Matlab在高職電子電工實驗教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要:針對電子電工實驗教學(xué)在高職院校人才培養(yǎng)中的重要性，探索性地將Matlab運用于實驗數(shù)據(jù)處理和實驗仿真。這一方案的實施在很大程度上提高了電子電工實驗教學(xué)的效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:Matlab數(shù)據(jù)處理仿真

中圖分類號:G712文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0136-02

高職教育中，實驗教學(xué)在實踐技能訓(xùn)練中起著舉足輕重的作用，是非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生在實驗過程中需要手腦并用，不但培養(yǎng)了動手能力，而且能加深學(xué)生對一些抽象概念的理解，提高教學(xué)效果。電子電工實驗教學(xué)一門非常重要的實踐技能課，能進(jìn)一步促使學(xué)生扎實地掌握好電子線路的基本理論，并培養(yǎng)學(xué)生在實踐生活中運用電工知識的能力，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及畢業(yè)后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作有直接影響。但由于經(jīng)費短缺等原因，非電類專業(yè)電工電子實驗室實驗設(shè)備不能及時更新，難以滿足人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的現(xiàn)象普遍存在。因此，怎樣才能在實驗設(shè)備簡陋的條件下取得好的教學(xué)效果，培養(yǎng)合格人才，成為高職教育的研究課題。

Matlab擁有強大的數(shù)值處理能力和超強的圖像繪制功能。用該軟件處理實驗數(shù)據(jù)，繪制圖像，不但操作簡單，并且還提高了實驗分析精度[1]。同時MatlAB還擁有專門用于實驗仿真的simulink工具箱，在實驗設(shè)備簡陋的條件下，可以用它模擬部分實驗以滿足教學(xué)需要。而且，仿真實驗可以激勵學(xué)生自主探索，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

本文以應(yīng)用matlab數(shù)據(jù)處理和實驗仿真為例，介紹了matlab在電工電子實驗中的應(yīng)用。

1 實驗數(shù)據(jù)處理

在電工教學(xué)的過程中，常常會遇到數(shù)據(jù)分析和圖形處理等問題。這類問題的一般處理方法是:先通過實驗取得數(shù)據(jù)，然后用手工繪制圖形，再對結(jié)果進(jìn)行分析。分析過程費時費力，且所得結(jié)果不夠精確。如果改用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和曲線擬合，就能得到精準(zhǔn)的圖像。表1是變壓器有載輸出實驗中的一組數(shù)據(jù)，該實驗需要通過這組數(shù)據(jù)繪出變壓器的伏安特性曲線，以了解變壓器的輸出特性。

現(xiàn)用matlab處理這組實驗數(shù)據(jù)。具體做法是:根據(jù)數(shù)據(jù)，用matlab編制一個M腳本文件，通過擬合的方式得到比較準(zhǔn)確的曲線，程序設(shè)計如下:

clear all

I=[0，0.25，0.50，0.70，0.92，1.12，1.30，1.53];

u=[12，11.85，11.7，11.54，11.46，11.3，11.2，11];

plot(I，u，'ro');%對原數(shù)據(jù)點進(jìn)行描點繪圖

hold on

len=length(I)

Imax=I(len)

a=polyfit(I，u，5)

for n=1:9

Ifit(n)=Imax*(n-1)/8;

ufit(n)=a(1)*Ifit(n)^5+a(2)*Ifit(n)^4+a(3)*Ifit(n)^3+...

a(4)*Ifit(n)^2+a(5)*Ifit(n)+a(6)

end

plot(Ifit，ufit，'k')%繪制多項式擬合曲線

axis([0 1.6 8 12])

程序運行之后得到圖1，其中紅色的點是原數(shù)據(jù)點，黑色線為擬合后的曲線。通過這個例子可以看出:用Matlab處理實驗數(shù)據(jù)比人工處理快捷方便，繪出的圖形比手工繪制的精確。學(xué)生掌握這種方法后，還可以運用于其它學(xué)科的實驗數(shù)據(jù)處理中。

