电气工程专业教学中Matlab软件的应用分析

刘勇尚　剑锋

摘要：电气工程专业涉及的主要是电力系统分析、电子技术以及自动控制理论等内容，这些课程较抽象、枯燥，很难让学生对其产生兴趣。本文主要介绍了Matlab软件的功能，在此基础上，分析了其在控制系统数学模型中的应用、电力系统仿真中的应用，以期提高学生学习兴趣。

关键词：电气工程专业教学Matlab软件应用

Matlab软件是最近几年来，市场上十分紧俏的高性能数值计算软件，这款软件最初是由美国MathWorks 公司推出的。该软件集合了符号运算、数值运算、图形处理以及矩阵运算等各种功能，借助这种软件能够快速构建系统数学模型，进一步简化了复杂的计算、绘制图形过程，激发学生的学习兴趣。

一、Matlab软件功能

Matlab软件具有强大的数值计算能力，几乎所有和科学研究、工程技术相关的数据都可以用这款软件进行计算。它的编程效率非常高，提供了丰富的库函数，在实施数学运算编制程序时，能够直接调用库函数，进而绘制出各种各样的图形。Matlab软件下面的一个附加组件Simulink，提供了一个系统级的建模、动态仿真工具平台，有大量的仿真模块。将Matlab软件应用在电气工程专业教学中，建立电力系统模型，这种图形分析用户界面能够进行直观分析电路中的电压、电流波形变化情形。从电气工程专业角度分析，应用这款软件可以培养学生对于各种工程问题的建模、分析技能。

二、Matlab软件在电气工程专业教学中的应用

（一）Matlab软件在控制系统数学模型中的应用

数学模型是整个控制系统仿真的基础，因此如果对控制系统计算、仿真，需要先对控制系统构建数学模型。在Matlab软件中能够构建零极点模型、传递函数模型等各种模型，且能够在不同的数学模型之间灵活转换。其中零极点模型中，连续系统传递函数的表达式主要是用系统增益、零点以及极点来表示的，其是传递函数模型的特殊表达形式。

例：G（s）=k（s+a1）1（s+b1）（s+a2）1（s+b2）（s+a3）1（s+b3）

在这个公式中，k表示系统增益，而a1，a2，a3表示系统零点，而b1.b2.b3则表示系统极点。在Matlab软件中，采用函数命令构建控制系统的零极点增益模型。

传统函数模型，该模型在连续时间系统中的微分方程通过氏变换之后可以得出系統的传递函数，其中在零初始情况下

G（s）=k=b1sm+b2sm-1+b……bm+11a1sm+a2sm-1+an+1=nnm（s）1den（s）

在传递函数中分子、分母都是依据s的降幂排列的，在Matlab软件中主要用的是分子、分母多项式系数构建向量num、den来表示系统，其中num表示（b1.b2.b3……bm），den表示（a1，a2，a3……an）。用函数命令构建传递函数模型，或者是将零极点模型转变成传递函数模型。

此外，还可以用Matlab软件构建状态空间模型，其控制系统主要是在工作区间内特殊条件下的近似线性时不变模型。Matlab软件还可以为系统提供Simulink工具，进而实现系统模型的构建与对应的求解。其巧妙运用系统模块较为直观地描述出了系统的典型环节，能够快速地应用在可视化动态系统仿真、离散系统以及线性/非线性系统中。

（二）Matlab软件在电力系统仿真中的应用

这款软件在电力系统建模、仿真过程中的应用主要通过电力系统仿真模块（PSB）实现的。这种模块必须是在Simulink环境条件下使用的模块，运用变步长积分方法，能够对刚性、非线性以及非连续性的系统实施精确仿真，进一步精确检测出断点、或者开关的发生时间，模块程序库中含有的表示电力网络的普通部件以及设备中所含的Simulink程序块，依据这种模块能够快速构建模型，即刻实施仿真。当系统启动Simulink以后，运用电力系统仿真→电力系统元件库→拖动元件→构建电力系统仿真模型。如：在电力系统出现短路故障时，整个系统从直接从一种状态快速转变为另一种状态，在这个过程中会产生非常复杂的暂态情形，为了可以更加直观地观察暂态过程中电压、电流变化动态，可借助电路模型。

在一般情况下，电路主要运用的理想三相电压源当作整个电路的供给电源，以分布参数输电线路为输电线路，用三相电路短路故障发生器操纵不同类型短路故障，主要包括两相短路、单相接地短路、三相短路以及双相接地短路等，所用的电压源是Y型接线。以两相接地短路为例，比如：在故障发生器所有参数中选用B相故障、C相故障，然后再用故障相接地选项，也就是说当出现B相、C相短路故障之后，如果将接地短路时间设定为（0.01～ 0.04）s之间，当设置完整个电路图、仿真参数之后，需要激活仿真按钮，检查波形图，得出故障点的电流电压波形图。

通过认真查看波形可知，当处于0.01s时刻时，三相电路短路故障的发生器会闭合，这时若电路系统中两个不同的故障点发生接地短路，相应的电压、电流都会发生变化，其变化情形和故障分析过程中理论计算数值相符。当处于0.04s时刻时，打开三相电路故障发生器，就等同于排除故障，那么故障点的电流、电压都会恢复正常状态。

三、结束语

通过分析电气工程专业教学中应用Matlab软件可知，其有以下几点优势：能够帮助学生在实践过程中掌握所学理论知识，进而激发学生对电气工程课程的兴趣，体会到构建知识体系的乐趣。同时，学生也可以全面、系统地掌握系统设计思想的演化过程，提高了分析、解决问题的能力，掌握了基本的科学研究方法，进一步增强了科研能力。

参考文献：

[1]刘独玉.Matlab在电气工程及其自动化专业中的教学探讨[J].西南民族大学学报（自然科学版），2011，2（S1）：63～64.

[2]尹瑞竹. Matlab软件在自动控制原理教学中的应用[J].科技资讯，2007，4（05）：96～97.

[3]王彬彬.MATLAB软件在电气工程专业教学中的应用 江苏教育学院学报（自然科学版），2009，5（11）：112～113.