MATLAB在电气工程及其自动化专业教学中的应用研究.doc

MATLAB在电气工程及其自动化专业教学中的应用研究科技信息博士?专家论坛MATLAB在电号工程及其自动化专业教学巾昀应用砜究许昌学院电气信息工程学院苏良昱赵忠彪师路欢摘要本文探讨了MATLAB/sIMuLINK软件在电气工程及其自动化专业教学中的应用,从专业课教学,实验教学及毕业设计三个方面展开讨论,说明利用这一仿真工具可以提高学生的学习积极性,学习能力和实践能力.关键词计算机仿真电气工程专业教学hCATLd3近年来,MATLAB已成为科学研究和工程设计中最重要的工具之一.在欧美大学里,诸如应用代数,数理统计,自动控制,数字信号处理,模拟与数字通信,时问序列分析,动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为授课内容.这几乎成了2l世纪教科书与旧版教科书的标志性区别.1998年Mathworks公司推出电力系统模块集PowerSystemBlock)后,该功能逐渐被电力系统的研究者所接受,使得MATLAB/SIMULINK在电力系统方面的应用日趋成熟.为了适应计算机辅助教学的发展趋势,国内许多工科院校的电气相关专业也开设了类似于MATLAB及系统仿真等相关课程作为学生的专业选修课程.1.MATLAB在电气工程及其自动化专业主干课程教学中的应用电气自动化及其自动化专业的主干课程如电机及拖动,电力电子技术,自动控制系统等,普遍存在工作原理推导繁琐.涉及电路图,波形图繁多,基本公式罗列复杂等特点,传统的教学模式不仅给老师的教和学生的学都带来了很大的困难,而且极大地打击了学生学习的积极性.MATLAB的部件Simulink中有一个PSB(电力系统模块),是由加拿大魁北克省电力公司(HydroQuebec)开发,并且被集成在MATLAB软件之中.其中不仅有直流电异步电机,同步电机,永磁同步电机等各种类型电机的仿真模块,也有晶闸管,整流二极管.MOSFET,IGBT等电力电子器件以及各种电路元件的仿真模块等等,可以方便地构造电机及拖动基础,交直交流调速系统,电力电子学技术等课程相关内容的模型.以电力电子技术课程三相桥式整流电路教学为例,利用MATLAB下的sIMULINK和电力系统模块库对晶闸管三相桥式整流电路进行建模和参数设置.从该模块库提取了三个对称的单相交流电压源代替三相交流电压源及六脉冲信号发生器,通用整流桥,串联RLC负载等元器件并按照三相桥式整流电路原理图进行连接.为了便于观察仿真结果同时在仿真模型中接入了三相电压电流测量单元及示波器等.通过仿真可以明显看出三相桥式全控整流电路的负载电流,电压受控制角d的影响,另外仿真过程中可以灵活改变仿真参数,诸如修改负载性质等,只要对模块的参数稍做修改即可,不需要再重新构造仿真模型图就能直观地观察到仿真结果随参数的变化而变化的情况.引入仿真教学,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,令学生看到了一种直观,快捷分析整流电路的方法.由此可见,将MATLAB应用到电力电子技术的教学中,不仅大大节约了时间和精力,还可调动学习的积极性和学习兴趣,进而提高学生分析,理解问题的能力.2.MATLAB在电气工程及其自动化专业实验教学中的应用随着科学技术的发展,计算机技术的进步,要求高校以培养实用性人才,创新性人才为教学目标,但是这个目标的实现离不开实践环节的教学,因为学生通过实验可以提高实践动手能力和观察问题,解决问题的能力.但目前很多高校的电气工程及其自动化专业实验存在以下的问题:(1)大部分课程原有的分立元件组装实验已被数字化的实验平台,实验箱所取代,学生对实验的原理内容了解即使不够,只要认真阅读实验指导书及在教师的指导下机械式连线和读数,再套用公式来分析实验数据,即可完成实验内容.这样将致使学生的理论知识与实践相脱节,使学生的实践动手能力减弱,进而导致其对知识的创新意识薄弱.(2)电子器件日新月异的变化与实验室的装置不可能即时更新的矛盾.