基于MatLab&Simulink的电工电子技术仿真实验平台

陈 军 周晓平 郝江涛

郑州大学西亚斯国际学院 河南郑州 451150

基于MatLab&Simulink的电工电子技术仿真实验平台

陈 军 周晓平 郝江涛

郑州大学西亚斯国际学院 河南郑州 451150

将MatLab&Simulink引入电工电子技术课程的教学和实验中，通过MatLab软件提供的电气系统工具箱，可以对直流电路进行稳态分析、暂态分析；同时该软件也可以对交流电路进行分析。通过教学实践表明，基于MatLab&Simulink的电工电子技术仿真实验平台的建立和应用，改革了电工电子技术课程实验教学的形式和内容，培养了学生的兴趣和实践能力，提高了课堂教学的效率。

MatLab；Simulink；电工电子；仿真

电工电子技术是电子工程、信息工程、电气工程以及机电工程等相关专业的重要专业基础课，涉及电路系统的模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。其特点是概念抽象，数学含量大，计算繁杂，以致学生难于理解。为了改变这一局面，我们利用MatLab软件中的具有可视化编程能力的图形用户界面、Simulink仿真功能和电气系统工具箱中丰富的库函数等，开发了基于MatLab&Simulink的电工电子技术实验仿真平台。学生一旦掌握这门语言, 就可以很容易地利用软件的相关仪器仪表及数学函数做出电路的各种分析和设计结果，是电工电子电路分析的一个很好的辅助工具，对电工电子技术课程学习也有极大的促进作用。

1 MatLab&Simulink简介

MatLab是美国MathWorks公司开发的科学与工程计算软件。在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、电工电子、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、动态系统仿真等课程的教科书，都有MatLab内容。MatLab 是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。在设计研究单位和工业部门，MatLab 被认作是进行高效研究和开发的首选软件工具。尤为重要的是，MatLab 中提供了可视化动态仿真环境—Simulink，可实现动态系统的直观建模、仿真与分析，并支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，因此使一个复杂系统的输入和仿真变得相当简单。

MatLab能适合多学科、多部门的要求，其特点包括以下几点。

(1)以复数矩阵或数组为数据单元进行运算，可直接处理矩阵或数组。

(2)语言结构紧凑，内涵丰富，编程效率高，用户使用方便。

(3)强大的绘图功能。用户只需一条或几条语句就可方便地给出复杂的二维、三维图形。

(4)含有丰富的内部函数，可直接调用而不需另行编程。如求解微分方程或微分方程组的dsolve函数、求解线性方程组的solve函数。

(5)带有Simulink动态模拟工具及toolbox等其他功能，可方便地生成模拟模型。

(6)便于系统扩充，通过M文件形式，共享C、FORTRAN等语言的资源。

(7)在涉及复杂算法的仿真中(如电气传动控制系统)，弥补了PSPICE传递函数的不足。

2 基于MatLab的电工技术实验仿真平台应用

2.1 直流电路的MatLab建模仿真

在利用MatLab进行直流稳态电路分析时，首先需要对电路进行分析，通过支路电流法、节点电压法、网孔电流法等方法列出求解电流和电压的方程，并将方程用矩阵的形式进行表示，然后，就可用Matlab求解矩阵的方法编制M文件来求解得到未知量电流或电压的解了；同时也可以通过MatLab提供的Simulink工具箱进行拖拉模块建模仿真。

如图1所示电路，Us=16 V，R1=R3=R4=1 Ω，R2=2 Ω，K=4 Ω，求U10。

图1 直流稳态电路图

解1：通过M文件建模仿真

(1)电路建模

根据电路电流和电压关系，利用基尔霍夫定律可以列写以下方程。

代入已知数据并整理可得该电路的数学模型为以下AX=B矩阵形式的方程组。

(2)列写MatLab M文件求解

从运行结果可知U10=12 V。

解2：通过Simulink建模仿真

对图1所示电路可以通过MatLab的Simulink进行电路建模仿真，模型如图2所示，图中电流控制的电压源CCVS的信号输入端可以由一个数学模块Constant和电流表测得的电流i1做乘积，实际连接时需要一个乘积模块Product，Product模块的两个输入分别是常数4和电流i1，这样其输出即为4i1，然后把4i1引入CCVS的输入端。

图2 图1的Simulink模型

模型建完后运行，电压U10如图中Display所示，是12 V，分析仿真结果可知，所求的结果与M文件所求的结果相符。

2.2 正弦交流电路的仿真分析

图3 交流电路的电路图

解1：通过M文件建模仿真

(1)电路建模

选取回路Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ如图所示，I1，I2和I3分别是回路电流，参考方向如图中所示，利用回路法列写方程组：

图4 i2,i3,i6的波形图

解2：通过Simulink建模仿真

对图3所示电路可以通过MatLab的Simulink进行电路建模仿真，模型如图5所示。

图5 图3的Simulink模型

模型建完后，运行仿真，仿真结束时然后双击示波器Scope查看波形如图6所示。

图6 i2,i3,i6的波形图

对比图4和图6曲线可知，两种仿真方法所得结果一致。

从以上实例可见，应用MatLab软件，语句简单，生成图像直观，对提高教学效果和激发学生的学习兴趣有很大帮助。

3 结束语

电工电子技术仿真实验平台的应用，在教学实践中取得了很好的效果。具体体现在以下几方面。

(1)有效激发学生的学习兴趣。

(2)利用MatLab&Simulink语言，加深了学生对本课程的掌握程度，提高了教学质量。

(3)完善了实验教学模式。虽然电工电子技术是一门较为成熟的课程，但是随着计算机语言的不断出现，原有的教材显得单薄，因此还需编写新的教材。增加MatLab&Simulink在本课程的应用部分，使得电工电子技术课程的教学改革更加深入、完善。

[1] 马向国,刘同娟,陈军 MatLab&Multisim电工电子技术仿真应用[M].北京:清华大学出版社,2013.

[2] 秦增煌.电工学简明教程(第二版)[M].北京:科学出版社,2006.

[3] 李维波.MatLab在电气工程中的应用[M].北京:中国电力出版社,2007.

[4] 陈晓平,李长杰. MatLab及其在电路与控制理论中的应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2004.

[5] 王炳武.MatLab5.3实用教程[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[6] 马向国,刘同娟,张旭凤.基于MatLab的自动控制原理虚拟实验仿真平台[J].中国现代教育装备,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

陈军，硕士，讲师。

1.河南省科技厅重点科技攻关项目《无线数据采集传输系统的设计与研究》(编号：132102210465)。2.郑州大学西亚斯国际学院校级科研项目《全自动洗衣机余水回收控制系统设计》(编号：2013KYYB09)。