陳 軍 周曉平 郝江濤

鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院 河南鄭州 451150

基于MatLab&Simulink的電工電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

陳 軍 周曉平 郝江濤

鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院 河南鄭州 451150

將MatLab&Simulink引入電工電子技術(shù)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)MatLab軟件提供的電氣系統(tǒng)工具箱，可以對(duì)直流電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析、暫態(tài)分析；同時(shí)該軟件也可以對(duì)交流電路進(jìn)行分析。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明，基于MatLab&Simulink的電工電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立和應(yīng)用，改革了電工電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣和實(shí)踐能力，提高了課堂教學(xué)的效率。

MatLab；Simulink；電工電子；仿真

電工電子技術(shù)是電子工程、信息工程、電氣工程以及機(jī)電工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，涉及電路系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論和相關(guān)技術(shù)。其特點(diǎn)是概念抽象，數(shù)學(xué)含量大，計(jì)算繁雜，以致學(xué)生難于理解。為了改變這一局面，我們利用MatLab軟件中的具有可視化編程能力的圖形用戶(hù)界面、Simulink仿真功能和電氣系統(tǒng)工具箱中豐富的庫(kù)函數(shù)等，開(kāi)發(fā)了基于MatLab&Simulink的電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。學(xué)生一旦掌握這門(mén)語(yǔ)言, 就可以很容易地利用軟件的相關(guān)儀器儀表及數(shù)學(xué)函數(shù)做出電路的各種分析和設(shè)計(jì)結(jié)果，是電工電子電路分析的一個(gè)很好的輔助工具，對(duì)電工電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)也有極大的促進(jìn)作用。

1 MatLab&Simulink簡(jiǎn)介

MatLab是美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的科學(xué)與工程計(jì)算軟件。在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、電工電子、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書(shū)，都有MatLab內(nèi)容。MatLab 是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門(mén)，MatLab 被認(rèn)作是進(jìn)行高效研究和開(kāi)發(fā)的首選軟件工具。尤為重要的是，MatLab 中提供了可視化動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境—Simulink，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的直觀建模、仿真與分析，并支持連續(xù)、離散及兩者混合的線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)，因此使一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的輸入和仿真變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。

MatLab能適合多學(xué)科、多部門(mén)的要求，其特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

(1)以復(fù)數(shù)矩陣或數(shù)組為數(shù)據(jù)單元進(jìn)行運(yùn)算，可直接處理矩陣或數(shù)組。

(2)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)涵豐富，編程效率高，用戶(hù)使用方便。

(3)強(qiáng)大的繪圖功能。用戶(hù)只需一條或幾條語(yǔ)句就可方便地給出復(fù)雜的二維、三維圖形。

(4)含有豐富的內(nèi)部函數(shù)，可直接調(diào)用而不需另行編程。如求解微分方程或微分方程組的dsolve函數(shù)、求解線(xiàn)性方程組的solve函數(shù)。

(5)帶有Simulink動(dòng)態(tài)模擬工具及toolbox等其他功能，可方便地生成模擬模型。

(6)便于系統(tǒng)擴(kuò)充，通過(guò)M文件形式，共享C、FORTRAN等語(yǔ)言的資源。

(7)在涉及復(fù)雜算法的仿真中(如電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng))，彌補(bǔ)了PSPICE傳遞函數(shù)的不足。

2 基于MatLab的電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)應(yīng)用

2.1 直流電路的MatLab建模仿真

在利用MatLab進(jìn)行直流穩(wěn)態(tài)電路分析時(shí)，首先需要對(duì)電路進(jìn)行分析，通過(guò)支路電流法、節(jié)點(diǎn)電壓法、網(wǎng)孔電流法等方法列出求解電流和電壓的方程，并將方程用矩陣的形式進(jìn)行表示，然后，就可用Matlab求解矩陣的方法編制M文件來(lái)求解得到未知量電流或電壓的解了；同時(shí)也可以通過(guò)MatLab提供的Simulink工具箱進(jìn)行拖拉模塊建模仿真。

