MATLAB在電氣工程專業(yè)主干課程教學中的應用

王海霞 韓奮 張曉菊

摘要：電氣工程及其自動化本科專業(yè)主干課程具有非常強的理論性、實踐性和應用性，本項目研究將MATLAB仿真技術引入到專業(yè)課程的課堂教學和實驗教學中，使抽象難懂的知識“活”起來，有效降低理解的難度，較大程度提高了學生的學習趣味性、積極性和主動性。

關鍵詞：MATLAB；Simulink；建模

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0089-02

一、項目研究的現(xiàn)狀

電氣工程專業(yè)的主干課程有《電機與電氣控制技術》《電力拖動自動控制系統(tǒng)》《電力電子技術》《自動控制原理》[1]，這些課程理論知識抽象深奧，工作原理推導繁瑣，并且涉及的電路圖復雜，波形分析、電路解析和計算推導較多。使用傳統(tǒng)的板書、掛圖、PPT三種形式相結合的教學手段想要把基本原理講清楚需要花費大量的時間，但按照該專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，理論講授課時一再被壓縮，而教學大綱要求的知識目標卻有增無減，教師為了在規(guī)定課時內(nèi)完成教學任務，就會出現(xiàn)有些知識點講解不透徹，因此學生理解得也不夠深刻，教學效率偏低，迫切需要借助于直觀、生動、高效的教學手段提高教學效率。

隨著計算機技術、數(shù)學建模技術的不斷發(fā)展及系統(tǒng)控制理論研究的不斷深入，計算機仿真以其成本低、高效、形象生動、受硬件約束小等優(yōu)勢已經(jīng)成為了工程設計和科學研究中不可或缺的工具。計算機仿真軟件的種類繁多，MATLAB軟件就是其中的佼佼者，在許多國際一流學術刊物上都有應用。1998年加拿大魁北克電力公司的專家們率先在MATLAB環(huán)境下，開發(fā)了電力系統(tǒng)分析模塊（Power System Block），憑借其強大的科學計算能力，簡便繪圖能力，可視化的仿真環(huán)境，使其成為電力分析領域最有效工具。

二、MATLAB在電氣工程專業(yè)主干課程教學中的應用

1.MATLAB在自動控制原理中的應用。自動控制原理課程主要是研究系統(tǒng)的組成及結構；自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)分析及相關的性能指標；各種類型的自動控制系統(tǒng)的特點；自動控制系統(tǒng)的時域、頻域分析及相關設計[2]。通過本課程的學習使學生了解自動控制系統(tǒng)的工作原理，分析控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，掌握自動控制系統(tǒng)的設計方法等。

MATLAB在建立控制系統(tǒng)模型時，目前主要采用兩種方式：（1）采用LTI對象來建立數(shù)學模型，根據(jù)系統(tǒng)的特點有傳遞函數(shù)模型、零極點增益模型、狀態(tài)方程模型三種。該方法的缺點是學生需要記憶大量的函數(shù)，這對于非計算機專業(yè)的學生來講存在很大的困難。（2）采用Simulink環(huán)境，通過鼠標建立模型，系統(tǒng)結構使用方框圖繪制，可通過示波器直觀地觀察到各變量的變化過程。其優(yōu)點是設計方便，通過鼠標拖拽模塊來搭建電路模型代替編程；分析簡單，使用者不需要考慮系統(tǒng)模塊內(nèi)部結構，只要考慮系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出；仿真準確，通過人機交互智能化地建立各環(huán)節(jié)的相關方程，在要求精度下以快速地進行電路仿真，結果準確。

學生對Simulink建模更感興趣，下面為利用Simulink模型創(chuàng)建一個使用PID控制器控制三階系統(tǒng)，并查看其輸出響應的實例（如圖1）。

該系統(tǒng)建模主要調取Sources庫中的階躍Step信號作為輸入信號；調取Math Operations庫中的Gain模塊、Add模塊；調取Continuous庫中的Derivative模塊、Integrator模塊構成PID控制器；調取Continuous庫中三個Transfer Fcn構成三階系統(tǒng)，最后調取Sinks庫中的Scope示波器模塊顯示最終的輸出響應信號。

2.MATLAB在電力電子技術中的應用。電力電子技術課程主要研究利用電力電子開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能的變換和控制[3]。下面以單相橋式全控整流電路為例（如圖2），其工作原理是：當電源輸入為u2正半周期時，VT1、VT4在控制角α處通過加觸發(fā)信號導通，輸出電壓ud=u2，而負載中的電流由于有電感的存在不能突變；當電源輸入為u2負半周期時，VT2、VT3在控制角π+α處通過加觸發(fā)信號導通，輸出電壓ud=u2，負載電流任然不能突變。

采用Simulink建模如下圖3，調取SimPowerSystems庫的powergui模塊；調取Electrical Sources庫中的AC Voltage Source作為交流電源；調取4個Power Electronics庫中的Thyristor作為晶閘管器件VT1、VT2、VT3、VT4；調取Elements庫中的Series RLC Branch模塊作為負載RL；調取Sources庫中的2個Pulse Generator模塊作為觸發(fā)脈沖；調取Single Routing庫中的2個Selector模塊作為選擇晶閘管輸出的電壓信號輸出的示波器；最后調取Sinks庫中的Scope示波器模塊顯示各信號。

3.MATLAB在電機與電氣控制技術的應用。電機與電氣控制技術主要研究變壓器、交流電動機、直流電動機、低壓電器及電氣控制電路。下面以三相異步電動機直接啟動的建模與仿真為例（如圖4）。建模過程類似上例，此處略。

三、教學效果評價

本項目研究將MATLAB仿真技術引入到電氣工程及其自動化本科專業(yè)主干課程的課堂教學和實驗教學中，使抽象難懂的知識“活”起來，有效降低理解難度，較大程度提高學生的學習趣味性、積極性和主動性，實現(xiàn)課堂教學效果和質量的提升。將MATLAB仿真技術引入到這些課程的實驗教學中，有效緩解實驗設備缺乏和使用緊張的壓力，規(guī)避了由于學生誤操作而引起設備毀壞以至于人身安全受到侵害等安全隱患的發(fā)生。另外，在很大程度上減少實驗設備維護和維修的費用，節(jié)省購買實驗耗材的開支。從學生培養(yǎng)角度來看，學生既學習了專業(yè)知識和實踐技能，又在一定程度上掌握了MATLAB仿真技術，該技術是目前國際上公認的在工程設計和科學研究領域較為前沿的技術，使學生逐步提高利用科學手段分析問題和解決專業(yè)問題的能力，為學生參加大學生科研、技能競賽及做本科畢業(yè)設計進行有效的知識儲備，為學生在學業(yè)上繼續(xù)深造奠定科研基礎，在就業(yè)中增加競爭力。

參考文獻：

[1]蘇良昱，趙忠彪.MATLAB在電氣工程及其自動化專業(yè)教學中的應用研究[J].科技信息，2011，（18）：11-12.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社版，2018.

[3]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.