matlab在电路仿真.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,MATLAB,在电路仿真 中的应用,1,本章学习目标,掌握电路系统模块集的使用,掌握电阻电路、电路的时域、稳态和频域分析方法,2,主要内容,1,电路系统模块集简介,2,电 阻 电 路,3,动态电路的时域分析,4,动态电路的稳态分析,5,电路的频域分析,3,1,电力系统模块集简介,电力系统模块集共有,Electrical Sources,、,Elements,、,Power Electronics,、,Machines,、,Measurements,、,Application Libraries,、,Extras,、,powergui,和,Demos,等,9,个模块组。模块下面显示的是版本号和开发该模块的公司的一些信息。,双击,Electrical Sources,、,Elements,、,Power Electronics,、,Machines,、,Measurements,、,Application Libraries,和,Extras,中任一图标都将打开一个下级子模块集，可以看到有很多的子模块。,4,【,例,1】,如图所示电路，输入的交流电压源为,10V,、,60Hz,，电阻,R1=15,、,R2=10,，试求电阻,R2,上的电压波形。,这个电路比较简单，只有,1,个交流电压源和,2,个电阻，首先要搭建这个电路图。,5,选择菜单命令,FileNewModel,，出现如图所示的模型编辑窗口。,然后在,MATLAB,命令窗口输入,powerlib,，把,powerlib,模块集调出来，双击打开,Electrical Sources,，选中,AC Voltage Source,拖动到如图,6,所示的窗口；同理选中,Elements,里面的,Series RLC Branch,并拖动到该窗口，由于有,2,个电阻，可以拖动,2,次，也可以通过复制的方式来完成。,6,双击上图中的,AC Voltage Source,，就会出现如下图所示的参数设置对话框。在对话框中可以对交流电压源的幅值,(Peak amplitude),、相位,(Phase),、频率,(Frequence),、采样时间,(Sample time),等进行设置。本例题中幅值设为,10V,、频率设为,60Hz,。,同理对,Series RLC Branch,和,Series RLC Branch,1,支路中的电阻值分别设置。还可以对这些元器件的,位置、方向和标注进行调整，具体方法读者在实验,时自己摸索。然后进行连线，把光标移动到需要连,线的元器件的连接端子，按住鼠标左键拖动到另一,个元器件的连接端子，释放鼠标即完成连线。,注意：在多于,2,条支路的节点处连接时，需要按,住,Ctrl,键，或将光标移动至连线的拐点处，等光标变,为十字交叉形再释放鼠标。,8,同时还需要调用,Measurements,模块中的,Voltage,Measurement,和,Simulink,模块中,Sinks,下的虚拟示波,器,Scope,。最后添加上交互界面工具,powergui,。连,接好的电路仿真图模型如下图所示。,9,模型创建完成后，从模型编辑窗口中选择菜单命,令,FileSave,或,Save As,，选一个文件名,(,本例文件名,为,mdlExam9_1),将模型以模型文件的格式,(,扩展名为,.mdl),存入磁盘。,在模型编辑窗口中对仿真的时间等参数设置完成,后，单击,Start simulation,按钮就开始进行仿真，本例,题仿真时间设为,0.1,秒。仿真结束后在,MATLAB,工作,空间中会有仿真产生的一些数据，用户可以对这些,数据进行分析或进行数据的可视化处理等。在本例,中双击虚拟示波器,Scope,，会出现如下页图所示的电,阻,R2,两端电压的波形图。,10,如果仿真时出错，会有出错信息的提示，读者可以根据这些提示来改正电路中出现的错误。后面一些复杂的电路仿真过程也和这个例题大致步骤相同，在以后的例题中只给出搭建好的仿真电路模型和参数设置说明，不再详述仿真电路的搭建过程。,11,2,电 阻 电 路,1.,一般电阻电路,【,例,2】,如图,10,所示的电路，已知：,u,s=10V,，,R1=6,、,R2=8,、,R3=2,、,R4=12,、,R5=10,、,R6=5,。求,i,4,和,u,6,。,12,解：方法一，,M,文件法。,(1),建模。用网孔法，按图,10,可列出网孔方程为,该方程组写成矩阵形式如下。,13,该矩阵方程组可简写为 ，由于电源和电阻的值是已知的，从而可以求出,i,a,、,i,b,和,i,c,，而 ，即可得问题的解。,(2)MATLAB,程序,mExam9_2.m,。