探究MATLAB仿真技术在电路分析教学中的应用

余逸男

（武昌理工学院，430223）

探究MATLAB仿真技术在电路分析教学中的应用

余逸男

（武昌理工学院，430223）

本文提出了应用MATLAB仿真技术与课堂理论教学相结合的创新教学模式，克服了传统教学方法中理论与实践联系不紧密的缺点，通过Matlab编程或Simulink建模，使学生融入到模拟仿真实际环境中，极大地提高了教学效果，增强了对学生自主学习和创新学习能力的培养。

电路教学；Matlab；Simulink

0 前言

电路分析基础是电子信息、通信工程和电子科学等专业的基础课，是后续的模拟电路、数子电路、信号与系统、电力电子等课程的基础。针对该课程的特点，为了尽快引导学生入门，在理论授课、实践教学中引入仿真技术，帮助学生对各知识点的理解和掌握。Matlab作为功能强大的仿真工具，同时也具备对电路分析仿真的功能，利用Matlab编写M文件可以计算电路中的参数，利用Simulink构造电路图进行仿真分析，可以有效直观的分析电路图。将Matlab仿真技术引入电路教学中，帮助学生解决计算、绘图和建模等问题，将主要精力集中在掌握电路理论和分析方法的学习上，进而提高学习效率。

1 传统电路分析教学存在问题

大多数的高校电路课程主要包括理论教学和实验教学两方面，电路课程的理论性与实践性要求学生们要自主学习，具备分析问题、解决问题的能力，然而，传统的电路教学存在一些问题：（1）电路课程中的基本概念、电路定律和分析方法比较多，但是学校安排课时偏少，很多内容都不能按时完成，教师就会省略很多问题；（2）电路教学内容过于抽象，理论性偏强，只是依靠课堂学习，学生很难理解，学习效率较低；（3）由于客观条件有限，实验课和理论课往往不能同步进行，未及时实践的理论知识往往较易遗忘。因此，电路分析教学中如何激发学生的学习兴趣，提高学生的积极性，能够全面、系统、有效地理解运用所学知识，成为教师需要解决的问题。

2 Matlab仿真技术在电路分析课程中的应用

2.1 Matlab介绍

MATLAB(MatrixLaboratory)是美国Mathworks公司推出的一种集数值运算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的图形化语言。在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统，是建立在系统科学、系统辨识、控制理论、计算机技术和计算方法等学科上的一种综合性很强的实验科学技术。用计算机仿真方法研究电路的性能，方便、直观、经济、有效，是进行电路分析和设计的很好方法。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电路分析带来了一定的复杂性和困难，一般需要采用波形的分析方法来研究。仿真技术是电路分析的一种新方法。由于课程比较系统化，理论分析较复杂，采用Matlab仿真平台是较优的选择，并且该软件具备以下几个优势:

（1）Matlab计算功能强大，运算速度快，适合课程教学快速仿真;

（2）Matlab提供2种仿真形式，一种为编写代码文件进行仿真，另一种为仿真集成环境Simulink，为实体图形化仿真，效果直观;

（3）Simulink仿真平台除了提供实体图形化模型和仿真仪器之外，还提供专门的电气系统模型SimPowerSystems，虽不是真实物体，但具有实际物体的特质属性与特征，具有实用价值和低成本的优势，仿真结果可与实验数据比较，进行数据分析．

2.2 教学实例分析

2.2.1 Matlab编程方式在理论教学中的应用

电路分析的基本方法是通过数学建模求解矩阵方程，以获得待求支路的电压或电流。当电路规模增大时，方程联立个数随之增多，求解过程将变得十分困难且容易出错。而Matlab是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，专门针对科学、工程计算及绘图等方面的需求，。由Matlab语句构成的程序文件称为M文件，它是以“.m”作为扩展名的文本文件，可以直接阅读并可由任何文本编辑器建立。运行M文件时，只需在Matlab命令窗口输入文件名后按回车键，或者打开M文件后在其编辑窗口点击“运行”按钮即可。具体创建方法：在Matlab命令窗口中点击file菜单new→m-file，主要有命令文件（简单的m文件）和Matlab内置函数文件。相比手动计算，Matlab编程方式只需输入相应语句或函数即可轻松解决各类复杂庞大的数学运算。理论教学是专业课程教学的基础。

通过教学仿真的演示，学生直观体会系统模型的运行结果，这时再进行理论推导，会进一步加深学生对课程的理解．充分发挥虚拟仿真的演示功能，学生一目了然，学习积极性和兴趣就会不断提高，教学效果立竿见影．

2.2.2 电路Simulink仿真技术在实验教学中的应用

实验教学是专业课程教学的重要补充，包括虚拟仿真实验和实训操作．通过实验教学，增强学生对概念和模型的理解．融仿真分析于实验教学，并进行数据分析和图表分析，充分发挥虚拟仿真技术的分析比较功能，有利于学生进一步分析电路模型，分析仿真与实操的差异，从而加深对课程内容的理解．Simulink作为Matlab中的一种可视化仿真工具，它提供了一个对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。Simulink用方框图的绘制代替程序的编写，使用户的精力从编程转向模型构造。利用鼠标或键盘操作，用户可以完成面向框图系统仿真的全部过程，进而直观、快速、准确地达到仿真的目标。模型创建后，可实时改变模块参数，用以研究不同参数对系统的性能影响以及各参数间的相互作用关系。

在Matlab命令窗口中直接输入Simulink命令或在工具栏中单击相应的快捷按钮，即可启动Simulink。在随后弹出的SimulinkLibraryBrowser(库模块浏览器)中，执行File/New/ Model命令，系统会弹出一个名为untitled的空白模型窗口，用户可以在此窗口中创建自己需要的Simulink模型。

（1）打开Simulink。打开matlab，在commandwindow中输入Simulink后回车，鼠标点击主菜单的新建按钮，即弹出Simulink的mdl文件。

（2）放置元器件。

（3）布局和连线。保存文件，根据电路图放置元件到相应的位置，以使连线最短。

（4）设置元件参数。包括设置电源参数、二极管Diode参数、Mosfet参数、PulseGenerator参数、灯的等效电阻RI、示波器参数。

（5）对Simulink电路模型进行仿真。

3 结论

将Matlab引入到电路课程的教学中，能够改善实验课与理论课的存在的分隔、客观实验条件欠缺、实验设备落后等因素所造成的实验效果不理想的情形。更重要是，将Matlab仿真技术引入电路教学中，帮助学生解决计算、绘图和建模等问题，将主要精力集中在掌握电路理论和分析方法的学习上，进而提高学习效率。

[1]张志涌，杨祖樱.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2015.

[2]潘丹青，潘矜矜.基于能力培养的电路基础实践教学研究与实践[J].桂林工业高等专业学校学报，2012，66(2):200-202.

[3]潘湘高.基于Matlab的电力电子电路建模仿真方法的研究[J].计算机仿真，2003，20(5):113－115．

[4]王海，李波．虚拟仿真技术在职业教育实践性教学环节中的应用[J].中国职业技术教育，2011(14):48－51．

The application of MATLAB simulation technology in the teaching of circuit analysis

Yu Yinan
（Wuchang University of Technology，430223）

This paper presents the innovative teaching mode of application of MATLAB simulation technology and combining the theory of classroom teaching, to overcome the shortcomings are not closely linked to the theory and practice of traditional teaching method, through Matlab programming or Simulink modeling, so that students to simulate the actual environment simulation, greatly improve the teaching effect, strengthen the cultivation of students autonomous learning and innovative learning ability.

circuit teaching; Matlab; Simulink