MATLAB仿真技術在電工基礎課程學習中的應用

盧彥名 葉永祥

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?電氣自動化專業(yè)課程中的電工基礎是專業(yè)基礎課，對職業(yè)院校的學生來說，學習起來相當困難。使用MATLAB/Simulink的仿真是一種協(xié)助學生學習這門課程的有效手段。闡述了通過MATLAB/Simulink的仿真功能求解電路。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?電工課程;Simulink;仿真

[中圖分類號] ?V448.15+3 ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2020）50-0230-02

工業(yè)電氣自動化專業(yè)的學生要求除了有較強的動手操作能力外，還需要有扎實的理論知識。電工基礎是工業(yè)電氣自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課，課程涉及直流電路、單相交流電路和三相交流電路的分析與計算。直流電路部分主要學習各種電學定律，如基爾霍夫定律、疊加定律等;單相交流電路主要學習正弦交流電的表示與計算。學生通過課程的學習，初步掌握相關電學知識，為后續(xù)的電機拖動、電子技術打下基礎，但學習的內容涉及較為復雜的數(shù)學和電磁學知識，對高職類的學生來說有較大的難度。為了更好地學習這些課程，我們可以借助MATLAB/Simulink仿真功能，該仿真功能能動態(tài)地展示電路運行的特點，為我們學習這門課程的理論知識提供有力的幫助。

一、MATLAB/Simulink功能的簡介

Simulink是MATLAB軟件的擴展，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包[1]，其仿真模型容易搭建、功能強大，廣泛用于對各類工科課程進行虛擬仿真實驗。利用MATLAB/Simulink中的電子電路仿真模塊庫可以很方便地搭建電學中各種電路的仿真模型，通過改變系統(tǒng)仿真模型的元器件參數(shù)，進行系統(tǒng)設計和參數(shù)調試，比較參數(shù)對電路的性能影響[2]。大大地加深了我們對電路理論的理解。

Simulink主要有公用模塊庫和專業(yè)模塊庫兩大類，電子電路仿真主要使用Simscape下屬的Foundation Library基礎模塊庫中的元件[3]。

二、單相交流電路中電感、電容、電阻串并聯(lián)的Simulink仿真的建立與驗證

（一）仿真的對象

仿真的電路如圖1所示[3]，是一個電阻、電感、電容串并聯(lián)的電路，其中的理論計算涉及正弦量的復數(shù)表示、相量的計算、初相的變化等。對高職學生來說較為復雜且難以理解，但通關Simulink仿真后，可以把理論計算的結果和仿真的結果結合起來，有助于對電路中各個知識點的理解。

（二）仿真模型的搭建

電路仿真模型搭建所需的元件可以在Simulink庫中的Simscape中查找。如上面電路仿真所需要的電阻、電感和電容可以通過路徑：Simscape/Foundation library/Electrical/ Electrical Elements查找出來。在元件庫中找到所需的元件后，把它們拖拽到untitled窗口中，根據電路圖的關系并結合測量的需要把各元件連接起來。搭建起來的仿真模型如圖2所示。

（三）仿真元件的設置

模型搭建起來后，需要對仿真元件根據被仿真電路的要求，進行元件參數(shù)設置。設置的辦法是雙擊該仿真元件，系統(tǒng)會彈出對話框，根據需要修改參數(shù)即可。如我們把電阻元件修改成50歐姆，雙擊電阻元件，把“Resistance”的值修改成“50”即可。如圖3所示。

（四）仿真模型的運行

仿真模型在運行前我們需要對運行參數(shù)進行設置。

1.運行算法的設置

不同的仿真要求有不同的算法，一般情況下，連續(xù)系統(tǒng)仿真應該選擇ode45的變步長算法，對剛性問題可以選擇變步長的ode15算法，離散系統(tǒng)一般默認地選擇定步長的discrete算法。[4]我們這里采用“ode45”算法。

2.仿真步長設置

為保證得到較為平滑的仿真曲線，需要根據仿真信號系統(tǒng)的特點，讓每個周期至少要取20個點。為此，我們需要對仿真參數(shù)對話框中的“Max step size”進行設置來實現(xiàn)。

3.Solver Configuration模塊的建立

Solver Configuration模塊是實現(xiàn)MATLAB對電路進行分析的作用。在我們這個仿真模型中，需要把Simscape/Utilities庫當中的Solver Configuration模塊拖拽到Untitled仿真窗口中，并把這個模塊與仿真電路的“地”連接。

三、仿真模型運行的結果與分析

運行圖2的仿真模型，并結合數(shù)據的大小，修改示波器的縱坐標后，我們可以通過示波器觀察到如圖4中的仿真結果。

從仿真結果中我們可以觀察到：

（1）改電路是正弦信號輸入，經過各個線性元件后，響應還是正弦信號。

（2）各支路電壓電流的大小符合理論計算的結果。

（3）可以通過橫坐標觀察到各支路電壓、電流相位的變化，與理論計算結果一致。

（4）正弦交流電通過電阻、電容、電感后，只改變了正弦三要素中的大小和初相位，頻率并沒有改變。

四、結語

通過使用MATLAB/Simulink的仿真，我們能夠清晰地觀察到電路信號參數(shù)的變化，為我們更好地理解電學理論知識提供了有力的幫助。MATLAB/Simulink的仿真功能不單可以應用在電工基礎的電路分析上，還可以用在自動控制原理電機拖動等課程的分析上。學會使用MATLAB/Simulink仿真的功能，也是學會使用更多的工具，為后續(xù)課程的學習打下了基礎，為未來的工作打下基礎。

參考文獻：

[1]王正林，王勝開，陳國順，等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2017-05.

[2]宋雷鳴.MATLAB仿真在電機拖動控制系統(tǒng)中的應用研究[J].輕工科技，2020，36（5）：34-35.

[3]周高峰，趙則祥.MATLAB/Simulink機電系統(tǒng)仿真及工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014-06.

[4]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

編輯 王亞青