肖永濤

(湖南人文科技學(xué)院 通信與控制工程系，湖南 婁底 417000)

MATLAB仿真技術(shù)在電路專業(yè)課中的運用

肖永濤

(湖南人文科技學(xué)院 通信與控制工程系，湖南 婁底 417000)

在電子專業(yè)教學(xué)中運用電路仿真技術(shù), 采用理論和實踐相結(jié)合的方法,仿真軟件對于模擬電路實驗的教學(xué)改革可以起到非常積極的作用。分別應(yīng)用Matlab/Simulink語言編程的方法和直接利用可視化仿真環(huán)境設(shè)計電路模型圖的方法可進行BUCK電路的建模、計算和仿真分析。實例說明, Matlab軟件包方便、簡單、調(diào)節(jié)容易、可視性好, 可成功地應(yīng)用于電路的仿真與分析中, 在教學(xué)和研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和一定的推廣價值。

MATLAB；仿真技術(shù)；電路專業(yè)課

電路理論是電工科學(xué)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。在電路分析中, 隨著電路規(guī)模日益龐大, 線路更加復(fù)雜, 計算機仿真技術(shù)應(yīng)運而生。目前電路仿真技術(shù)愈來愈受到業(yè)界的重視,它的設(shè)計理念已逐漸普及到企業(yè)和大中專院校，在電子工程設(shè)計,電子類課程教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。掌握和應(yīng)用仿真技術(shù)成為電子相關(guān)專業(yè)必備的技能之一。

電路仿真經(jīng)過廣泛的實踐，被證明是相當(dāng)有效的分析技術(shù)，采用電路仿真技術(shù)可以對不同的電路設(shè)計方案快速進行模擬分析，保證設(shè)計理論正確。在電路形式確定以后，對電路的元件參數(shù)進行靈敏度的分析和容差分析，優(yōu)化元件參數(shù)，保證設(shè)計質(zhì)量，電路設(shè)計采用仿真技術(shù)，能極大地減少人工勞動，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，而且線面整潔，精確可靠，大大改善了電子設(shè)備的整機電氣性能。

現(xiàn)普遍采用的仿真軟件有Matlab, Pspice、Multisim、Protel 99 等,這些軟件各有專長,功能齊全,操作方便,在電子各個領(lǐng)域發(fā)揮作用, MATLAB作為功能強大的仿真工具, 同時也具備對電路進行仿真的能力. 利用MATLAB編寫M文件可以計算電路中的參數(shù), 也可以計算電路中的各個響應(yīng), 還可以進行仿真得到直觀的圖形. 另外, 利用Simulink構(gòu)造電路圖進行仿真分析, 也是很直觀有效的.

一 Matlab/simulink 介紹

美國MathWorks 公司開發(fā)的Matlab語言起源于矩陣運算, 將數(shù)值分析、信號處理、圖形功能及系統(tǒng)仿真等融為一體,是當(dāng)今國際科學(xué)界和教育界最具影響力、最有活力的軟件; 同時,Matlab提供的Simulink工具箱中有專門的電力系統(tǒng)分析模塊Power SystemBlockset(PSB)[1-2], 電力系統(tǒng)工具箱以Simulink為運行環(huán)境，具有豐富的電路、電力電子、電機等電氣工程學(xué)科中常用的元件模型庫和齊全的分析功能，可以方便快捷地分析電力電子電路。它對系統(tǒng)比較直觀地進行仿真與分析?？梢灾苯咏㈦娐纺Ｐ? 隨意改變元器件參數(shù), 在仿真平臺上進行仿真計算。本文僅以電路中的典型BUCK電路為例, 介紹Matlab軟件在其中的應(yīng)用.

二 Matlab/simulink教學(xué)實例分析

(一)任務(wù)要求

一個輸入是12V，輸出是5V，滿載電阻為10歐的BUCK電路，要求用PID控制方式來實現(xiàn)，并且要求其PID控制時紋波電壓應(yīng)為±25mV，要求滿載與半載切換時超調(diào)電壓要小于70mV.

