Matlab在《电路分析》课程教学中的应用

曹 路

(五邑大学信息工程学院，广东 江门 529020)

Matlab在《电路分析》课程教学中的应用

曹 路

(五邑大学信息工程学院，广东 江门 529020)

Matlab语句简练，功能强大，简单实用，在电路计算中有广泛的应用前景。以二阶电路为例，用M文件编译、GUI图形用户界面和Matlab/Simulink 3种方法分别探讨了Matlab在电路分析计算方面的应用，并给出了仿真结果。将Matlab应用于《电路分析》课程教学，可以帮助学生理解与掌握《电路分析》课程中的基本概念和基本分析方法，在激发学生学习兴趣同时，有效地提高了课堂教学质量

Matlab；电路分析； GUI；Simulink

《电路分析》[1-2]是高校电气信息类专业的专业基础课。该课程理论性强，电路方程、电路定理推导严谨，电路图和公式较多，传统的黑板式的教学方式已不能满足现代教学的要求。为了克服传统教学方法的弊端，可以根据电路课程的特点，利用Matlab将课程中的重点和难点内容制成电路分析演示系统，应用于课堂教学，来提高教学质量。

1 基于Matlab M文件编译的教学方法

电路分析基础为电路分析计算提供了理论基础和各种分析方法，但应用这些方法分析复杂的电路时，手工求解相当繁琐。如对含多个网孔多个节点的电路进行网络电流法和节点电压法的分析，对二阶电路的分析，对正弦稳态电路的分析等，通常需要列出方程组或者二阶微分方程进行求解，特别是当电路比较复杂、方程数量较多时，很难计算得出满意的结果，也很容易在计算中出错。利用Matlab的M 文件求解电路方程，仅需要一个或者几个语句即可完成，并且随意改变电路参数，能立即得到改变后的结果。

以二阶电路的分析与求解为例，二阶电路的学习过程中会涉及相当多的二阶微分方程，这对于高等数学未过关的同学来说是拦路虎，为了让同学们从繁琐的数学运算中解脱出来，重点关注于二阶电路的基本分析方法，利用Matlab M文件编译的方法，能扫清同学们学习过程中的障碍，提高学习兴趣。

图1 RLC串联电路

2 基于图形用户界面GUI 的教学方法

图2 二阶电路的响应

图3 二阶电路GUI界面

图4 运行结果

GUI图形用户界面提供了一个界面设计环境，利用GU I 设计向导，可以很方便地设计出电路仿真实验的图形用户界面，在这个图形用户界面中，对实验所涉及的参数可以直接修改，并显示出仿真曲线，传递更多的信息量，有利于各位学生对电路理论知识的掌握[4]。

不同电路计算问题多采用的数学方法是不一样的。在设计电路计算平台时，首先应将电路计算问题进行分类，再为不同的电路计算设计不同的平台。其次，要建立数学模型，将电路的理论转化成数学公式表达。最后，设计并实现电路计算平台。GUI提供的编辑框、按钮、坐标轴等控件，可以设计出界面友好的电路计算平台。

GUI界面设计包括3个方面，即界面布局、设置控件的属性、编写回调函数。如图3所示的二阶电路GUI界面，主要由以下几部分构成：电路参数，电路初始值和电路激励，通过对各个面板中可编辑文本框的改变，可改变电阻、电感和电容等参数的大小，来对应于电路非振荡衰减过程、振荡衰减过程和等幅振荡各个不同的过程。利用按钮，可分别计算出具体电路对应的零输入响应、零状态响应及全响应的数值，并在坐标轴中直观的画出分别对应的图形。图4为选取电路具体参数时的运行结果。

Matlab图形用户界面GUI可以帮助用户方便地设计出符合用户要求的人机交互界面，界面友好，非常直观。Matlab/GUI设计工具在计算基础电路的响应和绘制图形方面有有他软件不可比拟的优势，能将电路分析课程中的重点和难点内容以文字、图形、表格和曲线等形式非常直观地表现出来，便于学生理解电路的基本原理和分析方法，特别适合于电路分析课程的辅助教学。

3 基于Matlab/Simulink 的教学方法

基于Matlab/Simulink 的教学方法可利用Simulink可视化、模块化的建模特点,方便快捷的建立出符合学生习惯表达的系统框图,而且可以实时地改变模块参数，运行系统框图模型获得仿真结果，整个过程形象又直观。教师可利用Simulink在教学现场进行建模和演示,既不会过多的占用课堂的有效学时，又增强了课堂的学习气氛，激发了学生的学习兴趣和探索热情。

仍以二阶电路为例，打开Simulink主界面,分别将DC Voltage Source模块、Series RLC Branch模块和Breaker模块放至模板空间,按照如图1 所示的电路原理图搭建系统模块,如图5 所示。系统模块Out1输出的即为电容上的电压。由于仿真过程中涉及二阶微分方程，利用Simulink时，会调用ode求解，仿真速度较慢，利用s域求解更为方便。

图5 Simulink模型1 图6 Simulink模型2

图7 示波器波形

4 结 语

Matlab具有强大的运算和绘图功能，利用简单的M文件便可进行复杂微分方程的求解和有关计算，还可进行复杂图形的绘制，使得二阶动态电路的分析运算更加快捷；具有交互界面的GUI教学平台，使得教师可以根据学生的疑问方便的修改教学内容，加快学生的理解进度；在Matlab/Simulink 中，可以随时改变模块的参数并通过示波器观察由此带来的系统变化，帮助教师扩展教学内容，提高同学们的学习积极性。Matlab软件功能强大,如何在课堂教学中进一步发挥Matlab的优势还有待继续总结和摸索。

[1]李瀚荪.简明电路分析基础[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3]王正林，龚纯，何倩.精通Matlab科学计算[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]刘卫国.Matlab程序设计教程[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.057

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1673-1409(2012)12-N170-03