電氣工程專業(yè)教學(xué)中Matlab軟件的應(yīng)用分析

劉勇尚　劍鋒

摘要：電氣工程專業(yè)涉及的主要是電力系統(tǒng)分析、電子技術(shù)以及自動(dòng)控制理論等內(nèi)容，這些課程較抽象、枯燥，很難讓學(xué)生對其產(chǎn)生興趣。本文主要介紹了Matlab軟件的功能，在此基礎(chǔ)上，分析了其在控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用、電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用，以期提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：電氣工程專業(yè)教學(xué)Matlab軟件應(yīng)用

Matlab軟件是最近幾年來，市場上十分緊俏的高性能數(shù)值計(jì)算軟件，這款軟件最初是由美國MathWorks 公司推出的。該軟件集合了符號(hào)運(yùn)算、數(shù)值運(yùn)算、圖形處理以及矩陣運(yùn)算等各種功能，借助這種軟件能夠快速構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步簡化了復(fù)雜的計(jì)算、繪制圖形過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

一、Matlab軟件功能

Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，幾乎所有和科學(xué)研究、工程技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)都可以用這款軟件進(jìn)行計(jì)算。它的編程效率非常高，提供了豐富的庫函數(shù)，在實(shí)施數(shù)學(xué)運(yùn)算編制程序時(shí)，能夠直接調(diào)用庫函數(shù)，進(jìn)而繪制出各種各樣的圖形。Matlab軟件下面的一個(gè)附加組件Simulink，提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模、動(dòng)態(tài)仿真工具平臺(tái)，有大量的仿真模塊。將Matlab軟件應(yīng)用在電氣工程專業(yè)教學(xué)中，建立電力系統(tǒng)模型，這種圖形分析用戶界面能夠進(jìn)行直觀分析電路中的電壓、電流波形變化情形。從電氣工程專業(yè)角度分析，應(yīng)用這款軟件可以培養(yǎng)學(xué)生對于各種工程問題的建模、分析技能。

二、Matlab軟件在電氣工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）Matlab軟件在控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用

數(shù)學(xué)模型是整個(gè)控制系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，因此如果對控制系統(tǒng)計(jì)算、仿真，需要先對控制系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在Matlab軟件中能夠構(gòu)建零極點(diǎn)模型、傳遞函數(shù)模型等各種模型，且能夠在不同的數(shù)學(xué)模型之間靈活轉(zhuǎn)換。其中零極點(diǎn)模型中，連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表達(dá)式主要是用系統(tǒng)增益、零點(diǎn)以及極點(diǎn)來表示的，其是傳遞函數(shù)模型的特殊表達(dá)形式。

例：G（s）=k（s+a1）1（s+b1）（s+a2）1（s+b2）（s+a3）1（s+b3）

在這個(gè)公式中，k表示系統(tǒng)增益，而a1，a2，a3表示系統(tǒng)零點(diǎn)，而b1.b2.b3則表示系統(tǒng)極點(diǎn)。在Matlab軟件中，采用函數(shù)命令構(gòu)建控制系統(tǒng)的零極點(diǎn)增益模型。

傳統(tǒng)函數(shù)模型，該模型在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)中的微分方程通過氏變換之后可以得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其中在零初始情況下

G（s）=k=b1sm+b2sm-1+b……bm+11a1sm+a2sm-1+an+1=nnm（s）1den（s）

在傳遞函數(shù)中分子、分母都是依據(jù)s的降冪排列的，在Matlab軟件中主要用的是分子、分母多項(xiàng)式系數(shù)構(gòu)建向量num、den來表示系統(tǒng)，其中num表示（b1.b2.b3……bm），den表示（a1，a2，a3……an）。用函數(shù)命令構(gòu)建傳遞函數(shù)模型，或者是將零極點(diǎn)模型轉(zhuǎn)變成傳遞函數(shù)模型。