(3)许多大型电力实验由于实验条件难以满足,系统的安全运行也不允许进行实验(如系统短路等实验).针对此类问题我们可以利用计算机软件的发展,进行仿真实验.如果应用MATLAB进行仿真实验,要求学生有较深的理论知识,只有这样才能编出正确的程序或建立正确的数学模型,在此基础上完成仿真实验,再自己完成硬件实验,不但节省了教学时间,而且还可以较好地做到理论与实践的结合,可以起到事半功倍的教学效果.Matlab/Simulink可以实现计算机仿真设计与虚拟实验,设计与实验可以同步进行,实验中所需元器件的种类和数量不受限制,可方便地对电路参数进行修改和调试,很好地解决了电子器件日新月异的变化,而实验室的装置不可能即时更新的矛盾.利用计算机仿真的优越性,将一些目前暂时还无法实现的实验装置用计算机来模拟,提高了学生对实验的兴趣,加深了对课程的理解,同时也巩固和拓宽了学生对计算机的应用能力,便于学生进行综合性的设计和实验,有利于培养学生的综合分析能力,开发和创新的能力.仿真有助于学生思维,创新能力的培养,仿真改变了以往单一的实验形式,使学生既掌握了一种新的EDA软件技术,又掌握了一种新型的实验分析方法,还可以自己展开实验设计,大大提高了学生的学习兴趣.尤其在仿真过程中,学生不再是被动地重复教师的操作,而是主动地去探求解决问题的方法,同样的设计要求可以有不同的实现电路,不同的程序,这能充分发挥学生的主观能动性和创造性,培养他们运用所学知识分析问题和解决实际问题的能力.仿真使学生由被动接受变为主动探索,仿真软件应用过程中,学生完全可以自己利用观察仿真软件中的实例,结合教材,进行分析,实验操作,提交结果分析报告等.教师在整个教学过程中是学生引路人的角色,为学生获得知识提供情景,引导学生自己去学习,设计实验并验证实验结果.仿真有助于改进教学效果和解决硬件不足的问题.仿真软件的引入突破了实验时间和空间的限制,学生不必拘泥于实验室,可以利用计算机在课后继续进行研究,这样就可对实验的原理,方法有较明确的认识,对实验中的难点也有了准备,当他真正走进实验室时,能做到心中有数,减少了操作的盲目性,改善了教学效果.实验场地也不再局限于传统意义的实验室,不再需要昂贵的仪器与设备,计算机机房就可以用来进行实验,解决了缺少硬件设备的问题.3.MATLAB在电气工程及其自动化专业毕业设计中的应用在辅导学生做毕业设计的时候,有时也选择一些较复杂的仿真课题.同学们在毕业设计的过程中,必须要复习大学四年来学过的多门主干专业课知识,将这些课程的知识贯穿于毕业设计课题中.当遇到课堂上没有学过的内容时,还要求学生自学相关的内容,注重培养学生自主学习,更新知识的能力.例如,在做交流永磁同步伺服电机控制系统仿真设计的毕业设计课题时,不仅要求学生设计一个完整的较为复杂的控制系统(包括电力电子部分,电机部分,传感器,动态设计,等等),而且学生还要自学永磁同步电机的内容.仿真实验也使学生学会将若干门课程内容融会贯通.通过仿真实验使学生将电力电子,电机拖动,自动控制理论,直流电机运动控制系统等多门课程的知识联接贯穿,同时也增强了学习兴趣以及探索与创新的动力.这样的例子在控制系统仿真教学过程中有很多,不胜枚举.在应用MATLAB提高毕业论文水平的同时,反过来这些毕业论文又为电气工程专业课程的教学提供了宝贵的实例资料,丰富了教学内容,而且在指导论文的过程中容易发现课堂教学的不足以及了解学生掌握的程度,为改进今后的教学提供依据.计算机仿真可以为提高电气工程及其自动化专业课程的教学质量起到很好的作用.4.总结电气工程及其自动化专业类教学涉及到电机学,自动控制理论,电力拖动,微型计算机技术和电力电子技术等学科的广泛内容,既要求学生能掌握电气工程的基础理论,又要求能掌握电气工程类专业研究问题的方法,并且应具备较强的动手实践能力.因此,在目前有限的课堂教学和实验学时内,运用一定的仿真软件和计算机技术,使学生能更系统地掌握专业的基本理论和控制系统的设计思想和方法,从而提高学生的学习积极性,学习能力和实践能力.参考文献1洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的M