【摘要】MATLAB(Matrix Laboratory矩阵实验室)软件,其应用范围涵盖了当今几乎电力论文发表所有的工业应用与科学研究领域。作为工科院校的基础教学过程,针对相关学科应该能够引导和体现。该文利用实例,介绍MATLAB在电工教学中绘图和模拟实验方面的应用,并且通过在教学过程中的引导和实践,特别是高年级学生的大量反馈,证明了在基础教学中启蒙和引导的重要性。
【关键词】MATLAB;绘图;功能函数;可视化建模和仿真
MATLAB是Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写,它以复数矩阵作为基本编程单元,特别适用于科学和工程计算,20世纪90年代中期在我国才逐渐兴起应用。它是一个功能十分强大的工程计算机及数值分析软件,其应用范围涵盖了当今几乎所有的工业:机械、电子、医疗、建筑、航空、汽车业以及财经领域等[1]。作为工科院校的学生,今后在工程中必然离不开这个应用软件。而它的应用是建立在掌握了一般的计算机编程基础知识和必要的高等数学知识及相关的工程数学基础上的。所以,对于电气类学生在学习电工基础[2]课程时,在教学中穿插讲解MATLAB知识或辅以作业的应用,十分必要。
本文在《电路原理》[3]介绍的MATLAB应用的基础上,补充介绍在电路原理和电磁场课程教学中采用MATLAB的绘图功能和实验模拟(SIMULINK)方面应用示例。
1 绘图功能在电工基础教学的应用
电工基础包括电路和电磁场的知识,是电气专业类学生重要的基础课。本课程的强理论的性质决定了在学习过程中大量电路图和磁场图的绘画,在授课中电磁场中的图形过于抽象,通常学生理解有一定的难度。但是MATLAB在其强大的功能下,绘图功能同样超能,特别在采用电磁场解实际电磁场问题时,采用它绘图十分有效。如在计算实际的同步电动机的轴截面磁场分布图时,采用MATLAB编程,运用有限元方法计算[4],其结果可以用图形显示出有限元的剖分图[5]、磁场中磁力线走向图及磁化曲线,有时通过一定的处理,还可以作出三维的磁场图。而这些图的绘画只是采用MATLAB中的几个功能函数就可以实现。如图1所示就是通过功能函数PLOT、GPLOT、CONTOUR等实现的[6]。
2 模拟实验可以通过SIMULINK功能实现
这里介绍如何制作简单的线性模型过程,包括启动Simulink、保存建构好的系统、打开已建构好的系统模型以及建构一个“脉冲输出”的模型。演示过程包括打开函数库、使用函数库的控制模块、控制模块的连接、调整控制模块参数、启动模型和观察系统输出等。
2.1 启动Simulink
进入Simulink后,“Simulink Library Browser”的窗口,如图2所示。点击“File”新建一个名为“Untitled”的建构窗口,若定义一个名字,如“电工演示实验”,则“Untitled”变为“电工演示实验”,可以保存在某目录下。“Library”窗口是控制模块函数库窗口,常用的控制模块都可以在这里找到。将鼠标点到此,选择一个函数库模块,双击弹出新窗口,其中包含许多函数模块,建构系统时可以任意选择。
2.2 建构简单的模型
以建构一个简单的用示波器观察方波电源输出波形的系统模型来说明。
在进入Simulink后,打开“电工演示实验”文件(开始时建立的空文件,任意名均可以。本文采用默认文件名“Untitled *”)。从“Library”窗口中找到“信号源”(Source),双击打开,用鼠标按住“脉冲源”(Pulse Generator)或“方波发生器”(Discrete Pulse Generator)不放,拖至“Untitled*”文件中后松开,即把信号源模型建构好了。再从“Library”窗口中找到“示波器(Scope)”,用同样方法拖到“Untitled*”文件中。然后把两个图标的输出与输入用鼠标连接起来,这样就把这个模型建构好了。点击“信号源(source)”,则会弹出另一个窗口(如图3a所示),可以调整信号源的参数,如周期(Period)、幅值(Amplitude)等等。设定好之后,双击“示波器”图标,则示波器(模拟)出现在电脑的屏幕上,点击“Untitled*”窗口(图2右上角)的播放按钮,就可以观察到信号源的波形了(图2右下角的示波器波形)。
2.3 一、二阶过渡过程模拟实验的步骤一阶电路过渡过程对于参数可以如图4a所示选取,也可以调整as+x式中的s前的系数a和常数项x的值,以达到改变时间常数的目的。分子上的常数也可以调整,以改变幅度,如图3b所示。
对于二阶电路过渡过程,其参数可以如图4b所示选取,也可以调整as2+bs+c式中的s前的系数a、b和常数项c的值,以达到改变时间常数的目的。分子上的常数也可以调整,它是用以改变幅度的。
当然,示波器的参数也可以调整,以达到更清楚的图像效果。
2.4 微分、积分实验的模拟
在微分、积分电路实验的模拟中,模型构建的方法和步骤同前,参数和结果显示分别如图5所示。
3 结束语
MATLAB语言在现代工科类学科的应用十分广泛,本文仅介绍在电路理论教学中很少的一部分:如绘画磁场图的应用还需要相关的电磁场知识和有限元知识,而SIMULINK的实验模拟则还需要传递函数的知识等。此外,采用MATLAB的功能函数时是有限的,大多数要求自己编写类似功能函数的M文件,同时也促进了在计算机软件方面知识的自我提高。因而在学习电路理论的时候,虽然由于很多的专业知识还欠缺,但是引入MATLAB语言的教学,对于引导学生提高后续课程的学习兴趣十分有利。通过几届学生的上机实践,特别是到了高年级进入学习专业课的同学,在如电子学课中的幅频响应的作图,自动控制理论课中的根轨迹图绘画,以及控制专业的系统的傅立叶变换、脉宽调制等的应用,高年级的学生充分认识到了在基础课期间学习和应用了MATLAB的重要性。
【参考文献】
[1] 高俊斌.MATLAB5.0语言与程序设计[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.1-6.
[2] 邱关源.电路(第4版)[M].北京:高等教育出版社,1999.9.
[3] 范承志.电路原理电力论文发表[M].北京:机械工业出版社,2001.406-456.
[4] Janicke http://www.51lunwen.org/dianlifaibao/L,Kost A .Convergence properties of the Newton-Raphson method for nonlinear problems[J].IEEE Transactions onMagnetics,1998,34(5):2 505-2 508.
[5] 严登俊.二维平面任意区域有限元网格自适应生成法[J].微电机,1999,32(3):11-14.
[6] 刘良成.小功率开关磁阻电动机静态参数与特性的研究[D].合肥:合肥工业大学电气与自动化学院,2000.