,us=10;%,给电源赋值,R1=6;R2=8;R3=2;R4=12;R5=10;R6=5;,%,为给定元件赋值,a11=R1+R2;a12=-R2;a13=0;,%,计算系数矩阵各元素的值,a21=-R2;a22=R2+R3+R4;a23=-R4;,a31=0;a32=-R4;a33=R4+R5+R6;,14,b1=1;b2=0;b3=0;,A=a11,a12,a13;a21,a22,a23;a31,a32,a33;,%,列出系数矩阵,A,和,B,B=b1;b2;b3;,I=AB*us;,I=ia;ib;ic,ia=I(1);ib=I(2);ic=I(3);,display(i4,和,u6,的值为,);,i4=ib-ic,u6=R6*ic%,求出问题的解,(3),程序运行结果。,i4=,0.2625,u6=,1.0499,15,方法二，利用,MATLAB,中的电力系统模块集和虚拟仪器搭建仿真电路。,根据图,10,知道电路需要,1,个,Electrical Sources,模块下的,DC Voltage Source,，,6,个,Elements,模块下的,Series RLC Branch,。由于要测量电流和电压，所以还需要,Measurements,模块下的电流测量模块,(Current Measurement),和电压测量模块,(Voltage Measurement),，另需要,2,个,Sinks,模块下的,Display,。然后根据题目给出的条件对各元件进行赋值，搭建出如图,11,所示的仿真电路，以文件名为,mdlExam9_2,存盘。最后进行仿真，,2,个,Display,中显示的值即为所要求的电流值和电压值,16,17,2,含受控源的电阻电路,【,例,3】,如图,12,所示的是一个含受控源的电阻电路，设,R1=R2=R3=4,、,R4=2,，控制常数,k1=0.5,、,k2=4,，,i,s=2A,。求,i,1,和,i,2,。,18,解：方法一，,M,文件法。,(1),建模。按图,12,列出节点方程为,由图,12,知控制变量,i,1,、,i,2,与节点电压,u,a,、,u,b,的关系为,19,上述,4,个公式中，只有,i,s,是已知的，把其他未知量全部移至等号左端，写成矩阵形式如下,。,已知,i,s=2A,，由上式可解得,i,1,和,i,2,。,20,(2)MATLAB,程序,mExam9_3.m,。,clear,R1=4;R2=4;R3=4;R4=2;%,给元件赋值,is=2;k1=0.5;k2=4;%,给电源及控制系数赋值,%,按照,A*X=B*is,列写电路的矩阵方程，其中,X=ua;ub;i1;i2,a11=1/R1+1/R2;a12=-1/R2;a13=0;a14=-k1;,%,设置系数,A,a21=-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,A=a11,a12,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),程序运行结果。,i1,和,i2,的值是,i1=,1,i2=,1,22,方法二，利用,MATLAB,中的电力系统模块集和,虚拟仪器搭建仿真电路。,搭建好的仿真电路如图,13,所示，以文件名,mdlExam9_3,存盘。根据图,12,知道电路需要,4,个,Elements,模块下的,Series RLC Branch,，,2,个,受控源是,Electrical Sources,下的,Controlled,Current Source,和,Controlled Voltage Source,。,由于受控源分别受,2,条支路的电流控制，所以需,要,2,个,Measurements,模块下的电流测量模块,(Current Measurement),来引出这,2,条支路的电流,。,23,控制常数则由,2,个,simulink,库下,Math Operations,中的,Gain,来完成。分别双击各元件，在弹出的,对话框中对各电阻及各控制元件根据题目给出,的条件赋值。,MATLAB,中没有直流电流源，所以这里用了一个,小技巧，用受控电流源来完成。由于,powerlib,中有,直流电压源，所以选用一个直流电压源来控制受控,电流源，还需要,1,个,Measurements,模块下的电流测,量模块,(Voltage Measurement),。电路图中电流源,的电流为,2A,，所以直流电压源的电压设为,2V,。,24,25,3,动态电路的时域分析,1.,一阶动态电路的时域分析,【,例,4】,如图,14,所示的是由正弦激励的一阶,电路，已知,R=2,，,C=0.5F,，电容初始电压,u,c(0+)=5V,激励的正弦电压,u,m=10V,。当,t=0,，,开关闭合，求电容电压的全响应、暂态响应与稳,态响应，并画出波形。,26,方法二，,利用,MATLAB,中的电力系统模块集和虚拟,仪器搭建仿真电路,搭建好的仿真电路如下图所示，以文件名,mdlExam9_4,存盘。该电路比较简单，只有,1,个交流,电压源，,1,个电阻，,1,个电容组成。但仿真过程需要,改变这几个元件的有些参数，需要一定技巧和近似,处理。