探究MATLAB仿真技術(shù)在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用

余逸男

（武昌理工學(xué)院，430223）

探究MATLAB仿真技術(shù)在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用

余逸男

（武昌理工學(xué)院，430223）

本文提出了應(yīng)用MATLAB仿真技術(shù)與課堂理論教學(xué)相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式，克服了傳統(tǒng)教學(xué)方法中理論與實(shí)踐聯(lián)系不緊密的缺點(diǎn)，通過Matlab編程或Simulink建模，使學(xué)生融入到模擬仿真實(shí)際環(huán)境中，極大地提高了教學(xué)效果，增強(qiáng)了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

電路教學(xué)；Matlab；Simulink

0 前言

電路分析基礎(chǔ)是電子信息、通信工程和電子科學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課，是后續(xù)的模擬電路、數(shù)子電路、信號與系統(tǒng)、電力電子等課程的基礎(chǔ)。針對該課程的特點(diǎn)，為了盡快引導(dǎo)學(xué)生入門，在理論授課、實(shí)踐教學(xué)中引入仿真技術(shù)，幫助學(xué)生對各知識點(diǎn)的理解和掌握。Matlab作為功能強(qiáng)大的仿真工具，同時也具備對電路分析仿真的功能，利用Matlab編寫M文件可以計算電路中的參數(shù)，利用Simulink構(gòu)造電路圖進(jìn)行仿真分析，可以有效直觀的分析電路圖。將Matlab仿真技術(shù)引入電路教學(xué)中，幫助學(xué)生解決計算、繪圖和建模等問題，將主要精力集中在掌握電路理論和分析方法的學(xué)習(xí)上，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率。

1 傳統(tǒng)電路分析教學(xué)存在問題

大多數(shù)的高校電路課程主要包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面，電路課程的理論性與實(shí)踐性要求學(xué)生們要自主學(xué)習(xí)，具備分析問題、解決問題的能力，然而，傳統(tǒng)的電路教學(xué)存在一些問題：（1）電路課程中的基本概念、電路定律和分析方法比較多，但是學(xué)校安排課時偏少，很多內(nèi)容都不能按時完成，教師就會省略很多問題；（2）電路教學(xué)內(nèi)容過于抽象，理論性偏強(qiáng)，只是依靠課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生很難理解，學(xué)習(xí)效率較低；（3）由于客觀條件有限，實(shí)驗(yàn)課和理論課往往不能同步進(jìn)行，未及時實(shí)踐的理論知識往往較易遺忘。因此，電路分析教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的積極性，能夠全面、系統(tǒng)、有效地理解運(yùn)用所學(xué)知識，成為教師需要解決的問題。

2 Matlab仿真技術(shù)在電路分析課程中的應(yīng)用

2.1 Matlab介紹

MATLAB(MatrixLaboratory)是美國Mathworks公司推出的一種集數(shù)值運(yùn)算、符號運(yùn)算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體的圖形化語言。在工程技術(shù)界，系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)，去研究一個存在或設(shè)計中的系統(tǒng)，是建立在系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)辨識、控制理論、計算機(jī)技術(shù)和計算方法等學(xué)科上的一種綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)。用計算機(jī)仿真方法研究電路的性能，方便、直觀、經(jīng)濟(jì)、有效，是進(jìn)行電路分析和設(shè)計的很好方法。由于電力電子器件自身的開關(guān)非線性，給電路分析帶來了一定的復(fù)雜性和困難，一般需要采用波形的分析方法來研究。仿真技術(shù)是電路分析的一種新方法。由于課程比較系統(tǒng)化，理論分析較復(fù)雜，采用Matlab仿真平臺是較優(yōu)的選擇，并且該軟件具備以下幾個優(yōu)勢:

（1）Matlab計算功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，適合課程教學(xué)快速仿真;

（2）Matlab提供2種仿真形式，一種為編寫代碼文件進(jìn)行仿真，另一種為仿真集成環(huán)境Simulink，為實(shí)體圖形化仿真，效果直觀;

（3）Simulink仿真平臺除了提供實(shí)體圖形化模型和仿真儀器之外，還提供專門的電氣系統(tǒng)模型SimPowerSystems，雖不是真實(shí)物體，但具有實(shí)際物體的特質(zhì)屬性與特征，具有實(shí)用價值和低成本的優(yōu)勢，仿真結(jié)果可與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．

