，然后對(duì)各元件設(shè)置參數(shù)。交流電壓源AC的參數(shù)為：Peak amplitude（V）為10；Phase值

16、可這樣求得：在28整理ppt方法一中激勵(lì)源設(shè)為余弦函數(shù) ，而交流電壓源激勵(lì)默認(rèn)為正弦函數(shù) ，所以需要求出 的值，由誘導(dǎo)公式：所以設(shè)初始相位 的值為 =0.4636（rad）=26.89(deg)；Frequency(Hz)的值由角頻率 可算得大約為0.318Hz。開(kāi)關(guān)Breaker的Initial state設(shè)為0 29cost1sint1111coscos(90arctan)cos(arctan)211sin(arctan)sin(arctan)sin( ()tttRCRCtttRCRC 11arctanRC2/rad s整理ppt Switching times(s)設(shè)為0.01。電阻R阻

17、值為2，電容C的Capacitance(F)設(shè)為0.5，capacitor initial voltage(V)設(shè)為5。參數(shù)設(shè)置完畢進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后在MATLAB工作空間產(chǎn)生tout和yout，在工作空間中修改yout為yout1（如圖17所示），yout1為電容電壓的全響應(yīng)。 電路其它參數(shù)不變，只把電容C的Set the initial capacitor voltage不選中，即不設(shè)置初始電壓值，再進(jìn)行仿真，在工作空間中修改yout為yout2，yout2為電容電壓的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。 在命令窗口輸入：yout3=yout1-yout1，yout3為電容電壓的暫態(tài)響應(yīng)。30整理ppt 在命令窗

18、口用繪圖指令畫(huà)出電容上的三種響應(yīng)波形，如下圖所示： plot(tout,yout1,-,tout,yout3,:,tout,yout2,-.*), grid on %把三種數(shù)據(jù)畫(huà)在一張圖上 legend(yout1,yout3,yout2) % 用圖例標(biāo)注 31整理ppt2 .二階動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析二階動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析 【例5】如圖所示的是典型的RLC二階電路，電容初始電壓uc(0+)=10V,電感初始電流，圖中 為輸入, 為響應(yīng)。求在下列條件下，電路的零輸入響應(yīng)，并畫(huà)出其波形。（1）R=220; L=0.25H; C=100F。（2）R=100; L=0.25H; C=100F。（3）R=

19、50; L=1H; C=100F。 （4）R=0; L=1H; C=100F。32 sut cut整理ppt 方法二，方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路 搭建好的仿真電路如圖21所示，以文件名mdlExam9_5存盤(pán)。該電路比較簡(jiǎn)單，只有1個(gè)電阻，1個(gè)電感，1個(gè)電容組成。但值得注意的是，實(shí)際實(shí)際中純電感是不存在的，所以一定要有一個(gè)和電感并中純電感是不存在的，所以一定要有一個(gè)和電感并聯(lián)的電阻，在這里我們把該電阻值設(shè)的非常大，相聯(lián)的電阻，在這里我們把該電阻值設(shè)的非常大，相。 33uci整理ppt當(dāng)于開(kāi)路，當(dāng)于開(kāi)路，就對(duì)仿真波形影響較小了。電容電壓初值設(shè)為10V。開(kāi)關(guān)的

20、阻值也要設(shè)的非常小，開(kāi)關(guān)時(shí)間設(shè)為0.01S，仿真過(guò)程需要分4個(gè)步驟完成，根據(jù)題目給出的條件改變這幾個(gè)元件的有些參數(shù)，然后進(jìn)行仿真。34整理ppt 為了便于把電容上的三種電壓波形和圖20比較，仿真時(shí)間設(shè)為0.5 S，步長(zhǎng)和方法一保持一致，設(shè)為0.001S。仿真過(guò)程由以下幾個(gè)步驟完成： 按R=220; L=0.25H; C=100F設(shè)定參數(shù)，得到過(guò)阻尼波形。 按R=100; L=0.25H; C=100F設(shè)定參數(shù)，得到臨界阻尼波形。 按R=50; L=1H; C=100F設(shè)定參數(shù)，得到欠阻尼波形。 按R=0.001；L=1H; C=100F設(shè)定參數(shù)，得到自由振蕩波形。 35整理ppt 這幾種波形如

