陳曉娟

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116037）

0 引言

電路仿真指用仿真軟件在計(jì)算機(jī)中復(fù)現(xiàn)設(shè)計(jì)即將完成或待分析的電路，提供電路電源以及輸入信號(hào)，然后模擬示波器給出測試點(diǎn)波形或繪出相應(yīng)的曲線的過程。當(dāng)所研究的電路造價(jià)昂貴、特別是疫情期間實(shí)驗(yàn)不方便或需要很長時(shí)間才能了解電路參數(shù)變化引起的后果時(shí)，仿真就是一種特別有效的研究手段。

Matlab 作為當(dāng)今世界上應(yīng)用最為廣泛的高性能計(jì)算和可視化軟件，具有非常強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算、數(shù)值分析、圖形顯示、系統(tǒng)分析和建模等功能，在電路分析、自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。在Matlab 的仿真集成環(huán)境——Simulink 中，提供豐富的功能模塊，可以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)電路模型，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就能看到仿真結(jié)果。Matlab GUI（Graphical User Interface，圖形用戶界面）是用圖形化方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面（可視化）。如果能夠?qū)UI 和Simulink 結(jié)合起來，利用GUI 設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，直接在界面中調(diào)整Simulink 模型參數(shù)，得到仿真結(jié)果，對(duì)于理解和分析電路，是極為有益的[2]。GUI 與Simulink 聯(lián)系方式如圖1 所示。

圖1 GUI 與Simulink 聯(lián)系方式

利用Matlab 2018b，以典型的二階零輸入響應(yīng)電路為例，建立電路的Simulink 模型，然后設(shè)計(jì)符合功能要求的GUI 界面，可直接在編輯框中隨時(shí)修改參數(shù)，不需要進(jìn)入Simulink 環(huán)境，點(diǎn)擊按鈕后即可在GUI 界面上得到二階電路零輸入響應(yīng)中電感電流和電容電壓的波形，并判斷電路阻尼情況。

1 二階動(dòng)態(tài)電路Simulink 模型的建立

1.1 二階零輸入響應(yīng)電路分析

數(shù)學(xué)模型為二階微分方程的電路稱為二階電路。比較典型的二階電路是由1 個(gè)電容、1 個(gè)電感和若干電阻元件構(gòu)成，由開關(guān)通斷控制電路響應(yīng)類型。在圖2 所示的二階電路中，換路之前，既儲(chǔ)存電場能量又儲(chǔ)存磁場能量。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電源被切斷，電容和電感同時(shí)釋放能量，電路中的響應(yīng)完全由儲(chǔ)能元件的初始值引起，屬于零輸入響應(yīng)，其電路響應(yīng)存在多種情況。改變電路中R 數(shù)值，觀察電容電壓和電感電流波形，可以判斷電路阻尼性質(zhì)[3]。

圖2 二階零輸入響應(yīng)電路

開關(guān)S 打開之前，電路穩(wěn)定，由于是直流電源，電感相當(dāng)于短路，電容相當(dāng)于開路。可以求得初始值，電容和電感充電。換路之后的瞬間，電容電壓和電感電流的初始值不變，并且uC-uR-uL=0，進(jìn)一步求得電路的微分方程+uC=0。根據(jù)微分方程的特征根的形式可知，電路響應(yīng)有如下4 種情況：

（4）當(dāng)R=0 時(shí)，電路中響應(yīng)為等幅振蕩，稱為無阻尼。

1.2 二階零輸入響應(yīng)電路的Simulink 仿真模型建立

在Matlab 命令窗口鍵入Simulink，可以進(jìn)入Start Page 界面，新建一個(gè)空白模型窗口，在模塊庫中選擇構(gòu)建電路模型所需的電源和負(fù)載模塊，并把它們直接拖放到所建立的系統(tǒng)模型窗口中。將功能模塊放置合適的位置，按照電路圖，完成各模塊參數(shù)的修改和電路連接[4]。系統(tǒng)仿真的是開關(guān)打開之后的響應(yīng)，所以電路的Simulink 仿真模型如圖3 所示。根據(jù)電阻R 阻值不同，設(shè)置好電感電流和電容電壓的初始值，點(diǎn)擊“仿真”按鈕，然后雙擊示波器，就可以觀察電感電流和電容電壓波形。

