基于MATLAB的电工电子技术动态仿真实验研究

0 引言

电工电子技术课程是职校机电专业的基础专业课, 是较为抽象的理论课程, 必须实施理论与实践的有机结合。但是, 当前的电工电子课程实验教学中存在较多的问题, 已严重影响到教学效果。

(1) 实验教学以实物验证性为主, 方法单一。

(2) 实验教学怕学生动不好, 易损坏元器件。

(3) 实验教学成本过高如元器件淘汰率过高。

(4) 有限的设备难以满足学生技能实验需求。

针对以上问题, 本人将Mat1ab引入到电工电子技术课程实验教学中, 建立虚拟电工电子课程实验教学平台, 不仅可缓解实践设备缺乏、节约成本, 而且可实现理论与实践的同步[1]。

1 基于MATLAB的电工电子技术动态仿真实验

1.1 SIMULINK&M文件在三相电路中应用

如图1, 有一星形连接的三相对称负载, 每相的电阻R=6Ω, 感抗XL=8Ω。电源电压对称, 设u AB=3 8 0sin (314t+30·) V, 试求每相电流并画出电流波形图[2]。

传统的解题思路是:先计算出各相电流, 然后根据电流表达式画出各相电流的波形图。在MATLAB中可以“反其道而行之”, 即先通过仿真得出各相电流的波形图, 然后根据波形图利用拟合函数得出各相电流的表达式。具体如下:首先通过SIMULINK中的Sim Power Systems工具箱, 建立如图2的模型, 然后根据题设要求设置模块的参数:其中三相电源模块的Internal connection设为Y;ZA、ZB、ZC均为RL串联电路, 其中XL=8Ω, 对应于L=XL/ω=8/314=0.0255H;为了输出数据的均匀性, 在仿真环境设置中, 将仿真时间设为0~0.02s, Solver Options Type设为Fixed-step, Fixed-step size设为0.02/100[3]。

设置完参数之后, 运行仿真模型, 在MAT L AB的Workspace里面就会出现两个矩阵tout和yout, 这时候建立一个M文件,

运行之后得到:x1=[31.0198, -53.0656], x2=[31.0023, -173.0819], x3=[31.0034, 66.9542], 这样既可写出各相电流的表达式:

1.2 SIMULINK在换路定则中应用

确定如图3所示电路中各个电流以及电感L两端电压的初始值, 设换路前电路已处于稳态。

建立如图4所示的仿真模型, 其中为了便于观察, 将开关S的动作时间由0s改设为1s, 仿真时间设为0~2s, Solver Options Type设为Variable-step, Solver设为ode23tb, 运行仿真模型, 示波器里得到如图5的波形图。

观察波形图, 发现除了iL之外, 各参数在开关闭合的瞬间均发生了突变, 则可以根据图6写出各电流及电感L两端电压的初始值:

1.3 SIMULINK&GUI在RLC电路响应中应用

如图6所示的RLC串联电路, 设电路为零初始状态, 求当开关闭合时, 输出阶跃响应曲线及稳定性和系统瞬态性能指标。

这里考虑用GUI控制SIMULINK模型的方法来仿真, 且在GUI中和SIMULINK中分别画出电路的输出阶跃响应曲线, 并进行比较, 用于验证输出数学模型的正确性。

首先建立如图7所示的simulink模型, 设置仿真时间是0~12s。

再用GUIDE工具箱建立如图8所示的GUI控制界面。

然后在RLC按钮的回调函数中编程, 实现对simulink模型参数设置、运行、打开示波器等动作的控制, 运行之后可观察输出阶跃响应曲线 (如图9) 。具体如下:

%设置模型初始值并运行模型和打开示波器------

并在RLC回调函数中对电路输出的状态空间表达式进行计算, 用plot命令绘出输出阶跃响应曲线 (如图10) , 并通过计算分析, 来判断系统的稳定性, 以及返回系统瞬态性能指标, 如图10所示。通过对比观察图9和图10, 发现输出阶跃响应曲线是一样的, 这样就验证了RLC电路输出的数学模型的正确性。由于篇幅的原因, 这里只将计算状态空间和绘图的程序内容给出, 其他不再一一陈述。

2 结束语

基于MATLAB软件创建的虚拟电工电子技术实验教学平台, 可用于实验教学的前期铺垫, 更可为创新型实验提供舞台, 调动了学生学习的主动性, 提高了教学效果。

摘要：结合当前电工电子技术课程实验教学中存在的问题, 提出基于MATLAB软件创建虚拟电工电子技术实验教学平台。通过三个典型实例, 系统阐述了基于MATLAB的电工电子技术动态仿真实验求解的方法与过程, 改革了传统电工电子技术课程实验教学的形式, 培养了学生的兴趣和实践能力, 提高了实验教学的效果。

关键词：MATLAB,电工电子,动态仿真

参考文献

[1] 姜莉, 马远新.基于仿真软件的虚拟电工电子实验室的建设[J].福建电脑, 2010 (6) :18～19.

[2] 秦曾煌.电工学第五版 (上册) [M].北京:高等教育出版社, 2004.

[3] 吴天明, 谢小竹等.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社, 2004.