仿真軟件在《電工電子技術》課程中的選用

【摘要】EWB和MATLAB都可以用于電路的分析仿真計算，EWB主要用于電子線路的仿真，而MATLAB功能更強大，主要用于電力系統(tǒng)仿真分析。文中通過實例分析比較了EWB和MATLAB兩種仿真軟件在高職電工電子技術課程使用過程中的優(yōu)缺點，從而在不同的學習內(nèi)容上選擇更合適的仿真訓練工具，從而達到提高學習效率和學習效果的目的。

【關鍵詞】EWB；MATLAB；仿真；高職；電工電子

1.引言

《電工電子技術》是高職院校非電類專業(yè)開設的基礎課，課程內(nèi)容廣泛，實踐性強。由于實際教學時間，實驗條件等因素的限制，該課程實際的硬件實驗課時有限，為了改進這一問題，可以在教學中采用仿真訓練。引入仿真軟件使得抽象復雜的電路分析更加直觀生動，能夠激發(fā)學生學習興趣，有助于學生對學習內(nèi)容的理解和應用；可以省去繁瑣的計算，簡化電路分析，提高學習效率，同時保證了計算的準確性；可以補充實驗設備的不足，降低實驗教學成本，減少安全隱患；可以做到人人參與，充分調(diào)動學生學習的積極性，進一步培養(yǎng)學生的綜合分析、開發(fā)設計和創(chuàng)新能力。

2.仿真軟件介紹

2.1 EWB介紹

EWB（Electronics Workbench）是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的一款電子電路仿真分析、設計軟件，它界面直觀，操作簡便，使用方式與實際接近，帶有豐富的元器件庫。利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，因此非常適合電子類課程的教學和實驗[1]。

2.2 MATLAB介紹

MATLAB是美國The MathWorks公司開發(fā)的著名軟件，是一種高效的工程計算語言。它將概念設計、算法開發(fā)、建模仿真、實時實現(xiàn)于一體易于使用的集成環(huán)境[2]。MATLAB相對于圖形化的EWB而言，主要有三種文件類型：

①M-File：一般需要反復計算的公式或算式，編寫M-File后下次使用時調(diào)出后修改參數(shù)即可，方便省時。

②Figure：在交流電路分析中繪制正弦曲線、相量圖非常方便。

③Modle：前兩種是在文本命令窗口完成的，不直觀也難以與實際電力模型建立形象的聯(lián)系。Simulink模型采用方框圖繪制來代替程序的編寫，使系統(tǒng)編寫具有可視化的功能，同時可以借助模擬示波器等虛擬設備直觀顯示仿真動態(tài)結(jié)果。

3.仿真舉例

3.1 直流電路分析

求圖1電路中各支路電流。已知：

US1=140V，US2=90V，R1=20?，R2=5?，R3=6?。

3.1.1 EWB仿真

仿真電路如圖2（仿真步驟略）。從圖2看出，I1=4A，I2=6A，I3=10A。

3.1.2 MATLAB仿真

列寫支路電流方程如下：

利用基爾霍夫電流定律可以進行對兩種仿真結(jié)果驗證I1+I2=I3，所以仿真結(jié)果正確。

從這一實例可以看出采用EWB軟件仿真時只需搭建仿真電路即可，不需要寫支路電流方程，對電路定律的掌握程度要求不高；而用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)仿真時只有對電路定律熟練掌握，才能正確地列寫電路方程，其優(yōu)點是命令語句簡單、仿真過程快速、仿真結(jié)果準確。當然MATLAB里圖形化的simulink仿真平臺，也可對該電路完成仿真，但simulink比EWB元件查找路徑復雜。而高職院?！峨姽る娮蛹夹g》要求不高，學生掌握簡單電路的應用即可，故選用MATLAB的命令語句仿真相對簡單，同時可以加深對所學定理地理解。

3.2 交流電路分析

如圖3電路所示，已知，R1=3?，R2=8?，XL=4?，XC=6?。求，并做相量圖。

3.2.1 EWB仿真

仿真電路如圖4。

從以上交流電路例子看出，采用MATLAB的命令語句或M文件可以算出交流電路的有效值和相位角，從而方便地寫出交流量的相量表達式及瞬時值表達式，并且可以做出相量圖；而EWB的圖形化仿真只能算出交流量的有效值且計算結(jié)果有出入，所以EWB只能用一些定性的分析。因此在交流電路的分析時用MATLAB更便捷準確。