,27,为了把电容上的三种电压波形画在一张图内，,并便于和图,15,比较，这里选用,Voltage,Measurement,模块取出电容两端的电压，并送给,Sinks,下的,out,模块，这样在仿真时会在,MATLAB,工作空间中产生,2,个默认变量，时间变量,tout,和数,据变量,yout,。仿真时间设为,10S,，步长和方法一,保持一致，设为,0.1S,。仿真过程由以下几个步骤,完成：,如图,16,连接好仿真电路，然后对各元件,设置参数。交流电压源,AC,的参数为：,Peak,amplitude,（,V,）为,10,；,Phase,值可这样求得：在,28,方法一中激励源设为余弦函数 ，而交流,电压源激励默认为正弦函数 ，,所以需要,求出 的值，由诱导公式：,所以设初始相位 的值为,=,0.4636,（,rad,）,=26.89(deg),；,Frequency(Hz),的值由角频率,可算得大,约为,0.318Hz,。开关,Breaker,的,Initial state,设为,0,29,Switching times(s),设为,0.01,。电阻,R,阻值为,2,，,电容,C,的,Capacitance(F),设为,0.5,，,capacitor initial,voltage(V),设为,5,。参数设置完毕进行仿真，仿真,结束后在,MATLAB,工作空间产生,tout,和,yout,，在工,作空间中修改,yout,为,yout1,（如图,17,所示），,yout1,为电容电压的全响应。,电路其它参数不变，只把电容,C,的,Set the,initial capacitor voltage,不选中，即不设置初始电,压值，再进行仿真，在工作空间中修改,yout,为,yout2,，,yout2,为电容电压的稳态响应。,在命令窗口输入：,yout3=yout1-yout1,，,yout3,为电容电压的暂态响应。,30,在命令窗口用绘图指令画出电容上的三种响,应波形，如下图所示：,plot(tout,yout1,-,tout,yout3,:,tout,yout2,-.*),grid on%,把三种数据画在一张图上,legend(yout1,yout3,yout2)%,用图例标注,31,2.,二阶动态电路的时域分析,【,例,5】,如图所示的是典型的,RLC,二阶电路，,电容初始电压,u,c(0+)=10V,电感初始电流，图中,为输入,为响应。求在下列条件下，,电路的零输入响应，并画出其波形。,（,1,）,R=220;L=0.25H;C=100F,。,（,2,）,R=100;L=0.25H;C=100F,。,（,3,）,R=50;L=1H;C=100F,。,（,4,）,R=0;L=1H;C=100F,。,32,方法二，,利用,MATLAB,中的电力系统模块集和虚,拟仪器搭建仿真电路,搭建好的仿真电路如图,21,所示，以文件名,mdlExam9_5,存盘。该电路比较简单，只有,1,个电阻,，,1,个电感，,1,个电容组成。但值得注意的是，,实际,中纯电感是不存在的，所以一定要有一个和电感并,联的电阻，在这里我们把该电阻值设的非常大，相,。,33,u,c,i,当于开路，,就对仿真波形影响较小了。电容电压,初值设为,10V,。开关的阻值也要设的非常小，开关,时间设为,0.01S,，仿真过程需要分,4,个步骤完成，,根据题目给出的条件改变这几个元件的有些参数,，然后进行仿真。,34,为了便于把电容上的三种电压波形和图,20,比较，,仿真时间设为,0.5 S,，步长和方法一保持一致，设为,0.001S,。仿真过程由以下几个步骤完成：,按,R=220;L=0.25H;C=100F,设定参数，得,到过阻尼波形。,按,R=100;L=0.25H;C=100F,设定参数，得,到临界阻尼波形。,按,R=50;L=1H;C=100F,设定参数，得到欠,阻尼波形。,按,R=0.001,；,L=1H;C=100F,设定参数，得,到自由振荡波形。,35,这几种波形如图,22,所示，可以看到与图,20,基本一致。,36,4,动态电路的稳态分析,1.,一般动态电路的稳态分析,【,例,6】,如图,23,所示的电路，已知,C1=0.5F,，,R2=R3=2,，,L4=0.5H,求,b,，,d,两点之间的电压,U(t),，并画出波形。,37,Z,4,Z,3,d,a,b,c,Z,1,Z,2,方法二，,利用,MATLAB,中的电力系统模块集和虚,拟仪器搭建仿真电路,搭建好的仿真电路如图,25,所示，以文件名,mdlExam9_6,存盘。电容、电阻、电感的参数按照,题目给出的条件设定，电压源电压为,10V,，频率为,f=10/(2,pi,)=1.5915(Hz),电流源电流为,5A,，频率为,f=1/(2,pi,)=0.1592(Hz),。仿真时间设为,20S,，间隔为,0.1S,。仿真结果如图,26,所示。,38,39,2.,含受控源的正弦电路稳态分析,【,例,7】,如图,27,所示的电路，已知,V,，,R=5,，,L=20mH,，,C=100F,。求电流,i,，并画出波形。,40,0,.,4,u,1,u,1,方法二，,利用,MATLAB,中的电力系统模块集和,虚拟仪器搭建仿真电路,搭建好的仿真电路如图,29,所示，以文件名,mdlExam9_7,存盘。