馮巧紅

滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，安徽滁州，239000

隨著全球產(chǎn)業(yè)的信息化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，對(duì)電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的需求日漸增長(zhǎng)。電路理論是機(jī)械電子、通訊技術(shù)、信息工程以及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才必備的理論基礎(chǔ)。然而，由于電類(lèi)課程中很多知識(shí)理論性較強(qiáng)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在公式多,電路圖、波形圖和示意圖多以及電路分析的方程和定理推理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纫幌盗袉?wèn)題，使得教師的教和學(xué)生的學(xué)成為教學(xué)中的共性問(wèn)題。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越受到廣大師生的青睞，MATLAB GUI 設(shè)計(jì)工具因其可以設(shè)計(jì)出符合各種功能要求的人機(jī)交互界面以及快速產(chǎn)生各種圖形對(duì)象的開(kāi)發(fā)環(huán)境，尤其在分析計(jì)算電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)、繪制響應(yīng)波形方面，有著一般軟件無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因而倍受廣大電氣類(lèi)師生們的青睞。筆者利用MATLAB GUI設(shè)計(jì)了二階電路在零輸入響應(yīng)下存在的三種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的波形圖，為師生們直觀而形象地學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容提供一個(gè)很好的參考平臺(tái)。

1 二階電路的數(shù)學(xué)描述

二階電路如圖1所示，設(shè)電路原來(lái)在穩(wěn)態(tài)，在t=0時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，電路進(jìn)入暫態(tài)。

根據(jù)KVL可得：uR+uL+uC=0

整理方程可得：

圖1 二階電路圖

該電路的初始條件有uC(0)，iL(0)，此處令初始條件為uC(0)=U0、iL(0)=0，下文也都以此作為初始條件。上述微分方程的特征根方程為：

LCp2+RCp+1=0

可知方程的根為：

根據(jù)電阻R、L、C的取值情況，電路的工作狀態(tài)可分三種情況來(lái)討論。

uC(t)=A1ep1t+A2ep2t

uC(t)=(A1+A2)e-δt

2 基于MATLAB的二階電路零輸入響應(yīng)的GUI設(shè)計(jì)

為了便于分析，下面在MATLAB的GUI的環(huán)境中設(shè)計(jì)分析界面。首先在布局編輯器中選用合適的控件，形成框架：建立3個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象，分別用來(lái)顯示過(guò)阻尼響應(yīng)、臨界阻尼響應(yīng)和欠阻尼響應(yīng)；建立兩個(gè)按鈕，分別用來(lái)輸入數(shù)據(jù)、計(jì)算并繪制響應(yīng)曲線(xiàn)和結(jié)束程序；建立9個(gè)靜態(tài)文本標(biāo)簽，其中3個(gè)用來(lái)顯示輸入的3組不同的R、L、C的值以產(chǎn)生過(guò)阻尼、臨界和欠阻尼響應(yīng)，其余6個(gè)文本標(biāo)簽用來(lái)標(biāo)注相應(yīng)控件的提示和顯示輸入的數(shù)據(jù)。具體界面設(shè)計(jì)如圖2所示，保存為指定文件名。

設(shè)置第一個(gè)按鈕的“String”為“分析”，作為數(shù)據(jù)輸入、結(jié)果分析及繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)該按鈕執(zhí)行指定的功能，也就是先依次彈出3個(gè)輸入對(duì)話(huà)框以輸入并獲取R、L、C的數(shù)值，并且在相應(yīng)的文本標(biāo)簽中顯示出來(lái)，然后將所獲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為文本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的結(jié)果分析和計(jì)算，同時(shí)在對(duì)應(yīng)的3個(gè)坐標(biāo)軸上繪制對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

圖2 GUI界面

function pushbutton1_Callback (hObject,event data,handles)

t=0:0.005:50;

str={'R','L','C','U'};

abcData=InputDlg(str,'輸入R L C U2的值',1); %從輸入對(duì)話(huà)框輸入R L C U0的值

if ～isempty(abcData)

R=str2double(abcData(1));

L=str2double(abcData(2));

C=str2double(abcData(3));

