伴随网络法在线性动态电路分析中的应用毕业论文.doc
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1、河南科技学院 2013 届本科毕业论文(设计)论文题目:伴随网络法在线性动态电路分析中的应用学生姓名: 所在院系: 机电学院所学专业: 应用电子技术教育导师姓名: 完成时间:2013年5月25日摘 要在电路分析中,对线性动态电路的分析方法一般是经典法和拉普拉斯变换法。不过对于较高阶的动态电路,用这些方法就会比较繁琐。而本文设计了一种新的方法-伴随网络法。这种方法是把动态电路的过渡过程时间t0T划分成若干时间间隔t,把动态元件电感L和电容C用相应的离散模型来取代,经过代换后的电路称为原电路的伴随网络。因而对该时间间隔内相应伴随网络的分析可视为稳态电路分析。不过这种方法需要多次重复计算,若由人来计
2、算就会相当的复杂。所以我们利用MATLAB软件来进行编程,把计算工作交给计算机。这样就可以方便快捷地算出结果。为了使软件的界面更加友好,我们利用MATLAB自带的GUI工具做了一个图形用户界面。用户只需要按照界面的要求进行元件参数和支路编号的输入,运行后即可在屏幕上显示GUI界面下的输出电压波形和电流波形。关键词:伴随网络,图形用户界面,离散模型AbstractGenerally, the method of the linear dynamic circuit analysis is the Classic and Laplace transform method in circuit an
3、alysis. But these methods will be complex to the high-level linear dynamic circuit. In this article we design a new method-accompanying network method. This method divided the time (t0T) of transitional process of dynamic circuit into a number of intervals t, The dynamic component inductance L and c
4、apacitance C with the corresponding discrete model to replace, after substitution of the circuit, the original circuit is called accompanying network. So the analysis of accompanying network could be deemed as steady-state analysis. However, the times of calculation are so many. It will be too compl
5、ex to calculate it by people. Therefore, we use MATLAB to program. By doing this, it will be convenient to obtain the results. At the same time, in order to get a more friendly interface, I also use the tools (GUI) of MATLAB made a graphical user interface. The user only needs to input the parameter
6、 of the components and the number of branches according to the requirement of the interface. After the running, it could output the voltage and current waveforms on the GUI interface.Key words:Accompanying Network, Graphic User Interface, Discrete Model目 录1 绪论12 线性动态电路分析的常用方法22.1 经典法22.2 拉普拉斯变换法23 电
7、路的计算机辅助软件23.1电路的辅助分析软件的发展23.2 PSPICE的简介33.3 SABER的简介33.4 MATLAB简介33.5 MATLAB-GUI简介43.6 MATLAB的优点54 伴随网络法64.1 添加法64.2 电容C的伴随网络模型64.3 电感L的伴随网络模型74.4 伴随网络法分析瞬态电路的步骤75 伴随网络法的MATLAB编程实现85.1主程序流程图85.1.1 GUI程序流程图95.2 算例分析95.2.1 输入参数105.2.2 GUI输出参数116结语12致谢12参考文献13附录141.伴随网络法MATLAB主程序142.高斯消元子程序231 绪论通常情况下,