此外，還可以用Matlab軟件構(gòu)建狀態(tài)空間模型，其控制系統(tǒng)主要是在工作區(qū)間內(nèi)特殊條件下的近似線性時(shí)不變模型。Matlab軟件還可以為系統(tǒng)提供Simulink工具，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的構(gòu)建與對應(yīng)的求解。其巧妙運(yùn)用系統(tǒng)模塊較為直觀地描述出了系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)，能夠快速地應(yīng)用在可視化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、離散系統(tǒng)以及線性/非線性系統(tǒng)中。

（二）Matlab軟件在電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用

這款軟件在電力系統(tǒng)建模、仿真過程中的應(yīng)用主要通過電力系統(tǒng)仿真模塊（PSB）實(shí)現(xiàn)的。這種模塊必須是在Simulink環(huán)境條件下使用的模塊，運(yùn)用變步長積分方法，能夠?qū)傂浴⒎蔷€性以及非連續(xù)性的系統(tǒng)實(shí)施精確仿真，進(jìn)一步精確檢測出斷點(diǎn)、或者開關(guān)的發(fā)生時(shí)間，模塊程序庫中含有的表示電力網(wǎng)絡(luò)的普通部件以及設(shè)備中所含的Simulink程序塊，依據(jù)這種模塊能夠快速構(gòu)建模型，即刻實(shí)施仿真。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)Simulink以后，運(yùn)用電力系統(tǒng)仿真→電力系統(tǒng)元件庫→拖動(dòng)元件→構(gòu)建電力系統(tǒng)仿真模型。如：在電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)從直接從一種狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的暫態(tài)情形，為了可以更加直觀地觀察暫態(tài)過程中電壓、電流變化動(dòng)態(tài)，可借助電路模型。

在一般情況下，電路主要運(yùn)用的理想三相電壓源當(dāng)作整個(gè)電路的供給電源，以分布參數(shù)輸電線路為輸電線路，用三相電路短路故障發(fā)生器操縱不同類型短路故障，主要包括兩相短路、單相接地短路、三相短路以及雙相接地短路等，所用的電壓源是Y型接線。以兩相接地短路為例，比如：在故障發(fā)生器所有參數(shù)中選用B相故障、C相故障，然后再用故障相接地選項(xiàng)，也就是說當(dāng)出現(xiàn)B相、C相短路故障之后，如果將接地短路時(shí)間設(shè)定為（0.01～ 0.04）s之間，當(dāng)設(shè)置完整個(gè)電路圖、仿真參數(shù)之后，需要激活仿真按鈕，檢查波形圖，得出故障點(diǎn)的電流電壓波形圖。

通過認(rèn)真查看波形可知，當(dāng)處于0.01s時(shí)刻時(shí)，三相電路短路故障的發(fā)生器會(huì)閉合，這時(shí)若電路系統(tǒng)中兩個(gè)不同的故障點(diǎn)發(fā)生接地短路，相應(yīng)的電壓、電流都會(huì)發(fā)生變化，其變化情形和故障分析過程中理論計(jì)算數(shù)值相符。當(dāng)處于0.04s時(shí)刻時(shí)，打開三相電路故障發(fā)生器，就等同于排除故障，那么故障點(diǎn)的電流、電壓都會(huì)恢復(fù)正常狀態(tài)。

三、結(jié)束語

通過分析電氣工程專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用Matlab軟件可知，其有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：能夠幫助學(xué)生在實(shí)踐過程中掌握所學(xué)理論知識(shí)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對電氣工程課程的興趣，體會(huì)到構(gòu)建知識(shí)體系的樂趣。同時(shí)，學(xué)生也可以全面、系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的演化過程，提高了分析、解決問題的能力，掌握了基本的科學(xué)研究方法，進(jìn)一步增強(qiáng)了科研能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉獨(dú)玉.Matlab在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中的教學(xué)探討[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，2（S1）：63～64.

[2]尹瑞竹. Matlab軟件在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2007，4（05）：96～97.

[3]王彬彬.MATLAB軟件在電氣工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用 江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，5（11）：112～113.