MATLAB/SIMULINK在“電工學”課程輔助教學中的應用

摘要：介紹了MATLAB/SIMULINK仿真軟件在“電工學”理論課程和實驗課程輔助教學的應用。與傳統的板書加多媒體課件相結合的講授方法比較，應用仿真輔助教學方法可以極大的激發學生的學習興趣，增強教與學的互動性，避免了學時少內容多及實驗設備不充足的問題，達到了提高教學效果的目的。

關鍵詞：仿真；MATLAB/SIMULINK；電工學

作者簡介：朱延楓（1977-），女，遼寧北鎮人，遼寧工業大學電氣工程學院，副教授；耿大勇（1971-），男，遼寧錦州人，遼寧工業大學電氣工程學院，副教授。（遼寧 錦州 121001）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）24-0065-02電工學是一門非電類專業的技術基礎課程，主要任務是為學生學習專業知識和從事工程技術工作打下電工技術的理論基礎，并使他們受到必要的基本技能的訓練。[1]該課程內容幾乎涉及到電工電子學科的各個領域，雖然其內容要求不深，但知識面廣，信息量大，在有限的學時內用傳統的授課方法去講授，教學效果很不理想。

為了提高教學質量，遼寧工業大學（我校）“電工學”課程全部采用板書加多媒體課件（Powerpoint）的方式進行授課。這從某種程度上改善了教學中的課程內容多，學時少的問題。但是我們發現即使采用了多媒體課件這種授課方式，大多數也只是書中知識點的直接傳授，互動性比較少，而且很多學生有時還跟不上講課的速度。久而久之使學生覺得學習沉悶，枯燥，從而影響了教學質量。如果我們借助先進的仿真（虛擬）技術模擬一些教學及實驗內容給同學呈現一個虛擬的電路環境和電路過程，就可以增加學生的感性認識，幫助學生理解枯燥的理論內容，而且還可以在很大程度上解決某些因設備不足或危險性較大難以實現的或要求學生自行設計的實驗內容。

目前，用于電路仿真的EDA軟件主要有PSPICE、Multisim、System-view、EWB、MATLAB等。[2]他們都具有各自的特點。與MATLAB仿真軟件相比，其他仿真軟件的不足是仿真后的數據處理不如MATLAB方便。[3]本文主要對MATLAB/SIMULINK仿真軟件在“電工學”課程輔助教學中的應用做一簡單介紹。

一、MATLAB/SIMULINK軟件在電路仿真中的功能簡介

MATLAB是一種功能強大，簡單易學的仿真軟件。其語言具有用戶使用方便、編程效率高、語句簡單、擴充能力強、高效矩陣和數組運算，方便的繪圖功能等特點。目前MATLAB軟件在科研教學及工程應用中顯示出越來越強大的優越性，并在電路電子分析，計算和設計等領域得到了廣泛應用。[4]MATLAB中的基于框圖的仿真平臺SIMULINK是掛接在MATLAB環境上，以MATLAB的強大計算功能為基礎，提供了各種仿真工具箱，并不斷擴展，豐富其模塊庫，從SIMULINK4.1版本開始有了電力系統模塊庫（SimPowerSystems），應用其中的模塊可以方便地進行RLC電路，電力電子電路，電機控制系統和電力系統的仿真。[5]因此利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件進行“電工學”課程理論教學和實驗教學可以實現以傳授知識為主向培養主動能力為主的轉變，從被動接受為主向主動解惑為主，從以培養共性為主向以培養個性為主的素質教育模式的轉變。另外，仿真技術能讓學生在預習實驗過程中對實驗內容進行演示，破除學生的恐懼感和理解誤操作產生的后果，從而養成良好的操作習慣，降低實驗過程中對實驗設備的損耗。[6]對于某些設計性實驗可以在進入實驗室真正實驗之前，利用軟件仿真來確定自己的設計方案并對設計方案不斷改進，提高實驗效率。

二、MATLAB/SIMULINK仿真軟件在教學中的應用

基于MATLAB/SIMULINK仿真軟件輔助教學的過程如下：

（1）選擇合適的知識點，建立基于MATLAB/SIMULINK的電路仿真模型。基于MATLAB/SIMULINK軟件的仿真模型的選取要考慮難度適中，代表性強的實例。這就需要任課教師在課下認真考慮哪個知識點適合作為仿真對象。

（2）熟練掌握運用建立好的電路仿真模型講授知識的手段和技巧，熟練地演示對象的特征、關系和規律。在此過程中，任課教師一定要熟練操作，對多媒體內容和仿真內容做到順利銜接，否則會使學生產生混亂感而達不到預期的教學效果。

為了不使多媒體課件（多采用的是Powerpoint幻燈片的形式）與基于MATLAB/SIMULINK軟件的仿真電路模型混淆，仿真模型可以用Powerpoint幻燈片“超鏈接”的形式加在課件中。在解釋和演示仿真模型的同時還可以借助板書的形式說明公式的推導以及是如何得到結果的。

在此還要注意“主次之分”，MATLAB/SIMULINK軟件只是輔助教學工具，而“電工學”課程主要是向學生傳授書中的基本理論、基本定律、基本概念及基本分析方法，因此課上不宜過多采用電路的仿真演示，要在調動了學生的積極性之余將重點放在理論教學上。

