网站原创摘 要：MATLAB作为功能强大的仿真软件,已经在很多领域得到了广泛应用,本文介绍了MATLAB在电气工程及其自动化专业中的具体应用.通过对MATLAB在电路与磁路、电力电子应用技术、交直流调速系统及电力系统中的仿真,提高电气专业学生学习的积极性、学习能力和实践能力,使得学生在以后从事电子产品设计、开发等工作时,能够对所设计的电路进行计算机模拟与仿真计算,以优化参数与配置.
关 键 词：MATLAB；电路；电力电子；电力系统
中图分类号：TM1-4文献标识码：A文章编号：1007-9599（2012）16-0000-02
1引言
MATLAB是多学科多工作平台的大型科技应用软件.它包含众多的工具各异的工具箱,涉及领域包括：数字信号处理、通信技术、控制系统、神经网络、模糊逻辑、数值统计、系统仿真和虚拟现实技术等[1].
2MATLAB在电气工程及其自动化专业中的应用
电气工程及其自动化专业的主要课程是自动控制原理、现代控制理论、电力电子技术、电力系统分析、电力拖动等等,这些课程理论性强,学生学习积极性差,且较难掌握.为了改善这些情况,可以利用MATLAB的Simulink工具对相应课程内容进行模拟仿真,通过这样一个动态仿真来提高学生学习兴趣.
1.1MATLAB在控制系统中的建模与仿真
电气工程及其自动化专业中与控制系统相关的课程,主要是《自动控制原理》和《现代控制理论》.《自动控制原理》中的自动控制系统的分析（时域法、频域法等）和设计方法等,通过MATLAB的仿真,可以使学生了解有关自动控制系统的运行机理、控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等.
在控制系统中,主要是应用Simulink系统仿真分析,以定性分析为主,阐述各环节（及各参数）对系统性能的影响与改进性能的途径,下面举例来说明,图1.1.1所示为弹簧-质量-阻尼器机械位移系统.图1.1.2为此动态系统的Simulink仿真模型,分析系统在外力F（t）的作用下的系统响应,即质量块的位移x（t））.（其中质量块质量m等于5kg,阻尼器的阻尼系数f等于0.5,弹簧的弹性系数K等于5；并且质量块的初始位移与初始速度均为0.）模拟仿真时,外力F（t）可由用户自己定义,使用户对系统在不同作用下的性能有更多的了解.图1.1.3为外力F（t）选幅值为5的阶跃输入的仿真结果.1.2MATLAB在电力电子技术中的建模与仿真
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支.《电力电子技术》现已成为电气工程及其自动化专业不可缺少的一门专业基础课,在培养该专业人才中占有重要地位.通过学习该课程,使得学生掌握电力电子器件的伏安特性以及整流,逆变,斩波,变频,变相等变流技术,学生可以通过利用MATLAB对电力电子器件和变流技术模拟仿真分析,最终对这些内容有深刻的理解.
电力电子器件电力二极管、晶闸管、可关断晶闸管等器件的应用中可以通过建立模型仿真更好的了解这些器件的特性,熟知器件特性后就可以很好的学习变流技术,下面举例变流技术中的三相整流技术.例：建立三相桥式全控整流电路的仿真模型,给出三相桥式整流电路带阻抗负载的仿真结果.参数要求：三相交流电压源通过三个电压为220V,50HZ,相位滞后120度的交流电压源实现,触发脉冲模块频率设为50HZ；R等于1Ω,L等于1mH.图1.2.1为三相桥式全控整流电路仿真模型,图1.2.2触发角为30度的波形图.从波形图得到仿真结果和理论分析结果一样.
1.3MATLAB在电力拖动系统中的建模与仿真
电力拖动系统是生产过程中,以电动机作为原动机来带动生产机械,并按所给定的规律运动的电气设备.电力拖动装置由电动机及其自动控制装置组成.自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制,对电动机转速调节的控制,对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等,可实现对机械设备的自动化控制.因此,《电力拖动自动控制系统：运动控制系统》是电气工程及其自动化专业的重要课程.主要内容包括闭环控制的直流调速,转速、电流双闭环直流调速调节器的设计,脉宽调制,交流调速等等,这些内容都可以通过MATLAB来仿真验证,以提高学生学习的兴趣.
串电阻直流调速举例,仿真模型如图1.3.1所示,设置各个器件参数并进行模拟仿真,最后双击示波器scope、scope1、scope2可以清晰的看到电动机转速、电枢电流、励磁电流的波形图,这里就不再一一列举.
1.4MATLAB在电力系统分析中的建模与仿真
电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统.电力系统分析电力系统稳态运行分析、故障分析和暂态过程的分析.电力系统分析的基础为电力系统潮流计算、短路故障计算和稳定计算.这些主要内容的分析都可以通过MATLAB中的simulink进行建模仿真或通过MATLAB语言辅助计算.
电力系统故障分析主要研究电力系统中发生故障（包括短路、断线和非正常操作）时,故障电流、电压及其在电力网中的分布.应用MATLAB可对其进行模拟仿真,以下举例说明电力系统故障分析,仿真模型如图1.4.1所示,三相短路元件可设置为在某一时刻单相接地故障,参数设定,进行模拟仿真,在示波器scope中可得到单相接地时三相电压电流曲线.万用表Multimeter元件中选择故障点A、B、C电压,示波器scope1得到故障相电压的正序、负序、零序分量的幅值和相位；万用表Multimeter元件中选择故障点A、B、C电流,示波器scope1得到故障相电流的正序、负序、零序分量的幅值和相位.
1.5MATLAB在其他典型系统中的应用
以上几个小结简单的介绍了MATLAB在电气工程及其自动化专业的专业课程中的应用,实际中,工作人员一般是利用MATLAB进行一些准备建设的典型系统进行建模仿真后,获得最佳参数,比如说,近年来,柔直流输电技术在电力系统中的应用越来越重要.利用MATLAB建立合适的柔直流输电和系统电网的模型,利用它来研究系统的动态特性,具有实时、准确、方便等多种优点；电力电子技术和运动控制联合系统应用得特变广泛,它涵盖了电子电路、电机拖动、自动控制、微机原理等多学科领域,是综合性、实践性和应用性很强的研究对象.由于电力电子器件自身的开关非线性,给电路和系统的分析带来一定的困难,一般常用波形分析和分段线性处理的方法来研究电力电子电路.MATLAB仿真软件为电力电子技术和运动控制联合系统的仿真分析提供了崭新的方法与平台.MATLAB还可对很多典型系统进行仿真,在这里就不作一一介绍.
3小结
本文重点讨论了MATLAB在电气工程及其自动化专业中的应用.论述了MATLAB和Simulink在该专业的主要课程中的应用仿真.MATLAB既可以帮助从事相关领域的工作人员对所设计的电路进行计算机模拟与仿真计算,以优化参数与配置,又可以使得该专业的学生在学习相关课程时,通过模拟仿真一方面提高自己学习的积极性和兴趣,另一方面又加深对所学知识的理解,使学生不仅学会知识还能理解各门课程的精髓以及在实际中的使用.