基于Matlab的電氣工程綜合仿真實驗教學研究

楊 靜，王維俊，左永剛，袁 韜，易 斌

(后勤工程學院1.機電系 電氣工程教研室;2、供油系 油料裝備與指揮教研室，重慶 401311)

0 引言

隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，社會對人才需求的不斷變化，高校的教學模式和教學內(nèi)容及教學方式都在不斷地發(fā)生著變化，對創(chuàng)新型和綜合型人才的培養(yǎng)成為了高校教學的目標，注重學生能力培養(yǎng)是教學的核心［1］。實驗教學是高等教育的重要組成部分，是理論與實踐相結(jié)合的過程，對于學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，起著理論和其他教學環(huán)節(jié)不可替代的作用［2］。

教學實驗可分為驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗。驗證性實驗是指實驗用于驗證課堂上所學的理論;綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或相關(guān)課程知識的實驗［3］。它要求學生具有一定的專業(yè)基礎知識和基本實驗操作技能，在此基礎上綜合運用多門課程的知識，對學生實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性、開發(fā)性實驗，著重培養(yǎng)學生的文獻查閱能力、動手操作能力、數(shù)據(jù)處理能力和綜合分析解決問題的能力。綜合性實驗的最大特點是學生在完成實驗過程中必須將多門專業(yè)課、專業(yè)技術(shù)基礎課的基本理論、基本操作技能有機地結(jié)合在一起，學生在實驗過程中需將所學的理論知識系統(tǒng)化，促進了學生知識、素質(zhì)和能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。設計性實驗是指根據(jù)給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現(xiàn)的實驗。

設計性實驗要求學生在教師的指導下，根據(jù)預定的實驗目的和實驗條件，自己設計實驗方案、確定實驗方法、選擇實驗儀器設備、擬定實驗步驟和操作程序，獨立完成整個實驗過程并對實驗結(jié)果進行分析處理。設計性實驗的最大特點是要求實驗內(nèi)容具有一定的探索性和創(chuàng)新性，學生通過實驗項目的選題和論證、項目實施、實驗結(jié)果分析和討論以及綜合實驗報告的撰寫等過程，有時會獲得意想不到的結(jié)果，實驗收獲也比一般實驗要大得多，對培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力、創(chuàng)新工作能力和科技寫作能力具有重要作用。

我院電力工程及其自動化專業(yè)是一個實踐性較強的專業(yè)，在“電機學”和“電力電子”等專業(yè)基礎課程中，需要開設大量的實驗來培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，教學實踐證明，開設驗證性實驗已不能滿足高校人才培養(yǎng)的需要，急需開設能綜合學生所學知識的綜合性、設計性實驗［4］。

1 驗證性實驗基本模式

我院電力工程及其自動化專業(yè)三年級學院所學過專業(yè)基礎課包括“電磁場”、“電機學”、“電力電子技術(shù)”和“自動控制原理”，傳統(tǒng)的實驗教學依附于單一的理論課程，為單一項目實驗。例如“電機學”教學中的直流發(fā)電機特性實驗、直流電動機特性實驗、單相變壓器空載及短路實驗、異步電動機的啟動實驗、異步電動機的特性實驗和同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行實驗，都是著重于驗證各類電機的特性曲線和參數(shù)測定等電機學中的教學內(nèi)容?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”教學中的電力電子元器件性能實驗、晶閘管相控整流電路實驗和PWM直流斬波電路實驗，則著重于驗證幾種基本電力電子變流電路的波形。自動控制原理實驗則Matlab的平臺上進行，驗證控制系統(tǒng)的幅—頻特性、零、極點分布等?！半姶艌觥闭n程由于實驗條件限制，連驗證性實驗都無法開設，而電場和磁場的分布是看不見的，電磁場理論較深奧，學生的學習效果普遍不佳，也進一步影響了后續(xù)電機學等課程的學習。

由于上述各實驗的目的基本是分別驗證所學課程中某一局部的理論研究結(jié)果，學生完成實驗時機械性很強。通常，學生根據(jù)下發(fā)的實驗指導書進行實驗的全過程，包括設置實驗電路、實驗設備選材、操作步驟安排、實驗數(shù)據(jù)處理方法、實驗現(xiàn)象與結(jié)論的說明等，在整個實驗過程中，學生完全處于被動接受學習狀態(tài)。他們根據(jù)實驗指導書給出的實驗步驟，依樣畫葫蘆，完成實驗。對于這種缺乏原創(chuàng)力的驗證性實驗環(huán)節(jié)，學生普遍缺乏學習興趣。真正能通過實驗提高能力的學生很少。

理論課程教學通常需要對研究對象分門別類加以理論分析及論述，以保證其完整性，依據(jù)課程設置若干對應單一性驗證實驗雖能給學生演示書中相關(guān)理論的正確性。但學生在今后的工程實踐中碰到的很少是涉及單一學科的問題，往往是需要綜合其所學多門知識才能解決的問題。因此，從大學階段便培養(yǎng)學生的綜合應用能力會使其受益終生，在大學高年級階段開設綜合性實驗便是培養(yǎng)學生綜合應用能力的有力手段。

