華玉明

摘 要 以具體實(shí)例討論了Matlab/Simulink可視化仿真軟件在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用，通過(guò)Matlab建立M文件編程和用Simulink仿真這二種方法進(jìn)行仿真，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教與學(xué)的互動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)分析和解決電路問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 Matlab/Simulink 電路分析 仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

電路分析是電氣類(lèi)工程技術(shù)人員必須掌握的一門(mén)重要基礎(chǔ)理論課。在教學(xué)過(guò)程中，大多采用黑板板書(shū)加多媒體課件（Powerpoint）展示的方式授課，存在一定的問(wèn)題，手工計(jì)算和繪制電流、電壓等變化曲線，容易出錯(cuò)且費(fèi)時(shí)。我們引入了電路仿真軟件主要有Multisim、Proteus 、Matlab/Simulink等等，它們都具有各自的特點(diǎn)，但與Matlab/Simulink仿直軟件相比，其它軟件注重仿真結(jié)果，而可視化計(jì)算和仿真后的數(shù)據(jù)處理不如MATLAB方便。MATLAB/Simulink成為國(guó)際上最為流行的科學(xué)計(jì)算以及系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的系統(tǒng)軟件工具。下面以電阻電路、正弦穩(wěn)態(tài)電路和動(dòng)態(tài)電路為實(shí)例，我們?cè)贛ATLAB R2014a集成環(huán)境的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MATLAB的M文件編程計(jì)算和Simulink建立電路模型仿真分析這二種方法對(duì)電路進(jìn)行分析。

1 Matlab在電路分析中的應(yīng)用

1.1 Matlab在直流穩(wěn)態(tài)電路中的分析方法

搭建好電路后，把Powergui電氣系統(tǒng)仿真分析的圖形用戶接口加到電路中。根據(jù)題目已知條件，對(duì)各個(gè)電路元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果可快速顯示在三個(gè)Display模塊中，數(shù)值顯示器Display中顯示的是電流測(cè)量模塊（Current Measurement）測(cè)量的支路電流，測(cè)量結(jié)果與Matlab編程求法完全一致。在仿真過(guò)程中還可以改變電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1.2 Matlab在交流穩(wěn)態(tài)電路中的分析方法

1.3 Matlab在動(dòng)態(tài)電路中的分析方法

例3：電路如圖4所示，在t<0，電容電壓為零，t=0時(shí)電鍵K1閉合，在t=10秒時(shí)電鍵K2閉合，繪制電容電壓uc（t）的波形圖。已知：R1=12€%R，R2=8€%R，C=0.22F，US=100V。

（2）JSHSZJHYM2.m程序運(yùn)行結(jié)果：電容電壓uc（t）波形如圖5所示。

以上編程利用三要素法求解和用plot（）函數(shù)繪圖。

方法2：基于Simulink的建模仿真。

在命令窗口鍵入powerlib打開(kāi)電力系統(tǒng)仿真模塊，搭建電路的Simulink仿真模型，如圖6所示。

它包括以下幾個(gè)主要性模塊：

（1）直流電壓源模塊，選擇DC Voltage Source 模塊，幅值為100V。

（2）電壓測(cè)量模塊，選擇Voltage measurement模塊。

（3）選擇Breaker做電鍵K1，塊參數(shù)（Block Parameters）設(shè)置為：初始狀態(tài)0（Initial status 0）表示初始狀態(tài)斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間設(shè)為t=0（Switching tims [0]）表示在t=0時(shí)K1=1閉合，外部（External）前面不要打勾，表示內(nèi)部控制動(dòng)作，合上表示1。同理，選擇Breaker做電鍵K2，初始狀態(tài)0（Initial status 0）表示初始狀態(tài)斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間設(shè)為t=10（Switching tims [10]）表示在t=10秒時(shí)K2=1閉合。

（4）Powergui是電氣系統(tǒng)仿真分析的圖形用戶接口，把它加到電路中。

（5）仿真時(shí)間設(shè)置為20秒。按菜單上仿真按鈕（Run），雙擊示波器Scope1，可觀察到與圖5相同的波形，在仿真過(guò)程中可改變電路元件參數(shù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2結(jié)語(yǔ)

利用Matlab強(qiáng)大的可視化計(jì)算功能、繪圖非常方便及編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，用來(lái)電路問(wèn)題的求解，可通過(guò)Matlab的M文件編程和Simulink仿真模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真免除了仿真者進(jìn)行理論分析的繁重負(fù)擔(dān)，不需要書(shū)寫(xiě)程序，通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的圖形操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，可隨時(shí)改變電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，實(shí)時(shí)和直觀地顯示電壓和電流的波形和各種數(shù)據(jù)。但是當(dāng)需要進(jìn)行一定的理論分析時(shí)，就只能通過(guò)M文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，它能反映編程者的分析、研究電路的思路和步驟，能避免繁瑣的手工計(jì)算，繪圖非常方便，這種方法更適合公式推導(dǎo)和精確計(jì)算，對(duì)編程者要求高。利用Matlab/Simulink仿真輔助教學(xué)，有利于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，讓學(xué)生重點(diǎn)放在分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力上，提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。也為后繼課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)使用Matlab，編寫(xiě)自己的計(jì)算機(jī)程序打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱關(guān)源，羅先覺(jué).電路（第5版）[M].高等教育出版社，2006，5.

[2] 李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)（第4版）[M].高等教育出版社，2006，5.

[3] 席時(shí)達(dá).電工技術(shù)（第4版）[M].高等教育出版社，2014，8.

[4] 陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2008，10.

[5] 劉浩，韓晶.MATLAB R2014a完全自學(xué)一本通（第1版）[M].電子工業(yè)出版社，2015，1.

[6] 程國(guó)鋼，楊后川.Proteus 原理圖設(shè)計(jì)與電路仿真就這么簡(jiǎn)單[M].電子工業(yè)出版社，2014，3.

[7] 梁南丁，趙永君.自動(dòng)控制原理與應(yīng)用（第1版）[M].北京大學(xué)出版社，2007，8.