电路实验与Matlab／Simulink仿真

第２２卷第４期　天津理工大学学报　ＶｏＩ．２２　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００６　２００６年８月　ＪｏＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　文章编号：１６７３—０９５Ｘ（２００６）０４．００８３．０３　电路实验与Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真　徐钦民，徐　伟，任兆香　（天津理工大学自动化与能源工程学院，天津３００１９１）　摘要：在探索和研究电路实验的改革创新过程中，分析电路实验存在的不足，对电路实验提出改进的措施．提出　采用工程软件Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行电路仿真实验的方法，弥补电路实验的不足．用复杂交流电路和二端口电路的测　量实例来说明电路仿真实验的优势所在．　关键词：电路实验；仿真实验；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ＸＵ　Ｑｉｎ—ａｉｒｎ，ＸＵ　Ｗｅｉ，ＲＥＮ　Ｚｈａｏ—ｘｉａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１９１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｓ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｔｏ　ｅｘｉｓｔ　ｄｅｆｉｃｉｅｎｔｓ，ｔｏ　ａｄｖａｎｃｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａ－　ｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉａｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｉｎｎｏｖａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｐｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ａｄｏｐｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｔ　ｍａｋｓ　ｕｐ　ｆｏｒ　ｆａｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉ—　ｍｅｎｔｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ａｃｔｕａｌ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ａｒｅ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　《电路》是电类各专业的重要专业基础课，学生　学好《电路》，对后续专业课的学习至关重要．同时，　电路实验是《电路》教学过程中的重要环节，以培养　学生的动手能力、创新意识、科学研究的能力为目　尤其是常见的、典型的电路．为防止理论教学和实　践的脱节，探索在教学过程中兼顾理论和实践的结　合点是电路教学改革的一项重要任务．为此，引入　仿真实验教学环节可以弥补这方面的不足．　的．为此，一方面增加电路实验学时，并单独设课、　单独考核；另一方面增加电路实验的类型和内容．　但是，理论教学与实验教学是分离的，学生在课堂上　不能看到实际电路的结构和工作特性，而在实验教　学中，由于受到实验学时和实验设备等诸多客观条　件的限制，也不可能把所有电路实验都开设出来．　譬如：大部分实验都用实验箱（台）来完成所做的实　现阶段，电路实验分为４个层次，即：验证型、提　高型、设计型、综合型．由于受到实验学时和实验设　备等客观的限制，以验证型实验为主，提高型、设计　型、综合型为辅．很难使学生在动手能力、创新意　识、科学研究的能力有所突破．所以，实验的目的大　打折扣．譬如：含有受控源电路的戴维南定理的验　证、复杂交流电路的功率测量、非正弦交流电路的测　量、含有受控二端口网络参数的测量等，很难在实验　中得以实现．为此，在电路的教学过程中引入电路　仿真就可很好地解决电路实验中存在的不足，使电　路实验与电路仿真有机的结合在一起，优势互补．共　同促进学生对《电路》课程的学习、理解和掌握¨　．　Ｍａｔｌａｂ语言是由Ｍａｔｈ　Ｗｏｒｋｓ公司于１９８４年推　验，几乎所有的电路都是封闭的．因此，学生对电路　的结构了解不够，使得学生只能机械地、被动地连　线、读取数据，再套用公式，分析数据．只要连线正　确、实验仪器仪表完好，学生也能完成实验报告，很　多学生仅机械地抄写实验报告，不能真正地达到预　习的目的．因此，这样不利于学生掌握电路的特性，　收稿日期：２００５．０９．０８．　基金项目：天津理工大学《电路》精品课程建设项目　第一作者：徐钦民（１９６２一）男，副教授．　维普资讯 http://www.cqvip.com

・８４・　天津理工大学学报　第２２卷第４期　出的数学软件，早期以矩阵运算为主．如今，Ｍａｔｌａｂ　已成为集数值计算功能、符号运算功能、图像处理功　能等为一身的超级科学计算语言，满足了不同领域　用户的需求．同时，Ｍａｔｌａｂ提供的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是一个用　来对动态系统进行建模、仿真、分析的软件包，使得　建模非常简洁、容易．在过去的几年里，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ已　经成为教学和工业应用中对动态系统进行建模时使　用的最为广泛的软件包．　１典型仿真实验举例　利用Ｍａｔｌａｂ语言对电路进行仿真实验有多种方　法，其一：采用编程方法，根据已知的电路实验模型，　充分利用Ｍａｔｌａｂ语言的函数功能和绘图功能完成对　电路的仿真实验；其二：应用Ｍａｔｌａｂ语言制作图形界　面（ＧＵＩ）功能完成电路的仿真实验；其三：利用Ｍａｔ．　