基于MatLab&Simulink的電工電子技術仿真實驗平臺

陳 軍 周曉平 郝江濤

鄭州大學西亞斯國際學院 河南鄭州 451150

基于MatLab&Simulink的電工電子技術仿真實驗平臺

陳 軍 周曉平 郝江濤

鄭州大學西亞斯國際學院 河南鄭州 451150

將MatLab&Simulink引入電工電子技術課程的教學和實驗中，通過MatLab軟件提供的電氣系統(tǒng)工具箱，可以對直流電路進行穩(wěn)態(tài)分析、暫態(tài)分析；同時該軟件也可以對交流電路進行分析。通過教學實踐表明，基于MatLab&Simulink的電工電子技術仿真實驗平臺的建立和應用，改革了電工電子技術課程實驗教學的形式和內容，培養(yǎng)了學生的興趣和實踐能力，提高了課堂教學的效率。

MatLab；Simulink；電工電子；仿真

電工電子技術是電子工程、信息工程、電氣工程以及機電工程等相關專業(yè)的重要專業(yè)基礎課，涉及電路系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計的基本理論和相關技術。其特點是概念抽象，數學含量大，計算繁雜，以致學生難于理解。為了改變這一局面，我們利用MatLab軟件中的具有可視化編程能力的圖形用戶界面、Simulink仿真功能和電氣系統(tǒng)工具箱中豐富的庫函數等，開發(fā)了基于MatLab&Simulink的電工電子技術實驗仿真平臺。學生一旦掌握這門語言, 就可以很容易地利用軟件的相關儀器儀表及數學函數做出電路的各種分析和設計結果，是電工電子電路分析的一個很好的輔助工具，對電工電子技術課程學習也有極大的促進作用。

1 MatLab&Simulink簡介

MatLab是美國MathWorks公司開發(fā)的科學與工程計算軟件。在歐美大學里，諸如應用代數、數理統(tǒng)計、電工電子、自動控制、數字信號處理、模擬與數字通信、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書，都有MatLab內容。MatLab 是攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具。在設計研究單位和工業(yè)部門，MatLab 被認作是進行高效研究和開發(fā)的首選軟件工具。尤為重要的是，MatLab 中提供了可視化動態(tài)仿真環(huán)境—Simulink，可實現動態(tài)系統(tǒng)的直觀建模、仿真與分析，并支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，因此使一個復雜系統(tǒng)的輸入和仿真變得相當簡單。

MatLab能適合多學科、多部門的要求，其特點包括以下幾點。

(1)以復數矩陣或數組為數據單元進行運算，可直接處理矩陣或數組。

(2)語言結構緊湊，內涵豐富，編程效率高，用戶使用方便。

(3)強大的繪圖功能。用戶只需一條或幾條語句就可方便地給出復雜的二維、三維圖形。

(4)含有豐富的內部函數，可直接調用而不需另行編程。如求解微分方程或微分方程組的dsolve函數、求解線性方程組的solve函數。

(5)帶有Simulink動態(tài)模擬工具及toolbox等其他功能，可方便地生成模擬模型。

(6)便于系統(tǒng)擴充，通過M文件形式，共享C、FORTRAN等語言的資源。

(7)在涉及復雜算法的仿真中(如電氣傳動控制系統(tǒng))，彌補了PSPICE傳遞函數的不足。

2 基于MatLab的電工技術實驗仿真平臺應用

2.1 直流電路的MatLab建模仿真

在利用MatLab進行直流穩(wěn)態(tài)電路分析時，首先需要對電路進行分析，通過支路電流法、節(jié)點電壓法、網孔電流法等方法列出求解電流和電壓的方程，并將方程用矩陣的形式進行表示，然后，就可用Matlab求解矩陣的方法編制M文件來求解得到未知量電流或電壓的解了；同時也可以通過MatLab提供的Simulink工具箱進行拖拉模塊建模仿真。