（3）結合仿真結果分析和歸納相關知識點。然后可以向學生布置與此知識點有關的課后作業和實驗內容進行仿真練習，以鞏固所學內容。

如果想讓學生在這一環節按照教師的設想很好的完成課后作業和相關實驗內容的仿真練習，就必須要求學生了解MATLAB/SIMULINK仿真軟件使用方法。目前這種軟件在高校的各個專業或多或少都有學習，而且這類軟件的使用大多都很方便，學生可從網上自己下載安裝該軟件，然后通過自學熟悉該軟件的使用。這一點也是這種輔助教學方法可以得到推廣的關鍵一步。

三、基于MATLAB/SIMULINK軟件的仿真教學實例

1. 建立“三相交流電路”的仿真模型

“三相交流電路中性線的作用”是在講授三相電路這一章時一個很重要的知識點，并且具有實際意義。為了更好地向學生闡明這一知識點，我們利用秦增煌主編的《電工學》上冊（第六版）的第162頁例5.5.2和例5.5.3結合MATLAB/SIMULINK仿真輔助教學方法來說明三相電路的中性線的作用。按照書中例題的電路圖（圖1），以MATLAB/SIMULINK為平臺，建立了如圖2和圖3所示的電路仿真模型。

圖2和圖3中的參數設置與書中例題完全一致。

2.模型參數的設置和使用中應注意的問題

（1）三相交流電源：雙擊仿真電路圖中的任何一個模塊，都會出現參數設置對話框，以便完成參數的設置。以本仿真模型中的三相電源為例，峰值電壓為“220*sqrt（2）”，頻率50Hz，相位為0°，其他兩相同理，只是相位分別為-120°，-240°。

（2）Multimeter（多路測量儀器）模塊：利用此模塊來顯示所需測量的電壓、電流值，而不必使用更多的電流和電壓測量模塊，這樣可以使仿真電路圖得到簡化。Multimeter中的輸出即值測量的是什么電量是在建立模型時設置的，比如在負載R1模塊上雙擊即可出現參數設置對話框，可以通過具有下拉框的“measurements”設置想要測量的量，如果不需要則選擇“None”即可。而測量順序是通過Multimeter模塊本身的參數設置對話框完成的。這一點在使用時一定要注意。

（3）需要改接電路時，可直接在仿真電路圖中操作完成。例如負載不對稱、L1相斷開的情況，可將R1右側與負載中性點N′處的連線剪切掉即可。可見利用仿真模型可以方便地改變電路的結構及參數，操作非常方便。對于比較危險的實驗內容也可以通過仿真實驗來完成。

3.仿真結果分析

從圖2仿真電路的電流表中可知各相負載的電流有效值分別為I1=44A，I2=22A，I3=11A，I0=29.1A。各相電壓的有效值相同U1=U2=U3=220V，UNN’=0V。圖3是在L1相斷開，中性線斷開的情況下得到仿真結果，從電流表和電壓表的讀數可知：I1=0A，I2=12.7A，I3=12.7A，I0=0A。各相電壓的有效值分別為U1=0，U2=127，U3=254V，UNN’=127V。這些仿真結果和書中的完全一致。

這些數據是在建立仿真模型時直接從Multimeter（多路測量器）模塊中得到的。我們也可以利用MATLAB強大的后期數據處理能力得到各相電壓及電流的波形圖。圖4是在負載不對稱、L1相斷開且無中性線情況下將存儲在工作空間的各相電流利用“plot（t，i1，t，i2，t，i3）”語句在MATLAB命令窗口得到的。

從仿真結果可以看出，L1相斷開，中性線斷開時，電燈2的電壓U2低于其額定電壓（220V），而燈3上的電壓U3高于其額定電壓（220V），也就是說在這樣的情況下，負載均不能正常工作，這是不允許的，而有中性線時就不會發生這樣的情況，即中性線的作用就在于使星形聯結的不對稱負載的相電壓對稱。為了保證負載的相電壓對稱，就不應讓中性線斷開。因此，中性線（指干線）內不能接入熔斷器或閘刀開關。[1]

在完成這一仿真演示后，就可以向學生布置“三相交流電路”實驗的預習，要求學生在進入實驗室之前利用MATLAB/SIMULINK軟件對此實驗內容進行仿真練習，以便更好地理解實驗結果及可能出現的問題，這樣可以有效地避免實驗中的接線及測量錯誤，提高實驗效率。

三、結論

仿真輔助教學作為傳統的板書及現在流行的多媒體教學的補充，為教學模式改革提供了非常廣闊的前景，是培養學生分析問題，解決問題的能力及其創新能力的一個重要手段。利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件可方便地觀測到電路中電壓和電流的波形及各種數據，并且電路結構和電路參數調整方便。利用MATLAB/SIMULINK仿真輔助教學即完成了理論課程中知識點的驗證，使課堂氣氛活躍，激發了學生的學習興趣并提高了學生的參與意識，也可以完成由于實驗設備不足或危險性較大而無法完成的實驗教學任務。總之，仿真輔助教學（包括利用其他仿真軟件平臺）可以大大提高教學質量，是教學改革的成功嘗試。

參考文獻：

[1]秦增煌.電工學(上)[M].第6版.北京:高等教育出版社，2006.

[2]王智忠.EWB仿真實驗在電工學課程理論教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，23(5):91-94.

[3]薛定宇，陳陽真.系統仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社，2002.

[4]付巍.MATLAB在《電工技術》課程教學中的應用[J].機械管理開發，2005，(6):118-120.

[5]洪乃剛，等.電力電子和電力拖動控制系統的Matlab仿真[M].北京:機械工業出版社，2006.

[6]唐學圣，陳麗等，劉素貞.非電類專業電工學課程的仿真輔助教學[J].電氣電子教學學報:社會科學版，2011，(9):212-214.

（責任編輯：劉麗娜）