1 黑盒电路

黑盒电路分析是电工类课程教学中常采用的一种实验教学方法，其特点是电路封装在一个密闭空间（黑盒）内，学生通过给定输入（强度、频率不同的交流或直流电压、电流信号）和测量输出（如开路电压，短路电流和输入电流等）来确定黑盒电路的功能及构成，并估算元器件的数值（见图1）。电路越复杂，其对学生的电路分析能力要求越高。由于黑盒电路种类较多，对实验硬件的要求较高，而采用Matlab仿真模块Simulink的仿真实验则可以降低对硬件的要求，且可以高效地设计出大量实验案例，增加实验效率；同时，使实验更适合现代化教学环境（如网络学习）。

卖空限制的政策效果分析——基于2015年股市异常波动的证据..................................................................................................................袁 军 林家羽 周轩宇（78）

  

图1 黑盒电路示意图

 

表1 黑盒RLC电路几种形式

  

?

针对高职学生特点，结合滤波器教学环节的教学内容，本文设计了一组黑盒电路，对应已知四种滤波电路（见表1）。电路元件选择只包含单个电阻、电容、电感的基本RLC电路，每种电路结构及对应的频率响应特性如表1所示。在Matlab Simulink仿真模块中，学生随机选择表1中的某个电路，通过加载合理的输入信号并记录输出信号，结合表1的对应关系来推断电路类型及估算元器件数值。为了与Matlab的RLC GUI工具相一致，电路元件取值范围为0.5～5（对电阻、电容、电感单位分别取Ω、F和H）[2-3]。

2 实验过程

对电路使用稳态分析法，首先根据电路的频率响应特性确定滤波器的类型；之后再通过测量输入输出的增益和相位差，估算元件的阻值。具体分4步进行。

2.1 确定滤波器的类型

给定幅值、频率不同的正弦波作为输入信号。生成电路波特图，通过观察电路的频率响应特性，结合表2即可推断出该黑盒电路属于哪种滤波电路。在该环节中学生只需要按照说明设置输入信号的频率、持续时间、输入电压幅值、时间步长和采样时间几个参数，并观察输入输出对应关系即可。

t=0:SampleTime（n）:T（n）;%时间序列向量

F=[0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000];%设定输入频率范围

T=1./f;%计算不同输入信号的周期

SampleTime=Ts/5000;%预设采样时间

A=1;%设定输入信号幅值

根据频率响应特性对应关系结合表1确定电路对应的滤波器类型。例如，图2所示的电路，其在低频段（低于1 Hz时）输出良好，反之迅速衰减。可推断该电路对应为低通滤波器，此时应该使用直流电压作为输入。而对于高通、带通或带阻电路，输入的电压频率应该选取在各滤波器的通带范围（学生可估算或设置宽频域范围多次尝试）。最后根据滤波类型、输入电压、输入电流对应关系结合表2，即可确定电路的结构[4]。

Model='BlackBox';%调用Simulink中的黑盒仿真电路模块

forn=1:size（f,2）;%对每个频率执行仿真

移动教学媒体的选择应尽可能地方便学习者，这主要取决于教学媒体的控制特征。首先，要考虑教学媒体的操作方便与否，即教学媒体需要何种环境、需要何种保障、需要何种特殊操作技能等。其次，要考虑教学媒体的时间控制特性，即时教学媒体还是永久教学媒体。当然，我们在教学设计时，也应充分考虑如何方便学习者，使他们的学习效果达到最优化。

学生设置完相关参数，即可根据黑盒电路中内嵌的代码生成对应的输入信号，模拟模型，并将输出信号、电路波特图等信息显示在面板上供学生查看。部分代码如下：

dt=SampleTime（n）;%设置时间步长

随着社会科学的不断发展和进步，我国的建筑产业得到了极快的升级更新，在很多产品的改革创新时都进行了长时间的实践研究和深入摸索，在建筑工业化、住宅工业化以及新型建筑工业化方面都取得了极大的成效，积累了大量的成功经验。由此我们可以看出，互联网时代下的建筑产业实施技术的创新和改革是实现并推动我国建筑产业现代化发展的主要策略和途径，同时，也正是由于建筑行业现代化的建设将更多的工业化发展聚集在一起，形成统一高效，相互联系的整体。

