Matlab在職業(yè)院校電工課程中的應(yīng)用實(shí)踐*

陳晶 周斌

安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230051

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，職業(yè)教育越來越受重視。職業(yè)院校招生形式多樣，有從高考錄取的，有分類考試招生的，有面向社會(huì)擴(kuò)招考試招生的，生源素質(zhì)參差不齊，給入學(xué)后的教學(xué)工作帶來了挑戰(zhàn)，特別是電工基礎(chǔ)課程，因此電工基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行，我校在電工基礎(chǔ)課程教學(xué)示范課程建設(shè)過程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師深入研究各專業(yè)人才培養(yǎng)方案，修訂課程標(biāo)準(zhǔn)，更新教學(xué)內(nèi)容，積極探索新的教學(xué)手段和教學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)Matlab軟件在電工基礎(chǔ)課程教學(xué)和學(xué)習(xí)中有很大的幫助，提升了教學(xué)效果。

1 課程內(nèi)容

在課程內(nèi)容的編排方面，我們根據(jù)教育部《高職高專教育基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》以及社會(huì)對(duì)技能型人才的要求，設(shè)計(jì)了四個(gè)項(xiàng)目。分別是項(xiàng)目一直流電路及元件的測(cè)試：講述基本電工設(shè)備、測(cè)量?jī)x表及常用的電路元件，在電工安全操作規(guī)程下，測(cè)試驗(yàn)證基爾霍夫定律、疊加定理、戴維南定理等內(nèi)容；項(xiàng)目二交流電路的測(cè)試：介紹正弦交流電路的基本概念、基本方法及三相電路的分析計(jì)算；項(xiàng)目三線性電路的過渡過程測(cè)試：介紹一階電路過渡過程的基本概念、基本理論和計(jì)算方法；項(xiàng)目四交流鐵芯線圈的測(cè)試：通過互感電路介紹磁路及電磁知識(shí)。雖然我們的項(xiàng)目都是以實(shí)踐操作的方式設(shè)計(jì)的，但內(nèi)容里仍繞不開基本的計(jì)算，如線性方程組的求解、相量的計(jì)算、微分方程及傳遞函數(shù)的求解，這些對(duì)于目前的高職在校生都是很大的挑戰(zhàn)。以往的教學(xué)中很容易從電工教學(xué)中講著講著變成了高數(shù)的教學(xué)，我們引入Matlab軟件，其原本含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室，主要面向科學(xué)計(jì)算，可視化等功能，極大地提高了課堂教學(xué)的效率，可以讓學(xué)生快速看到結(jié)果，激勵(lì)了學(xué)生的探索興趣[1]。

2 應(yīng)用案例

Matlab有強(qiáng)大的計(jì)算功能，有助于學(xué)生解決電工課程中的大量高難度的枯燥計(jì)算，提升學(xué)習(xí)效率。同時(shí)matlab還有功能強(qiáng)大的simulink模塊可以進(jìn)行仿真，對(duì)電工課程中一些抽象的概念進(jìn)行圖形化，讓教師的講解更加形象化，讓學(xué)生更容易接受，減少畏難情緒，對(duì)學(xué)習(xí)興趣的提升有相當(dāng)大的幫助。下面將針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中前三個(gè)項(xiàng)目各選了一道例題，介紹其使用過程。

2.1 Matlab在直流電路中的應(yīng)用

例1：用支路電流法求圖1所示電路中的各支路電流[2]。

圖1 例1電路圖

解法1，增設(shè)電流源電壓為未知變量。

選擇網(wǎng)孔作為獨(dú)立回路，選擇回路繞行方向如圖1中所示；對(duì)兩網(wǎng)孔應(yīng)用KVL，得

聯(lián)立求解上述方程：

應(yīng)用matlab軟件solve函數(shù)求解方程組，在Matlab的命令行窗口中輸入代碼如下：

syms I1 I2 I3 U %定義符號(hào)變量

[I1,I2,I3,U]=solve(I1+I2+I3==0,2*I1-4*I2+U==24,4*I2-I3-U==-12,I2==3)

所得結(jié)果為：I1=3 I2=3 I3=-6 U=30

解法2，應(yīng)用Simulink的電路仿真，可以直接用電路檢測(cè)元件來查看電路中的電流電壓值。

進(jìn)入Simulink環(huán)境，新建空白模型，對(duì)照?qǐng)D1所示的電路圖，在空白模型搭建其仿真電路，如下圖2所示的仿真模型。

圖2 例1仿真模型圖

按照?qǐng)D1的參數(shù)設(shè)置各個(gè)模塊如表1，點(diǎn)擊仿真，可以看到I1=3A ,I2=3A ,I3=-6A ,U =30V。與解法1所得結(jié)果相同。

表1 仿真模型模塊及參數(shù)設(shè)置

2.2 Matlab在交流電路中的應(yīng)用

圖3 例2電路圖

解：應(yīng)用基爾霍夫電壓定律求解。

應(yīng)用Matlab命令窗口求解，代碼如下：

ur=180×exp(0j×2×pi/360);

ul=360×exp(90j×2×pi/360);

uc=170×exp(-90j×2×pi/360);

u=ur+ul+uc

所得結(jié)果為：u =1.8000e+02 + 1.9000e+02i

2.3 Matlab在一階動(dòng)態(tài)電路中的應(yīng)用

圖4 例3電路圖

解：列寫開關(guān)S閉合后的方程式：

應(yīng)用matlab軟件dsolve函數(shù)求解微分方程[3]，代碼如下：

syms y c t % i是matlab內(nèi)部關(guān)鍵字，這里用c代替

y=dsolve(‘((0.2×Dc+3×c)/10+c)×10+0.2×Dc+3×c=24’，’c(0)=0’)

結(jié)果是：y =3/2 - (3×exp(-40×t))/2

在命令窗口輸入如下的畫圖指令可得其波形如圖5。

圖5 波形圖

t = 0:0.001:1;

y1 = subs(y,’t’,t);

plot(t,y1,’k’)

3 結(jié)束語

通過上述案例表明，Matlab軟件代碼極其簡(jiǎn)潔易懂，Simulink仿真是采用搭積木的形式構(gòu)建仿真模型，操作方便快捷，滿足了當(dāng)前職業(yè)院校不同素質(zhì)生源的學(xué)習(xí)需求，極大地提升了課堂教學(xué)的效果。主要表現(xiàn)在：一是當(dāng)前的學(xué)生喜歡計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備，符合學(xué)生的興趣特點(diǎn)；二是Matlab軟件讓學(xué)生既能看到數(shù)字結(jié)論又可以看到圖形，極大地幫助了學(xué)生理解信號(hào)、電路元件及電路的工作過程，這是讓教師講解很難達(dá)到的效果；三是軟件對(duì)于當(dāng)前一些不能直接在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)踐操作也是一定的補(bǔ)充，特別是線上教學(xué)和社會(huì)擴(kuò)招學(xué)生的教學(xué)。