8、我们对一个线性动态电路进行瞬态分析往往采用的是经典法,即列写出电路的时域微分方程并求解,得出电感电流或者电容电压,然后再根据各支路间的约束关系进一步求得其它各支路的电压或电流。众所周知在经典法中,如果电路中只含有一个动态元件(电感或电容),那么列出的方程是一阶微分方程,其求解过程相对简单;但如果电路中含有两个或两个以上的动态元件,则所列出的方程将会是二阶或高阶微分方程,其求解过程会很麻烦,工作量很大。有鉴于此,人们又考虑采用积分变换的方法,利用拉普拉斯变换把已知的时域函数变换为频域函数,从而把时域的微分方程化为频域的代数方程。求出频域函数后,再作拉普拉斯反变换,返回时域,从而求得满足电路初始条
9、件的原微分方程的解,且不需要确定积分常数1。但该方法同样也存在运算量大的问题,尤其是对于含有多个动态元件的高阶复杂动态电路,并且计算得出的结果很不直观,无法清晰地看出在过渡过程中各电量随时间变化的规律。本文就是从这个意义上出发,探索出一种线性电路瞬态分析的新方法伴随网络法。伴随网络法从建立电路方程开始,就设法避开微分方程。它把动态电路的过渡过程时间t0T划分成若干时间间隔t,把动态元件电感L和电容C用相应的离散模型来取代,经过代换后的电路称为原电路的伴随网络。对于每一个时间间隔t而言,在伴随网络中,不再含有动态元件,取而代之的是动态元件L、C的离散模型,因而对该时间间隔下相应伴随网络的分析可视
10、为稳态电路分析。也就是说,通过伴随网络法,可以将瞬态电路分析归结为一系列不同离散时刻下电阻网络的稳态分析。在对每一个离散时刻下的电阻网络进行方程列写时采用的是改进结点法,所列出的线性方程组采用的是电路方程的矩阵型式。其中结点电压方程矩阵的建立是采用的直接添加法,方程系数矩阵及右端项的元素并非整体形成,而是采用逐次扫描电路中的每一个支路元件,分别添加它们对方程的贡献的方法。建立方程伊始,方程系数矩阵及右端项全部为零元素所填充,每扫描一个元件,就将它对方程的贡献填到合适的位置,这样逐次扫描,逐次添加,直至网络中每一条支路均被扫描,网络方程便被建立起来。当然整个网络方程的建立和求解都是借助于计算机并
11、由MATLAB软件编程实现的,充分利用了该软件强大的数值计算功能和图形输出能力,力求更加方便直观。整个电路矩阵的建立也采用的是框架式结构,即电路规模、结点数、支路数以及各支路元件参数均由使用者自行输入,待分析支路的编号也由使用者输入,运行后即可直接显示出待求支路的电压和电流波形。同时为了使输入输出界面更加友好,我还利用MATLAB自带的GUI工具作了一个图形用户界面,用户只需要按照界面的要求进行网络拓扑参数和待分析支路编号的输入,运行后即可在屏幕上显示GUI界面下的输出电压和电流波形。简单方便,清晰直观。2 线性动态电路分析的常用方法我们知道,对于动态电路的分析常用的方法有经典法和拉普拉斯变换
12、法。对于经典法,我们常用来求解一些低阶的微分方程。运用拉普拉斯变换法可以求解一些较高阶的微分方程。2.1 经典法对于仅含一个动态元件的简单电路,结合所给电路模型,根据KCL(基尔霍夫电流定律)、KVL(基尔霍夫电压定律)和支路的VCR(电压电流关系)建立描述电路的方程,建立的方程是以时间为自变量的线性常微分方程,然后求解常微分方程,从而得到电路所求变量(电压或电流)。2.2 拉普拉斯变换法对于具有多个动态元件的高阶线性动态电路,用直接求解微分方程的方法比较困难。例如对于一个n阶方程,直接求解时需要知道变量及其各阶导数在t=0+时刻的值,而电路中给定的初始状态是各电容电压和电感电流在t=0+时刻
13、的值,从这些值求得所需初始条件的工作量很大。于是人们通过拉氏变换,把已知的时域函数变换为频域函数,从而把时域的微分方程组转化为频域的代数方程组,求解代数方程组得到频域解后,再经拉普拉斯反变换返回时域,可以得到满足电路初始条件的原微分方程组的解,而不需要确定积分常数。因此,拉普拉斯变换是求解高阶复杂动态电路的有效而且重要的方法之一。3 电路的计算机辅助软件随着计算机技术的普及和快速发展,计算机辅助分析技术在工程技术领域的应用越来越广泛,为传统的电路分析分析与设计提供了新的手段。生产实际的发展和教学改革的需要,也促使原有的教学体系在内容和分析手段上必须进行相应的调整。因此计算机辅助分析这门课程应运
14、而生。3.1电路的辅助分析软件的发展目前国内外常用的电路仿真软件有PSPICE和MATLAB等一些软件。这些软件都有各自强大的功能,在不同领域有着各自的特点,现在将其介绍如下:3.2 PSPICE的简介用于模拟电路仿真的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件是于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成的,主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE.2G在1975年正式推出,但是该程序的运行环境至少为小型机。现在国内使用较多的是PSPICE8.0
