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MATLAB在电气工程及其自动化
中的应用与研究
关键字：MATLAB；电气工程及其自动化；仿真；教学设计
摘要：电气工程课程的特点是强电和弱电相结合，并综合考虑两者的专业知识。在电力测试和新产品的设计中，如果采用真实的物理模型，将大大增加测试系统的复杂性并降低教学效率。而如果通过计算机模拟真实条件，将会得到实际测试没有的效果。因此，对于电气工程专业，计算机模拟起着非常重要的作用。 MATLAB具有各种工具包和功能模块，包括许多相应的电力设备模型，可以实现电机速度控制和电力系统等的分析和设计。它的仿真结果可靠性高，可以充分调动学生的主动性。为了分析MATLAB在电气工程及其自动化中的应用，本文首先简要介绍了MATLAB，然后分析MATLAB在电气工程及其自动化中的应用，期望为电气工程专业教学提供一些参考。
电气工程及其自动化具有电机及其控制，电力系统自动化和制造管理等专业知识。它要求学生掌握强电方面如数学、计算机、电机和高电压等，以及弱电场如操作控制、研究和开发领域。它具有很高的专业性。在具体教学中，尽管各大学的教学侧重点有所不同，但他们都要求学生学习电力系统和电路等方面的知识。采用传统教学模式花费巨大，并且存在教学失败的风险，这对于教学来说是很不利的。MATLAB软件是大型飞机应用软件之一，具有多学科平台的特点，涉及多个领域，可以应用于电气工程和自动化专业教学。本文主要分析了MATLAB软件在电气工程及其自动化中的应用。
浅析MATLAB
MATLAB是一种由美国MathWords公司生产的商业教学软件。MATLAB是Matrix和Laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。它是经常使用的教学软件之一，主要用于数据可视化，数据分析和算法开发等。MATLAB软件的基本数据单元是矩阵，类似于数学工程中经常使用的指令表达式。 MATLAB软件包括各种功能工具包软件，如数值分析，数字图像处理，数字信号处理和解调及金融工程等。本文主要分析Simulink工具包。 Simulink是一个用于模拟仿真和分析的工具包，同时支持线性和非线性系统，可以提供完整的模型基础。它具有可视化和可重新加载的功能，可以显着提高模拟测试的可靠性。由于其开放性，MATLAB软件允许用户独立设计他们需要的模型，这在教学中具有很大的优势。
Simulink工具包包括电力电子、电机和电气工程的主要模型，其分为7个模块库：应用模块库、测量模块库、离散测量模块库等。电源模块库包括直流电压源、电流源和交流电源。元件模块库包括变压器、开关和交流变压器等。附加模块库包括同步6脉冲发生器、时钟、离散测量模块库和PID控制器等。测量模块库主要包括电流电压测量模块。
MATLAB仿真在电气工程及其自动化中的应用
电气工程及其自动化的实验教学活动存在各种问题。 例如，由于目前大多数课程都建立了数字平台，导致即使学生没有深入地了解相关知识，他们也可以通过阅读指导书完成实验，造成了理论和实践的分离，削弱了学生的研究能力。 此外，随着电器零部件的快速更新，现有的实验条件变得不能满足一些新型实验或大型电力实验的需要。
采用MATLAB软件可以使计算机模拟设计和虚拟实验同步实现，而不受组件的限制。同时，它将有利于电路参数的调整和覆盖，实现电器部件的更新变化，有助于提高学生的综合设计和实验能力。仿真有利于培养学生的思维和创新能力，确保他们在掌握软件技术的基础上掌握实验分析方法，提高学生的学习兴趣。
电气工程及其自动化的教学内容主要包括自动控制原理、现代控制理论、电力系统理论等，这些知识过于理论化，采用传统的教学方法难以实现理想的教学效果。然而，MATLAB软件的采用将实现仿真的应用，有利于提高理论知识的形象性和学生探索的欲望。
MATLAB软件在控制系统中的应用。在专业学习过程中，控制系统的主要内容包括现代控制理论、自动控制原理等。在控制原理的学习过程中，MATLAB软件可以应用于仿真实验的分析和设计，可以让人们充分了解系统的工作原理、控制参数等内容。在控制系统中，模拟分析主要通过Simulink系统的定性实验分析来进行，以分析系统性能随不同参数的变化，并进行相应的改进。例如，弹簧质量阻尼器机械位移系统分析的学习过程：图1是负载质量为5kg，弹簧阻尼因子f为0.5，弹性系数为5的仿真模型。假设对象的初始速度为0，在外力
F（t）发生变化的条件下，我们分析质量的位移变化，并通过模拟结果进一步获得系统性能的知识。
图1弹簧阻尼器机械位移系统仿真模型
MATLAB软件在电力牵引系统中的应用。电力牵引系统由电机根据相关规则驱动机器运作。在电力驱动系统中，自动控制装置是主要部分。找到相应的变化规律，控制其重要的物理参数和电机的旋转速度等，对于控制自动机械设备来说是非常重要的。电力牵引系统主要包括交流调速，脉宽调制等，其仿真均可通过MATLAB软件实现。
MATLAB软件在电力系统建模中的应用。电力系统属于消费和生产系统，包括发电、配电、用电等不同部分。瞬态过程、稳态运行等都需要在电力系统中进行分析，如电力系统潮流计算和短路故障计算等，这些都是电力系统学习的基本知识。在学习期间，可以通过使用MATLAB软件实现仿真建模。在实际工作中，工作人员可以通过MATLAB软件的仿真建模获得最佳参数。
