基于SIMULINK的電路課程教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 潘昌忠 周 蘭 肖小石

基于SIMULINK的電路課程教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 潘昌忠 周 蘭 肖小石

針對(duì)電路課堂教學(xué)理論性強(qiáng)、邏輯嚴(yán)密和數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣等特點(diǎn)，本文以二階電路為例，介紹一種能提升課堂教學(xué)效果且激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)說明如何利用Matlab/Simulink仿真建立電路模型，進(jìn)而分析和計(jì)算電路，使學(xué)生直觀動(dòng)態(tài)地感受到電路響應(yīng)過程，為Simulink應(yīng)用于電路教學(xué)的輔助分析提供參考。

Simulink仿真；電路教學(xué)；二階電路；教學(xué)設(shè)計(jì)

電路課程是電子與電氣信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課，它為該類專業(yè)的后續(xù)相關(guān)課程奠定十分重要的基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)知識(shí)體系中具有承前啟后的作用[1]。這門課程由于涉及數(shù)學(xué)、物理、電氣工程及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域，具有理論性強(qiáng)、邏輯嚴(yán)密、物理概念抽象及工程應(yīng)用廣等諸多特點(diǎn)[2]。然而在現(xiàn)代電路課程的教學(xué)中，往往采用的仍然是理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)獨(dú)立進(jìn)行的方式，存在理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)脫節(jié)的問題。課堂上老師講解的理論知識(shí)，學(xué)生不能直觀地觀察到，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，容易產(chǎn)生厭學(xué)心理，嚴(yán)重影響課程的教學(xué)效果。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種優(yōu)秀的仿真軟件陸續(xù)面世，如Pspice，EWB，Multisim，Matlab等。其中Matlab由于具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算、建模與仿真、圖形繪制等功能[3,4]，得到了廣大科研工作者和工程技術(shù)人員的青睞。特別該軟件提供的Simulink軟件包，它提供了大量的可視化的電力系統(tǒng)功能模塊，借助這些模塊，用戶甚至都可以不需要編程而僅僅通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作可以方便地搭建各種電路系統(tǒng)模型。因而將Matlab/Simulink軟件下引入到電路課程的教學(xué)中，不僅可以將抽象電路問題形象化，以直觀的圖形方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能在理論課堂上即時(shí)地通過仿真軟件驗(yàn)證教學(xué)內(nèi)容的正確性，提升課堂的說服力，加深學(xué)生印象，提高課堂教學(xué)效果。

在電路課程內(nèi)容的教學(xué)中，二階電路全響應(yīng)的分析一般是通過板書的數(shù)學(xué)推導(dǎo)或PPT演示的形式講解的，從筆者幾年的教學(xué)過程看，這種方式枯燥乏味，抽象且難以理解，學(xué)生普遍反應(yīng)特別難。而在該節(jié)內(nèi)容的課堂講解中，如果把重點(diǎn)放在二階電路模型建立以及求解思路上，然后適時(shí)地通過Simulink仿真建立相應(yīng)的電路模型，并進(jìn)行仿真，以清晰直觀的波形圖展示在學(xué)生面前，則能達(dá)到課堂教學(xué)事半功倍的效果，而不是將學(xué)生帶入到枯燥的數(shù)學(xué)課堂中去。本文就以二階電路為例，討論如何在課堂教學(xué)中運(yùn)用可視化的Simulink模塊來對(duì)電路進(jìn)行計(jì)算與仿真分析，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1. 算例與教學(xué)設(shè)計(jì)

圖1 二階動(dòng)態(tài)電路

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

1.解題思路：建立電路方程→求解方程→分析結(jié)果。

2.建立方程：依據(jù)KCL，能快速地列寫出該電路的方程為：

代入數(shù)據(jù)整理得：

3.求解方程：注意到式(2)為非齊次二階微分方程，方程的解應(yīng)有兩部分組成：特解+通過。進(jìn)一步查閱高等數(shù)學(xué)書籍，可得其解為：

