曹 路

(五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020)

Matlab在《電路分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用

曹 路

(五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020)

Matlab語(yǔ)句簡(jiǎn)練，功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單實(shí)用，在電路計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用前景。以二階電路為例，用M文件編譯、GUI圖形用戶界面和Matlab/Simulink 3種方法分別探討了Matlab在電路分析計(jì)算方面的應(yīng)用，并給出了仿真結(jié)果。將Matlab應(yīng)用于《電路分析》課程教學(xué)，可以幫助學(xué)生理解與掌握《電路分析》課程中的基本概念和基本分析方法，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣同時(shí)，有效地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量

Matlab；電路分析； GUI；Simulink

《電路分析》[1-2]是高校電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程理論性強(qiáng)，電路方程、電路定理推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，電路圖和公式較多，傳統(tǒng)的黑板式的教學(xué)方式已不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的要求。為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端，可以根據(jù)電路課程的特點(diǎn)，利用Matlab將課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容制成電路分析演示系統(tǒng)，應(yīng)用于課堂教學(xué)，來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。

1 基于Matlab M文件編譯的教學(xué)方法

電路分析基礎(chǔ)為電路分析計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)和各種分析方法，但應(yīng)用這些方法分析復(fù)雜的電路時(shí)，手工求解相當(dāng)繁瑣。如對(duì)含多個(gè)網(wǎng)孔多個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)電流法和節(jié)點(diǎn)電壓法的分析，對(duì)二階電路的分析，對(duì)正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析等，通常需要列出方程組或者二階微分方程進(jìn)行求解，特別是當(dāng)電路比較復(fù)雜、方程數(shù)量較多時(shí)，很難計(jì)算得出滿意的結(jié)果，也很容易在計(jì)算中出錯(cuò)。利用Matlab的M 文件求解電路方程，僅需要一個(gè)或者幾個(gè)語(yǔ)句即可完成，并且隨意改變電路參數(shù)，能立即得到改變后的結(jié)果。

以二階電路的分析與求解為例，二階電路的學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)涉及相當(dāng)多的二階微分方程，這對(duì)于高等數(shù)學(xué)未過(guò)關(guān)的同學(xué)來(lái)說(shuō)是攔路虎，為了讓同學(xué)們從繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算中解脫出來(lái)，重點(diǎn)關(guān)注于二階電路的基本分析方法，利用Matlab M文件編譯的方法，能掃清同學(xué)們學(xué)習(xí)過(guò)程中的障礙，提高學(xué)習(xí)興趣。

圖1 RLC串聯(lián)電路

2 基于圖形用戶界面GUI 的教學(xué)方法

圖2 二階電路的響應(yīng)

圖3 二階電路GUI界面

圖4 運(yùn)行結(jié)果

GUI圖形用戶界面提供了一個(gè)界面設(shè)計(jì)環(huán)境，利用GU I 設(shè)計(jì)向?qū)?，可以很方便地設(shè)計(jì)出電路仿真實(shí)驗(yàn)的圖形用戶界面，在這個(gè)圖形用戶界面中，對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)可以直接修改，并顯示出仿真曲線，傳遞更多的信息量，有利于各位學(xué)生對(duì)電路理論知識(shí)的掌握[4]。

不同電路計(jì)算問(wèn)題多采用的數(shù)學(xué)方法是不一樣的。在設(shè)計(jì)電路計(jì)算平臺(tái)時(shí)，首先應(yīng)將電路計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行分類，再為不同的電路計(jì)算設(shè)計(jì)不同的平臺(tái)。其次，要建立數(shù)學(xué)模型，將電路的理論轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)公式表達(dá)。最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電路計(jì)算平臺(tái)。GUI提供的編輯框、按鈕、坐標(biāo)軸等控件，可以設(shè)計(jì)出界面友好的電路計(jì)算平臺(tái)。

