MATLAB在电气工程专业主干课程教学中的应用

王海霞 韩奋 张晓菊

摘要：电气工程及其自动化本科专业主干课程具有非常强的理论性、实践性和应用性，本项目研究将MATLAB仿真技术引入到专业课程的课堂教学和实验教学中，使抽象难懂的知识“活”起来，有效降低理解的难度，较大程度提高了学生的学习趣味性、积极性和主动性。

关键词：MATLAB；Simulink；建模

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0089-02

一、项目研究的现状

电气工程专业的主干课程有《电机与电气控制技术》《电力拖动自动控制系统》《电力电子技术》《自动控制原理》[1]，这些课程理论知识抽象深奥，工作原理推导繁琐，并且涉及的电路图复杂，波形分析、电路解析和计算推导较多。使用传统的板书、挂图、PPT三种形式相结合的教学手段想要把基本原理讲清楚需要花费大量的时间，但按照该专业的人才培养方案，理论讲授课时一再被压缩，而教学大纲要求的知识目标却有增无减，教师为了在规定课时内完成教学任务，就会出现有些知识点讲解不透彻，因此学生理解得也不够深刻，教学效率偏低，迫切需要借助于直观、生动、高效的教学手段提高教学效率。

随着计算机技术、数学建模技术的不断发展及系统控制理论研究的不断深入，计算机仿真以其成本低、高效、形象生动、受硬件约束小等优势已经成为了工程设计和科学研究中不可或缺的工具。计算机仿真软件的种类繁多，MATLAB软件就是其中的佼佼者，在许多国际一流学术刊物上都有应用。1998年加拿大魁北克电力公司的专家们率先在MATLAB环境下，开发了电力系统分析模块（Power System Block），凭借其强大的科学计算能力，简便绘图能力，可视化的仿真环境，使其成为电力分析领域最有效工具。

二、MATLAB在电气工程专业主干课程教学中的应用

1.MATLAB在自动控制原理中的应用。自动控制原理课程主要是研究系统的组成及结构；自动控制系统的稳态分析、动态分析及相关的性能指标；各种类型的自动控制系统的特点；自动控制系统的时域、频域分析及相关设计[2]。通过本课程的学习使学生了解自动控制系统的工作原理，分析控制器参数对系统性能的影响，掌握自动控制系统的设计方法等。

MATLAB在建立控制系统模型时，目前主要采用两种方式：（1）采用LTI对象来建立数学模型，根据系统的特点有传递函数模型、零极点增益模型、状态方程模型三种。该方法的缺点是学生需要记忆大量的函数，这对于非计算机专业的学生来讲存在很大的困难。（2）采用Simulink环境，通过鼠标建立模型，系统结构使用方框图绘制，可通过示波器直观地观察到各变量的变化过程。其优点是设计方便，通过鼠标拖拽模块来搭建电路模型代替编程；分析简单，使用者不需要考虑系统模块内部结构，只要考虑系统中各模块的输入输出；仿真准确，通过人机交互智能化地建立各环节的相关方程，在要求精度下以快速地进行电路仿真，结果准确。

学生对Simulink建模更感兴趣，下面为利用Simulink模型创建一个使用PID控制器控制三阶系统，并查看其输出响应的实例（如图1）。

该系统建模主要调取Sources库中的阶跃Step信号作为输入信号；调取Math Operations库中的Gain模块、Add模块；调取Continuous库中的Derivative模块、Integrator模块构成PID控制器；调取Continuous库中三个Transfer Fcn构成三阶系统，最后调取Sinks库中的Scope示波器模块显示最终的输出响应信号。

2.MATLAB在电力电子技术中的应用。电力电子技术课程主要研究利用电力电子开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制[3]。下面以单相桥式全控整流电路为例（如图2），其工作原理是：当电源输入为u2正半周期时，VT1、VT4在控制角α处通过加触发信号导通，输出电压ud=u2，而负载中的电流由于有电感的存在不能突变；当电源输入为u2负半周期时，VT2、VT3在控制角π+α处通过加触发信号导通，输出电压ud=u2，负载电流任然不能突变。

采用Simulink建模如下图3，调取SimPowerSystems库的powergui模块；调取Electrical Sources库中的AC Voltage Source作为交流电源；调取4个Power Electronics库中的Thyristor作为晶闸管器件VT1、VT2、VT3、VT4；调取Elements库中的Series RLC Branch模块作为负载RL；调取Sources库中的2个Pulse Generator模块作为触发脉冲；调取Single Routing库中的2个Selector模块作为选择晶闸管输出的电压信号输出的示波器；最后调取Sinks库中的Scope示波器模块显示各信号。

3.MATLAB在电机与电气控制技术的应用。电机与电气控制技术主要研究变压器、交流电动机、直流电动机、低压电器及电气控制电路。下面以三相异步电动机直接启动的建模与仿真为例（如图4）。建模过程类似上例，此处略。

三、教学效果评价

本项目研究将MATLAB仿真技术引入到电气工程及其自动化本科专业主干课程的课堂教学和实验教学中，使抽象难懂的知识“活”起来，有效降低理解难度，较大程度提高学生的学习趣味性、积极性和主动性，实现课堂教学效果和质量的提升。将MATLAB仿真技术引入到这些课程的实验教学中，有效缓解实验设备缺乏和使用紧张的压力，规避了由于学生误操作而引起设备毁坏以至于人身安全受到侵害等安全隐患的发生。另外，在很大程度上减少实验设备维护和维修的费用，节省购买实验耗材的开支。从学生培养角度来看，学生既学习了专业知识和实践技能，又在一定程度上掌握了MATLAB仿真技术，该技术是目前国际上公认的在工程设计和科学研究领域较为前沿的技术，使学生逐步提高利用科学手段分析问题和解决专业问题的能力，为学生参加大学生科研、技能竞赛及做本科毕业设计进行有效的知识储备，为学生在学业上继续深造奠定科研基础，在就业中增加竞争力。

参考文献：

[1]苏良昱，赵忠彪.MATLAB在电气工程及其自動化专业教学中的应用研究[J].科技信息，2011，（18）：11-12.

[2]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社版，2018.

[3]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2010.