盧彥名 葉永祥

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?電氣自動(dòng)化專業(yè)課程中的電工基礎(chǔ)是專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)職業(yè)院校的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)起來相當(dāng)困難。使用MATLAB/Simulink的仿真是一種協(xié)助學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的有效手段。闡述了通過MATLAB/Simulink的仿真功能求解電路。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?電工課程;Simulink;仿真

[中圖分類號(hào)] ?V448.15+3 ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）50-0230-02

工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生要求除了有較強(qiáng)的動(dòng)手操作能力外，還需要有扎實(shí)的理論知識(shí)。電工基礎(chǔ)是工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程涉及直流電路、單相交流電路和三相交流電路的分析與計(jì)算。直流電路部分主要學(xué)習(xí)各種電學(xué)定律，如基爾霍夫定律、疊加定律等;單相交流電路主要學(xué)習(xí)正弦交流電的表示與計(jì)算。學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，初步掌握相關(guān)電學(xué)知識(shí)，為后續(xù)的電機(jī)拖動(dòng)、電子技術(shù)打下基礎(chǔ)，但學(xué)習(xí)的內(nèi)容涉及較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)和電磁學(xué)知識(shí)，對(duì)高職類的學(xué)生來說有較大的難度。為了更好地學(xué)習(xí)這些課程，我們可以借助MATLAB/Simulink仿真功能，該仿真功能能動(dòng)態(tài)地展示電路運(yùn)行的特點(diǎn)，為我們學(xué)習(xí)這門課程的理論知識(shí)提供有力的幫助。

一、MATLAB/Simulink功能的簡介

Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包[1]，其仿真模型容易搭建、功能強(qiáng)大，廣泛用于對(duì)各類工科課程進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。利用MATLAB/Simulink中的電子電路仿真模塊庫可以很方便地搭建電學(xué)中各種電路的仿真模型，通過改變系統(tǒng)仿真模型的元器件參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)試，比較參數(shù)對(duì)電路的性能影響[2]。大大地加深了我們對(duì)電路理論的理解。

Simulink主要有公用模塊庫和專業(yè)模塊庫兩大類，電子電路仿真主要使用Simscape下屬的Foundation Library基礎(chǔ)模塊庫中的元件[3]。

二、單相交流電路中電感、電容、電阻串并聯(lián)的Simulink仿真的建立與驗(yàn)證

（一）仿真的對(duì)象

仿真的電路如圖1所示[3]，是一個(gè)電阻、電感、電容串并聯(lián)的電路，其中的理論計(jì)算涉及正弦量的復(fù)數(shù)表示、相量的計(jì)算、初相的變化等。對(duì)高職學(xué)生來說較為復(fù)雜且難以理解，但通關(guān)Simulink仿真后，可以把理論計(jì)算的結(jié)果和仿真的結(jié)果結(jié)合起來，有助于對(duì)電路中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解。

（二）仿真模型的搭建

電路仿真模型搭建所需的元件可以在Simulink庫中的Simscape中查找。如上面電路仿真所需要的電阻、電感和電容可以通過路徑：Simscape/Foundation library/Electrical/ Electrical Elements查找出來。在元件庫中找到所需的元件后，把它們拖拽到untitled窗口中，根據(jù)電路圖的關(guān)系并結(jié)合測(cè)量的需要把各元件連接起來。搭建起來的仿真模型如圖2所示。

（三）仿真元件的設(shè)置

模型搭建起來后，需要對(duì)仿真元件根據(jù)被仿真電路的要求，進(jìn)行元件參數(shù)設(shè)置。設(shè)置的辦法是雙擊該仿真元件，系統(tǒng)會(huì)彈出對(duì)話框，根據(jù)需要修改參數(shù)即可。如我們把電阻元件修改成50歐姆，雙擊電阻元件，把“Resistance”的值修改成“50”即可。如圖3所示。

（四）仿真模型的運(yùn)行

仿真模型在運(yùn)行前我們需要對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1.運(yùn)行算法的設(shè)置

不同的仿真要求有不同的算法，一般情況下，連續(xù)系統(tǒng)仿真應(yīng)該選擇ode45的變步長算法，對(duì)剛性問題可以選擇變步長的ode15算法，離散系統(tǒng)一般默認(rèn)地選擇定步長的discrete算法。[4]我們這里采用“ode45”算法。

2.仿真步長設(shè)置

為保證得到較為平滑的仿真曲線，需要根據(jù)仿真信號(hào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，讓每個(gè)周期至少要取20個(gè)點(diǎn)。為此，我們需要對(duì)仿真參數(shù)對(duì)話框中的“Max step size”進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。

3.Solver Configuration模塊的建立

Solver Configuration模塊是實(shí)現(xiàn)MATLAB對(duì)電路進(jìn)行分析的作用。在我們這個(gè)仿真模型中，需要把Simscape/Utilities庫當(dāng)中的Solver Configuration模塊拖拽到Untitled仿真窗口中，并把這個(gè)模塊與仿真電路的“地”連接。

三、仿真模型運(yùn)行的結(jié)果與分析

運(yùn)行圖2的仿真模型，并結(jié)合數(shù)據(jù)的大小，修改示波器的縱坐標(biāo)后，我們可以通過示波器觀察到如圖4中的仿真結(jié)果。

從仿真結(jié)果中我們可以觀察到：

（1）改電路是正弦信號(hào)輸入，經(jīng)過各個(gè)線性元件后，響應(yīng)還是正弦信號(hào)。

（2）各支路電壓電流的大小符合理論計(jì)算的結(jié)果。

（3）可以通過橫坐標(biāo)觀察到各支路電壓、電流相位的變化，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

（4）正弦交流電通過電阻、電容、電感后，只改變了正弦三要素中的大小和初相位，頻率并沒有改變。

四、結(jié)語

通過使用MATLAB/Simulink的仿真，我們能夠清晰地觀察到電路信號(hào)參數(shù)的變化，為我們更好地理解電學(xué)理論知識(shí)提供了有力的幫助。MATLAB/Simulink的仿真功能不單可以應(yīng)用在電工基礎(chǔ)的電路分析上，還可以用在自動(dòng)控制原理電機(jī)拖動(dòng)等課程的分析上。學(xué)會(huì)使用MATLAB/Simulink仿真的功能，也是學(xué)會(huì)使用更多的工具，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)，為未來的工作打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王正林，王勝開，陳國順，等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2017-05.

[2]宋雷鳴.MATLAB仿真在電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].輕工科技，2020，36（5）：34-35.

[3]周高峰，趙則祥.MATLAB/Simulink機(jī)電系統(tǒng)仿真及工程應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014-06.

[4]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

編輯 王亞青