2 實驗仿真

Matlab擁有一個仿真工具箱Simulink，其中有一個專用模塊庫SimpowerSystem，它是在Simulink環(huán)境下進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的重要工具。下面以一個簡單的仿真實驗為例，闡述如何進(jìn)行實驗仿真。

某一RLC串聯(lián)交流電路如圖2所示[2]，U=220V，R=100歐，電感L=250mH，C=40.5。分析在不同的頻率下，電感、電容兩端的電壓和線路電流的變化規(guī)律。

圖3是在Simulink下建立的仿真模型圖。在matlab窗口中輸入Simulink，按回車鍵，就會出現(xiàn)各種模型庫;然后新建一個以mdl為后綴的模型文件，需要的模型可以從Simulink中復(fù)制，然后粘貼至模型文件中即可[3]。電源Electrial Sources中選取;開關(guān)、電阻、電感、電容由Eelements中選取，單一的電阻、電感、電容均由Series RLC Branch通過設(shè)置獲得;電流表、電壓表由Measurement中選取;示波器scope由Sinks中選取，雙擊scope模塊，設(shè)置number of axes數(shù)目為3。模塊選取后，按圖3所示順序連接好，按照實驗的要求將電壓的幅值設(shè)置為，頻率的初始值設(shè)為30Hz，t=0s時開關(guān)閉合，分別設(shè)置R=100歐姆、L為250e-3(即250mH)、電容值設(shè)為40mF。模型建立好以后，設(shè)置仿真參數(shù)，例如仿真時間可設(shè)置為0至0.04s，設(shè)置解法器為ode23t(因為此電路包含非線性元件)，求解器選擇變步長(variable-step)。設(shè)置好參數(shù)后，點擊Simulation菜單中的start或命令按鈕中向右三角箭頭，開始仿真。

仿真結(jié)束后，點擊示波器可以得到仿真圖。圖4為f=30Hz時，電路中電壓、電流變化規(guī)律。從上往下，依次代表電路中的電流、電感上的電壓、電容上的電壓。然后再次設(shè)置電源的頻率，重新仿真又可以得到新的波形圖。其中圖5是f=50Hz時，仿真所得結(jié)果，從上往下的順序與圖4相同。對這兩個仿真結(jié)果比較后可以得出:RLC串聯(lián)電路中電感上的電壓和電容上的電壓始終反相;f=30Hz時，電容上的電壓大于電感上的電壓;f=50Hz時，實際電路頻率等于諧振頻率，電路中的電流遠(yuǎn)大于f=30Hz，從波形圖看此時電容上的電壓和電感上電壓的幅值近似相等，都比f=30Hz時大。如果頻率超過了諧振頻率繼續(xù)增大，會發(fā)現(xiàn)電容、電感上的電壓都會下降。這種方式非常直觀，能激起學(xué)生進(jìn)一步思考，探索引起這種現(xiàn)象的原因，加深理解相關(guān)知識。

從上述電路的仿真過程可以看到:用simulink進(jìn)行電路仿真，

不僅建模簡單，容易掌握，而且更改參數(shù)方便，仿真波形豐富、生動，在促進(jìn)學(xué)生更好地理解電工電子基本原理的同時，提高了學(xué)生自主設(shè)計實驗的能力，為學(xué)生開展探索性實驗奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

通過以上實例可以看出:將Matlab運用到電工實驗中，可以彌補傳統(tǒng)實驗的某些不足，對傳統(tǒng)實驗?zāi)芷鸬胶芎玫妮o助作用，既能降低實驗成本，又能增加實驗的精確性和靈活性，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，使高職教育的實情和人才培養(yǎng)目標(biāo)相協(xié)調(diào)。

參考文獻(xiàn)

[1] 祝宇紅，朱瑋.Matlab在近代物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23(4):38～39.

[2] 葉淬.電工電子技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 潘曉晟，郝世勇.電機仿真精華50例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.