U=str2double(abcData(4));%從輸入對(duì)話(huà)框中獲取R L C U0的數(shù)值

set(handles.text1,'String',strcat('R=',abc Data(1),',L=',abcData(2),',C=',abc Data(3),',U0=',abcData(4))); %將R L C U0的值顯示在對(duì)話(huà)框中

x1=R/(2*L);x2=1/(L*C);P1=-x1+sqrt(x1^2-x2);P2=-x1-sqrt(x1^2-x2);

A1=P2*U/(P2-P1);A2=P1*U/(P1-P2);%計(jì)算相關(guān)參數(shù)

uc1=A1*exp(P1*t)+A2*exp(P2*t);

i1=C*P1*A1*exp(P1*t)+C*P2*A2 *exp(P2*t);

axes(handles.axes1);%選定第一個(gè)坐標(biāo)軸繪制過(guò)阻尼響應(yīng)曲線(xiàn)

set(handles.axes1,'XMinorTick','on');

plot(t,uc1,'k',t,i1,'r');%繪制過(guò)阻尼響應(yīng)曲線(xiàn)

end

t=0:0.1:4;

abcData=InputDlg(str,'輸入R L C U0的值',1);

if～isempty(abcData)

R=str2double(abcData(1));

L=str2double(abcData(2));

C=str2double(abcData(3));

U=str2double(abcData(4));

set(handles.text2,'String',strcat('R=',abcD ata(1),',L=',abc Data(2),',C=',abc Data(3),',U0=',abcData(4)));

x1=R/(2*L);

uc2=U*(1+x1*t).*exp(-x1*t);

i2=-U/L*t.*exp(-x1*t);

axes(handles.axes2);

plot(t,uc2,'K',t,i2,'r');

end

t=0:0.001:20;

abcData=InputDlg(str,'輸入R L C U1的值',1);

if～isempty(abcData)

R=str2double(abcData(1));

L=str2double(abcData(2));

C=str2double(abcData(3));

U=str2double(abcData(4));

set(handles.text3,'String',strcat('R=',abcD ata(1),',L=',abc Data(2),',C=',abc Data(3),',U0=',abcData(4)));

x=R/(2*L);w0=1/sqrt(L*C);w=sqrt (w0^2-x^2);

uc3=w0/w*U*exp(-x*t).*sin(w*t+atan(w/x));

i3=C*w0/w*U*exp(-x*t).*(w* cos(w*t+atan(w/x))-x*sin(w*t+atan (w/x)));

axes(handles.axes3);

plot(t,uc3,'k',t,i3,'r');

end

設(shè)置第二個(gè)按鈕的“String”為“結(jié)束”，用來(lái)結(jié)束程序。調(diào)用其Callback函數(shù)執(zhí)行關(guān)閉圖形，代碼如下：

function pushbutton2_Callback(hObject,event data,handles)

close

3 基于GUI的分析

界面設(shè)計(jì)好以后，即可進(jìn)行程序運(yùn)行。點(diǎn)擊“運(yùn)行”，單擊“分析”按鈕，依次調(diào)用3個(gè)輸入對(duì)話(huà)框，如圖3所示，分別輸入R、L、C的值(R=2，L=1，C=4，U0=2；R=2，L=0.5，C=0.5，U0=2；R=2，L=4，C=0.4，U0=2)，在對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸中繪制過(guò)阻尼、臨界和欠阻尼響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖3 輸入對(duì)話(huà)框

圖4 響應(yīng)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究具有重要的實(shí)際意義，因?yàn)槲覀冇袝r(shí)需要采取相應(yīng)的措施以避免電路在動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流現(xiàn)象，而有時(shí)又需要利用動(dòng)態(tài)過(guò)程達(dá)到某種技術(shù)目的。在分析二階電路的零輸入響應(yīng)時(shí)，利用MATLAB設(shè)計(jì)的GUI可以輸入不同的R、L、C值并實(shí)時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的放電波形，這樣具有直觀性。既可以讓“教”者節(jié)省繪圖和分析時(shí)間，又可讓“學(xué)”者能通過(guò)改變輸入值而改變輸入波形，更具有直觀性，同時(shí)，利用GUI提供的良好的人機(jī)對(duì)話(huà)可以避免枯燥的理論分析，提高學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)。

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