4.電子電路

以下以反相比例放大電路為例進行仿真。

4.1 EWB仿真

搭建仿真電路如圖6所示。

從圖7示波器的結(jié)果看，電路放大倍數(shù)Au=uo/ui=100，而且輸入電壓與輸出電壓波形反相。仿真結(jié)果與理論計算相同?？梢愿淖冚斎腚娮韬头答侂娮璧淖柚涤^察放大倍數(shù)的變化，使學生能清楚地理解各參數(shù)對放大電路性能的影響。

4.2 MATLAB仿真

在simulink仿真平臺搭建仿真電路如圖8所示。

應用MATLAB/simulink仿真放大電路時只能通過改變增益看到輸入信號被放大了多少倍，而輸出與輸入信號的反相關系無法看出，也不能定性分析影響放大倍數(shù)的因素。

由于MATLAB/simulink模型庫沒有晶體三極管和模擬集成器件庫，所以對模擬放大電路仿真時較困難。同樣，MATLAB里也沒有數(shù)字集成電路庫，僅有邏輯模塊組和觸發(fā)器，能完成基本邏輯電路設計。

在EWB里有豐富的元器件庫和專用的集成器件庫，像實現(xiàn)N進制計數(shù)器設計時就可直接調(diào)用現(xiàn)有的集成計數(shù)器。所以在電子電路仿真時選用EWB更方便一些。

5.用法比較小結(jié)

5.1 EWB使用優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）選用圖形化仿真時，EWB元件路徑簡單，便于查找；2）可以按位圖拷貝圖，然后直接粘貼到word文檔中；3）具有齊全豐富和可擴充的元器件庫。對于模擬電子和數(shù)字電路仿真時使用方便，尤其在數(shù)字電路邏輯功能驗證時可以接指示燈，使仿真結(jié)果更加生動直觀。

缺點：操作時沒有撤消（返回）功能；有時仿真結(jié)果不是很準確；示波器僅有兩個輸入端，不能實現(xiàn)多個信號綜合比較，而且每個仿真電路里僅能使用一個示波器。

5.2 MATLAB使用優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）可以在命令窗口采用命令語言對電路進行分析計算。2）圖形化的simulink仿真平臺有撤消（返回）功能。如果操作失誤，可以直接撤銷，相對于EWB較為方便。3）simulink有模塊查找功能。4）Simulink里的示波器可以設置為多個輸入端，同時對多個信號進行比較分析。5）simulink里模塊大小可以調(diào)整。6）MATLAB在參數(shù)設置時有計算功能，使得計算更準確。像交流電路中給定XL=4?，=314rad/s。應用EWB仿真時要先通過已知條件，由公式XL=L算出電感量再設置參數(shù)。而MATLAB可以直接在電感值里輸入4/314，這樣電路仿真結(jié)果更準確。7）simulink仿真平臺里使用RLC元件時相對EWB簡單，EWB需要分別選取元件并分別設置參數(shù)，而MATLAB里只需在simpowersystem/elements里找出RLC即可，一次就設置完成。

缺點：simulink仿真平臺相對于EWB來講，元件查找復雜；在電子電路仿真時不方便。

當然以上兩種軟件的優(yōu)缺點只是在該課程的使用實例中總結(jié)出來的，有一定的局限性。

6.結(jié)束語

文中主要以實例分析比較了EWB和MATLAB兩種仿真軟件的優(yōu)缺點，便于在電工電子技術課程進行仿真訓練時方便地應用軟件。分析結(jié)果表明：EWB入門快，對于初接觸仿真軟件的人，可以選用。在電工技術學習時選用MATLAB仿真采用命令語句能很好地理解所學的一些電路定理和分析方法，同時保證計算結(jié)果的準確。當然也可以選MATLAB/Simulink仿真平臺。在電子技術學習時選用圖形化的EWB軟件更加直觀、便捷。

參考文獻

[1]尹明.EWB仿真軟件在電工電子教學中的應用[J].廣東工業(yè)大學學報，2007，6.

[2]李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]王維榮.電工電子技術-電工技術與計算機仿真[M].上海：上海交通大學，2011.

[4]黃忠霖.電工學的MATLAB實踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：喬琳君（1978—），女，陜西富平人，西安航空職業(yè)技術學院講師，研究方向：電氣自動化。