圖3 二階零輸入響應(yīng)電路的Simulink 仿真模型

1.3 在Simulink 中設(shè)置與GUI 界面的數(shù)據(jù)傳遞

為了實(shí)現(xiàn)在GUI 界面中來進(jìn)行仿真參數(shù)實(shí)時(shí)配置，需要建立二者之間的聯(lián)系，即通過示波器菜單“View”選項(xiàng)中“Configuration Properties”，將logging 中的Log data to workspace 勾上，即先把波形信息存入Matlab 工作區(qū)中，模塊的Save format 設(shè)置為Array 形式，對(duì)于1 個(gè)在示波器中用多個(gè)坐標(biāo)系顯示波形的情況，可以將存儲(chǔ)形式改為Structure With Time。確定后再次運(yùn)行仿真，可以看到Workspace 中多出了存進(jìn)去的變量。在Matlab命令行中輸入get（gcbh）指令，可以獲得需要配置的參數(shù)Resistance、InitialCurrent 和InitialVoltage 名稱。

2 電路的GUI 界面設(shè)計(jì)

電路的Simulink 仿真模型建立之后，使用軟件自帶的GUIDE 編輯器編輯GUI 界面。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)[5]。

2.1 界面布局

在GUI 界面中，設(shè)置了4 個(gè)坐標(biāo)軸分別顯示電路圖、Simulink 仿真模型圖和響應(yīng)曲線。利用4 個(gè)可編輯文本框Edit Text，輸入和顯示參數(shù)及信息。5 個(gè)按鈕，分別控制初始值的計(jì)算，分析阻尼形式、控制與顯示Simulink 仿真波形。GUI 界面布局及運(yùn)行如圖4 所示。

圖4 二階電路的零輸入響應(yīng)GUI 界面

2.2 設(shè)置控件的屬性

控件的屬性一般都是默認(rèn)屬性，可以調(diào)整背景顏色、字體大小及String 等，注意設(shè)置完成每一項(xiàng)，需要點(diǎn)擊其他選項(xiàng)，以應(yīng)用設(shè)置，否則直接關(guān)閉對(duì)話框，該項(xiàng)不會(huì)保存。設(shè)定好各控件的大小、位置和屬性之后，保存，會(huì)自動(dòng)生成2 個(gè)文件。一個(gè)是FIG（.fig），包含了GUI 對(duì)象的屬性設(shè)置及其布局信息，其中沒有任何函數(shù)；另一個(gè)是M 文件（.m）[6]，M中則存著所需函數(shù)，之前并未編輯M，這是軟件根據(jù)GUI 框架，自動(dòng)生成的，需要在M 中編輯個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其具體功能。

2.3 編寫回調(diào)函數(shù)

在電路仿真平臺(tái)的GUI 界面中，根據(jù)二階零輸入響應(yīng)電路的原理，原來開關(guān)閉合時(shí)，電容和電感都充電，但根據(jù)電阻阻值的不同，充電之后的初始值會(huì)不同，會(huì)影響后續(xù)的阻尼形式和響應(yīng)波形，所以電阻R 非常關(guān)鍵。

global value %設(shè)置電阻值為全局變量

value=get（handles.edit3,'string'）；%阻值通過可編輯文本框輸入

v=str2num（value）；%把輸入的字符串的數(shù)據(jù)變成數(shù)值型的數(shù)據(jù)

點(diǎn)擊“初始值”按鈕可以計(jì)算并顯示電感電流和電容電壓的初始值。點(diǎn)擊“電容電壓”或“電感電流”，可以打開電路的Simulink 模型，開始仿真。這樣只要在GUI 界面中改變電阻阻值，不用再回到Simulink 中，模型中電阻、電感電流初始值、電容電壓初始值會(huì)自動(dòng)改變，示波器輸出波形也會(huì)實(shí)時(shí)顯示在相應(yīng)的坐標(biāo)軸中，不用每次雙擊元件修改參數(shù)，雙擊示波器觀察波形。電容電壓按鈕的主要程序如下：

點(diǎn)擊“阻尼形式”，可以看到，由于電容電壓和電感電流響應(yīng)的波形都是衰減振蕩形式，所以，當(dāng)電阻值為6 Ω 時(shí)，二階電路處于欠阻尼狀態(tài)。

3 結(jié)束語

以二階零輸入響應(yīng)電路為例，針對(duì)參數(shù)改變較頻繁，Simulink 模型需要逐個(gè)參數(shù)修改的不便，設(shè)計(jì)了電路仿真的交互式GUI 界面，不僅能形象直觀的表示電路的特點(diǎn)，在GUI 界面觀察到的波形和Simulink 示波器輸出波形（圖5）完全一致，沒有失真。通過GUI 界面改變參數(shù)，控制Simulink 的仿真過程也變得簡單，有利于提高電路仿真的效率。

圖5 Simulink 示波器輸出電容電壓波形