创新观察
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Multisim 和Matlab 在电路功率分析中的应用
黄勇超
（广州南洋理工职业学院 智能工程学院，广东 广州 510900）
引言：
功率是电路元件的一个重要参数，电阻耗能属于有功功率，电感、电容储能属于无功功率。功率表常用于测量元件功率并判断元件吸能还是放能，功率因数反映了电能在电路元件中的使用效率。
常规的实验教学中，电路元件的功率在实验室测试，比较费时间。Multisim 的虚拟环境中有丰富的虚拟测试仪器，Matlab 有强大的数学运算功能，二者有效结合，既可做电路测试，又可做电路分析，常给电路的功率分析带来了极大的方便[1]。借助Multisim 和Matlab 软件进行仿真分析，常有事半功倍的效果。
下面举例说明Multisim 和Matlab 软件在电路元件的功率分析中的应用。
1.虚拟功率表判断直流电源输出或输入能量
Multisim 中的虚拟功率表由虚拟电压表和虚拟电流表组成，测量有功功率和功率因数。根据前者的正负可以判断电源所处状态。有功功率为负，电源给电路提供能量，处于输出状态；有功功率为正值，电源从电路吸收能量，处于输入状态。
在Multisim 中建立两个电源1V、4V 的功率测量电路如图1所
示。
图1  电源功率测量电路图
在图1中，未接入虚拟功率表之前，先用Multisim 中的测量探针判断电流的方向，然后，两只虚拟功率表分别两个电源相接。虚拟电压表、虚拟电流表分别与电源并联、串联；电流流入端、流出端分别接两表的正极、负极，最后进行仿真。
电源功率测量结果如图2所示。4V 电源有功功率为负，输出能量，电压方向和电流方向不一致；1V 电源有功功率为正，输入能量，图中电压方向和电流方向一致。理论计算可知，电路功率
是平衡的。
图2  电源功率测量结果
2.提高电路功率因数的Multism 仿真
在如图3所示的二端网络电路中，接入虚拟万用表、虚拟电
流表和虚拟功率表，并对前2者进行交流设置。设电源电压u=200V，频率f=40Hz，电阻R=30Ω，电感XL=0.16H，测得电路
的功率因数是
0.584。  图3  二端网络电路
将电路的功率因数提高到0.9，据理论计算，需与电阻和电感元件并联40.9uF 的电容，如图4
所示。
图4  并联电容C 的二端网络电路
在图3、图4所示的电路中，从虚拟交流电压表、虚拟功率表可知，输入电压和有功功率基本不变，虚拟交流电流表显示的有效电流由图3的3.843A 减小到图4的2.418A，说明视在功率减小，功率因数提高到0.91，和理论值基本一致。
3.最大功率传输定理的Matlab 仿真
在如图5所示的有源二端网络中，设负载RL 所接网络的开路电压为Uoc，网络除源后的等效电阻Ro，负载电流RL 上的电流、功率分别为 、。当时，RL
获得最大功率。
图5  二端网络电路
下面通过Matlab 编程[2]，分析当RL 等于何值时获得最大功率，并推导出最大功率公式。
Matlab 编程如下：
《装备维修技术》2021年第6期
matlab求导—327—
syms  UOC  RO  RL P=（UOC/（RO+RL））^2*RL；%功率公式
RL=solve（diff（P，RL）==0，RL） %求电阻功率最大时的电阻值
PLMAX=（UOC/（RO+RL））^2*RL %推导最大功率公式 运行以上程序，得到：
RL =RO，PLMAX =UOC^2/（4*RO）
即：当RL=RO 时，电源向负载提供最大功率PLMAX =UOC2/（4RO）。
设Uoc=6V，Ro=4Ω，可得PLMAX =2.25W，下面再用Matlab 编程仿真这个结果。
UOC=6；RO=4； t=0：0.5：50；
P=UOC.^2./（RO+t）.^2.*t； plot（t，P）；
plmax=max（P）  %负载的最大功率计算
Rl=（find（P==plmax）-1）*0.5 %求最大功率对应的负载阻值 运行以上程序，得到如图6所示的二端网络电路的仿真曲线，并得到：plmax= 2.2500，Rl= 4。可见，Matlab 编程的仿真结果与
理论计算结果一致。
图6  Uoc=6V 时负载阻值与输出功率关系的仿真曲线
图5所示二端网络电路也可在Multisim 中建立图7所示的电路模型。仿真结果是虚拟功率表有功功率为2.25W 功率，与Matlab 编程仿真及理论计算的结果一致。
。
图7  Uoc=6V，Ro=RL=4Ω的电路模型
4.结语
