基于Matlab的电气工程综合仿真实验教学研究

杨 静，王维俊，左永刚，袁 韬，易 斌

(后勤工程学院1.机电系 电气工程教研室;2、供油系 油料装备与指挥教研室，重庆 401311)

0 引言

随着科学技术的高速发展，社会对人才需求的不断变化，高校的教学模式和教学内容及教学方式都在不断地发生着变化，对创新型和综合型人才的培养成为了高校教学的目标，注重学生能力培养是教学的核心［1］。实验教学是高等教育的重要组成部分，是理论与实践相结合的过程，对于学生的综合素质和创新能力的培养，起着理论和其他教学环节不可替代的作用［2］。

教学实验可分为验证性实验、综合性实验和设计性实验。验证性实验是指实验用于验证课堂上所学的理论;综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或相关课程知识的实验［3］。它要求学生具有一定的专业基础知识和基本实验操作技能，在此基础上综合运用多门课程的知识，对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性、开发性实验，着重培养学生的文献查阅能力、动手操作能力、数据处理能力和综合分析解决问题的能力。综合性实验的最大特点是学生在完成实验过程中必须将多门专业课、专业技术基础课的基本理论、基本操作技能有机地结合在一起，学生在实验过程中需将所学的理论知识系统化，促进了学生知识、素质和能力的协调发展。设计性实验是指根据给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。

设计性实验要求学生在教师的指导下，根据预定的实验目的和实验条件，自己设计实验方案、确定实验方法、选择实验仪器设备、拟定实验步骤和操作程序，独立完成整个实验过程并对实验结果进行分析处理。设计性实验的最大特点是要求实验内容具有一定的探索性和创新性，学生通过实验项目的选题和论证、项目实施、实验结果分析和讨论以及综合实验报告的撰写等过程，有时会获得意想不到的结果，实验收获也比一般实验要大得多，对培养学生解决工程实际问题的能力、创新工作能力和科技写作能力具有重要作用。

我院电力工程及其自动化专业是一个实践性较强的专业，在“电机学”和“电力电子”等专业基础课程中，需要开设大量的实验来培养学生的工程实践能力和创新能力，教学实践证明，开设验证性实验已不能满足高校人才培养的需要，急需开设能综合学生所学知识的综合性、设计性实验［4］。

1 验证性实验基本模式

我院电力工程及其自动化专业三年级学院所学过专业基础课包括“电磁场”、“电机学”、“电力电子技术”和“自动控制原理”，传统的实验教学依附于单一的理论课程，为单一项目实验。例如“电机学”教学中的直流发电机特性实验、直流电动机特性实验、单相变压器空载及短路实验、异步电动机的启动实验、异步电动机的特性实验和同步发电机与电网的并联运行实验，都是着重于验证各类电机的特性曲线和参数测定等电机学中的教学内容。“电力电子技术”教学中的电力电子元器件性能实验、晶闸管相控整流电路实验和PWM直流斩波电路实验，则着重于验证几种基本电力电子变流电路的波形。自动控制原理实验则Matlab的平台上进行，验证控制系统的幅—频特性、零、极点分布等。“电磁场”课程由于实验条件限制，连验证性实验都无法开设，而电场和磁场的分布是看不见的，电磁场理论较深奥，学生的学习效果普遍不佳，也进一步影响了后续电机学等课程的学习。

由于上述各实验的目的基本是分别验证所学课程中某一局部的理论研究结果，学生完成实验时机械性很强。通常，学生根据下发的实验指导书进行实验的全过程，包括设置实验电路、实验设备选材、操作步骤安排、实验数据处理方法、实验现象与结论的说明等，在整个实验过程中，学生完全处于被动接受学习状态。他们根据实验指导书给出的实验步骤，依样画葫芦，完成实验。对于这种缺乏原创力的验证性实验环节，学生普遍缺乏学习兴趣。真正能通过实验提高能力的学生很少。