2.2 教學(xué)實(shí)例分析

2.2.1 Matlab編程方式在理論教學(xué)中的應(yīng)用

電路分析的基本方法是通過數(shù)學(xué)建模求解矩陣方程，以獲得待求支路的電壓或電流。當(dāng)電路規(guī)模增大時，方程聯(lián)立個數(shù)隨之增多，求解過程將變得十分困難且容易出錯。而Matlab是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，專門針對科學(xué)、工程計算及繪圖等方面的需求，。由Matlab語句構(gòu)成的程序文件稱為M文件，它是以“.m”作為擴(kuò)展名的文本文件，可以直接閱讀并可由任何文本編輯器建立。運(yùn)行M文件時，只需在Matlab命令窗口輸入文件名后按回車鍵，或者打開M文件后在其編輯窗口點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕即可。具體創(chuàng)建方法：在Matlab命令窗口中點(diǎn)擊file菜單new→m-file，主要有命令文件（簡單的m文件）和Matlab內(nèi)置函數(shù)文件。相比手動計算，Matlab編程方式只需輸入相應(yīng)語句或函數(shù)即可輕松解決各類復(fù)雜龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算。理論教學(xué)是專業(yè)課程教學(xué)的基礎(chǔ)。

通過教學(xué)仿真的演示，學(xué)生直觀體會系統(tǒng)模型的運(yùn)行結(jié)果，這時再進(jìn)行理論推導(dǎo)，會進(jìn)一步加深學(xué)生對課程的理解．充分發(fā)揮虛擬仿真的演示功能，學(xué)生一目了然，學(xué)習(xí)積極性和興趣就會不斷提高，教學(xué)效果立竿見影．

2.2.2 電路Simulink仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是專業(yè)課程教學(xué)的重要補(bǔ)充，包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)操作．通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生對概念和模型的理解．融仿真分析于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表分析，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的分析比較功能，有利于學(xué)生進(jìn)一步分析電路模型，分析仿真與實(shí)操的差異，從而加深對課程內(nèi)容的理解．Simulink作為Matlab中的一種可視化仿真工具，它提供了一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。Simulink用方框圖的繪制代替程序的編寫，使用戶的精力從編程轉(zhuǎn)向模型構(gòu)造。利用鼠標(biāo)或鍵盤操作，用戶可以完成面向框圖系統(tǒng)仿真的全部過程，進(jìn)而直觀、快速、準(zhǔn)確地達(dá)到仿真的目標(biāo)。模型創(chuàng)建后，可實(shí)時改變模塊參數(shù)，用以研究不同參數(shù)對系統(tǒng)的性能影響以及各參數(shù)間的相互作用關(guān)系。

在Matlab命令窗口中直接輸入Simulink命令或在工具欄中單擊相應(yīng)的快捷按鈕，即可啟動Simulink。在隨后彈出的SimulinkLibraryBrowser(庫模塊瀏覽器)中，執(zhí)行File/New/ Model命令，系統(tǒng)會彈出一個名為untitled的空白模型窗口，用戶可以在此窗口中創(chuàng)建自己需要的Simulink模型。

（1）打開Simulink。打開matlab，在commandwindow中輸入Simulink后回車，鼠標(biāo)點(diǎn)擊主菜單的新建按鈕，即彈出Simulink的mdl文件。

（2）放置元器件。

（3）布局和連線。保存文件，根據(jù)電路圖放置元件到相應(yīng)的位置，以使連線最短。

（4）設(shè)置元件參數(shù)。包括設(shè)置電源參數(shù)、二極管Diode參數(shù)、Mosfet參數(shù)、PulseGenerator參數(shù)、燈的等效電阻RI、示波器參數(shù)。

（5）對Simulink電路模型進(jìn)行仿真。

3 結(jié)論

將Matlab引入到電路課程的教學(xué)中，能夠改善實(shí)驗(yàn)課與理論課的存在的分隔、客觀實(shí)驗(yàn)條件欠缺、實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后等因素所造成的實(shí)驗(yàn)效果不理想的情形。更重要是，將Matlab仿真技術(shù)引入電路教學(xué)中，幫助學(xué)生解決計算、繪圖和建模等問題，將主要精力集中在掌握電路理論和分析方法的學(xué)習(xí)上，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率。

[1]張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2]潘丹青，潘矜矜.基于能力培養(yǎng)的電路基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)研究與實(shí)踐[J].桂林工業(yè)高等專業(yè)學(xué)校學(xué)報，2012，66(2):200-202.

[3]潘湘高.基于Matlab的電力電子電路建模仿真方法的研究[J].計算機(jī)仿真，2003，20(5):113－115．

[4]王海，李波．虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2011(14):48－51．

The application of MATLAB simulation technology in the teaching of circuit analysis

Yu Yinan
（Wuchang University of Technology，430223）

This paper presents the innovative teaching mode of application of MATLAB simulation technology and combining the theory of classroom teaching, to overcome the shortcomings are not closely linked to the theory and practice of traditional teaching method, through Matlab programming or Simulink modeling, so that students to simulate the actual environment simulation, greatly improve the teaching effect, strengthen the cultivation of students autonomous learning and innovative learning ability.

circuit teaching; Matlab; Simulink