2 綜合性仿真實驗

開設綜合性實驗和設計性實驗需要具有綜合性和開放性的實驗平臺支撐，但目前學院實驗室里配置的是單一學科對應的，主要滿足單一學科驗證性實驗要求的實驗平臺，不能滿足綜合性實驗的要求。例如電機學實驗平臺中直流電源部分是臺架上的固定部分，學生做直流電動機調(diào)速實驗時只需要調(diào)臺面上的一個旋鈕即可改變電樞電壓，具體這個可變大小的直流電源是怎么樣得到的，學生并不知道。實際上，利用他們所學的電力電子技術(shù)和自動控制原理的知識，他們是可以自己設計出這個可調(diào)大小的直流電源的。而電力電子技術(shù)實驗的臺架上也是固定模塊，主要用于驗證各種變流電路在不同負載情況、不同觸發(fā)角及不同占空比的情況時的波形，缺乏能用于綜合性實驗設計的元器件。

為了改善實驗室硬件條件，我們利用Matlab軟件強大的仿真計算功能開設了綜合性仿真實驗。Matlab仿真的方法與傳統(tǒng)的硬件實驗相比較，其仿真結(jié)果的可信度高，不受空間、時間和物質(zhì)條件的限制，并且可調(diào)動學生的積極性和激發(fā)學生的創(chuàng)造靈感［5，7］。Matlab 具有編程效率高、程序設計靈活、圖形處理功能強大等優(yōu)點。為準確建立系統(tǒng)模型和進行仿真分析，Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具Simulink工具箱。在Simulink仿真環(huán)境中，通過點擊拖動鼠標的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對系統(tǒng)和電路的仿真。Simulink提供了用方框圖進行建模的模型窗，與傳統(tǒng)的用微分方程和積分方程建模相比，更直接方便靈活。

在Matlab中的電力系統(tǒng)模塊庫PSB以Simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下7個子模塊組成:電源模塊庫、電器元件模塊庫、電機模塊庫、電力電子元件模塊庫、連接件模塊庫、測量儀器模塊庫和其他電氣模塊庫。在這7個基本模塊庫的基礎上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、復雜的其它模塊添加到所需的模塊庫中，為進行綜合性仿真實驗帶來更多的方便。

利用Matlab這一軟件平臺，我們開設了單相同步發(fā)電機性能仿真實驗。在該實驗中，學生可以運用Matlab仿真了單相同步發(fā)電機的的內(nèi)部磁場分布(圖1)、空載運行及負載運行曲線。通過該實驗，學生綜合運用所學“電機學”、“電力電子技術(shù)”和“電磁場”的知識，對單相同步發(fā)電機的基本原理，內(nèi)部磁場情況、運行性能都有了深入認識。

圖1 仿真得到的單相同步電機內(nèi)部磁場分布圖

我們還開設了直流電動機啟動、調(diào)速和工作特性的綜合性仿真實驗。教師給定系統(tǒng)電源為單相交流電、直流電動機的相關(guān)參數(shù)，讓學生自己設計出直流電動機啟動、調(diào)速和工作特性的仿真實驗電路，計算電路參數(shù)，在Matlab中進行仿真，得出直流電動機的各種特性曲線。學生在設計仿真電路時需要先查閱大量資料，確定采用什么樣的電路拓撲結(jié)構(gòu)，是采用全控整流呢還是不控整流后再加DC-DC變換，他們根據(jù)查閱的文獻分析比較，得出他們認為較優(yōu)的方案。然后計算、調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析相關(guān)原理。圖2是學生建立的一種測試直流電動機啟動和工作特性的仿真電路。從這個電路中，可以得出直流電動機的啟動、額定工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等特性曲線。調(diào)整系統(tǒng)的PI參數(shù)，可以分析在不同的閉環(huán)控制參數(shù)下，直流電動機的動態(tài)特性，從而對直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖2 直流電動機啟動和工作特性仿真電路

3 結(jié)語

實踐教學作為我院電力工程及其自動化專業(yè)教學體系的重要組成部分，對于培養(yǎng)本專業(yè)大學生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高其綜合素質(zhì)起著至關(guān)重要的作用?；贛atlab的綜合性仿真實驗的開設，能系統(tǒng)地讓學生掌握和綜合應用電氣工程學科專業(yè)知識，取得了良好的教學改進效果:在實踐中掌握理論知識，提高了學生的學習興趣，變被動學習為主動研究，全方位鍛煉了學生的綜合能力，有利于培養(yǎng)出更多知識、能力和素質(zhì)綜合發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

［1］ 周淑紅，陳曉華，趙大威等，綜合實驗的系統(tǒng)設計與實施［J］.實驗室研究與探索［J］，2009，28(12):168-170

［2］ 楊德先，陸繼明，吳彤等，電氣工程專業(yè)綜合實驗平臺和實驗教材建設，電氣電子教學學報［J］，2007，29(1):64-66

［3］ 段曉英，姚天明，楊勇等，巧設綜合實驗提升綜合能力，實驗室研究與探索［J］，2008，27(4):97-99

［4］ 吳曉，堵俊，羌予踐等，電氣專業(yè)課程綜合性和設計性實驗教學改革與實踐，實驗室研究與探索［J］，2009，28(8):124-125

［5］ 沈媛媛，基于Matlab的數(shù)字信號處理綜合性實驗設計，實驗室研究與探索［J］，2009，28(8):60-61

［6］ 孔英秀，基于Matlab/Simulink在電力電子技術(shù)實訓教學中的研究，科技信息［J］，2010，21:225-226

［7］ 金波，Matlab在動態(tài)電路分析中的應用，實驗室研究與探索［J］，2009，28(11):27-3