MATLAB在電氣工程專業(yè)主干課程教學(xué)中的應(yīng)用

王海霞 韓奮 張曉菊

摘要：電氣工程及其自動化本科專業(yè)主干課程具有非常強(qiáng)的理論性、實踐性和應(yīng)用性，本項目研究將MATLAB仿真技術(shù)引入到專業(yè)課程的課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中，使抽象難懂的知識“活”起來，有效降低理解的難度，較大程度提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性、積極性和主動性。

關(guān)鍵詞：MATLAB；Simulink；建模

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0089-02

一、項目研究的現(xiàn)狀

電氣工程專業(yè)的主干課程有《電機(jī)與電氣控制技術(shù)》《電力拖動自動控制系統(tǒng)》《電力電子技術(shù)》《自動控制原理》[1]，這些課程理論知識抽象深奧，工作原理推導(dǎo)繁瑣，并且涉及的電路圖復(fù)雜，波形分析、電路解析和計算推導(dǎo)較多。使用傳統(tǒng)的板書、掛圖、PPT三種形式相結(jié)合的教學(xué)手段想要把基本原理講清楚需要花費大量的時間，但按照該專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，理論講授課時一再被壓縮，而教學(xué)大綱要求的知識目標(biāo)卻有增無減，教師為了在規(guī)定課時內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，就會出現(xiàn)有些知識點講解不透徹，因此學(xué)生理解得也不夠深刻，教學(xué)效率偏低，迫切需要借助于直觀、生動、高效的教學(xué)手段提高教學(xué)效率。

隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)的不斷發(fā)展及系統(tǒng)控制理論研究的不斷深入，計算機(jī)仿真以其成本低、高效、形象生動、受硬件約束小等優(yōu)勢已經(jīng)成為了工程設(shè)計和科學(xué)研究中不可或缺的工具。計算機(jī)仿真軟件的種類繁多，MATLAB軟件就是其中的佼佼者，在許多國際一流學(xué)術(shù)刊物上都有應(yīng)用。1998年加拿大魁北克電力公司的專家們率先在MATLAB環(huán)境下，開發(fā)了電力系統(tǒng)分析模塊（Power System Block），憑借其強(qiáng)大的科學(xué)計算能力，簡便繪圖能力，可視化的仿真環(huán)境，使其成為電力分析領(lǐng)域最有效工具。

二、MATLAB在電氣工程專業(yè)主干課程教學(xué)中的應(yīng)用

1.MATLAB在自動控制原理中的應(yīng)用。自動控制原理課程主要是研究系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)；自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)分析及相關(guān)的性能指標(biāo)；各種類型的自動控制系統(tǒng)的特點；自動控制系統(tǒng)的時域、頻域分析及相關(guān)設(shè)計[2]。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解自動控制系統(tǒng)的工作原理，分析控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，掌握自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法等。

MATLAB在建立控制系統(tǒng)模型時，目前主要采用兩種方式：（1）采用LTI對象來建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)的特點有傳遞函數(shù)模型、零極點增益模型、狀態(tài)方程模型三種。該方法的缺點是學(xué)生需要記憶大量的函數(shù)，這對于非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來講存在很大的困難。（2）采用Simulink環(huán)境，通過鼠標(biāo)建立模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用方框圖繪制，可通過示波器直觀地觀察到各變量的變化過程。其優(yōu)點是設(shè)計方便，通過鼠標(biāo)拖拽模塊來搭建電路模型代替編程；分析簡單，使用者不需要考慮系統(tǒng)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只要考慮系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出；仿真準(zhǔn)確，通過人機(jī)交互智能化地建立各環(huán)節(jié)的相關(guān)方程，在要求精度下以快速地進(jìn)行電路仿真，結(jié)果準(zhǔn)確。

學(xué)生對Simulink建模更感興趣，下面為利用Simulink模型創(chuàng)建一個使用PID控制器控制三階系統(tǒng)，并查看其輸出響應(yīng)的實例（如圖1）。