Multism 中可用虚拟仪器替代物理仪器[3]进行测试[3]。用虚拟功率表的有功功率正负的测量可以判断电源是输出或接收能量；在改善电路功率因数设计中，虚拟功率表的功率因数可以直观地验证手工计算的结果。Matlab 编程借助于求导的概念就可推出最大功率公式，避免了繁琐的手工推导。
由此可见，Multism 和Matlab 在电路分析中合理运用，可以更好地理解电路。
参考文献：
[1]李亚宁.Mutisim 软件优化“电路分析基础”课堂教学[J].无线互联科技.2007（32）： 46-47
[2]张安华.MATLAB 仿真在电路分析中的应用探索[J].佳木斯职业学院学报.2011（11）：97-99
[3]俎云霄，李巍海，张 轶.Multisim 在电路分析基础课程教学中的应用[J].中国现代教育装备.2010（15）：28-30
作者简介：
黄勇超，男，汉族，四川南充人，出生于1968年3月、工程师、硕士、研究方向：电路分析技术、自动控制技术、电子技术等。
（上接第324页）
（一）需在时间、地点、人员和任务上开放
首先在时间和地点上应进行开放，自主互通式实训模式下学生可以通过网络进行选课等操作，待教师审核通过后进行正常课程的实训，学生也可以利用课余时间自己去实训室锻炼学习，因此有的实训项目将会在晚上、周末等时间进行，所以实训时间和地点上需要进行开放。同时，学生自由选择实训任务对应的指导教师，所以在实训人员上要实行开放。最后，不同专业的学生，可公选实训任务和项目，所以实训任务上也要开放。
（二）对学生进行引导
需对学生进行适当地引导。首先要对实训过程进行严格的监督和制约[3]，对学生的整个实训过程进行详细记录，比如学生参与实训的具体时间、具体实训室、指导教师、实训任务、操作流程、使用器材等，这样做可以加强学生在实训过程中的规范性和严谨性，从而提高学生的实训素养，减少实训过程中事故的发生。接着，采用准入实训室考核制度[3]，学生在自主进入实训室进行实训之前，要参加准入实训室的考核，考核的内容涵盖实训室设施设备的基本使用规范，环境卫生的爱护细则、突然安全事故的处理措施等，考核通过后方可进入实训室自主实训，由此来降低实训室的实训设备和工具的损坏率，并提升学生在实训过程中使用设备的严谨性和规范性。
（三）制定专项实训使用资金
为了满足自主互通式实训模式的开展，汽车类专业的学院乃至学校需设立专项实训使用资金，利用这些资金来购入实训设备、实训工具，由此满足实训项目量增多的要求；同时引入相关的网络操作系统，使学生、教师和管理人员能够方便地开展网上选课、申请、处理等一系列操作；最后来支付自主互通式实训管理模式带来的人员经费的支出。
（四）完善管理模式。
首先引入多人员管理模式。自主互通式实训模式不同于常规的实训模式，它具有很强的变通性，这可能导致一个实训教师不能符合实训教学的需求，因此可以实行多教师联合上课管理模式[3]
。同时，开放自主互通式实训模式后，实训项目大大增加，实训
时间大大增多，因此可实行教师和学生共同管理模式，常规课程上的实训时，让教师监督管理；学生自己练习实训时，设置勤工俭学岗，让有经验的高年级学生或参加技能比赛的学生监督管理，这不仅可以发挥学生的主动积极性，还解决了实训教师不够或实训时间在晚上或者周末进行的问题。
其次，不能只是照搬统一的实训管理模式，要制定有针对性的自主互通式实训管理模式，明确教师、管理员、教务人员、学生等的具体角和分工，让所有实训参与者都有规章制度和程序条例可以依据。
最后，需配备现代化的网上选课、申请、处理等一系列操作的网络操作系统，学生可以通过手机完成整个自主互通式实训的网上操作流程。
六、结语
自助互通式实训管理模式实行，在开始阶段肯定会遇到一些困难和阻碍，需要学生、教师乃至学院投入一定的时间和精力，但它是一种基于学生掌握情况、个人兴趣爱好和未来职业规划，兼顾实训室使
用过程中时间、地点、任务和人员的开放化、自主化、互通化的学生自主式实训管理模式，它将打破高职院校汽车类专业现有实训模式，事半功倍，后期将会成果显现，实现汽车类专业实训的进一步发展。
参考文献
[1]卜燕红.高职院校开放性实训室管理分析[J].无线互联科技，2019，16（15）：83-84.
[2]钱平，罗文煜，孙逊，游旷喆，王会燕.“互联网+”思维下实训室与设备管理研究[J].无线互联科技，2019，16（15）：100-101. [3]沈鹏.高职院校开放性实训室与人员管理策略分析[J].电脑知识与技术，2019，15（30）：135-136+184.
作者简介：
吴强（1990-），男，湖北武汉人，武汉交通职业学院，助教，研究方向：汽车CAE 分析、汽车专业教学、实训发展研究；
基金项目：
武汉交通职业学院校级项目“高职院校汽车类专业学生自主互通式实训管理模式研究”（项目编号：Y2019001）。