武汉理工自动化基础强化训练

1、武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书i=rMatlab是当今最优秀的科技应用软件之一，它简单易用，具有强大的科学 计算能力、可视化功能、开放式可扩展环境，所附带的工具箱支持30多个领域， 因此，在许多科学领域中 matlab成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用 开发的基本工具和首选平台。同时 matlab具有其他语言难以比拟的一些优点： 编写简单，效率高，易懂易学，因此， matlab语言也被通俗地称为演算纸式的 科学算法语言。Matlab在信号处理、通信、自动控制及科学计算等领域中被广 泛应用，被认为是最能够提高工作效率，改善设计手段的工具软件。Matlab具有以下几种优势：（1）友好

2、的工作平台和编程环境（2）简单易用 的程序语言（3）强大的科学计算机数据处理能力（4）出色的图形处理功能（5） 应用广泛的模块集合工具箱（6）实用的程序接口和发布平台（7）应用软件开发 （包括用户界面）Simulink是MATLA最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观 的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求

3、应用于 Simulink。Simulink是MATLA中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB勺框图 设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性 系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模， 它也支持多速 率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。在 simulink中可以查 看电流电压等的波形，能形象的反映参数的变化。 Simulink提供可视化图形界 面。元件库中包含各种用户所需的电子器件， 用户在进行电路仿真时，只需在相 应的元件库中选择即可。同时simu

4、link提供受控电源，能更好的方便用户使用。将matlab和simulink结合使用可以是调试电路，改正电路中出现的错误。因此Matlab在电子电路的开发应用中得到广泛的应用武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书目 录1训练意义及要求 11.1 训练意义 11.2 训练要求 12方案设计 22.1 设计思路 22.2 设计方案 22.2.1 方案一 22.2.2 方案二 42.3 方案比较 7小结与体会 8参考文献 9武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书1训练意义及要求1.1训练意义学习并掌握MATLA酷言工具，结合线性代数、电路原理等课程，强化、巩 固专业理论基础，掌握 MATLAB言的编

5、程技巧，为后续专业课程的仿真学习打 下良好的基础。MATLAEK言的两个最显著特点,即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可 视化功能，使它成为控制界应用最广的科学计算工具。控制界知名学者编写的控 制系统工具箱，不仅用于仿真，甚至用于实际控制。显然，掌握MATLA的言已成为本专业大学生必备的能力之一。本环节通过MATLAB言的学习与强化训练， 使学生能掌握MATLA歆件，从分析和解决线性代数、电路原理课程中的 基本理论问题入手，力图做到在后续专业课程学习中，能熟练应用MATLAB:具来分析和设计控制系统。通过本环节，巩固和深化已学课程的知识，培养学生综合运用这些知识，分 析和解决实际问题，逐步树立

6、正确的设计思想；培养严谨认真的科学态度和严谨 务实的工作作风。1.2训练要求在如图1.2.1的电路 中 R1=4Q, R2=12Q,电 流源电流Is=3/0 A,电 压源电压 Us=10/ 45V, C=1/3uF, L=6H ,=1rad/s。求 V1 和 V2。1）用尽可能多的方法完成计算和仿真；2）报告应对建模、参数设置、仿真模型搭建中使用的元器件所在的工具库、 和仿真的过程进行详细说明（可截屏说明实现过程）；3）将仿真结果与理论计算进行对照，对仿真结果的正确性进行分析说明.武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书2方案设计2.1 设计思路该电路由交流电流源、交流电压源、电容、电阻和电感组

7、成，对电路可以列出基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。 但对于此电路应用节点电压法比较简 单，列出节点1和2的电流方程，联立方程组即可解得V2的值。在matlab中建 立数学模型，通过一定的函数和法编程、仿真，输出结果，最后与理论值比较2.2 设计方案2.1.1 方案一:应用节点电压解方程组。将节点1和2看成一个超级节点，列方程(1)故节点 1和2之间的电压为10/(2)r IsUsIs=V1/(1/(j C)+V2/(j L)+V2/R由于节点1和2之间并联了一个电压源,450Us =V1-V2r、 产=y1/( Xc) 1/(Xl)+1/R. V11-1IJ V2联立方程组(1)和(2)可

8、解得V1和V2在matlab中程序代码为：%定义时间长度及间隔%将Is转换成三角函数表达式%将Us转换成三角函数表达式%电感的阻抗%电容的阻抗% R的阻值t=0:0.001:4*pi;Is=3;Us=10*(cos(pi/4)+sin(pi/4)*i);Xc=-3*i;Xl=6*i;R=12;A=1/( Xc),1/(Xl)+1/R;1,-1;B=Is;Us;V=AB% V1和V2系数矩阵%求丫1和V2的复数值y=V(1);m=real(y);n=imag(y);%求丫1的复数值%求丫1实部 %求丫1虚部武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书V1=sqrt(mA2+nA2)*sin(t+ata

