用Matlab实现电工教学可视化摘要:根据Matlab语言的特点，结合教学实例，探索将Matlab程序的绘图功能引入电工教学中，使所绘图形更接近物理真实，进而实现电工教学可视化，丰富教学内容，提高教学效率。关键词：Matlab程序电工学可视化中国分类号：G642文献标识码：A一、引言电工学中有些问题很抽象，某些公式推导需要学生有相当的数学基础才能理解。对高职学生而言，普遍缺乏数学基本功，感觉教材上的推导过程繁杂枯燥。学生的学习基础在一定程度上制约了学习兴趣。若教师在教学过程中能将复杂的概念变为清晰、直观的图形，以简单明了的方式把复杂抽象的问题阐述清楚，则既能提高教学效率，丰富教学内容，又能激发学生的学习兴趣，增强教学效果。Matlab语言以其强大的作图及动画功能能准确和科学地反映出电工学中电压、电流、功率等物理量随时间演化的规律，程序语句也十分简洁，对于学生来讲也是简单易学。本文通过电工学中的两个实例介绍用Matlab程序实现电工教学中的可视化。二、电路瞬变过程教学的可视化当电路的结构或参数发生变化时，例如无源元件的断开或接入，可能改变原来的工作状态，而转变为另一个状态，这种转变需要一个过程，工程上称之为瞬变过程。在瞬变过程中，电流和电压易产生突变，处理不当，极易产生不良后果。如果能够确切地知道瞬变过程中电压、电流的变化规律，就能科学合理地设计电路，避免不良后果的产生。而瞬变过程中电压、电流的变化曲线是我们了解变化规律最为直观的方式。所以在讲授这一章时，画电压、电流随时间的变化曲线是必须的。以前我们是使用“Powerpoint”制作课件。用这种方法制作课件，必须在画图前先用三要素法求出电压、电流的具体表达式，然后再找几个特殊点，最后再连成线。由于描的点数有限，画出来的图只能粗略的反应变化规律。现在使用Matlab程序绘制图形，不需要计算出结果，只要输入电路的参数和各量之间的关系，编制简单的程序，便能迅速得到直观、准确的图形，现以例说明。例：如图所示电路，Us=12V，R=1，C=5F，开关S闭合前，电容C未被充电。t=0时闭合开关S，绘出电容两端电压u和流过电容的电流i随时间的变化曲线。根据电路图可列出如下微分方程：即(1)根据方程(1)和已知条件可编写函数程序fa.m，内容为：functiondu=fa(t,u)Us=12;R=1;C=5;du=(Us-u)/(R*C);然后再编写一个执行文件faa.m,内容为：[t,u]=ode45('fa',[030],[0]);%[030]为时间t的范围，[0]为u的初始值R=1;Us=12i=(Us-u)/Rplot(t,u)%此命令是画出电压u随时间t变化的图形。holdonplot(t,i)%此命令是画出电流i随时间t变化的图形。运行程序faa.m得到电压与电流随时间演化的规律如图1所示C-u++-UsSRi图1这样的绘图，省去了令人烦恼的解答过程，只需要对相应的物理模型列出数学算式即可。由于描点数目不受限制，图形更加准确，更接近物理本质，反映出真实的情形。学生从图形中可以直观地看出，整个瞬变过程只能持续一段较短的时间，约为20秒钟。在刚换路后，电压、电流变化较快，曲线较陡，后来变化曲线越来越平坦。更方便的是程序可以保存下来反复使用，教师在课堂上可以根据学生的要求改变参数R和C，展示R和C对电压、电流演化规律的影响：当R或C的值增大时，瞬变过程将变长；当R或C的值减少时，瞬变过程将变短。从以上例题可以看出，Matlab程序简单易学，可以鼓励学生模仿整个过程，对R、L电路的瞬变过程建立物理模型，用同样的方法绘制图形进行分析比较。图形对学生感官的刺激远胜于数学公式。通过图形，学生能将瞬变过程理解得更为透彻。三、电动机机械特性曲线的绘制电动机的电磁转矩直接决定了电动机带负载的能力，电磁转矩T与转差率s的函数关系为（见文献103页）：，(3)其中K是一常数，是转子电阻，是定子侧电源电压，，是旋转磁场转速，n为转子转速。T的大小与电源电压、转子的转速n、转子电阻等相关。我们把电动机转速与电磁转矩之间的关系曲线称为机械特性曲线。为简单起见，定(3)式中的K=1，其它参数分别为=380V，=0.8，定子侧电流频率f=50HZ，磁极对数p=2。分别为0.2、0.5、1。要画出这三种情况下的机械特性曲线，只需编写如下程序TnR.m：clearallU1=380;p=...