Matlab在职业院校电工课程中的应用实践*

陈晶 周斌

安徽电气工程职业技术学院 安徽 合肥 230051

引言

随着我国经济社会的发展，职业教育越来越受重视。职业院校招生形式多样，有从高考录取的，有分类考试招生的，有面向社会扩招考试招生的，生源素质参差不齐，给入学后的教学工作带来了挑战，特别是电工基础课程，因此电工基础课程的教学改革势在必行，我校在电工基础课程教学示范课程建设过程中，教学团队老师深入研究各专业人才培养方案，修订课程标准，更新教学内容，积极探索新的教学手段和教学方法，发现Matlab软件在电工基础课程教学和学习中有很大的帮助，提升了教学效果。

1 课程内容

在课程内容的编排方面，我们根据教育部《高职高专教育基础课程教学基本要求》以及社会对技能型人才的要求，设计了四个项目。分别是项目一直流电路及元件的测试：讲述基本电工设备、测量仪表及常用的电路元件，在电工安全操作规程下，测试验证基尔霍夫定律、叠加定理、戴维南定理等内容；项目二交流电路的测试：介绍正弦交流电路的基本概念、基本方法及三相电路的分析计算；项目三线性电路的过渡过程测试：介绍一阶电路过渡过程的基本概念、基本理论和计算方法；项目四交流铁芯线圈的测试：通过互感电路介绍磁路及电磁知识。虽然我们的项目都是以实践操作的方式设计的，但内容里仍绕不开基本的计算，如线性方程组的求解、相量的计算、微分方程及传递函数的求解，这些对于目前的高职在校生都是很大的挑战。以往的教学中很容易从电工教学中讲着讲着变成了高数的教学，我们引入Matlab软件，其原本含义是矩阵实验室，主要面向科学计算，可视化等功能，极大地提高了课堂教学的效率，可以让学生快速看到结果，激励了学生的探索兴趣[1]。

2 应用案例

Matlab有强大的计算功能，有助于学生解决电工课程中的大量高难度的枯燥计算，提升学习效率。同时matlab还有功能强大的simulink模块可以进行仿真，对电工课程中一些抽象的概念进行图形化，让教师的讲解更加形象化，让学生更容易接受，减少畏难情绪，对学习兴趣的提升有相当大的帮助。下面将针对教学内容中前三个项目各选了一道例题，介绍其使用过程。

2.1 Matlab在直流电路中的应用

例1：用支路电流法求图1所示电路中的各支路电流[2]。

图1 例1电路图

解法1，增设电流源电压为未知变量。

选择网孔作为独立回路，选择回路绕行方向如图1中所示；对两网孔应用KVL，得

联立求解上述方程：

应用matlab软件solve函数求解方程组，在Matlab的命令行窗口中输入代码如下：

syms I1 I2 I3 U %定义符号变量

[I1,I2,I3,U]=solve(I1+I2+I3==0,2*I1-4*I2+U==24,4*I2-I3-U==-12,I2==3)

所得结果为：I1=3 I2=3 I3=-6 U=30

解法2，应用Simulink的电路仿真，可以直接用电路检测元件来查看电路中的电流电压值。

进入Simulink环境，新建空白模型，对照图1所示的电路图，在空白模型搭建其仿真电路，如下图2所示的仿真模型。

图2 例1仿真模型图

按照图1的参数设置各个模块如表1，点击仿真，可以看到I1=3A ,I2=3A ,I3=-6A ,U =30V。与解法1所得结果相同。

表1 仿真模型模块及参数设置

2.2 Matlab在交流电路中的应用

图3 例2电路图

解：应用基尔霍夫电压定律求解。

应用Matlab命令窗口求解，代码如下：

ur=180×exp(0j×2×pi/360);

ul=360×exp(90j×2×pi/360);

uc=170×exp(-90j×2×pi/360);

u=ur+ul+uc

所得结果为：u =1.8000e+02 + 1.9000e+02i

2.3 Matlab在一阶动态电路中的应用

图4 例3电路图

解：列写开关S闭合后的方程式：

应用matlab软件dsolve函数求解微分方程[3]，代码如下：

syms y c t % i是matlab内部关键字，这里用c代替

y=dsolve(‘((0.2×Dc+3×c)/10+c)×10+0.2×Dc+3×c=24’，’c(0)=0’)

结果是：y =3/2 - (3×exp(-40×t))/2

在命令窗口输入如下的画图指令可得其波形如图5。

图5 波形图

t = 0:0.001:1;

y1 = subs(y,’t’,t);

plot(t,y1,’k’)

3 结束语

通过上述案例表明，Matlab软件代码极其简洁易懂，Simulink仿真是采用搭积木的形式构建仿真模型，操作方便快捷，满足了当前职业院校不同素质生源的学习需求，极大地提升了课堂教学的效果。主要表现在：一是当前的学生喜欢计算机等数字设备，符合学生的兴趣特点；二是Matlab软件让学生既能看到数字结论又可以看到图形，极大地帮助了学生理解信号、电路元件及电路的工作过程，这是让教师讲解很难达到的效果；三是软件对于当前一些不能直接在实验室进行的实践操作也是一定的补充，特别是线上教学和社会扩招学生的教学。