MATLAB在電氣專業(yè)主干課程教學(xué)中的應(yīng)用

廣東理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院 龍小麗 李欣雪 胡林林

高校工科類專業(yè)中電氣專業(yè)開(kāi)設(shè)的主干課程的應(yīng)用性、實(shí)踐性以及理論性都非常的強(qiáng)，學(xué)生想要學(xué)懂相關(guān)的主干課程，難度比較大。文章將探討把MATLAB引進(jìn)到電氣主干課程的具體教學(xué)中，使抽象深?yuàn)W難以理解的知識(shí)變得“活”起來(lái)，能夠較好的降低知識(shí)點(diǎn)的理解難度，有效的增強(qiáng)課堂的趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果得到了一定的改善。

電氣專業(yè)是各類高校中非常受歡迎的工科專業(yè)，也是學(xué)生普遍反映比較難學(xué)的專業(yè)。各類高校電氣專業(yè)開(kāi)設(shè)的主干課程主要包括《電力系統(tǒng)分析》、《自動(dòng)控制原理》、《電力電子技術(shù)》、《電機(jī)與拖動(dòng)》、《現(xiàn)代控制理論》等，這些課程除了開(kāi)設(shè)理論課之外，一般都需開(kāi)設(shè)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作課。電氣主干課普遍具有強(qiáng)理論性、知識(shí)點(diǎn)深?yuàn)W抽象、概念繁多難懂、公式多、推導(dǎo)繁瑣的特點(diǎn)，且相關(guān)的電路圖比較多且復(fù)雜，涉及的電路分析以及波形分析非常多。同時(shí)，電氣專業(yè)與我們的生產(chǎn)生活實(shí)際聯(lián)系密切，在電力輸送以及交通運(yùn)輸?shù)雀黝I(lǐng)域都有應(yīng)用，因此，電氣專業(yè)相關(guān)主干課程對(duì)實(shí)踐性的要求也是非常高。

現(xiàn)如今，高校教師在教學(xué)時(shí)多數(shù)采用的是電子課件投影結(jié)合黑板書(shū)寫(xiě)講解。電子課件里一般主要給學(xué)生展示的是公式、電路圖以及相關(guān)原理的小結(jié)，黑板板書(shū)主要是進(jìn)行公式的推導(dǎo)，教師上課的模式重點(diǎn)還是側(cè)重于理論知識(shí)點(diǎn)的深度和完整性。主干課程相關(guān)實(shí)踐通常是在相關(guān)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上完成。由于有些相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常昂貴，需要的場(chǎng)地也是非常大，且強(qiáng)電課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)生在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)會(huì)有較大的風(fēng)險(xiǎn)，因此有些高校沒(méi)有配備完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐能力沒(méi)有得到很好的鍛煉。這樣的教學(xué)模式，不能較好的使學(xué)生學(xué)懂相關(guān)主干課程的知識(shí)，甚至?xí)?dǎo)致部分學(xué)生由于學(xué)不懂課程而出現(xiàn)厭學(xué)情緒。因此迫切的需要找到一種生動(dòng)的、直觀的以及高效的教學(xué)方式來(lái)提高主干課程的教學(xué)效果。

1 應(yīng)用說(shuō)明

MATLAB是一款應(yīng)用于多個(gè)工作平臺(tái)和多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的具有強(qiáng)大功能的應(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DSP、控制系統(tǒng)、數(shù)值統(tǒng)計(jì)、模糊邏輯、各種系統(tǒng)仿真等多個(gè)領(lǐng)域。將其引入電氣主干課程的教學(xué)中，利用其繪圖及仿真功能，將一些復(fù)雜的系統(tǒng)及抽象難懂的概念采用繪圖及仿真的形式直觀化，可使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)難點(diǎn)有較直觀的認(rèn)識(shí)，引起學(xué)生的興趣，有助于教學(xué)效果的提升。下面以電氣專業(yè)主干課程的其中2門(mén)具體課程為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明MATLAB在電氣主干課程教學(xué)中的應(yīng)用。

MATLAB在控制系統(tǒng)相關(guān)課程中的應(yīng)用，以自動(dòng)控制原理（自控）課程為例。該課程的教學(xué)重點(diǎn)是進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成的研究；進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析；系統(tǒng)有關(guān)的各種性能指標(biāo)的研究；系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析以及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該課程知識(shí)點(diǎn)抽象難懂，將MATLAB引入教學(xué)中，可使知識(shí)點(diǎn)直觀易懂。例如需要用時(shí)域分析法分析某控制系統(tǒng)當(dāng)K=1和K=2時(shí)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用以往的直接理論公式推導(dǎo)講解很難讓學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一個(gè)比較深刻的認(rèn)識(shí)。引進(jìn)MATLAB，只需輸入幾行相關(guān)命令，就可以得到如圖2所示的當(dāng)K=1和K=2時(shí)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)。由圖上的參數(shù)能夠直觀的觀察出k=1時(shí)和K=2時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)k=1時(shí)系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間較短，超調(diào)量較小，峰值時(shí)間較長(zhǎng)，所以系統(tǒng)的性能更穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

MATLAB在電力系統(tǒng)相關(guān)課程中的應(yīng)用，以電力系統(tǒng)分析為例。電力系統(tǒng)非常龐大和復(fù)雜，通常被稱為電力網(wǎng)絡(luò)。該課程教學(xué)時(shí)主要是對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、系統(tǒng)故障、系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程等進(jìn)行分析。分析的基礎(chǔ)是進(jìn)行大量的計(jì)算，主要包括系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算、短路故障的計(jì)算以及潮流計(jì)算等。采用以往的直接手動(dòng)計(jì)算法非常的復(fù)雜，深?yuàn)W難懂。引進(jìn)MATLAB，可利用MATLAB語(yǔ)言和其Simulink模塊仿真建模對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行輔助分析和輔助計(jì)算。例如對(duì)無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖3所示；建模時(shí)，從模塊庫(kù)中分別選取對(duì)應(yīng)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(cè)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(jìn)行對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置，再通過(guò)“Simulink→Configuration Parameters”命令打開(kāi)設(shè)置仿真參數(shù)的對(duì)話框進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行仿真，即可模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況。整個(gè)建模過(guò)程簡(jiǎn)單，仿真結(jié)果非常直觀，能較好的幫助學(xué)生加深知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖3 無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)的Simulink仿真圖

2 結(jié)語(yǔ)

電氣專業(yè)的主干課程理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)深?yuàn)W抽象，教學(xué)困難。文章重點(diǎn)探討MATLAB在電氣主干課程教學(xué)中的應(yīng)用。將MATLAB引進(jìn)教學(xué)中，可使深?yuàn)W抽象的知識(shí)點(diǎn)變得直觀生動(dòng)，能夠較好的改善教學(xué)效果。同時(shí)，可將MATLAB引進(jìn)實(shí)踐教學(xué)中，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的情況，節(jié)省購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)儀器的開(kāi)支；并且能夠增加實(shí)驗(yàn)的靈活度，只需一臺(tái)裝有MATLAB的電腦，即可完成實(shí)驗(yàn)，這樣也能降低學(xué)生做強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)誤操作引起的風(fēng)險(xiǎn)。另外，基于MATLAB的強(qiáng)大功能，從培養(yǎng)學(xué)生的方面考慮，主干課程中引進(jìn)MATLAB，學(xué)生不僅能夠?qū)W好專業(yè)知識(shí)，還能學(xué)習(xí)一門(mén)應(yīng)用廣泛的仿真技術(shù)，為學(xué)生以后做科學(xué)研究、參加各種競(jìng)賽、工作等提供知識(shí)儲(chǔ)備。