如圖1所示電路，Us=16 V，R1=R3=R4=1 Ω，R2=2 Ω，K=4 Ω，求U10。

圖1 直流穩(wěn)態(tài)電路圖

解1：通過(guò)M文件建模仿真

(1)電路建模

根據(jù)電路電流和電壓關(guān)系，利用基爾霍夫定律可以列寫(xiě)以下方程。

代入已知數(shù)據(jù)并整理可得該電路的數(shù)學(xué)模型為以下AX=B矩陣形式的方程組。

(2)列寫(xiě)MatLab M文件求解

從運(yùn)行結(jié)果可知U10=12 V。

解2：通過(guò)Simulink建模仿真

對(duì)圖1所示電路可以通過(guò)MatLab的Simulink進(jìn)行電路建模仿真，模型如圖2所示，圖中電流控制的電壓源CCVS的信號(hào)輸入端可以由一個(gè)數(shù)學(xué)模塊Constant和電流表測(cè)得的電流i1做乘積，實(shí)際連接時(shí)需要一個(gè)乘積模塊Product，Product模塊的兩個(gè)輸入分別是常數(shù)4和電流i1，這樣其輸出即為4i1，然后把4i1引入CCVS的輸入端。

圖2 圖1的Simulink模型

模型建完后運(yùn)行，電壓U10如圖中Display所示，是12 V，分析仿真結(jié)果可知，所求的結(jié)果與M文件所求的結(jié)果相符。

2.2 正弦交流電路的仿真分析

圖3 交流電路的電路圖

解1：通過(guò)M文件建模仿真

(1)電路建模

選取回路Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ如圖所示，I1，I2和I3分別是回路電流，參考方向如圖中所示，利用回路法列寫(xiě)方程組：

圖4 i2,i3,i6的波形圖

解2：通過(guò)Simulink建模仿真

對(duì)圖3所示電路可以通過(guò)MatLab的Simulink進(jìn)行電路建模仿真，模型如圖5所示。

圖5 圖3的Simulink模型

模型建完后，運(yùn)行仿真，仿真結(jié)束時(shí)然后雙擊示波器Scope查看波形如圖6所示。

圖6 i2,i3,i6的波形圖

對(duì)比圖4和圖6曲線(xiàn)可知，兩種仿真方法所得結(jié)果一致。

從以上實(shí)例可見(jiàn)，應(yīng)用MatLab軟件，語(yǔ)句簡(jiǎn)單，生成圖像直觀，對(duì)提高教學(xué)效果和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有很大幫助。

3 結(jié)束語(yǔ)

電工電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用，在教學(xué)實(shí)踐中取得了很好的效果。具體體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)利用MatLab&Simulink語(yǔ)言，加深了學(xué)生對(duì)本課程的掌握程度，提高了教學(xué)質(zhì)量。

(3)完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。雖然電工電子技術(shù)是一門(mén)較為成熟的課程，但是隨著計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的不斷出現(xiàn)，原有的教材顯得單薄，因此還需編寫(xiě)新的教材。增加MatLab&Simulink在本課程的應(yīng)用部分，使得電工電子技術(shù)課程的教學(xué)改革更加深入、完善。

[1] 馬向國(guó),劉同娟,陳軍 MatLab&Multisim電工電子技術(shù)仿真應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[2] 秦增煌.電工學(xué)簡(jiǎn)明教程(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3] 李維波.MatLab在電氣工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[4] 陳曉平,李長(zhǎng)杰. MatLab及其在電路與控制理論中的應(yīng)用[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2004.

[5] 王炳武.MatLab5.3實(shí)用教程[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.

[6] 馬向國(guó),劉同娟,張旭鳳.基于MatLab的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2010(1):51-53.

Experiment Simulation Platform of Electrical and Electronic Technology Based on the
MatLab & Simulink Software

Chenjun, Zhouxiaoping, Haojiangtao
Sias International University, Zhengzhou, 451150, China

In this paper, the MatLab & Simulink software are applied into the teaching and experimental process of the course of "electrical and electronic technology." The toolbox of the electrical system provided by these software， can do the steady or transient analysis for the DC circuit， even if the AC circuit. The teaching practice shows that， through the establishment and application of this simulation experiment platform, the form and content of the experiment teaching of the course of the "electrical and electronic technology" is reformed, the interest and practical ability of the students are cultivated， and the efficiency of classroom teaching is also improved.

MatLab; Simulink; electrical and electronic; simulation

2013-05-14

陳軍，碩士，講師。

1.河南省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目《無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究》(編號(hào)：132102210465)。2.鄭州大學(xué)西亞斯國(guó)際學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目《全自動(dòng)洗衣機(jī)余水回收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》(編號(hào)：2013KYYB09)。