MATLAB仿真技術(shù)在電路專(zhuān)業(yè)課中的運(yùn)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)

MATLAB仿真技術(shù)在電路專(zhuān)業(yè)課中的運(yùn)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(zhuān)業(yè)教學(xué)中運(yùn)用電路仿真技術(shù), 采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法,仿真軟件對(duì)于模擬電路實(shí)驗(yàn)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(yǔ)言編程的方法和直接利用可視化仿真環(huán)境設(shè)計(jì)電路模型圖的方法可進(jìn)行BUCK電路的建模、計(jì)算和仿真分析。實(shí)例說(shuō)明, Matlab軟件包方便、簡(jiǎn)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(jià)值。

MATLAB；仿真技術(shù)；電路專(zhuān)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前電路仿真技術(shù)愈來(lái)愈受到業(yè)界的重視,它的設(shè)計(jì)理念已逐漸普及到企業(yè)和大中專(zhuān)院校，在電子工程設(shè)計(jì),電子類(lèi)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(zhuān)業(yè)必備的技能之一。

電路仿真經(jīng)過(guò)廣泛的實(shí)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(duì)不同的電路設(shè)計(jì)方案快速進(jìn)行模擬分析，保證設(shè)計(jì)理論正確。在電路形式確定以后，對(duì)電路的元件參數(shù)進(jìn)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(jì)質(zhì)量，電路設(shè)計(jì)采用仿真技術(shù)，能極大地減少人工勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)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(jī)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(zhuān)長(zhǎng),功能齊全,操作方便,在電子各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用, MATLAB作為功能強(qiáng)大的仿真工具, 同時(shí)也具備對(duì)電路進(jìn)行仿真的能力. 利用MATLAB編寫(xiě)M文件可以計(jì)算電路中的參數(shù), 也可以計(jì)算電路中的各個(gè)響應(yīng), 還可以進(jìn)行仿真得到直觀的圖形. 另外, 利用Simulink構(gòu)造電路圖進(jìn)行仿真分析, 也是很直觀有效的.

一 Matlab/simulink 介紹

美國(guó)MathWorks 公司開(kāi)發(fā)的Matlab語(yǔ)言起源于矩陣運(yùn)算, 將數(shù)值分析、信號(hào)處理、圖形功能及系統(tǒng)仿真等融為一體,是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)界和教育界最具影響力、最有活力的軟件; 同時(shí),Matlab提供的Simulink工具箱中有專(zhuān)門(mén)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(yùn)行環(huán)境，具有豐富的電路、電力電子、電機(jī)等電氣工程學(xué)科中常用的元件模型庫(kù)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(duì)系統(tǒng)比較直觀地進(jìn)行仿真與分析。可以直接建立電路模型, 隨意改變?cè)骷?shù), 在仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真計(jì)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(shí)例分析

(一)任務(wù)要求

一個(gè)輸入是12V，輸出是5V，滿(mǎn)載電阻為10歐的BUCK電路，要求用PID控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且要求其PID控制時(shí)紋波電壓應(yīng)為±25mV，要求滿(mǎn)載與半載切換時(shí)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(kāi)關(guān)器件是MOSFET，其開(kāi)關(guān)頻率用20KHz，電感電容分別由公式計(jì)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(duì)該電路進(jìn)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(guò)程是這樣的：首先測(cè)量電路輸出電壓，然后和給定電壓比較，得出差值信號(hào)，送給PID模塊，通過(guò)PID調(diào)節(jié)輸出的值再與三角波進(jìn)行邏輯比較，輸出的信號(hào)給MOSFET的門(mén)極，控制MOSFET的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)BUCK電路的控制。其中，換載切換是通過(guò)接入和斷開(kāi)并聯(lián)的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

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

在調(diào)整的過(guò)程中，首先調(diào)Kp，一開(kāi)始按10的倍數(shù)變，然后找到一個(gè)相對(duì)好一點(diǎn)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(gè)比較好的Ki的較小范圍，然后在這個(gè)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(diǎn)差距，在換載時(shí)超調(diào)有點(diǎn)大，為此，在得到的較好的三個(gè)的較小參數(shù)的范圍內(nèi)，又對(duì)電感和電容進(jìn)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(mǎn)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(shí)刻分別是0.05秒和0.1秒。0.5秒時(shí)由半載換為滿(mǎn)載，在1秒時(shí)由滿(mǎn)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(shí)超調(diào)小于70mV，故滿(mǎn)足要求。

由圖3(2)知,電流在換載時(shí),電流在0.05S時(shí)由滿(mǎn)載時(shí)的0.25A換為半載時(shí)0.5A,然后在0.1S時(shí)又由滿(mǎn)載時(shí)的0.5A換為半載時(shí)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(shí)的電路,測(cè)量出各種參數(shù),為實(shí)物提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Matlab提供了友好的人機(jī)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(shí)間和操作時(shí)間，使用Matlab制作多媒體課件渲染的效果非常好，課堂講授過(guò)程中可以先實(shí)例演示給學(xué)生觀看效果，然后再引入理論知識(shí)。這樣學(xué)生的求知欲望將大大加強(qiáng)，而且對(duì)概念的理解掌握特別深刻。通過(guò)以上分析可以看出, 將Matlab軟件引入到電路分析中, 使分析過(guò)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(shí)踐[J].中國(guó)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(bào),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(qiáng)．MATLAB程序設(shè)計(jì)與實(shí)例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)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(jī)控制。

O245

A

1673-0712(2011)06-0139-02