Matlab在高職電子電工實驗教學中的應用

摘 要:針對電子電工實驗教學在高職院校人才培養中的重要性，探索性地將Matlab運用于實驗數據處理和實驗仿真。這一方案的實施在很大程度上提高了電子電工實驗教學的效率與質量。

關鍵詞:Matlab數據處理仿真

中圖分類號:G712文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0136-02

高職教育中，實驗教學在實踐技能訓練中起著舉足輕重的作用，是非常重要的教學環節。學生在實驗過程中需要手腦并用，不但培養了動手能力，而且能加深學生對一些抽象概念的理解，提高教學效果。電子電工實驗教學一門非常重要的實踐技能課，能進一步促使學生扎實地掌握好電子線路的基本理論，并培養學生在實踐生活中運用電工知識的能力，對學生后續課程的學習及畢業后從事相關領域的工作有直接影響。但由于經費短缺等原因，非電類專業電工電子實驗室實驗設備不能及時更新，難以滿足人才培養目標要求的現象普遍存在。因此，怎樣才能在實驗設備簡陋的條件下取得好的教學效果，培養合格人才，成為高職教育的研究課題。

Matlab擁有強大的數值處理能力和超強的圖像繪制功能。用該軟件處理實驗數據，繪制圖像，不但操作簡單，并且還提高了實驗分析精度[1]。同時MatlAB還擁有專門用于實驗仿真的simulink工具箱，在實驗設備簡陋的條件下，可以用它模擬部分實驗以滿足教學需要。而且，仿真實驗可以激勵學生自主探索，培養創新能力，有利于學生綜合素質的提高。

本文以應用matlab數據處理和實驗仿真為例，介紹了matlab在電工電子實驗中的應用。

1 實驗數據處理

在電工教學的過程中，常常會遇到數據分析和圖形處理等問題。這類問題的一般處理方法是:先通過實驗取得數據，然后用手工繪制圖形，再對結果進行分析。分析過程費時費力，且所得結果不夠精確。如果改用matlab進行數據分析和曲線擬合，就能得到精準的圖像。表1是變壓器有載輸出實驗中的一組數據，該實驗需要通過這組數據繪出變壓器的伏安特性曲線，以了解變壓器的輸出特性。

現用matlab處理這組實驗數據。具體做法是:根據數據，用matlab編制一個M腳本文件，通過擬合的方式得到比較準確的曲線，程序設計如下:

clear all

I=[0，0.25，0.50，0.70，0.92，1.12，1.30，1.53];

u=[12，11.85，11.7，11.54，11.46，11.3，11.2，11];

plot(I，u，'ro');%對原數據點進行描點繪圖

hold on

len=length(I)

Imax=I(len)

a=polyfit(I，u，5)

for n=1:9

Ifit(n)=Imax*(n-1)/8;

ufit(n)=a(1)*Ifit(n)^5+a(2)*Ifit(n)^4+a(3)*Ifit(n)^3+...

a(4)*Ifit(n)^2+a(5)*Ifit(n)+a(6)

end

plot(Ifit，ufit，'k')%繪制多項式擬合曲線

axis([0 1.6 8 12])

程序運行之后得到圖1，其中紅色的點是原數據點，黑色線為擬合后的曲線。通過這個例子可以看出:用Matlab處理實驗數據比人工處理快捷方便，繪出的圖形比手工繪制的精確。學生掌握這種方法后，還可以運用于其它學科的實驗數據處理中。

2 實驗仿真

Matlab擁有一個仿真工具箱Simulink，其中有一個專用模塊庫SimpowerSystem，它是在Simulink環境下進行電力、電子系統建模和仿真的重要工具。下面以一個簡單的仿真實驗為例，闡述如何進行實驗仿真。

某一RLC串聯交流電路如圖2所示[2]，U=220V，R=100歐，電感L=250mH，C=40.5。分析在不同的頻率下，電感、電容兩端的電壓和線路電流的變化規律。

圖3是在Simulink下建立的仿真模型圖。在matlab窗口中輸入Simulink，按回車鍵，就會出現各種模型庫;然后新建一個以mdl為后綴的模型文件，需要的模型可以從Simulink中復制，然后粘貼至模型文件中即可[3]。電源Electrial Sources中選取;開關、電阻、電感、電容由Eelements中選取，單一的電阻、電感、電容均由Series RLC Branch通過設置獲得;電流表、電壓表由Measurement中選取;示波器scope由Sinks中選取，雙擊scope模塊，設置number of axes數目為3。模塊選取后，按圖3所示順序連接好，按照實驗的要求將電壓的幅值設置為，頻率的初始值設為30Hz，t=0s時開關閉合，分別設置R=100歐姆、L為250e-3(即250mH)、電容值設為40mF。模型建立好以后，設置仿真參數，例如仿真時間可設置為0至0.04s，設置解法器為ode23t(因為此電路包含非線性元件)，求解器選擇變步長(variable-step)。設置好參數后，點擊Simulation菜單中的start或命令按鈕中向右三角箭頭，開始仿真。

仿真結束后，點擊示波器可以得到仿真圖。圖4為f=30Hz時，電路中電壓、電流變化規律。從上往下，依次代表電路中的電流、電感上的電壓、電容上的電壓。然后再次設置電源的頻率，重新仿真又可以得到新的波形圖。其中圖5是f=50Hz時，仿真所得結果，從上往下的順序與圖4相同。對這兩個仿真結果比較后可以得出:RLC串聯電路中電感上的電壓和電容上的電壓始終反相;f=30Hz時，電容上的電壓大于電感上的電壓;f=50Hz時，實際電路頻率等于諧振頻率，電路中的電流遠大于f=30Hz，從波形圖看此時電容上的電壓和電感上電壓的幅值近似相等，都比f=30Hz時大。如果頻率超過了諧振頻率繼續增大，會發現電容、電感上的電壓都會下降。這種方式非常直觀，能激起學生進一步思考，探索引起這種現象的原因，加深理解相關知識。

從上述電路的仿真過程可以看到:用simulink進行電路仿真，

不僅建模簡單，容易掌握，而且更改參數方便，仿真波形豐富、生動，在促進學生更好地理解電工電子基本原理的同時，提高了學生自主設計實驗的能力，為學生開展探索性實驗奠定了基礎。

3 結語

通過以上實例可以看出:將Matlab運用到電工實驗中，可以彌補傳統實驗的某些不足，對傳統實驗能起到很好的輔助作用，既能降低實驗成本，又能增加實驗的精確性和靈活性，培養學生的探索精神，使高職教育的實情和人才培養目標相協調。

參考文獻

[1] 祝宇紅，朱瑋.Matlab在近代物理實驗數據處理中的應用[J].實驗技術與管理，2006，23(4):38～39.

[2] 葉淬.電工電子技術[M].北京:化學工業出版社，2010.

[3] 潘曉晟，郝世勇.電機仿真精華50例[M].北京:電子工業出版社，2007.