MATLAB在電氣專業主干課程教學中的應用

廣東理工學院電氣與電子工程學院 龍小麗 李欣雪 胡林林

高校工科類專業中電氣專業開設的主干課程的應用性、實踐性以及理論性都非常的強，學生想要學懂相關的主干課程，難度比較大。文章將探討把MATLAB引進到電氣主干課程的具體教學中，使抽象深奧難以理解的知識變得“活”起來，能夠較好的降低知識點的理解難度，有效的增強課堂的趣味性，提高了學生學習的積極性，教學效果得到了一定的改善。

電氣專業是各類高校中非常受歡迎的工科專業，也是學生普遍反映比較難學的專業。各類高校電氣專業開設的主干課程主要包括《電力系統分析》、《自動控制原理》、《電力電子技術》、《電機與拖動》、《現代控制理論》等，這些課程除了開設理論課之外，一般都需開設有相應的實驗操作課。電氣主干課普遍具有強理論性、知識點深奧抽象、概念繁多難懂、公式多、推導繁瑣的特點，且相關的電路圖比較多且復雜，涉及的電路分析以及波形分析非常多。同時，電氣專業與我們的生產生活實際聯系密切，在電力輸送以及交通運輸等各領域都有應用，因此，電氣專業相關主干課程對實踐性的要求也是非常高。

現如今，高校教師在教學時多數采用的是電子課件投影結合黑板書寫講解。電子課件里一般主要給學生展示的是公式、電路圖以及相關原理的小結，黑板板書主要是進行公式的推導，教師上課的模式重點還是側重于理論知識點的深度和完整性。主干課程相關實踐通常是在相關實驗室設備上完成。由于有些相關實驗設備非常昂貴，需要的場地也是非常大，且強電課程的實驗學生在實際進行實驗操作時會有較大的風險，因此有些高校沒有配備完整的實驗設備，導致學生的實踐能力沒有得到很好的鍛煉。這樣的教學模式，不能較好的使學生學懂相關主干課程的知識，甚至會導致部分學生由于學不懂課程而出現厭學情緒。因此迫切的需要找到一種生動的、直觀的以及高效的教學方式來提高主干課程的教學效果。

1 應用說明

MATLAB是一款應用于多個工作平臺和多個學科領域的具有強大功能的應用科技軟件。該軟件具有多種不同功能的工具箱，涉及了通信、神經網絡、DSP、控制系統、數值統計、模糊邏輯、各種系統仿真等多個領域。將其引入電氣主干課程的教學中，利用其繪圖及仿真功能，將一些復雜的系統及抽象難懂的概念采用繪圖及仿真的形式直觀化，可使學生對所學知識難點有較直觀的認識，引起學生的興趣，有助于教學效果的提升。下面以電氣專業主干課程的其中2門具體課程為例，簡要說明MATLAB在電氣主干課程教學中的應用。

MATLAB在控制系統相關課程中的應用，以自動控制原理（自控）課程為例。該課程的教學重點是進行系統的結構及組成的研究；進行自動控制系統的動態和穩態分析；系統有關的各種性能指標的研究；系統的時域分析、頻域分析以及相關系統設計。該課程知識點抽象難懂，將MATLAB引入教學中，可使知識點直觀易懂。例如需要用時域分析法分析某控制系統當K=1和K=2時的穩定性，系統結構如圖1所示，采用以往的直接理論公式推導講解很難讓學生對系統的穩定性有一個比較深刻的認識。引進MATLAB，只需輸入幾行相關命令，就可以得到如圖2所示的當K=1和K=2時系統單位階躍響應。由圖上的參數能夠直觀的觀察出k=1時和K=2時系統的穩定性。當k=1時系統的調整時間較短，超調量較小，峰值時間較長，所以系統的性能更穩定。

圖1 系統結構圖

圖2 系統單位階躍響應

MATLAB在電力系統相關課程中的應用，以電力系統分析為例。電力系統非常龐大和復雜，通常被稱為電力網絡。該課程教學時主要是對電力系統穩態、系統故障、系統暫態過程等進行分析。分析的基礎是進行大量的計算，主要包括系統的穩定計算、短路故障的計算以及潮流計算等。采用以往的直接手動計算法非常的復雜，深奧難懂。引進MATLAB，可利用MATLAB語言和其Simulink模塊仿真建模對電力系統內容進行輔助分析和輔助計算。例如對無窮大功率電源供電系統進行仿真，如圖3所示；建模時，從模塊庫中分別選取對應的模型添加，主要包括電源模型Three-phase source、變壓器T模型Three-Phase Transformer、輸電線路L模型Three-Phase Series RLC Branch、三相電壓電流測量模型Three-Phase V-I Measurement、三相線路故障模塊Three-Phase Fault、5MW模塊、示波器模型Scope1等，添加好模塊后，連接好線路，雙擊模塊進行對應參數設置，再通過“Simulink→Configuration Parameters”命令打開設置仿真參數的對話框進行仿真參數設置，運行仿真，即可模擬實際系統的運行情況。整個建模過程簡單，仿真結果非常直觀，能較好的幫助學生加深知識點的理解。

圖3 無窮大功率電源供電系統的Simulink仿真圖

2 結語

電氣專業的主干課程理論性強、知識點深奧抽象，教學困難。文章重點探討MATLAB在電氣主干課程教學中的應用。將MATLAB引進教學中，可使深奧抽象的知識點變得直觀生動，能夠較好的改善教學效果。同時，可將MATLAB引進實踐教學中，進行仿真實驗，緩解實驗設備不足的情況，節省購買實驗儀器的開支；并且能夠增加實驗的靈活度，只需一臺裝有MATLAB的電腦，即可完成實驗，這樣也能降低學生做強電實驗誤操作引起的風險。另外，基于MATLAB的強大功能，從培養學生的方面考慮，主干課程中引進MATLAB，學生不僅能夠學好專業知識，還能學習一門應用廣泛的仿真技術，為學生以后做科學研究、參加各種競賽、工作等提供知識儲備。