GUI界面設(shè)計(jì)包括3個(gè)方面，即界面布局、設(shè)置控件的屬性、編寫回調(diào)函數(shù)。如圖3所示的二階電路GUI界面，主要由以下幾部分構(gòu)成：電路參數(shù)，電路初始值和電路激勵(lì)，通過(guò)對(duì)各個(gè)面板中可編輯文本框的改變，可改變電阻、電感和電容等參數(shù)的大小，來(lái)對(duì)應(yīng)于電路非振蕩衰減過(guò)程、振蕩衰減過(guò)程和等幅振蕩各個(gè)不同的過(guò)程。利用按鈕，可分別計(jì)算出具體電路對(duì)應(yīng)的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及全響應(yīng)的數(shù)值，并在坐標(biāo)軸中直觀的畫出分別對(duì)應(yīng)的圖形。圖4為選取電路具體參數(shù)時(shí)的運(yùn)行結(jié)果。

Matlab圖形用戶界面GUI可以幫助用戶方便地設(shè)計(jì)出符合用戶要求的人機(jī)交互界面，界面友好，非常直觀。Matlab/GUI設(shè)計(jì)工具在計(jì)算基礎(chǔ)電路的響應(yīng)和繪制圖形方面有有他軟件不可比擬的優(yōu)勢(shì)，能將電路分析課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容以文字、圖形、表格和曲線等形式非常直觀地表現(xiàn)出來(lái)，便于學(xué)生理解電路的基本原理和分析方法，特別適合于電路分析課程的輔助教學(xué)。

3 基于Matlab/Simulink 的教學(xué)方法

基于Matlab/Simulink 的教學(xué)方法可利用Simulink可視化、模塊化的建模特點(diǎn),方便快捷的建立出符合學(xué)生習(xí)慣表達(dá)的系統(tǒng)框圖,而且可以實(shí)時(shí)地改變模塊參數(shù)，運(yùn)行系統(tǒng)框圖模型獲得仿真結(jié)果，整個(gè)過(guò)程形象又直觀。教師可利用Simulink在教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行建模和演示,既不會(huì)過(guò)多的占用課堂的有效學(xué)時(shí)，又增強(qiáng)了課堂的學(xué)習(xí)氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情。

仍以二階電路為例，打開(kāi)Simulink主界面,分別將DC Voltage Source模塊、Series RLC Branch模塊和Breaker模塊放至模板空間,按照如圖1 所示的電路原理圖搭建系統(tǒng)模塊,如圖5 所示。系統(tǒng)模塊Out1輸出的即為電容上的電壓。由于仿真過(guò)程中涉及二階微分方程，利用Simulink時(shí)，會(huì)調(diào)用ode求解，仿真速度較慢，利用s域求解更為方便。

圖5 Simulink模型1 圖6 Simulink模型2

圖7 示波器波形

4 結(jié) 語(yǔ)

Matlab具有強(qiáng)大的運(yùn)算和繪圖功能，利用簡(jiǎn)單的M文件便可進(jìn)行復(fù)雜微分方程的求解和有關(guān)計(jì)算，還可進(jìn)行復(fù)雜圖形的繪制，使得二階動(dòng)態(tài)電路的分析運(yùn)算更加快捷；具有交互界面的GUI教學(xué)平臺(tái)，使得教師可以根據(jù)學(xué)生的疑問(wèn)方便的修改教學(xué)內(nèi)容，加快學(xué)生的理解進(jìn)度；在Matlab/Simulink 中，可以隨時(shí)改變模塊的參數(shù)并通過(guò)示波器觀察由此帶來(lái)的系統(tǒng)變化，幫助教師擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性。Matlab軟件功能強(qiáng)大,如何在課堂教學(xué)中進(jìn)一步發(fā)揮Matlab的優(yōu)勢(shì)還有待繼續(xù)總結(jié)和摸索。

[1]李瀚蓀.簡(jiǎn)明電路分析基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]邱關(guān)源.電路[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3]王正林，龔純，何倩.精通Matlab科學(xué)計(jì)算[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]劉衛(wèi)國(guó).Matlab程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.057

N4

A

1673-1409(2012)12-N170-03