Simulink在電路課程教學(xué)一體化中的應(yīng)用

樊亞東,劉迪燊,崔 雪,胡 釙

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北武漢 430072)

長(zhǎng)期以來,電路課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常都被分割成兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)。在課堂上,理論講解多,缺乏互動(dòng)與啟發(fā);而在實(shí)驗(yàn)室里,只能做設(shè)定好步驟的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),不能延伸到綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)[1,2]。因此,實(shí)現(xiàn)電路課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一體化十分必要。本文將對(duì)Matlab/Simulink在電路理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化探索的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 電路課程教學(xué)存在的不足

1)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離

由于實(shí)驗(yàn)課一般不與理論課同步進(jìn)行,而是在理論課結(jié)束后才單獨(dú)開設(shè),授課教師缺乏及時(shí)對(duì)學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Y(jié)合程度的了解。

2)理論課教學(xué)方式相對(duì)落后

電路課中的基礎(chǔ)理論和例題分析都缺乏可視化的直觀表現(xiàn)。

3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限

我院電路實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備存在的許多局限性,制約了電路實(shí)驗(yàn)課開設(shè)的內(nèi)容。

4)教學(xué)計(jì)劃的不合理

電路理論課教學(xué)學(xué)時(shí)不足,使教學(xué)質(zhì)量受到影響。而電路實(shí)驗(yàn)課在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上分配的學(xué)時(shí)過多,導(dǎo)致學(xué)時(shí)的浪費(fèi)。

2 Matlab與電路教學(xué)

如果我們將Matlab/Simulink可視化平臺(tái)與電路教學(xué)相結(jié)合,學(xué)生還能對(duì)電路建模有更直觀的認(rèn)識(shí),授課教師可以籍此來輔助理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。國(guó)外新近出版的一些電路教材中,都將其作為一種解題的輔助工具,對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)課程非常有益。

1)運(yùn)用軟件仿真進(jìn)行課前預(yù)習(xí)

電路理論課教學(xué)課前預(yù)習(xí)十分重要。當(dāng)學(xué)生遇到抽象概念難以理解時(shí),可以利用Simulink在建模和仿真結(jié)果可視化方面的優(yōu)勢(shì)來輔助預(yù)習(xí)。

例如,在預(yù)習(xí)一階電路零狀態(tài)響應(yīng)時(shí),學(xué)生對(duì)電路瞬態(tài)過程的概念還比較陌生。為此,學(xué)生可以建立如圖1所示的簡(jiǎn)單RC電路模型進(jìn)行研究。仿真結(jié)果如圖2所示,零狀態(tài)下輸入波形和輸出波形一目了然。學(xué)生只要在圖1的基礎(chǔ)上對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié),便可以觀察輸出波形的變化及規(guī)律。

圖1 RC一階電路的零輸入響應(yīng)仿真模型

圖2 RC一階電路的零輸入響應(yīng)仿真結(jié)果

再如,二階電路暫態(tài)響應(yīng)的分析計(jì)算過程較為繁瑣,典型的二階有損耗電路的三種不同阻尼條件下的表現(xiàn)情況容易混淆。學(xué)生可以搭建電路模型后,對(duì)三種情況下電容電壓的曲線進(jìn)行仿真。

2)課堂即時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)

電路理論課中輔以即時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn),可讓抽象概念形象化具體化,使復(fù)雜的過渡過程直觀地表現(xiàn)出來。

如在講授RC微積分電路時(shí),可以用課堂實(shí)驗(yàn)作為理論課件的補(bǔ)充。采用在Simulink環(huán)境下建立如圖 3所示的電路模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖中Switch模塊連接的四個(gè)電容分別取值為4700pF,0.022μ F,0.1μ F 和0.47μ F 。學(xué)生不僅可以觀察到典型的積分電路和微分電路的波形,還可以觀察參數(shù)的變化對(duì)電路輸出的影響。

圖3 微積分電路仿真模型

圖4所示的仿真結(jié)果中,Ur為電阻R上的電壓波形,UC為電容電壓波形。圖4(a)和圖4(b)為電容值分別取0.1μ F和0.47μ F的輸出波形。這些直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能可以改善學(xué)生對(duì)RC微積分電路的理解。另外,授課教師還可以根據(jù)學(xué)生在課堂上提出的問題,即時(shí)改變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),甚至搭建新的簡(jiǎn)易模型進(jìn)行仿真。在課堂中引入仿真實(shí)驗(yàn),能給學(xué)生以傳統(tǒng)教學(xué)模式所不能比擬的啟發(fā)性。

圖4 微分電路模型仿真結(jié)果

3)Simulink軟實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)課以驗(yàn)證型的硬件實(shí)驗(yàn)為主,而Matlab/Simulink仿真環(huán)境是開展以提高型、設(shè)計(jì)型和綜合型為主的軟實(shí)驗(yàn)的理想平臺(tái)。

例如,三相異步電機(jī)并網(wǎng)屬于綜合型實(shí)驗(yàn),涉及的儀器設(shè)備較多,操作要求比較高。但是,實(shí)驗(yàn)精度低,其結(jié)果的再現(xiàn)性不高。如果讓學(xué)生在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建該實(shí)驗(yàn)的電路模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),就能作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的補(bǔ)充。

如圖5所示,仿真實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了接線操作,儀器設(shè)備的參數(shù)便于調(diào)整,大大降低了實(shí)驗(yàn)的操作門檻。仿真結(jié)果如圖6所示,測(cè)得的曲線誤差小,精度高,可準(zhǔn)確地反映三相異步電機(jī)并網(wǎng)的瞬態(tài)過程。

圖5 三相電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過渡過程仿真模型

圖6 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過渡過程仿真結(jié)果

軟實(shí)驗(yàn)可以采用開放式的教學(xué),教師根據(jù)硬件實(shí)驗(yàn)的完成情況靈活出題,由學(xué)生課后自行完成,實(shí)現(xiàn)電路實(shí)驗(yàn)的軟硬結(jié)合,共同促進(jìn)學(xué)生對(duì)電路理論課程的理解和掌握。

3 結(jié)語

本文提出在電路教學(xué)改革中引入仿真軟件Matlab/Simulink,以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化的思路,并用實(shí)際的例子加以說明。一體化教學(xué)有助于改善傳統(tǒng)電路理論教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié),仿真軟件還可以開展軟實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足。學(xué)生可以在課堂或課余時(shí)間進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)充,形成富有啟發(fā)性的雙向教學(xué)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行的綜合性和和研究性仿真,為今后學(xué)習(xí)專業(yè)課和參與科研打下了基礎(chǔ),有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究精神?？梢?基于Matlab/Simulink的虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)的不足,而且符合現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 傅曉林.電類課理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課一體化初探[J].重慶:重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)(社科版),2002,2(1)

[2] 楊育霞,章玉政王俊等.電路課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].南京:電氣電子教學(xué)報(bào),2003,23(3)

[3] 劉景夏,鄭學(xué)瑜,胡冰新.“電路基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革的再思考[J].南京:電氣電子教學(xué)報(bào),2005,27(3)

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[5] 李裕能,夏長(zhǎng)征.電路[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004