劉德春+李定珍+張迪

摘要：為了增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，選用典型案例，采用案例法進(jìn)行學(xué)習(xí)。先提出問題，引入案例；后分析問題，經(jīng)過討論，層層剖析問題，找出解決問題的途徑和方法；最終借助Matlab軟件仿真驗(yàn)證，解決問題。該學(xué)習(xí)方式直觀、形象，避免了枯燥的理論推導(dǎo)，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣和熱情，受到了學(xué)生們的一致認(rèn)可和歡迎。

關(guān)鍵詞：案例學(xué)習(xí)法；Matlab仿真；DC-DC變換器；學(xué)習(xí)效果

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0210-02

一、引言

案例學(xué)習(xí)法是選擇合適、恰當(dāng)、典型的案例進(jìn)行講授的，可極大地調(diào)動起學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲[1-2]。而Matlab軟件有強(qiáng)大的仿真功能，可直觀地再現(xiàn)電路的基本定律、定理，以及電路的響應(yīng)曲線、特性分析，效果非常動態(tài)、形象。比較難理解的推導(dǎo)過程，通過Matlab仿真，即可輕松掌握[3]。因此可將Matlab與所學(xué)課程融合起來，盡量減少理論推導(dǎo)，著重培養(yǎng)學(xué)生利用Matlab去分析解決問題，加強(qiáng)實(shí)踐鍛煉，開拓思路，開闊思維，全面鍛煉其能力。

二、案例學(xué)習(xí)法的應(yīng)用實(shí)踐

在課堂學(xué)習(xí)中采用案例學(xué)習(xí)法，一上課，老師就拋出一個精心挑選的具體案例，提出需要解決的問題，一下就抓住學(xué)生的眼球，激發(fā)起學(xué)生的認(rèn)知興趣和情感，充分調(diào)動起學(xué)生的積極性和興趣；然后由師生共同分析討論，層層剖析需要解決的問題，啟發(fā)學(xué)生的思維，讓學(xué)生用最短的時(shí)間和精力投入到學(xué)習(xí)最佳狀態(tài)中；接下來找出合適的方法，解決問題。下面列舉一個實(shí)際案例講解。

1.提出問題，引入案例。試設(shè)計(jì)一個變換器電路，要求輸入電壓為3～6V的不穩(wěn)定直流電壓，輸出為穩(wěn)定的15V直流電壓。要求紋波電壓低于0.2%，負(fù)載電阻為10Ω。

2.分析討論，剖析案例。師生共同就提出的問題進(jìn)行討論、分析，得知該電路是一個DC-DC升壓變換器。師生共同設(shè)計(jì)電路如圖1所示。Us為輸入電壓，大小為3～6V，Uo為輸出電壓。通過開關(guān)管T的控制作用，來實(shí)現(xiàn)升壓變換。輸入側(cè)電壓串接大電感，是電流源性質(zhì)，輸出側(cè)負(fù)載電阻上并聯(lián)大電容，是電壓源性質(zhì)。開關(guān)管選用MOSFET，開關(guān)頻率選為40KHz。電路中其他元件參數(shù)如下：

占空比調(diào)節(jié)范圍：

Uo/Us=15/6=1/（1-DCmin） DCmin=0.6 （1）

Uo/Us=15/3=1/（1-DCmax） DCmax=0.8 （2）

臨界電感值：

Lc=R/2*DCmin（1-DCmin）2*Ts=10/2*0.6

（1-0.6）2*1/4000=12μH （3）

實(shí)際電感值取臨界值的1.2倍，因此L取15μH。

根據(jù)紋波要求計(jì)算電容值：

C=Vo*Dcmax*Ts/R*△Vo=15*0.8/10*0.002*15*

4000=1mF （4）

實(shí)際中所取電容值應(yīng)該有一個裕量，在本例中不再留裕量，電容就直接取1mF。

3.巧用Matlab仿真案例，解決問題。（1）建立仿真模型。根據(jù)題意要求建立仿真模型，所建立的仿真模型如圖2所示。在Matlab軟件的“Simulink”庫以及“SimPowerSystems”中提取所需的模塊。