15、版本,它能够工作在WINDOWS XP环境下,占用硬盘空间较小,整个软件有原理图编辑,电路仿真,激励编辑,元器件编辑,波形图等几部分组成,使用时是一个整体。虽然目前PSPICE软件在高校中已经非常流行,但是它也存在着明显的缺点。比如:仿真模型都是针对小功率电子器件的;软件采用变步长算法,对于周期性开关状态变化的电力电子电路而言,将耗费大量时间在步长上面;输出数据后的格式兼容性也不理想。3.3 SABER的简介Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品,现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的
16、业界标准,可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器,兼容模拟、数字、控制量的混合仿真,可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。3.4 MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,它是由MathWorks公司开发出来的一套功能强大的工程应用软件,它和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数值计算方面的功能可以说是首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其它编程语言的程序等,主要
17、应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB软件主要包括以下5部分:MATLAB开发环境。这是一套可以帮助你使用MATLAB函数和文件的工具,这些工具中的大多数都采用图形用户界面,它包括MATLAB桌面和命令窗口、命令历史、编辑器和调试器、帮助浏览器、工作空间、文件和查询路径。MATLAB数学函数库。这是一个涵盖了从求和、正弦、余弦这样一些基本函数,到矩阵求逆、矩阵特征值、贝赛尔函数和快速傅里叶变换等这样一些复杂函数的运算法则的大集合。MATLAB语言。这是一种高级矩阵语言,它具有可以控制(数据)流状态、函数、数据结构、输入输出和面向对象
18、编程的特征。它允许快速创建小程序,也可以创建大的复杂的应用程序。图形处理。MATLAB可方便地将矢量和矩阵用图形来显示,也可注释和打印图形。它包括一些高级(绘图)函数,这些高级函数可用于二维和三维数据可视化、图像处理、动画和图像再现。它也包括一些低级函数,可使用户定制图形界面和在你的MATLAB应用软件上创建完整的图形用户界面。MATLAB应用程序接口。这是一个允许你将用C语言和Fortran语言编写好的程序与MATLAB程序链接的库,它可以从MATLAB动态链接库中调用程序、将MATLAB作为一个计算引擎、读或写MAT文件。MATLAB主要有以下优点:(1)友好的工作平台和编程环境;(2)简
19、单易用的程序语言;(3)强大的科学计算及数据处理能力;(4)出色的图形处理功能;(5)应用广泛的模块集合工具箱;(6)实用的程序接口和发布平台;(7)应用软件开发(包括用户界面)。3.5 MATLAB-GUI简介GUI的全称是Graphical User Interfaces,其汉语意思是图形用户界面。是指由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象(Objects)构成的一个用户界面。用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象,使计算机产生某种动作或变化,比如:进行计算、绘图等。图1.伴随网络法的GUI界面1.支路选择对话框的功能如图1所示,左边的一个对话框上面写着请选择支路。我们
20、把它称作支路选择对话框,它是用MATLAB-GUI中的listbox制作而成的。GUI中的listbox是一个列表框,其显示是由srting属性定义的一系列列表选项,用户能够选择其中的一个或者多个选项。在本设计中其使用方法如下:在整个程序运行时,会提醒用户将电路的相关规模和数据输入程序。然后计算机将会自动地运算,并且把运算的结果存储起来。当程序运行到调用GUI界面时。支路选择对话框会自行回调已经存储好的电路中各个支路的编号。即支路对话框中将会列出各个支路的编号。在本设计中我们定义一次只能选择列表项中的一个选项,来避免选项间的冲突。所以用户在查看电路的波形时只能选择其中的一个支路。如果选择多个的
21、话,系统会提示你选择方式错误。2.坐标图的功能在GUI界面中,右边的是一个坐标平面,我们称它为坐标图。坐标图是用GUI中的axes制作而成的。axes可以调用每一个支路的电压或电流数据。并将其画成波形。坐标轴的横轴为时间轴,其纵轴的单位是电压V或是电流A。画出的波形一般比较的平滑。用户可以清楚的看到各个时刻的电压或电流值,并且总体的电压或电流走向也一目了然。当然具体是电压波形还是电流的波形,这就要看你选择了。Axes是一个二维的坐标图形,其调用的数据是经过运算保存后的所选择支路的数据,这些数据可以通过一个命令plot画成一个图形。并且通过选择GUI下面的电压或电流按钮,程序将自动改变坐标轴的单
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