MATLAB仿真技术在电工基础课程学习中的应用

卢彦名 叶永祥

[摘           要]  电气自动化专业课程中的电工基础是专业基础课，对职业院校的学生来说，学习起来相当困难。使用MATLAB/Simulink的仿真是一种协助学生学习这门课程的有效手段。阐述了通过MATLAB/Simulink的仿真功能求解电路。

[关    键   词]  电工课程;Simulink;仿真

[中图分类号]  V448.15+3             [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2020）50-0230-02

工业电气自动化专业的学生要求除了有较强的动手操作能力外，还需要有扎实的理论知识。电工基础是工业电气自动化专业的专业基础课，课程涉及直流电路、单相交流电路和三相交流电路的分析与计算。直流电路部分主要学习各种电学定律，如基尔霍夫定律、叠加定律等;单相交流电路主要学习正弦交流电的表示与计算。学生通过课程的学习，初步掌握相关电学知识，为后续的电机拖动、电子技术打下基础，但学习的内容涉及较为复杂的数学和电磁学知识，对高职类的学生来说有较大的难度。为了更好地学习这些课程，我们可以借助MATLAB/Simulink仿真功能，该仿真功能能动态地展示电路运行的特点，为我们学习这门课程的理论知识提供有力的帮助。

一、MATLAB/Simulink功能的简介

Simulink是MATLAB软件的扩展，是实现动态系统建模和仿真的一个软件包[1]，其仿真模型容易搭建、功能强大，广泛用于对各类工科课程进行虚拟仿真实验。利用MATLAB/Simulink中的电子电路仿真模块库可以很方便地搭建电学中各种电路的仿真模型，通过改变系统仿真模型的元器件参数，进行系统设计和参数调试，比较参数对电路的性能影响[2]。大大地加深了我们对电路理论的理解。

Simulink主要有公用模块库和专业模块库两大类，电子电路仿真主要使用Simscape下屬的Foundation Library基础模块库中的元件[3]。

二、单相交流电路中电感、电容、电阻串并联的Simulink仿真的建立与验证

（一）仿真的对象

仿真的电路如图1所示[3]，是一个电阻、电感、电容串并联的电路，其中的理论计算涉及正弦量的复数表示、相量的计算、初相的变化等。对高职学生来说较为复杂且难以理解，但通关Simulink仿真后，可以把理论计算的结果和仿真的结果结合起来，有助于对电路中各个知识点的理解。

（二）仿真模型的搭建

电路仿真模型搭建所需的元件可以在Simulink库中的Simscape中查找。如上面电路仿真所需要的电阻、电感和电容可以通过路径：Simscape/Foundation library/Electrical/ Electrical Elements查找出来。在元件库中找到所需的元件后，把它们拖拽到untitled窗口中，根据电路图的关系并结合测量的需要把各元件连接起来。搭建起来的仿真模型如图2所示。

（三）仿真元件的设置

模型搭建起来后，需要对仿真元件根据被仿真电路的要求，进行元件参数设置。设置的办法是双击该仿真元件，系统会弹出对话框，根据需要修改参数即可。如我们把电阻元件修改成50欧姆，双击电阻元件，把“Resistance”的值修改成“50”即可。如图3所示。

（四）仿真模型的运行

仿真模型在运行前我们需要对运行参数进行设置。

1.运行算法的设置

不同的仿真要求有不同的算法，一般情况下，连续系统仿真应该选择ode45的变步长算法，对刚性问题可以选择变步长的ode15算法，离散系统一般默认地选择定步长的discrete算法。[4]我们这里采用“ode45”算法。

2.仿真步长设置

为保证得到较为平滑的仿真曲线，需要根据仿真信号系统的特点，让每个周期至少要取20个点。为此，我们需要对仿真参数对话框中的“Max step size”进行设置来实现。

3.Solver Configuration模块的建立

Solver Configuration模块是实现MATLAB对电路进行分析的作用。在我们这个仿真模型中，需要把Simscape/Utilities库当中的Solver Configuration模块拖拽到Untitled仿真窗口中，并把这个模块与仿真电路的“地”连接。

三、仿真模型运行的结果与分析

运行图2的仿真模型，并结合数据的大小，修改示波器的纵坐标后，我们可以通过示波器观察到如图4中的仿真结果。

从仿真结果中我们可以观察到：

（1）改电路是正弦信号输入，经过各个线性元件后，响应还是正弦信号。

（2）各支路电压电流的大小符合理论计算的结果。

（3）可以通过横坐标观察到各支路电压、电流相位的变化，与理论计算结果一致。

（4）正弦交流电通过电阻、电容、电感后，只改变了正弦三要素中的大小和初相位，频率并没有改变。

四、结语

通过使用MATLAB/Simulink的仿真，我们能够清晰地观察到电路信号参数的变化，为我们更好地理解电学理论知识提供了有力的帮助。MATLAB/Simulink的仿真功能不单可以应用在电工基础的电路分析上，还可以用在自动控制原理电机拖动等课程的分析上。学会使用MATLAB/Simulink仿真的功能，也是学会使用更多的工具，为后续课程的学习打下了基础，为未来的工作打下基础。

参考文献：

[1]王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].4版.北京：电子工业出版社，2017-05.

[2]宋雷鸣.MATLAB仿真在电机拖动控制系统中的应用研究[J].轻工科技，2020，36（5）：34-35.

[3]周高峰，赵则祥.MATLAB/Simulink机电系统仿真及工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014-06.

[4]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

编辑 王亚青