基于Matlab GUI的RLC仿真实验平台开发

2014-07-03裘雪敬阳天舒王杰

大学物理实验 2014年3期

裘雪敬，阳天舒，冯娟，王杰

(中国地质大学，北京 100083)

RLC电路特性实验是电工学的基本电路之一，其电路特性是由抽象、复杂的数学公式进行描述的，不易于学生理解与掌握。同时，有限的实验学时与不足的实验设备也使RLC实验教学存在一定困难。利用仿真软件可以构建非实验室环境下RLC仿真平台［1-2］，学生无论是在课堂上还是在课后，都可以在电脑上实现RLC实验的仿真，摆脱了无实物的困境，为RLC实验教学提供一种新的方法。基于此，利用Matlab中GUI开发了RLC电路特性仿真实验平台［3-5］，动态演示电路参数变化时电路特性的变化，帮助学生理解和掌握电路特性，既可以用作学生课前预习，也可以作为实际实验的一种替代手段。

图1 RLC电路特性仿真系统结构图

1 RLC仿真系统的结构

RLC仿真系统的结构见图1。仿真实验模块共包括三个实验主模块，在每个实验主模块下由实验目的、实验内容、实验原理、思考题四个模块组成，每个模块在主模块后调用。

2 RLC仿真实验平台设计

RLC电路特性仿真实验中包含三个仿真实验，分别为:RLC串联电路的稳态特性实验、RLC串联电路的暂态特性实验、RC串联电路的暂态特性实验。

2．1 登录界面模块

登录界面模块是用户进入仿真实验系统的入口，由“系统简介”、“进入系统主界面”、“关闭系统”三个按钮控件构成，见图2。

图2 登录界面

在每个按钮的回调函数中，先用close关闭当前窗口后，再打开指定的文件［6，7］。如“进入系统主界面”按钮的回调函数如下:

close指关闭当前页面，chosepage是要打开文件的文件名。

2．1．1 “系统简介”按钮设计

点击“系统简介”按钮后，界面如图3所示，用于对系统的简要说明。界面中的文字通过静态文本框显示出来，双击静态文本框后，“String”用于改变显示的文字，“BackgroundColor”用于改变文本框的背景色。“返回”按钮用于返回上一页GUI界面。

图3 系统简介

2．1．2 “进入系统主界面”按钮设计

点击“进入系统主界面”按钮后，界面如图4所示，供用户选择将要演示的仿真实验。进行实验选择的菜单称为弹出菜单，弹出菜单里包含四项，如图5所示。

图4 系统主界面

图5 实验选择菜单

若要实现弹出菜单每个选项的功能，需先获取每个选项的Value，再进行相应的操作。弹出菜单里的选项是通过其属性的“String”进行设置的，每行对应一个Value。每个选项关联着相应的仿真实验，点击后则切换到对应实验的仿真页面。这里需要注意的是，若是没有选择任何实验，而是直接按“确认”按钮，则执行的指令应是容错处理指令，界面如图6所示。

图6 容错处理界面

2．2 系统主界面模块

为了使仿真实验界面与用户的交互性更好，同时也为了帮助用户更好地理解实验，RLC仿真实验系统的每个实验均由实验目的、实验内容、实验原理、思考题和开始实验等五个模块构成，每个模块对应相关内容并通过按钮控件进行映射［8-9］。下面以RLC串联电路的暂态特性实验为例进行仿真设计说明，菜单界面如图7所示。

图7 RLC串联电路的暂态特性实验菜单

2．2．1 “实验目的”、“实验内容”、“实验原理”和“思考题”按钮设计

“实验目的”、“实验内容”或“思考题”按钮用于打开一个说明窗口，以”思考题”按钮为例，运行后效果如图8所示。

由于实验原理内容较多，不便展示在GUI窗口上，所以“实验原理”按钮利用open函数打开一个实验原理的文本文档，方便用户更好地理解实验。“实验原理”按钮的回调函数如下:

open RLC串联电路暂态特性实验原理．doc;

运行后，即可打开《RLC串联电路暂态特性实验原理》文档。

图8 思考题

2．2．2 “开始实验”按钮设计

RLC串联电路的暂态特性有三种响应形式:欠阻尼、临界阻尼和过阻尼［10］。点击“开始实验”按钮，进入如图9所示的GUI界面。调节参数电阻、电容、电感的值，计算出R与关系，则可确定电路的响应形式［11-13］。

图9 RLC串联电路的暂态特性GUI界面

(1)滑动条与可编辑文本框之间的映射

滑动条的作用就是实现按照设定的步长进行变量的变化，可编辑文本框的作用就是易于用户设置自己想设置的数值，二者结合起来，则可达到滑动条与文本框的数值同步的目的，有利于提高GUI界面与用户的交互性。

以电阻值的滑动条与文本框之间的映射为例，滑动条、文本框的回调函数分别为:

其中，handles．edit2为文本框的句柄，handles．r为滑动条的句柄。

其中，handles．edit3、handles．edit2、handles．edit1分别为电阻、电感、电容文本框的句柄，而handles．t1、handles．t2 则分别为 R 与对应文本框的句柄。运行后，静态文本里即可显示出对应的R与的数值。

(3)电路状态的显示

图10 欠阻尼

图11 临界阻尼

(4)电路响应图形的绘制

由于描述该物理特性的是数学中的二阶微分方程［14］，所以采用Matlab中的解二阶微分方程的函数进行求解命令执行后，通过调节R、L、C的值，绘制的三种响应形式的图像分别如图10、图11、图12所示。

图12 过阻尼

4 结束语

利用Matlab中GUI工具开发了RLC仿真实验平台，将电路特性用图形界面方式直观地显示出来，充分发挥了GUI在计算电路响应、绘制图形方面的优势。将物理实验教学与计算机仿真模拟有机地结合起来，不仅操作简单，加深了学生对电路特性的理解，而且解决了实验室设备不足、学时有限的问题，提高了教学效率与质量，对于今后物理实验仿真技术的研究与应用具有一定的参考价值。

［1］张双德，石伟．用MATLAB语言进行电路设计实验［J］．武汉工业学院学报，2003(1):49-50．

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