湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 潘昌忠 周 蘭 肖小石

基于SIMULINK的電路課程教學(xué)設(shè)計與應(yīng)用

湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 潘昌忠 周 蘭 肖小石

針對電路課堂教學(xué)理論性強、邏輯嚴密和數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣等特點，本文以二階電路為例，介紹一種能提升課堂教學(xué)效果且激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)設(shè)計方法，并詳細說明如何利用Matlab/Simulink仿真建立電路模型，進而分析和計算電路，使學(xué)生直觀動態(tài)地感受到電路響應(yīng)過程，為Simulink應(yīng)用于電路教學(xué)的輔助分析提供參考。

Simulink仿真；電路教學(xué)；二階電路；教學(xué)設(shè)計

電路課程是電子與電氣信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課，它為該類專業(yè)的后續(xù)相關(guān)課程奠定十分重要的基礎(chǔ)，在整個專業(yè)知識體系中具有承前啟后的作用[1]。這門課程由于涉及數(shù)學(xué)、物理、電氣工程及計算機等多學(xué)科領(lǐng)域，具有理論性強、邏輯嚴密、物理概念抽象及工程應(yīng)用廣等諸多特點[2]。然而在現(xiàn)代電路課程的教學(xué)中，往往采用的仍然是理論教學(xué)和實驗教學(xué)獨立進行的方式，存在理論知識與實驗環(huán)節(jié)脫節(jié)的問題。課堂上老師講解的理論知識，學(xué)生不能直觀地觀察到，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，容易產(chǎn)生厭學(xué)心理，嚴重影響課程的教學(xué)效果。

近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種優(yōu)秀的仿真軟件陸續(xù)面世，如Pspice，EWB，Multisim，Matlab等。其中Matlab由于具有強大的數(shù)學(xué)計算、建模與仿真、圖形繪制等功能[3,4]，得到了廣大科研工作者和工程技術(shù)人員的青睞。特別該軟件提供的Simulink軟件包，它提供了大量的可視化的電力系統(tǒng)功能模塊，借助這些模塊，用戶甚至都可以不需要編程而僅僅通過簡單直觀的鼠標操作可以方便地搭建各種電路系統(tǒng)模型。因而將Matlab/Simulink軟件下引入到電路課程的教學(xué)中，不僅可以將抽象電路問題形象化，以直觀的圖形方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能在理論課堂上即時地通過仿真軟件驗證教學(xué)內(nèi)容的正確性，提升課堂的說服力，加深學(xué)生印象，提高課堂教學(xué)效果。

在電路課程內(nèi)容的教學(xué)中，二階電路全響應(yīng)的分析一般是通過板書的數(shù)學(xué)推導(dǎo)或PPT演示的形式講解的，從筆者幾年的教學(xué)過程看，這種方式枯燥乏味，抽象且難以理解，學(xué)生普遍反應(yīng)特別難。而在該節(jié)內(nèi)容的課堂講解中，如果把重點放在二階電路模型建立以及求解思路上，然后適時地通過Simulink仿真建立相應(yīng)的電路模型，并進行仿真，以清晰直觀的波形圖展示在學(xué)生面前，則能達到課堂教學(xué)事半功倍的效果，而不是將學(xué)生帶入到枯燥的數(shù)學(xué)課堂中去。本文就以二階電路為例，討論如何在課堂教學(xué)中運用可視化的Simulink模塊來對電路進行計算與仿真分析，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1. 算例與教學(xué)設(shè)計

圖1 二階動態(tài)電路

課堂教學(xué)設(shè)計如下。

1.解題思路：建立電路方程→求解方程→分析結(jié)果。

2.建立方程：依據(jù)KCL，能快速地列寫出該電路的方程為：

代入數(shù)據(jù)整理得：

3.求解方程：注意到式(2)為非齊次二階微分方程，方程的解應(yīng)有兩部分組成：特解+通過。進一步查閱高等數(shù)學(xué)書籍，可得其解為：

為避免學(xué)生因數(shù)學(xué)計算而產(chǎn)生厭學(xué)心理，在課堂教學(xué)的設(shè)計中要重點講解步驟1和2，即強調(diào)解題思路和方程建立的依據(jù)，由于步驟3是純粹的數(shù)學(xué)方程解題，課堂教學(xué)中給出具體結(jié)果便可，有興趣同學(xué)可查閱高等數(shù)學(xué)書籍。

2. 基于Simulink的仿真過程與結(jié)果

在Simulink環(huán)境下，構(gòu)造圖1電路的仿真模型，具體步驟為：

1.進入Simulink環(huán)境窗口，點擊New Model創(chuàng)建一個模型文件。

2.雙擊SimPowerSystems模塊，在該模塊中找到與圖1電路對應(yīng)的電路元件。其中us為直流電源，將其Amplitude（幅值）設(shè)為50 V；R，L和C分別是相應(yīng)的電阻，電感和電容，雙擊其屬性，分別設(shè)置好它們的數(shù)值；Breaker為模擬動作開關(guān)S，雙擊設(shè)置模塊參數(shù)，把Breakerresistance Ron（開通電阻）設(shè)為10-6，Initial state（初始狀態(tài)）設(shè)為0，Snubber resistance Rs（吸收電阻）設(shè)為inf，Snubber capacitance Cs（吸收電容）設(shè)為0，并勾選External control of switching time；雙擊Step，設(shè)置階躍信號的Step time為0，這樣t = 0時，便將電源us加入到電路當中；Current Measurement為測量電流模塊，測量的電流值通過Scope（圖2中已重命名為iL）觀測到。

3.設(shè)置仿真時間為0.1秒，仿真算法為ode45（Dormand-Prince），仿真步長為Variable-step。

4.點擊Start simulation，運行仿真模型，雙擊Scope觀察電流的響應(yīng)曲線如圖3所示。

從圖3中可以看到，電感電流是從2A開始逐漸衰減的，并最終穩(wěn)定在1A，這與理論分析結(jié)果是一致的。在教學(xué)過程中，通過Simulink仿真模型的建立，讓學(xué)生動態(tài)直觀地觀察到電路響應(yīng)的過程，驗證了理論分析的正確性。

圖2 二階電路的Simulink仿真模型

圖3 電感電流的響應(yīng)曲線

3. 結(jié)束語

本文以二階電路為例，介紹了一種能避免學(xué)生由于復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)而產(chǎn)生厭學(xué)心理的課堂教學(xué)設(shè)計方法，并詳細說明了如何利用Matlab/Simulink仿真讓學(xué)生直觀動態(tài)地分析電路響應(yīng)過程。實例研究表明，在電路教學(xué)中利用Simulink來輔助電路分析和計算，使課堂教學(xué)過程變得形象、直觀且生動，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了電路課堂教學(xué)效果。值得說明的是，Simulink 并不是專門用于電路仿真分析的軟件，它是Matlab編程方式的一個擴展和，不能替代Matlab編程方式。在應(yīng)用時，應(yīng)興一反三，注意選用適當?shù)哪K和設(shè)置模塊參數(shù)，從而建立電路對應(yīng)的Simulink仿真模型。

[1]邱關(guān)源,羅先覺.電路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]李濤.Simulink仿真在《電路分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010,(2):98-99.

[3]羅瑞瓊,朱利香.MATLAB在電路理論課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育,2014,(12):47-49.

[4]Matlab技術(shù)聯(lián)盟,石良臣.Matlab/Simulink系統(tǒng)仿真超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京:人民郵電大學(xué)出版社,2017.

國家自然科學(xué)基金資助項目（61403135,61403134）；湖南科技大學(xué)教學(xué)研究與改革項目（G31508）。