9、n(n/m);plot(t,V1)Y=V(2);M=real(Y);N=imag(Y);V2=sqrt(MA2+NA2)*sin(t+atan(N/M); figure;%求V1二角表达式%画出t与V1的图形%求丫2的复数值%求丫2实部%求丫2虚部%求V 2三角表达式%另外开启一个图形窗口%画出t与V2的图形plot(t,V2)图2.2.1 V1的波形图2.2.2 V2的输出波形武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书2.2.2方案二利用matlab里的simulink可以对电路图进行仿真，并可以查看输出波形。1 单机 matlab 菜单栏的 file new/ model2 在 matlab

10、中输入 simulink3单机library 中的simulink sinks ,在右边的窗口中将示波器（scope） 拖入电路仿真窗口4 单机library 中的 simpowersysterms 将 powergui拖入电路仿真窗口5 单机 library 中的 simpowersysterms electrical sources , 将交流电 流源与交流电压源拖入电路仿真窗口，双击电源，对参数进行设置。如图 2.2.3 和图2.2.4所示。图2.2.3电流源参数设置图2.2.4电压源参数设置6 在 simpowersysterms elements 中将 RLC series bran

11、ch 拖入 3 个至U仿 真窗口，并对其参数进行设置。如图 2.2.5、图2.2.6和图2.2.7所示。武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书图2.2.5电容参数设置图2.2.6电阻参数设置Series. KLC BraiLcln仃 ink)ImDl ftiHftnt s a 片型ri 已客br&ncli of RLC 岂L芝m老Use th。J Bramalh. t zpeJ paxt-inat ar 。 d d. or r 面口 1 airitTit s from t ha ranch.QJLaxic 艺 L I HeljpAPP 二7图2.2.7电感参数设置武汉理工大学基础强化训练课程设

12、计说明书7在 simpowersystermsmeasurements中将 2个电压表拖入仿真窗口8将电路原件摆放在适当的位置，并连线。连好后的电路图如图 2.2,8所示10Z45&V图 2.2.89对电路仿真，simulation start ,待系统不再提示有错后双击示波器1和示波器2,可得到V1和V2的波形图。如图2,2,9图2,2.10所示。图2.2.9 V1的波形图武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书图2.2.10 V2的波形图2.3方案比较将matlab编程得出的图形与simulink仿真的图形比较，波形图相同，都可 以达到预期的效果，相比较而言，simulink 有更好的交互界

13、面，不需要编程， 但对于不熟悉simulink 的人来说，在元件库中寻找元件比较困难。用 matlab 编程需要进行变量设置及矩阵运算，但操作比较简单。武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书小结与体会通过本次基础弓S化训练，对 matlab有了初步的了解。matlab在处理以著名 的线性代数软件包linpack和特征值计算软件包eispack中的子程序为基础，发 展而成的一种开放型程序设计语言。工具箱是matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、 神经网络、图像处理、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。借助于这 些现有的工具，科

14、研人员可以直观、方便的进行分析、计算及设计工作，从而大 大节省了时间。在大学里，他是用于初等和高等数学、自然科学和工程学的标准教学工具； 在工业界，他是一个高效的研究、开发和分析的工具。对于我们在大学里学过的 一些课程，例如线性代数、高等数学和电路原理都可以用 matlab解 决所需的问题。除此之外，matlab还支持C语言和fortran 语言。即将进入大 三，还可以解决自动控制原理中难解的问题。通过此次训练，对matlab编程语言有了一定了解，特别是解线性方程组时 矩阵的左除和右除之间的区别。起初在求方程组的解时，以为矩阵只有右除，导 致运算结果与simulink仿真电路得到的波形相差甚远

15、。后来经过查阅资料和请 教同学才弄懂。simulink仿真电路时将电路连接好后仿真是系统提示错误，整个电路中没 有powergui。起初并不知道 powergui是什么，通过上网查得 powergui是用来 对测量参数进行采样，设置 powergui参数可以改变采样时间。SimPowerSystem 工具箱中有些模块是不能直接连接 Simulink信号的。如果实在想给电压端口输 入simulink信号，需要给其先加一个受控电压源，用simulink信号控制受控信 号。还有比如受控电流源模块等，都可以实现SimPowerSystem工具箱与Simulink 工具箱的连接。若要用到受控电源，还需另外添加电表。例如电路中有一个受控 电压源，则需要先用电压表测出受控的电压， 然后将电压表的端口与受控电压源 相连。虽然训练只有一周的时间，但对于认识 matlab来说是一个很好的机会，对 以后更加深入学习matlab有很大的帮助。matlab编程没有起初想象的简单，本 以为和C语言差不多，但用起来才知道犯了很多错误。对于用程序实现仿真来说， 编程只是其中的小部分，重要的是调试程序。要熟练的掌握matlab ,以后还需不断的使用。武汉理工大学基础强化训练课程设计说明书参考文献1求是科技编著 matlab7.0从入门到精通人民邮电出版社，2006, 22 Charle