該系統(tǒng)建模主要調(diào)取Sources庫中的階躍Step信號作為輸入信號；調(diào)取Math Operations庫中的Gain模塊、Add模塊；調(diào)取Continuous庫中的Derivative模塊、Integrator模塊構(gòu)成PID控制器；調(diào)取Continuous庫中三個Transfer Fcn構(gòu)成三階系統(tǒng)，最后調(diào)取Sinks庫中的Scope示波器模塊顯示最終的輸出響應(yīng)信號。

2.MATLAB在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用。電力電子技術(shù)課程主要研究利用電力電子開關(guān)器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能的變換和控制[3]。下面以單相橋式全控整流電路為例（如圖2），其工作原理是：當(dāng)電源輸入為u2正半周期時，VT1、VT4在控制角α處通過加觸發(fā)信號導(dǎo)通，輸出電壓ud=u2，而負(fù)載中的電流由于有電感的存在不能突變；當(dāng)電源輸入為u2負(fù)半周期時，VT2、VT3在控制角π+α處通過加觸發(fā)信號導(dǎo)通，輸出電壓ud=u2，負(fù)載電流任然不能突變。

采用Simulink建模如下圖3，調(diào)取SimPowerSystems庫的powergui模塊；調(diào)取Electrical Sources庫中的AC Voltage Source作為交流電源；調(diào)取4個Power Electronics庫中的Thyristor作為晶閘管器件VT1、VT2、VT3、VT4；調(diào)取Elements庫中的Series RLC Branch模塊作為負(fù)載RL；調(diào)取Sources庫中的2個Pulse Generator模塊作為觸發(fā)脈沖；調(diào)取Single Routing庫中的2個Selector模塊作為選擇晶閘管輸出的電壓信號輸出的示波器；最后調(diào)取Sinks庫中的Scope示波器模塊顯示各信號。

3.MATLAB在電機(jī)與電氣控制技術(shù)的應(yīng)用。電機(jī)與電氣控制技術(shù)主要研究變壓器、交流電動機(jī)、直流電動機(jī)、低壓電器及電氣控制電路。下面以三相異步電動機(jī)直接啟動的建模與仿真為例（如圖4）。建模過程類似上例，此處略。

三、教學(xué)效果評價

本項目研究將MATLAB仿真技術(shù)引入到電氣工程及其自動化本科專業(yè)主干課程的課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中，使抽象難懂的知識“活”起來，有效降低理解難度，較大程度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性、積極性和主動性，實現(xiàn)課堂教學(xué)效果和質(zhì)量的提升。將MATLAB仿真技術(shù)引入到這些課程的實驗教學(xué)中，有效緩解實驗設(shè)備缺乏和使用緊張的壓力，規(guī)避了由于學(xué)生誤操作而引起設(shè)備毀壞以至于人身安全受到侵害等安全隱患的發(fā)生。另外，在很大程度上減少實驗設(shè)備維護(hù)和維修的費用，節(jié)省購買實驗耗材的開支。從學(xué)生培養(yǎng)角度來看，學(xué)生既學(xué)習(xí)了專業(yè)知識和實踐技能，又在一定程度上掌握了MATLAB仿真技術(shù)，該技術(shù)是目前國際上公認(rèn)的在工程設(shè)計和科學(xué)研究領(lǐng)域較為前沿的技術(shù)，使學(xué)生逐步提高利用科學(xué)手段分析問題和解決專業(yè)問題的能力，為學(xué)生參加大學(xué)生科研、技能競賽及做本科畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行有效的知識儲備，為學(xué)生在學(xué)業(yè)上繼續(xù)深造奠定科研基礎(chǔ)，在就業(yè)中增加競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇良昱，趙忠彪.MATLAB在電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].科技信息，2011，（18）：11-12.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學(xué)出版社版，2018.

[3]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.