基于Matlab GUI的RLC仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

裘雪敬，陽(yáng)天舒，馮 娟，王杰

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

RLC電路特性實(shí)驗(yàn)是電工學(xué)的基本電路之一，其電路特性是由抽象、復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述的，不易于學(xué)生理解與掌握。同時(shí)，有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)與不足的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也使RLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一定困難。利用仿真軟件可以構(gòu)建非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下RLC仿真平臺(tái)［1-2］，學(xué)生無(wú)論是在課堂上還是在課后，都可以在電腦上實(shí)現(xiàn)RLC實(shí)驗(yàn)的仿真，擺脫了無(wú)實(shí)物的困境，為RLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種新的方法?；诖耍肕atlab中GUI開(kāi)發(fā)了RLC電路特性仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［3-5］，動(dòng)態(tài)演示電路參數(shù)變化時(shí)電路特性的變化，幫助學(xué)生理解和掌握電路特性，既可以用作學(xué)生課前預(yù)習(xí)，也可以作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的一種替代手段。

圖1 RLC電路特性仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 RLC仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

RLC仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K共包括三個(gè)實(shí)驗(yàn)主模塊，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)主模塊下由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、思考題四個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊在主模塊后調(diào)用。

2 RLC仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

RLC電路特性仿真實(shí)驗(yàn)中包含三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，分別為:RLC串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、RC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。

2．1 登錄界面模塊

登錄界面模塊是用戶進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的入口，由“系統(tǒng)簡(jiǎn)介”、“進(jìn)入系統(tǒng)主界面”、“關(guān)閉系統(tǒng)”三個(gè)按鈕控件構(gòu)成，見(jiàn)圖2。

圖2 登錄界面

在每個(gè)按鈕的回調(diào)函數(shù)中，先用close關(guān)閉當(dāng)前窗口后，再打開(kāi)指定的文件［6，7］。如“進(jìn)入系統(tǒng)主界面”按鈕的回調(diào)函數(shù)如下:

close指關(guān)閉當(dāng)前頁(yè)面，chosepage是要打開(kāi)文件的文件名。

2．1．1 “系統(tǒng)簡(jiǎn)介”按鈕設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊“系統(tǒng)簡(jiǎn)介”按鈕后，界面如圖3所示，用于對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說(shuō)明。界面中的文字通過(guò)靜態(tài)文本框顯示出來(lái)，雙擊靜態(tài)文本框后，“String”用于改變顯示的文字，“BackgroundColor”用于改變文本框的背景色。“返回”按鈕用于返回上一頁(yè)GUI界面。

圖3 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2．1．2 “進(jìn)入系統(tǒng)主界面”按鈕設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)主界面”按鈕后，界面如圖4所示，供用戶選擇將要演示的仿真實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選擇的菜單稱為彈出菜單，彈出菜單里包含四項(xiàng)，如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

圖5 實(shí)驗(yàn)選擇菜單

若要實(shí)現(xiàn)彈出菜單每個(gè)選項(xiàng)的功能，需先獲取每個(gè)選項(xiàng)的Value，再進(jìn)行相應(yīng)的操作。彈出菜單里的選項(xiàng)是通過(guò)其屬性的“String”進(jìn)行設(shè)置的，每行對(duì)應(yīng)一個(gè)Value。每個(gè)選項(xiàng)關(guān)聯(lián)著相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊后則切換到對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的仿真頁(yè)面。這里需要注意的是，若是沒(méi)有選擇任何實(shí)驗(yàn)，而是直接按“確認(rèn)”按鈕，則執(zhí)行的指令應(yīng)是容錯(cuò)處理指令，界面如圖6所示。