21、圖22所示，可以看到與圖20基本一致。36整理ppt4 動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析1. 一般動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析一般動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析 【例6】如圖23所示的電路，已知C1=0.5F，R2=R3=2，L4=0.5H, 求b，d兩點(diǎn)之間的電壓U(t)，并畫(huà)出波形。37 10cos10sutt 5 cossittZ4Z3dabcZ1Z2整理ppt 方法二，方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路 搭建好的仿真電路如圖25所示，以文件名mdlExam9_6存盤(pán)。電容、電阻、電感的參數(shù)按照題目給出的條件設(shè)定，電壓源電壓為10V，頻率為f=10/(2pi)=1.5915(

22、Hz), 電流源電流為5A，頻率為f=1/(2pi)=0.1592(Hz)。仿真時(shí)間設(shè)為20S，間隔為0.1S。仿真結(jié)果如圖26所示。38整理ppt39整理ppt2. 含受控源的正弦電路穩(wěn)態(tài)分析含受控源的正弦電路穩(wěn)態(tài)分析 【例7】如圖27所示的電路，已知 V，R=5，L=20mH，C=100F。求電流i，并畫(huà)出波形。40 100cos8sutt0.4u1u1整理ppt 方法二，方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路 搭建好的仿真電路如圖29所示，以文件名mdlExam9_7存盤(pán)。電容、電阻、電感的參數(shù)按照題目給出的條件設(shè)定，電壓源電壓為100V，頻率為f=8/(2)=

23、4 (Hz), Scope顯示電流的波形。另把電流用Measurements 模塊中Extras里面的 Fourier進(jìn)行傅里葉變換（在這里提醒讀者注意Fourier參數(shù)的設(shè)置與計(jì)算結(jié)果的關(guān)系），可得到電流的幅值和相位，送給2個(gè)Display顯示出來(lái)。仿真時(shí)間設(shè)為1S，間隔為0.001S。仿真結(jié)果如圖9.30所示。41整理ppt42整理ppt3. 帶耦合電感的正弦電路穩(wěn)態(tài)分析帶耦合電感的正弦電路穩(wěn)態(tài)分析【例8】如圖31(a)所示的正弦穩(wěn)態(tài)電路，已知 V，R=8，L1=7H，L2=4H，M=2H。求電流 i2（t），并畫(huà)出波形。 a.正弦穩(wěn)態(tài)電路43 20cos20suttMi2（t）整理ppt

24、 b.去耦等效電路 c.向量模型電路44L1-ML2-Mi2（t）8 ImI2mj5 j2 j2 整理ppt 方法二，方法二，利用MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊集和虛擬儀器搭建仿真電路 搭建好的仿真電路如圖32所示，以文件名mdlExam9_8存盤(pán)。電阻的參數(shù)按照題目給出的條件設(shè)定，耦合線圈的電感和互感也按照題目給出的條件設(shè)置，注意實(shí)際中不可能存在單純的電感，電感總會(huì)有一定的電阻，在這里把耦合線圈兩邊的電阻值都設(shè)為0.00001，電壓源電壓為20V，頻率為f=20/(2)=3.1831 (Hz), Scope顯示電流的波形。仿真時(shí)間設(shè)為1S，間隔為0.001S。仿真結(jié)果如圖33所示。45整理pp

25、t46整理ppt5電路的頻域分析電路的頻域分析 在MATLAB中可以用abs(H)和angle(H)語(yǔ)句來(lái)直接計(jì)算幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng),其圖形的頻率坐標(biāo)可以是線性的（用plot畫(huà)出），也可以是半對(duì)數(shù)的（用semilogx畫(huà)出）。 47整理ppt 【例9】如圖34所示的是二階帶通串聯(lián)諧振電路。已知L=0.01H，C=1P，求R=10、50、100、200時(shí)，電流I對(duì)電壓U的響應(yīng)，并畫(huà)出波形。 48jL1/jCUI整理ppt解：方法一解：方法一，M文件法：建模建模由電路圖得幅頻響應(yīng)可用增益表示為 相頻響應(yīng) 49111IIHjURj LIRj Lj Cj C 20log|()|GH j ()angle

26、 Hj 整理pptMATLAB程序mExam9_9.mL=0.01; C=0.000001; %初始化電路參數(shù)r=10,50,100,200; %為簡(jiǎn)化運(yùn)算,本例題只改變電阻值w=logspace(-1,8,100); %設(shè)定頻率數(shù)組wfor i=1:4 R=r(i); H=1./(R+j*w*L+1/j*w*C); %求復(fù)頻率響應(yīng) subplot(2,1,1), semilogx(w,20*log10(abs(H), hold on, grid on %繪制幅頻特性 subplot(2,1,2), semilogx(w,angle(H), hold on, grid on %繪制相頻特性end50整理ppt程序運(yùn)行