MATLAB在電路分析與計算中的應(yīng)用

楊雋鎧 胡秉誼

摘要：MATLAB在矩陣運算和數(shù)值分析方面有著明顯優(yōu)勢，且集系統(tǒng)仿真與圖像處理于一體，具有高效、易學(xué)等特點。文章通過幾個典型電路的建模、仿真舉例，來研究MATLAB在電路分析與計算中的應(yīng)用。結(jié)果表明：MATLAB有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加深對抽象概念的理解。

關(guān)鍵詞：MATLAB;數(shù)值分析;系統(tǒng)仿真

中圖分類號：TP312? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0114-04

電工電子類課程是計算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著電路復(fù)雜程度的增加，在電路的分析與計算過程中必然會用到線性代數(shù)、微分方程等數(shù)學(xué)知識，運算量和運算難度都明顯增大[1]。MATLAB具有強(qiáng)大的科學(xué)計算能力和便捷的圖像處理功能，而且MATLAB提供的仿真工具箱還能直接建立電路模型，對各種常見系統(tǒng)如線性、非線性系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，所以在電路的分析與計算中運用MATLAB會對學(xué)習(xí)起到很好的輔助作用[2]。本文僅以一些典型的電路為例，研究MATLAB在電路分析與計算中的應(yīng)用。

1 MATLAB在一階動態(tài)電路分析與計算中的應(yīng)用

在圖1所示的電路中，R1=6?， R2=8?，R3=12?，C=0.5F，? [us]=12V，is=5A，在t<0時，開關(guān)S位于“1”，電路已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1） t=0時，開關(guān)S閉合到“2”，求[uc（t）]，iR2（t），并畫出波形;

2） 經(jīng)10秒，開關(guān)S又復(fù)位到“1”，求[uc（t）]， iR2（t），并畫出波形。

1.1 建模

首先對第1問建模，這是一階動態(tài)電路，可用三要素公式求解。

1.2 源程序

程序運行結(jié)果如圖2所示。

2 MATLAB在二階動態(tài)電路中分析與計算中的應(yīng)用

如圖3所示的二階電路，L=0.2H，C=0.05F，初始值[uc] （0）=1V，iL（0）=0， 試研究R分別為0.4?、0.8?、1.2?、…、4?時，[uc] （t）和iL（t） 的零輸入響應(yīng)，并畫出波形圖。

2.1 建模

3.1 建模

計算完成后作圖。

3.2 源程序

4 MATLAB在離散系統(tǒng)信號響應(yīng)中的應(yīng)用

給定因果穩(wěn)定線性時不變系統(tǒng)的差分方程，設(shè)為低通濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)為：

4.1 建模

本題采用工具箱函數(shù)filter求解，如果已知系統(tǒng)函數(shù)H（z）=B（z）/A（z），則filter函數(shù)可求出當(dāng)輸入不同信號x（n）時對應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)y（n）。

4.2 源程序

5 結(jié)束語

通過以上例子可以看出，MATLAB具有使用方便、輸入簡潔、運算高效、直觀形象等特點[5]，有助于對抽象晦澀概念的理解，而且可以方便地在MATLAB程序中調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如在一階動態(tài)電路分析中可以通過改變電容或電阻的數(shù)值來改變充放電時間常數(shù)，然后進(jìn)行進(jìn)一步的波形對比分析和研究，加深對所學(xué)知識的掌握。此外，MATLAB可以直接對復(fù)數(shù)進(jìn)行運算，并且繪制出向量圖和三維圖型，特別適用于對交流動態(tài)電路的分析與計算[6]。MATLAB不僅適用于電工電子類課程的學(xué)習(xí)，還在信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、自動控制原理等課程中有著廣泛的應(yīng)用，所以在相關(guān)課程的學(xué)習(xí)中，靈活地運用MATLAB軟件，一定可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)習(xí)效率、增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏麗莉，趙靜翔，馬余全.Matlab在大學(xué)物理教學(xué)中的輔助應(yīng)用[J].物理通報，2022（1）：10-13.

[2] 畢學(xué)慧，劉華明，李懷敏.新工科背景下Matlab在計算機(jī)專業(yè)數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，33（3）：329-336.

[3] 李娟.基于Matlab的計算機(jī)輔助電路分析[J].微計算機(jī)信息，2010，26（8）：179-181.

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[5] 陳亞男.MATLAB在電工電子學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國市場，2017（1）：202-203.

[6] 盧佩，劉效勇，張銳敏，等.Matlab在電子信息工程專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的應(yīng)用[J].江蘇科技信息，2018，35（13）：60-62.

收稿日期：2022-02-25

作者簡介：楊雋鎧（2003—） ，男，安徽蚌埠人，本科在讀，研究方向為嵌入式系統(tǒng)與軟件仿真;胡秉誼（1965—） ，男，副教授，碩士，研究方向為醫(yī)學(xué)信息處理、交通通信工程。