圖6 容錯(cuò)處理界面

2．2 系統(tǒng)主界面模塊

為了使仿真實(shí)驗(yàn)界面與用戶的交互性更好，同時(shí)也為了幫助用戶更好地理解實(shí)驗(yàn)，RLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)均由實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、思考題和開(kāi)始實(shí)驗(yàn)等五個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)相關(guān)內(nèi)容并通過(guò)按鈕控件進(jìn)行映射［8-9］。下面以RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)說(shuō)明，菜單界面如圖7所示。

圖7 RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)菜單

2．2．1 “實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、“?shí)驗(yàn)內(nèi)容”、“實(shí)驗(yàn)原理”和“思考題”按鈕設(shè)計(jì)

“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、“?shí)驗(yàn)內(nèi)容”或“思考題”按鈕用于打開(kāi)一個(gè)說(shuō)明窗口，以”思考題”按鈕為例，運(yùn)行后效果如圖8所示。

由于實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容較多，不便展示在GUI窗口上，所以“實(shí)驗(yàn)原理”按鈕利用open函數(shù)打開(kāi)一個(gè)實(shí)驗(yàn)原理的文本文檔，方便用戶更好地理解實(shí)驗(yàn)?！皩?shí)驗(yàn)原理”按鈕的回調(diào)函數(shù)如下:

open RLC串聯(lián)電路暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)原理．doc;

運(yùn)行后，即可打開(kāi)《RLC串聯(lián)電路暫態(tài)特性實(shí)驗(yàn)原理》文檔。

圖8 思考題

2．2．2 “開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕設(shè)計(jì)

RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性有三種響應(yīng)形式:欠阻尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼［10］。點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕，進(jìn)入如圖9所示的GUI界面。調(diào)節(jié)參數(shù)電阻、電容、電感的值，計(jì)算出R與關(guān)系，則可確定電路的響應(yīng)形式［11-13］。

圖9 RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性GUI界面

(1)滑動(dòng)條與可編輯文本框之間的映射

滑動(dòng)條的作用就是實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定的步長(zhǎng)進(jìn)行變量的變化，可編輯文本框的作用就是易于用戶設(shè)置自己想設(shè)置的數(shù)值，二者結(jié)合起來(lái)，則可達(dá)到滑動(dòng)條與文本框的數(shù)值同步的目的，有利于提高GUI界面與用戶的交互性。

以電阻值的滑動(dòng)條與文本框之間的映射為例，滑動(dòng)條、文本框的回調(diào)函數(shù)分別為:

其中，handles．edit2為文本框的句柄，handles．r為滑動(dòng)條的句柄。

其中，handles．edit3、handles．edit2、handles．edit1分別為電阻、電感、電容文本框的句柄，而handles．t1、handles．t2 則分別為 R 與對(duì)應(yīng)文本框的句柄。運(yùn)行后，靜態(tài)文本里即可顯示出對(duì)應(yīng)的R與的數(shù)值。

(3)電路狀態(tài)的顯示

圖10 欠阻尼

圖11 臨界阻尼

(4)電路響應(yīng)圖形的繪制

由于描述該物理特性的是數(shù)學(xué)中的二階微分方程［14］，所以采用Matlab中的解二階微分方程的函數(shù)進(jìn)行求解命令執(zhí)行后，通過(guò)調(diào)節(jié)R、L、C的值，繪制的三種響應(yīng)形式的圖像分別如圖10、圖11、圖12所示。

圖12 過(guò)阻尼

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Matlab中GUI工具開(kāi)發(fā)了RLC仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將電路特性用圖形界面方式直觀地顯示出來(lái)，充分發(fā)揮了GUI在計(jì)算電路響應(yīng)、繪制圖形方面的優(yōu)勢(shì)。將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與計(jì)算機(jī)仿真模擬有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，不僅操作簡(jiǎn)單，加深了學(xué)生對(duì)電路特性的理解，而且解決了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不足、學(xué)時(shí)有限的問(wèn)題，提高了教學(xué)效率與質(zhì)量，對(duì)于今后物理實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 張雙德，石偉．用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［J］．武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(1):49-50．

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