為避免學(xué)生因數(shù)學(xué)計(jì)算而產(chǎn)生厭學(xué)心理，在課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)講解步驟1和2，即強(qiáng)調(diào)解題思路和方程建立的依據(jù)，由于步驟3是純粹的數(shù)學(xué)方程解題，課堂教學(xué)中給出具體結(jié)果便可，有興趣同學(xué)可查閱高等數(shù)學(xué)書籍。

2. 基于Simulink的仿真過程與結(jié)果

在Simulink環(huán)境下，構(gòu)造圖1電路的仿真模型，具體步驟為：

1.進(jìn)入Simulink環(huán)境窗口，點(diǎn)擊New Model創(chuàng)建一個(gè)模型文件。

2.雙擊SimPowerSystems模塊，在該模塊中找到與圖1電路對(duì)應(yīng)的電路元件。其中us為直流電源，將其Amplitude（幅值）設(shè)為50 V；R，L和C分別是相應(yīng)的電阻，電感和電容，雙擊其屬性，分別設(shè)置好它們的數(shù)值；Breaker為模擬動(dòng)作開關(guān)S，雙擊設(shè)置模塊參數(shù)，把Breakerresistance Ron（開通電阻）設(shè)為10-6，Initial state（初始狀態(tài)）設(shè)為0，Snubber resistance Rs（吸收電阻）設(shè)為inf，Snubber capacitance Cs（吸收電容）設(shè)為0，并勾選External control of switching time；雙擊Step，設(shè)置階躍信號(hào)的Step time為0，這樣t = 0時(shí)，便將電源us加入到電路當(dāng)中；Current Measurement為測(cè)量電流模塊，測(cè)量的電流值通過Scope（圖2中已重命名為iL）觀測(cè)到。

3.設(shè)置仿真時(shí)間為0.1秒，仿真算法為ode45（Dormand-Prince），仿真步長(zhǎng)為Variable-step。

4.點(diǎn)擊Start simulation，運(yùn)行仿真模型，雙擊Scope觀察電流的響應(yīng)曲線如圖3所示。

從圖3中可以看到，電感電流是從2A開始逐漸衰減的，并最終穩(wěn)定在1A，這與理論分析結(jié)果是一致的。在教學(xué)過程中，通過Simulink仿真模型的建立，讓學(xué)生動(dòng)態(tài)直觀地觀察到電路響應(yīng)的過程，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖2 二階電路的Simulink仿真模型

圖3 電感電流的響應(yīng)曲線

3. 結(jié)束語(yǔ)

本文以二階電路為例，介紹了一種能避免學(xué)生由于復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)而產(chǎn)生厭學(xué)心理的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)說明了如何利用Matlab/Simulink仿真讓學(xué)生直觀動(dòng)態(tài)地分析電路響應(yīng)過程。實(shí)例研究表明，在電路教學(xué)中利用Simulink來輔助電路分析和計(jì)算，使課堂教學(xué)過程變得形象、直觀且生動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了電路課堂教學(xué)效果。值得說明的是，Simulink 并不是專門用于電路仿真分析的軟件，它是Matlab編程方式的一個(gè)擴(kuò)展和，不能替代Matlab編程方式。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)興一反三，注意選用適當(dāng)?shù)哪K和設(shè)置模塊參數(shù)，從而建立電路對(duì)應(yīng)的Simulink仿真模型。

[1]邱關(guān)源,羅先覺.電路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]李濤.Simulink仿真在《電路分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010,(2):98-99.

[3]羅瑞瓊,朱利香.MATLAB在電路理論課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育,2014,(12):47-49.

[4]Matlab技術(shù)聯(lián)盟,石良臣.Matlab/Simulink系統(tǒng)仿真超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民郵電大學(xué)出版社,2017.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61403135,61403134）；湖南科技大學(xué)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（G31508）。