确定电路结构后，首先计算电阻值，通过稳态后的直流输入电压与短路电流的比值即可求出电阻值，直流输入电压和短路电流测量结果如图5所示，此时R=Vin∕Iin=1 V∕0.3704 A=2.67 Ω。

x=A⋆sin（2⋆pi⋆f（n）⋆t）;%生成正弦波输入信号

sim（Model）;%模型仿真

Y（n）=max（y.signals.values（round（size（y,2）/2）:end））;%输出稳态信号波形图

如输入电流Ii=0，则需要测量其外部短路的输出电流Io，再通过输出电压与短路电流的比值R=Vo/Io估算电阻值。反之，如电路的输入电流Ii≠0，则可以直接由R=Vi/Ii估算出电路的电阻值R。需要注意的是，测量过程中对交流信号应该取其稳态响应值，即等瞬态响应消失后的测量值。

semilogx（f,DbMag,'.'）;%绘制频率响应特性波特图

实验结果表明，均匀设计法实验得到的ITAE相较于工程整定法更小，稳态性能较好。输出波形图表明，均匀设计法得到的输出曲线与工程整定法相比，超调量、调节时间均有降低，系统的暂态性能有所提高。

其中F，Ts，A，t，SampleTime，x，y是指频率、持续时间、输入电压幅值、时间步长、采样时间、输入信号和输出信号。对于某一特定频率段（如低频段），可以进一步选取更小的频率间隔，便于准确地估算电路频率响应区间。

2）精确定压、外调简便。根据套压表调节定压杆，可以达到精确定压，而且采用了外调式调节压力。使定压、调压工作可以在线随时调节。

2.2 判断电路结构

其次，即使有部分空调会根据回水温度与设置的回水温度做比对，从而去调节出水温度，但大型中央空调水系统循环的周期是比较长的。周期较常可能环境所需温度已经发生了多次改变，主机接收到的是滞后调节需求信息，而且水温在运行过程中的损耗更是无从计量的，因此主机无法高效工作，存在大量浪费。即使有管理人员进行管理，根据环境温度需求的改变去调节主机工作状态，但也多凭主观判断去调节。另外，外部环境是动态的，要靠主观了解各个环节的温度动态变化，难以做到及时性和准确性，而主观的调节更缺乏合理性。因此，中央空调主机能耗节能存在较大的节能潜力。

 

表2 根据测量输入电流判断过滤器类型

  

滤波类型低通高通带通带阻输入电压直流高频通带频率直流∕高频Ii=0时串联串联并联串联Ii≠0时并联并联串联并联

2.3 计算电阻值

DbMag=20⋆log10（Y/A）;%设置频率坐标为对数格式

2.4 计算电感和电容值

首先将电源频率设置在过渡带，即增益范围为0.25≤Vo/Vi≤0.75；然后测量对应的输入输出信号的增益及相位差（即|Vo/Vi|，Φ（Vo/Vi）。稳态时，电感及电容的等效阻抗值可通过进行估算，具体计算过程详见下文的实验案例。

3 实验案例

本案例选取低通串联滤波器，说明实验过程。在Matlab中加载Simulink模型，然后将输入和输出块添加到模型中，如图2所示，“从工作区”块的输入信号设置为[t’x’]；然后，设置仿真参数，选取固定步长时间dt和仿真时间T。运行前面的代码，生成模型对不同频率响应的波特图，运行结果如图3所示，可以推断出黑盒电路为低通滤波器，截止频率范围约为0.1～1 Hz。此时选择直流电压作为输入源，观察输出波形输出波形如图4所示，稳态下输出电流为0，结合表1可判断出该黑盒电路为低通滤波串联模型。

Ts=T（n）;%采样持续时间

“其实做这项工作我很感谢我的父母，我的父母80多岁的人了，很了解我的工作环境，所以有些事情都不要求我去做，母亲患有心脏病住院期间，她自己稍微舒服一点，就催着我赶紧回工作岗位，是他们的默默支持，才有我对工作的坚守。”王宝生说。十年的坚守换来的是徂徕山的平静与祥和，他告诉记者，他觉得这份工作的责任和意义太大了，森林火灾的后果太严重了，为了祖国的绿水青山，为了子孙后代，他将会一如既往的干下去，继续做好守护徂徕山的瞭望者，做好山中的“千里眼”。

  