如圖1所示電路，Us=16 V，R1=R3=R4=1 Ω，R2=2 Ω，K=4 Ω，求U10。

圖1 直流穩(wěn)態(tài)電路圖

解1：通過M文件建模仿真

(1)電路建模

根據電路電流和電壓關系，利用基爾霍夫定律可以列寫以下方程。

代入已知數據并整理可得該電路的數學模型為以下AX=B矩陣形式的方程組。

(2)列寫MatLab M文件求解

從運行結果可知U10=12 V。

解2：通過Simulink建模仿真

對圖1所示電路可以通過MatLab的Simulink進行電路建模仿真，模型如圖2所示，圖中電流控制的電壓源CCVS的信號輸入端可以由一個數學模塊Constant和電流表測得的電流i1做乘積，實際連接時需要一個乘積模塊Product，Product模塊的兩個輸入分別是常數4和電流i1，這樣其輸出即為4i1，然后把4i1引入CCVS的輸入端。

圖2 圖1的Simulink模型

模型建完后運行，電壓U10如圖中Display所示，是12 V，分析仿真結果可知，所求的結果與M文件所求的結果相符。

2.2 正弦交流電路的仿真分析

圖3 交流電路的電路圖

解1：通過M文件建模仿真

(1)電路建模

選取回路Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ如圖所示，I1，I2和I3分別是回路電流，參考方向如圖中所示，利用回路法列寫方程組：

圖4 i2,i3,i6的波形圖

解2：通過Simulink建模仿真

對圖3所示電路可以通過MatLab的Simulink進行電路建模仿真，模型如圖5所示。

圖5 圖3的Simulink模型

模型建完后，運行仿真，仿真結束時然后雙擊示波器Scope查看波形如圖6所示。

圖6 i2,i3,i6的波形圖

對比圖4和圖6曲線可知，兩種仿真方法所得結果一致。

從以上實例可見，應用MatLab軟件，語句簡單，生成圖像直觀，對提高教學效果和激發(fā)學生的學習興趣有很大幫助。

3 結束語

電工電子技術仿真實驗平臺的應用，在教學實踐中取得了很好的效果。具體體現在以下幾方面。

(1)有效激發(fā)學生的學習興趣。

(2)利用MatLab&Simulink語言，加深了學生對本課程的掌握程度，提高了教學質量。

(3)完善了實驗教學模式。雖然電工電子技術是一門較為成熟的課程，但是隨著計算機語言的不斷出現，原有的教材顯得單薄，因此還需編寫新的教材。增加MatLab&Simulink在本課程的應用部分，使得電工電子技術課程的教學改革更加深入、完善。

[1] 馬向國,劉同娟,陳軍 MatLab&Multisim電工電子技術仿真應用[M].北京:清華大學出版社,2013.

[2] 秦增煌.電工學簡明教程(第二版)[M].北京:科學出版社,2006.

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

[4] 陳曉平,李長杰. MatLab及其在電路與控制理論中的應用[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2004.

[5] 王炳武.MatLab5.3實用教程[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

[6] 馬向國,劉同娟,張旭鳳.基于MatLab的自動控制原理虛擬實驗仿真平臺[J].中國現代教育裝備,2010(1):51-53.

Experiment Simulation Platform of Electrical and Electronic Technology Based on the
MatLab & Simulink Software

Chenjun, Zhouxiaoping, Haojiangtao
Sias International University, Zhengzhou, 451150, China

In this paper, the MatLab & Simulink software are applied into the teaching and experimental process of the course of "electrical and electronic technology." The toolbox of the electrical system provided by these software， can do the steady or transient analysis for the DC circuit， even if the AC circuit. The teaching practice shows that， through the establishment and application of this simulation experiment platform, the form and content of the experiment teaching of the course of the "electrical and electronic technology" is reformed, the interest and practical ability of the students are cultivated， and the efficiency of classroom teaching is also improved.

MatLab; Simulink; electrical and electronic; simulation

2013-05-14

陳軍，碩士，講師。

1.河南省科技廳重點科技攻關項目《無線數據采集傳輸系統(tǒng)的設計與研究》(編號：132102210465)。2.鄭州大學西亞斯國際學院校級科研項目《全自動洗衣機余水回收控制系統(tǒng)設計》(編號：2013KYYB09)。