１ａｂ提供的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ库对电路进行仿真实验，这里可　分别使用测量模块Ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ、电力系统分析模块　Ｐｏｗｅｒｇｕｉ、基本模块的等功能模块来完成对电路实验　的仿真．以上方法各有优势，本文利用基本模块来　完成对电路实验的仿真，这种方法更接近实际电路　的实验　．　１．１　复杂交流电路参数的测量　复杂交流电路的分析是电路理论的重点和难　点．借助电路实验和电路仿真分析有助于学生对交　流电路知识的理解和掌握　ｊ．电路如图１所示，参　数已标在图中，分别测量电路中各支路的电流、电　压、功率．启动Ｍａｔｌａｂ软件和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ库，分别创建　ｐｏｗｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．ｍｄｌ和ｖａｎｄｉ．ｍｄｌ两个文件，从　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块库中提取所用的基本模块到两个文件　中去，按已知电路模型的参数设置基本模块参数，并　将基本模块按照模型联接．功率测量模型和运行结　果如图２所示．支路电流、电压的测量模型和仿真结　果如图３所示．　图１交流电路模型　Ｆｉｇ．１　Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｅｌ　１．２二端口网络参数的测量　二端口电路是电路理论课程的重要内容．涉及　对二端口电路的特性、参数、连接、等效等内容的分　图２　实际电路的功率测量模型及仿真结果　Ｆｉｇ．２　Ｐｏｗｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｃｉｕｃｕｉｔ　电流测量　内　鎏　Ｌ－＿Ｊ　Ｊｒ～　－ｌｍ蛔ａｇｎａ１ｉ　ａｎｇｌｅ　ｌ　ｌ０ｏ０　Ｉ　ｌ＿［匹　』　Ｊ￣ａｇｎ　ｌ　０ｏ０　Ｉ　、交流一　－－－－－－——１叫　ｇ“　１　ｌ　Ｉ４　９４　Ｉ　电流源　Ｍｕｘ　—’　ｌ　兰：　１　Ｉ　电测压量　ｊ　兽：阻ｚ１抗　　＝｝也厂叫　茅　。　臣固　臣互］　Ｉ　２３６．１６ｌ　Ｉ　ｌ　厂雨　图３　交流电路的电压、电流测量模型及仿真结果　Ｆｉｇ．３　Ｖｏｌｔａｇｅｓ，ｃｕｒｒｅｎｔｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｓｔ　ｏｆ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｃｉｕｃｕｉｔ　析和研究．借助电路实验和仿真分析有助于学生对　这部分知识的理解和掌握．实际二端口的电路实验　是一个不含受控源的简单电路，测量的参数也仅限　于一种，而对于其他参数只能理解．在此，对一个含　有受控源的二端口电路的参数测量，还需利用其他　参数的定义对其进行测量，同时，也加深对其他参数　的理解和掌握．实际电路如图４所示，电路中的元件　参数已标在图中．测量该电路的ｙ参数和　参数，　即：Ｙｔ　，　，王，２　，　和　，　，　．模型建立的方　法和步骤同３．１中所述．根据ｙ参数的定义，测量　，　。可以共用一个模型来完成．输出端口短路，　即：Ｕ２＝０，Ｙ　ｌ，２　参数的测量模型和仿真结果如图５　所示．测量　：，　也可以共用一个模型来完成．输　入端口短路，即：Ｕ　＝０，ＹＩ　，　参数的测量模型和仿　真结果如图６所示．　图４二端口电路　Ｆｉｇ．４　Ｔｗｏ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年８月　徐钦民，等：电路实验与Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真　・８５・　测量输入端儿　．　输出端，２　毽　Ｉ黧　Ｊｒ　Ｉ　。　千　＋　＝ＪＩ　ＨＥ　输入导纳Ｙ１１ｊ　转移导纳ｇ２１　ｌＥ　　Ｈ　图５测量　，，　的模型和仿真结果　Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｌ，　ｌ　测量输入端儿　图６测量　，　的模型和仿真结果　Ｆｉｇ．６　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　２，　根据７１参数的定义，测量　，　可以共用一个　模型来完成．将输出端口开路，即：１２＝０，Ｔ…　参　数的测量模型和仿真结果如图７所示．测量７１　：，　：　也可以共用一个模型来完成．将输出端口短路，即：　＝０，Ｔ　：，　：参数的测量模型和仿真结果如图８　所示．　图７测量　…　的模型和仿真结果　Ｆｉｇ．７　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔ…　ｌ　图８测量　，　的模型和仿真结果　Ｆｉｇ．８　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　２，　２　结论　本文提出借助Ｍａｔｌａｂ语言对电路实验进行仿真　的思路，并用实例来说明，从中可以看到，充分利用　Ｍａｔｌａｂ语言对电路仿真，实验简单、方便．将电路仿　真实验引入电路理论的教学，可以使学生直观地了　解和掌握基本电路的原理和特性，加深对电路特性　的理解，使理论教学、实验教学、仿真实验三者有机　的结合在一起，有助于改善电路教学的薄弱环节，并　可以作为实验内容，弥补实验室设备有限、实验学时　有限的不足．达到培养和提高学生动手能力、创新　意识、科学研究能力的目的．　参考文　献：　［１］　徐钦民．指导大学生科技竞赛，探讨深化专业基础课　的课程建设［Ｊ］．实验室研究与探索，２００４，（１２）：１８５—　１８６．　［２］　徐钦民．基于电类课程的仿真教学设计［Ｊ］．计算机仿　真，２００３，Ｓ１）：３４３—３４５．　［３］　徐钦民．基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ库的电路ＣＡＩ［Ｊ］．天津理工学　院学报，２００３，１９（２）：４４．４７．