MATLAB在主要课程的教学过程中的应用
电气工程及其自动化专业的主要课程包括电力和电机技术、自动控制系统等。 它们工作原理的推导过程非常复杂，涉及许多电离图、波形图、公式等。因此，采用传统教学是很困难的。而应用MATLAB软件便可以很好地解决这些问题。 在MATLAB软件的Simulink部分，电力系统模块包括直流异步电动机和同步永磁电机，为教学提供了巨大的优势。
以三相桥调节器电路为例，通过Simulink和电源系统模块的建模和参数设置，可以从电源系统模块集中获得单相交流电压源，可以清楚地显示三相电压测量单元和示波器等元件，仿真结果一目了然。
图2仿真模型和微分方程的结果
使用积分器求解微分方程。在计算中，二阶微分方程需要从现实性质中抽象出来。微分方程如图2所示。运行后，可以获得相关的仿真结果。
三相桥全控整流电路的教学。例如，在全控整流电路中，相电压电源、整流变压器输出电压分别为220V和100V，需要观察输出电压和电流随不同负载和触发角度的变化，以及主次谐波和交流侧电流波形。假设电阻为5欧姆，三相电源电压的峰值为220，频率为50Hz，整流比Nayaqi参数初级绕组连接方式和次级绕组连接方式分别选择为D11和Y，线电压分别为380V和173V。如果需求不严格，其他变压器的吸收数量可以保持不变。同步变压器的初级绕组连接和次级绕组连接分别选择为D11和Y，其中线电压分别为380V和150V，其他参数默认不变。仿真时间设置为0.06s，仿真实验可以在仿真参数设置完成后开始。仿真结果显示整流器输出电压为正，且变化与电压波形的变化一致，但Y坐标不同。如果更改控制，可以观察不同工作情况下的波形变化。
在阻感负载（电阻值设置为5欧姆）的仿真模型中，负载PLC参数应修改。 L值设为0.01H，触发角度60度，模拟时间0.16s，启动仿真模型可以得到输出电流和电压值。在当前的变化期间，幅值稳定之前有一个上升时期。适用于双闭环调速的电流环速度控制。如图3所示，在集成环境中建立了仿真模型。0.3s后，输入单位阶跃响应信号，需要将PID控制器模块放入图中。
图3 使用了PID调节器的双闭环调速度控制
MATLAB在毕业设计中的应用
在电气工程及其自动化的毕业设计中，有很多专业知识，更新速度非常快。 在传统的教学中，教学重点是电气设计和保护继电，很少关注流行的电力通信和故障诊断。此外，在传统教学中，文献检索非常困难，但采用MATLAB软件可以弥补传统教学的不足。
在毕业设计过程中，学生很有可能遇到相当复杂的模拟程序。在电力系统建模和仿真分析设计中，MATLAB软件为学生提供电气专业所需的各种组件，因此他们可以构建各种电力系统模型，然后观察采用的变化模型，并验证实验结果。如用MATLAB软件建立一个电力系统潮流计算模型，通过仿真可以得到节点流量分析的数据，通过与设计流量计算结果的比较可以得到结果。此外，建立模型的分析方法可以为电力系统仿真接口的设计提供帮助。
MATLAB在电参数采集中的应用。在毕业设计中，涉及的电参数包括功率、电流和相位变化，这些参数可以通过仿真得到。在MATLAB软件中的FFT分析的帮助下，可以获得结果。MATLAB软件中的图形编辑器可以为设计人员提供相应的观察模块。例如，在示波器模块中，他们可以清楚地看到仿真结果和波形并在任何时候对参数值进行观察和分析；在显示模块中，他们可以直接读取每个功率的电流值和电压值。最典型的例子是电力系统中电力稳态参数的读取。在中性不接地系统中，线路上不同相的值都可以被读取。通过合理的判断，这些获得的参数可以为断层线的判断提供依据。
使用MATLAB软件的GUI图形界面可以极大地帮助电气仿真界面设计。这里的图形用户界面主要包括窗口、光标、菜单等，用户可以通过键盘导入和导出相关参数，使用鼠标激活这些参数，完成相关数据计算或波形的绘图等。MATLAB软件的图形界面设计主要通过图形对象操纵来实现。因此，用户在使用MATLAB软件时需要了解各种图形对象的属性和特性，因此它可以充分培养设计师的设计能力。例如，在电力系统潮流计算的MATLAB仿真实验中，集成了GUI内核的模型和功能文件，通过点击相应的按钮可以访问子界面。在主接口上各种菜单栏的互斥设计中，需要添加相互排斥的程序来实现此操作，例如：set（andles.radicbutton2,”value”,0）；set（andles.radicbutton4,”value”,0）未检查和点击按钮的返回值分别设置为0和1，以实现互斥功能，并测试编程能力和构建电气模型的能力。
结论
总之，本文分析了MATLAB软件在电气工程及其自动化中不同方面的应用。 电气工程及其自动化的教学活动涉及各种科目的知识。在教学中，学生需要掌握电气工程及其自动化专业的基础理论，掌握其基础理论的研究方法，从而提高实践能力。在模拟仿真中，使用MATLAB软件有利于实现资源的优化配置，同时还可以增加学生的兴趣和参与的热情。
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