梁彥

【摘 要】通過介紹Matlab軟件在直流電路分析中的應(yīng)用，將Matlab軟件合理的引入電路分析基礎(chǔ)課程教學過程中，極大地促進學生對電路分析理論、原理和方法的掌握以及學生能力和素質(zhì)的提高。

【關(guān)鍵詞】Matlab；電路分析；直流電路

1.概述

《電路分析》這門課程幾乎是所有高等院校電子、通信、自動化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，一般是在大一的時候進行學習，為之后學習專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。由于它是學生進入大學首先接觸到專業(yè)課之一，因此學生對這門課程的掌握程度不僅影響后續(xù)課程的學習，也直接關(guān)系到學生對所學的專業(yè)是否產(chǎn)生興趣。

2.直流電路分析的一般方法

直流電路分析屬于《電路分析》課程中的一個重要部分，也是學生掌握的一個重難點內(nèi)容。通常可以采用支路電流法、節(jié)點電壓法、網(wǎng)孔電流法來進行分析。但是在求解的過程中會大量地應(yīng)用到代數(shù)方程組和矩陣運算，而學生掌握的高數(shù)知識還不足以解決這一問題，因此這些繁瑣的數(shù)學工作一方面極大的降低了學生學習的興趣，影響學生的自信心，另外一方面，學生花費大量的精力在數(shù)值求解工作上，導(dǎo)致課程的理論、原理和方法難以突出，不符合素質(zhì)教育的宗旨。

因此在實際教學過程中，老師往往重點給學生講解如何分析電路，怎樣列方程，而對于方程的求解一般是一筆帶過。這種教學方法使學生所學的知識局限于紙上談兵，從素質(zhì)教育方面來說，沒有引導(dǎo)學生積極探索解決問題的方法，而是逃避問題，不能培養(yǎng)學生今后解決實際問題的能力。

3. Matlab在直流電路分析中的應(yīng)用

3.1 Matlab軟件

在比較復(fù)雜、方程數(shù)目較多的直流電路中，如果使用手工進行求解會顯得十分繁瑣，而用C、FORTRAN語言進行建模與仿真，不僅需要花費大量時間生成矩陣，而且還需要編寫復(fù)雜的程序生成可進行分析的圖像，這樣就會造成仿真程序冗長、可讀性差，還需要花費較長的時間進行調(diào)試。Matlab軟件的出現(xiàn)解決了以上問題，同時Matlab 提供的Simulink工具可直接建立電路模擬模型，隨意改變模擬參數(shù)，并且立即可得到修改后的模擬結(jié)果， 進一步省去了編程的步驟。

3.2 Matlab分析直流電路的主要方法

3.2.1 工具箱

Matlab擁有一系列具有不同功能的工具箱，可以直接通過使用這些工具箱進行電路、電力系統(tǒng)、自動控制等方面的建模與仿真，因此很多學者也研究討論了用這些工具箱來對直流電路進行求解。

如圖1所示的電路，用網(wǎng)孔電流法分析求解電流I1 和I2。在圖1中，首先建立網(wǎng)孔電流方程，然后在S IMULINK建立其數(shù)學模型如圖2所示，當給定數(shù)據(jù)后即可進行仿真。這種在SIMULINK建立電路的數(shù)學模型很方便，仿真更容易，其結(jié)果可直接在/示波器上讀取。另外，同一電路可很方便地采用多種方法進行分析。

3.2.2用M文件分析直流電路

用工具箱進行直流電路的求解比較簡單易學，但是這些工具箱全部由M文件組成，如果僅僅會使用工具箱，就會無法真正全面地應(yīng)用Matlab。當需要實現(xiàn)某個特殊功能，而此時Matlab工具箱中不存在此功能或者丟失相應(yīng)文件時，就會阻礙問題的解決。因此，本文主要圍繞用Matlab中的M文件對直流電路進行分析和求解。

在用M文件分析直流電路時，首先建立矩陣方程，然后建立一個M文件以備編寫程序，然后設(shè)置好初始值，然后將已列舉的矩陣方程寫入程序中，最后采用相應(yīng)的數(shù)值方法對方程組進行求解。對于直流電路中建立的線性矩陣方程組，通常使用Matlab軟件中的左除法即可求解方程組。下面以圖1電路為例說明用Matlab分析直流電路的步驟。設(shè)圖1中US=20V，IS=10A，R1=3Ω，R2=6Ω，R3=8Ω。求支路電流I1和電阻R2兩端的電壓U。

解題步驟如下：

1）列些矩陣方程

先確定電路為直流電路，建立數(shù)學模型，也就是寫出描繪電路狀態(tài)變化的方程組，然后求解方程組，得出所求的電壓和電流。根據(jù)圖1采用回路電流法，可以列出方程組如下所示

2）建立M文件進行求解

4.結(jié)論

利用Matlab語言求解相關(guān)問題時，程序非常簡潔，可讀性強，符合人們的思維習慣，計算結(jié)果準確。這是國外一些學校的教學和科研所采用的方式，在國內(nèi)，這一方面才剛剛起步，因此，作為大一的專業(yè)基礎(chǔ)課老師，我們有責任也有義務(wù)主動的將數(shù)值計算軟件的學習融入到我們的教學過程中。實踐表明，將Matlab首先用于直流電路的分析求解，一方面可以讓學生從繁瑣的計算中解脫出來，對課程本身更感興趣；另一方面引導(dǎo)學生認識Matlab軟件，對以后進一步學習專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。