图2 在黑盒电路模型中添加输入输出块

  

图3 运行代码后生成的频率波特图

  

图4 加载直流电压后的电流响应图

  

图5 外部电路短路电流测量结果

电感及电容值可通过加载通带频率的交流信号，测量输入输出信号幅值增益和相位差来计算。对低通滤波串联电路其幅值和相位差计算过程如下[5]：

 

 

相位差为

 

为准确估算电感及电容值，需输入输出增益比在0.25≤Vo∕Vi≤0.75区间，选取频率f1=0.1 Hz，f2=0.18 Hz，此时对应的测量结果如图6、图7所示。

  

图6 输入频率为0.1Hz时输入输出波形图

  

图7 输入频率为0.18Hz时输入输出波形图

|Vo1∕Vi1|=0.7346，Φ（Vo1∕Vi1）=-0.5220π，ϖ1=0.2π

|Vo2∕Vi2|=0.2813，Φ（Vo2∕Vi2）=-0.7632π，ϖ2=0.36π

将结果代入式（2）、式（3），结合前面的电阻R值，可求出电感C和电容L的数值，即C=0.8006 F，L=3.5670 H，结果与电路模型设置值R=2.7 Ω，L=3.5 H，C=0.8 F相当。验证了该仿真实验方法具有较好的可行性。

基于传统建筑施工中，通会将两侧次间缩小，以此来应对地震的发生。中国古代建筑通常是由梁架、台基、梁架构成，高等级建筑施工设计时会对斗拱层进行设置，从而避免建筑基础被破坏。中国传统木结构建筑施工中通常会采用抬梁式构造，基于构架垂直状态下形成下大上小的结构，这是由于该结构控制性能较好。通过相关研究不难发现，在我国古代建筑中大屋顶也是一个十分显著的特点，实际上，大屋顶的形成对构件的需求量较大，具有一定复杂性，通过大量构件的运用使屋顶整体性充分增加，为抗震作出了巨大贡献，促进构架稳定性的提升。

4 学生实验评估

该仿真实验在机电工程专业某班38个学生中进行。学生在之前的理论学习中已经学习了各种滤波器的特性及电路参数计算的相关知识。结果显示，大部分同学都成功地判断出滤波器类型及电路结构且估算的电阻值接近于预设值（误差低于10%）。但是仍有约1∕3和1∕4学生未能正确估算电容及电感组件的数值。证明教师在电感及电容理论计算环节的讲解仍需加强。

  

图8 实验结果统计

5 结论

本文提出一种基于Matlab软件新的电工课程仿真实验设计方法，通过对电路结构的逆向分析培养了学生分析、解决未知问题的能力。实验结果表明，通过仿真软件的形式实验效率更高，对教学环境的适应性更广，学生的参与积极性更高。这为以后针对更复杂的电路（更高阶的电路以及与其他元件，例如晶体管等），开发出更多的Matlab软件包，也为电工类课程的教学改革提供了参考。

LIETDOS-BIO是一款用来评价立陶宛核电站所产生的污染问题的软件。该模型使用两种浓集因子数据库：因场地而异的数据库以及通用数据库(主要基于欧盟FASSET中的数据以及源自俄语文献的数据)。该软件采用蒙特卡洛辐射转移模型，一种经特殊衍变而来的描述有机体模型的方法使得用户能够针对任何大小和形状的有机体计算剂量转换因子。该模型中参数的不确定性用统计学方法来进行处理。

参考文献：

[1]STORMY Attaway.MATLAB编程与工程应用[M].2版.鱼滨，赵元哲，王国华，等译.北京：电子工业出版社，2013.

[2]ALIZADEH T,BARZEGARI S,ALIZADEH A.Reverse Engineering of RLC circuits using Matlab:An experiment for electrical circuits course[J].International Journal of Electrical Engineering Education，2015，72（08）：13-16.

[3]BASHER H A,ISA S A and HENINI M A.Virtual laboratory for electrical circuit course[G]//Proceedings of IEEE Southeastcon，2004 USA，2004：330-334.

[4]孙志忠，吴宏伟，袁慰平，等.计算方法与实习[M].5版.南京：东南大学出版社，2011.

[5]DORF R C and SVOBODA J A.Introduction to electric circuits[M].9thed.New York:John Wiley&Sons，2013.