(二)系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建[3-5]

(1)在simulink中搭建好BUCK電路的仿真模型，使用開關(guān)器件是MOSFET，其開關(guān)頻率用20KHz，電感電容分別由公式計算得到，電路臨界電感為0.34mH，臨界電容為10uF，如圖1所示。

(2)在MATLAB中對該電路進行仿真，不斷調(diào)整電感和電容的參數(shù)，使輸出電壓大小在5V附近。

圖1 BUCK電路在MATLAB中模型

(3)在MATLAB中利用PID模塊搭建反饋環(huán)節(jié)，建立PID的控制模塊。加了PID控制模塊的電路如圖2所示。

圖2 PID控制的BUCK電路模型

電路工作過程是這樣的：首先測量電路輸出電壓，然后和給定電壓比較，得出差值信號，送給PID模塊，通過PID調(diào)節(jié)輸出的值再與三角波進行邏輯比較，輸出的信號給MOSFET的門極，控制MOSFET的通斷，實現(xiàn)對BUCK電路的控制。其中，換載切換是通過接入和斷開并聯(lián)的電阻來實現(xiàn)的。

(4)電路一開始的輸出電壓是很不理想的，需要對PID的參數(shù)作調(diào)整，即調(diào)節(jié)Kp、Ki 、Kd以使輸出達到題目要求的指標(biāo)。這時就充分體現(xiàn)教學(xué)中仿真技術(shù)的最大優(yōu)勢:效率高,可以在線方便地修改調(diào)試電路。

在調(diào)整的過程中，首先調(diào)Kp，一開始按10的倍數(shù)變，然后找到一個相對好一點的范圍在按3的倍數(shù)變，同理，最后調(diào)到了0.1的倍數(shù)，用這種方式先找出一個比較好的Ki的較小范圍，然后在這個范圍里，再調(diào)節(jié)Kd，調(diào)節(jié)Kd的方法用的和調(diào)Kp的一樣，最后調(diào)的Ki。

但是最后的結(jié)果和要求的指標(biāo)還有點差距，在換載時超調(diào)有點大，為此，在得到的較好的三個的較小參數(shù)的范圍內(nèi)，又對電感和電容進行了一些微調(diào)。最終，電感、電容、Kp、Ki、Kd分別為0.35mH、20uF、118、7、0.03。結(jié)果可以滿足要求，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3(1) PID仿真電壓波形

圖3(2) PID仿真電流波形

如圖3(1)所示，換載時刻分別是0.05秒和0.1秒。0.5秒時由半載換為滿載，在1秒時由滿載再次換為半載，由波形圖可以看出，其紋波電壓小于±25mV，且換載時超調(diào)小于70mV，故滿足要求。

由圖3(2)知,電流在換載時,電流在0.05S時由滿載時的0.25A換為半載時0.5A,然后在0.1S時又由滿載時的0.5A換為半載時的0.25A，可以由圖3(2)看到相應(yīng)仿真波形。

三 結(jié)論

目前,仿真電路作為一種模擬技術(shù),能夠很好地模擬真實的電路,測量出各種參數(shù),為實物提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Matlab提供了友好的人機交互界面，與利用其他的軟件相比，可以節(jié)省大量的編程時間和操作時間，使用Matlab制作多媒體課件渲染的效果非常好，課堂講授過程中可以先實例演示給學(xué)生觀看效果，然后再引入理論知識。這樣學(xué)生的求知欲望將大大加強，而且對概念的理解掌握特別深刻。通過以上分析可以看出, 將Matlab軟件引入到電路分析中, 使分析過程更加方便、靈活, 更加直觀化、形象化, 起到了事半功倍的效果。

[1]楊夷梅，楊玉軍．Matlab教學(xué)中的方法與實踐[J].中國電力教育，2008，12(3):59-60.

[2]平怡. Matlab在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報,2008(4):135-136.

[3]張志涌. 精通Matlab6.5版[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[4]張錚，楊文平，石搏強．MATLAB程序設(shè)計與實例應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社,2003．

[5] 陳懷琛, 吳大正, 高西全. Matlab及在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2001．

(責(zé)任編校：文君)

ApplicationofMATALBSimulationTechnologyinElectronicsCircuitCourses

XIAOYong-tao

(Department of Communication and Control Engineering, Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China)

Using circuit simulation technology in the electronic teaching, the method of combining theory and practice, simulation software for analog circuit experiment teaching reform can play a very active role. Respectively, using Matlab / Simulink language programming method and direct use of visualization simulation environment design circuit diagram method, BUCK circuit modeling, computation and simulation may be analyzed. Examples show: the Matlab package is convenient, simple, easy adjustment, good visibility, so it can be successfully applied to circuit simulation and analysis, has a broad application prospect and is worth to be promoted in the teaching and research and other fields

MATLAB； simulation technology; electronics circuit courses

2011-12-10.

肖永濤(1974— )，男，湖南漣源人，湖南人文科技學(xué)院通信與控制工程系講師，研究方向：電力電子與電機控制。

O245

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1673-0712(2011)06-0139-02