电容、电阻、电感的参数按,照题目给出的条件设定，电压源电压为,100V,，频,率为,f=8/(2)=4(Hz),Scope,显示电流的波形。另把,电流用,Measurements,模块中,Extras,里面的,Fourier,进行傅里叶变换（在这里提醒读者注意,Fourier,参数的设置与计算结果的关系），可得到,电流的幅值和相位，送给,2,个,Display,显示出来。,仿真时间设为,1S,，间隔为,0.001S,。仿真结果如图,9.30,所示。,41,42,3.,带耦合电感的正弦电路稳态分析,【,例,8】,如图,31(a),所示的正弦稳态电路，已知,V,，,R=8,，,L1=7H,，,L2=4H,，,M,=2H,。求电流,i,2,（,t,），并画出波形。,a.,正弦稳态电路,43,M,i,2,（,t,）,b.,去耦等效电路,c.,向量模型电路,44,L,1,-M,L,2,-M,i,2,（,t,）,8,I,m,I,2m,j5,j2,j2,方法二，,利用,MATLAB,中的电力系统模块集,和虚拟仪器搭建仿真电路,搭建好的仿真电路如图,32,所示，以文件名,mdlExam9_8,存盘。电阻的参数按照题目给出,的条件设定，耦合线圈的电感和互感也按照题,目给出的条件设置，注意实际中不可能存在单,纯的电感，电感总会有一定的电阻，在这里把,耦合线圈两边的电阻值都设为,0.00001,，电,压源电压为,20V,，频率为,f=20/(2)=3.1831(Hz),Scope,显示电流的波形。仿真时间设为,1S,，间,隔为,0.001S,。仿真结果如图,33,所示。,45,46,5,电路的频域分析,在,MATLAB,中可以用,abs(H),和,angle(H),语句来直接计算幅频响应和相频响应,其图形的频率坐标可以是线性的（用,plot,画出），也可以是半对数的（用,semilogx,画出）。,47,【,例,9】,如图,34,所示的是二阶带通串联谐振电路。已知,L=0.01H,，,C=,1,P,，求,R=10,、,50,、,100,、,200,时，电流,I,对电压,U,的响应，并画出波形。,48,j,L,1/,j,C,U,I,解：方法一,，,M,文件法：,建模,由电路图得,幅频响应可用增益表示为,相频响应,49,MATLAB,程序,mExam9_9.m,L=0.01;C=0.000001;%,初始化电路参数,r=10,50,100,200;,%,为简化运算,本例题只改变电阻值,w=logspace(-1,8,100);%,设定频率数组,w,for i=1:4,R=r(i);,H=1./(R+j*w*L+1/j*w*C);%,求复频率响应,subplot(2,1,1),semilogx(w,20*log10(abs(H),hold on,grid on%,绘制幅频特性,subplot(2,1,2),semilogx(w,angle(H),hold on,grid on%,绘制相频特性,end,50,程序运行结果,如下图所示，上面的子图是幅频,特性，下面的子图是相频特性,51,方法二，,利用,MATLAB,中的电力系统模块集和虚,拟仪器搭建仿真电路,搭建好的仿真电路如图,36,所示，以文件名,mdlExam9_9,存盘。在进行仿真前首先介绍两个函,数：一个是电力系统模块提供的,power,_analyze,(),，其,调用格式为,a,b,c,d=,power,_analyze,(,文件名,),，可以,提取出从给定电源到输出端子的状态方程模型，根据,此状态方程模型可以对电路进行频域分析，如绘制其,Bode,图等；另一个是,ss,（），其调用格式为，,可以根据,a,、,b,、,c,、,d,创建状态空间模型或转换状态空间模型。,52,按题目给出的条件对电感和电容设定参数，然后按,以下步骤进行仿真：,电阻,R,值设为,10,，然后在命令窗口输,a,b,c,d=power,_analyze,(mdlExam9_9);sys=ss(a,b,c,d);,bode(sys),，这时会弹出一个绘制好的,Bode,图形窗口,修改电阻,R,值为,50,并存盘，然后在命令窗口输,入：,a,b,c,d=power,_analyze,(mdlExam9_9);,sys=ss(a,b,c,d);hold on,bode(sys),修改电阻,R,值为,100,并存盘，然后在命令窗口输,入：,a,b,c,d=power,_analyze,(mdlExam9_9);,sys=ss(a,b,c,d);hold on,bode(sys),53,修改电阻,R,值为,200,并存盘，然后在命令窗口,输入：,a,b,c,d=power,_analyze,(mdlExam9_9);,sys=ss(a,b,c,d);hold on,bode(sys),经以上,4,步仿真，可以看到如图,37,所示的,Bode,图，上面的子图是幅频特性，下面的子图是相频特,性。,图,36,54,图,37,仿真得到的电路的,Bode,图,55,