主電路仿真設(shè)計(jì)步驟：在“SimPowerSystems/Electrical Sources”庫中選擇直流電壓源模塊，在對話框中將US設(shè)為3～6V中的任意一個值；然后在“Power Electronics”庫中選擇“Mosfet”和“Diode”模塊，導(dǎo)通電阻設(shè)為0.00000001，其中“Diode”的壓降設(shè)為0.8；在“Elements”庫中選串聯(lián)RLC支路模塊，分別設(shè)為R=10Ω、L=15uH、C=1mF?？刂齐娐贩抡嬖O(shè)計(jì)步驟：在“Simlink/Sourc es”庫中選擇“Pulse Generator”模塊，幅值設(shè)為1，周期設(shè)為25e-6s，占空比設(shè)為60%，其他為默認(rèn)值。波形觀測的設(shè)計(jì)：在Simlink/Signal Routing庫中選擇“Bus Selector”模塊，連接“Mosfet”和“Diode”的觀測端口，將“Bus Selector”設(shè)為測試電流[4]。設(shè)“Scope”為6輸入通道。在“SimPowerSystems/Extra Library/Measyrements”里選取“Mean Value”，將其設(shè)置為20e-6s，在“Simlink/Sinks”里選取“Display”，則可求輸出電壓平均值并顯示。（2）分析仿真結(jié)果。仿真時(shí)間設(shè)為0.1s，仿真算法選擇ode23t。運(yùn)行仿真，可得電路Uo的仿真波形。Uo的平均值測量：設(shè)輸入電壓為6V，占空比60%時(shí)輸出Uo平均值如圖2中所示，為14.99V。Uo的波形分析：電壓Uo上升階段，電容電流為一個不斷減小的正值，因此Uo雖上升，但上升率卻不斷減??；下降階段，電容電流是一個恒定的負(fù)值，因此Uo以恒定的斜率下降。若需要Uo波形，了解變換器何時(shí)有穩(wěn)定的Uo。這就需要繪制其完整Uo波形。方法如下：將數(shù)據(jù)存入Workspace中，命名為ScopeData，點(diǎn)擊ScopeData，即出現(xiàn)一對話框，點(diǎn)擊其中Uo的信息，點(diǎn)擊圖標(biāo)

（plot（ScopeData.signals（1，4）.values），即可繪制出圖3所示輸出電壓Uo的完整波形。Uo的紋波分析：輸出電壓有紋波，但紋波值很小。紋波的計(jì)算：輸入6V時(shí)，Uomax=15.0105V，Uomin=14.977V，平均值為14.99V，則紋波電壓為0.22%，比要求的紋波大一點(diǎn)，這可通過加大電容值使電壓紋波滿足要求。

三、學(xué)習(xí)效果顯著增強(qiáng)

選擇合適的方法對增強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)效果起著舉足輕重的作用[5]。采用案例學(xué)習(xí)法，借助Matlab仿真軟件，理論聯(lián)系實(shí)際，通過提出問題，層層剖析問題，師生共同討論，把同學(xué)們的疑惑，通過仿真，直觀地將過程和結(jié)果呈現(xiàn)出來，便于學(xué)生與教師溝通交流，大大提高了學(xué)生的聽課熱情，調(diào)動了課堂氣氛，促進(jìn)了學(xué)生主動參與課堂的積極性，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了課堂的聽課效果。該案例在我們14級兩個電氣工程及其自動化班進(jìn)行了課堂實(shí)踐，約99%的學(xué)生喜歡該方法。這種學(xué)習(xí)方式直觀、形象，易于知識的掌握，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李鵬飛，李正中，鄔紅，劉顯榮.工程案例在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國電力教育，2011，（25）：101-102.

[3]孫默.基于課堂教學(xué)視頻案例的教師遠(yuǎn)程培訓(xùn)[J].中國電化教育，2011，（4）：85-86.

[4]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[J].中國電力工業(yè)出版社，2009.

[5]趙一梅.談?wù)n堂教學(xué)中學(xué)生資源的開發(fā)和利用[J].教育探索，2011，（2）：85-86.