理论课程教学通常需要对研究对象分门别类加以理论分析及论述，以保证其完整性，依据课程设置若干对应单一性验证实验虽能给学生演示书中相关理论的正确性。但学生在今后的工程实践中碰到的很少是涉及单一学科的问题，往往是需要综合其所学多门知识才能解决的问题。因此，从大学阶段便培养学生的综合应用能力会使其受益终生，在大学高年级阶段开设综合性实验便是培养学生综合应用能力的有力手段。

2 综合性仿真实验

开设综合性实验和设计性实验需要具有综合性和开放性的实验平台支撑，但目前学院实验室里配置的是单一学科对应的，主要满足单一学科验证性实验要求的实验平台，不能满足综合性实验的要求。例如电机学实验平台中直流电源部分是台架上的固定部分，学生做直流电动机调速实验时只需要调台面上的一个旋钮即可改变电枢电压，具体这个可变大小的直流电源是怎么样得到的，学生并不知道。实际上，利用他们所学的电力电子技术和自动控制原理的知识，他们是可以自己设计出这个可调大小的直流电源的。而电力电子技术实验的台架上也是固定模块，主要用于验证各种变流电路在不同负载情况、不同触发角及不同占空比的情况时的波形，缺乏能用于综合性实验设计的元器件。

为了改善实验室硬件条件，我们利用Matlab软件强大的仿真计算功能开设了综合性仿真实验。Matlab仿真的方法与传统的硬件实验相比较，其仿真结果的可信度高，不受空间、时间和物质条件的限制，并且可调动学生的积极性和激发学生的创造灵感［5，7］。Matlab 具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点。为准确建立系统模型和进行仿真分析，Matlab提供了系统模型图形输入工具Simulink工具箱。在Simulink仿真环境中，通过点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。Simulink提供了用方框图进行建模的模型窗，与传统的用微分方程和积分方程建模相比，更直接方便灵活。

在Matlab中的电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下7个子模块组成:电源模块库、电器元件模块库、电机模块库、电力电子元件模块库、连接件模块库、测量仪器模块库和其他电气模块库。在这7个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中，为进行综合性仿真实验带来更多的方便。

利用Matlab这一软件平台，我们开设了单相同步发电机性能仿真实验。在该实验中，学生可以运用Matlab仿真了单相同步发电机的的内部磁场分布(图1)、空载运行及负载运行曲线。通过该实验，学生综合运用所学“电机学”、“电力电子技术”和“电磁场”的知识，对单相同步发电机的基本原理，内部磁场情况、运行性能都有了深入认识。

图1 仿真得到的单相同步电机内部磁场分布图

我们还开设了直流电动机启动、调速和工作特性的综合性仿真实验。教师给定系统电源为单相交流电、直流电动机的相关参数，让学生自己设计出直流电动机启动、调速和工作特性的仿真实验电路，计算电路参数，在Matlab中进行仿真，得出直流电动机的各种特性曲线。学生在设计仿真电路时需要先查阅大量资料，确定采用什么样的电路拓扑结构，是采用全控整流呢还是不控整流后再加DC-DC变换，他们根据查阅的文献分析比较，得出他们认为较优的方案。然后计算、调整相关参数，进行仿真，根据仿真结果分析相关原理。图2是学生建立的一种测试直流电动机启动和工作特性的仿真电路。从这个电路中，可以得出直流电动机的启动、额定工作状态下的转速、转矩等特性曲线。调整系统的PI参数，可以分析在不同的闭环控制参数下，直流电动机的动态特性，从而对直流电动机调速系统的参数优化提供理论依据。

图2 直流电动机启动和工作特性仿真电路

3 结语

实践教学作为我院电力工程及其自动化专业教学体系的重要组成部分，对于培养本专业大学生的实践能力和创新精神，提高其综合素质起着至关重要的作用。基于Matlab的综合性仿真实验的开设，能系统地让学生掌握和综合应用电气工程学科专业知识，取得了良好的教学改进效果:在实践中掌握理论知识，提高了学生的学习兴趣，变被动学习为主动研究，全方位锻炼了学生的综合能力，有利于培养出更多知识、能力和素质综合发展的创新型人才。

［1］ 周淑红，陈晓华，赵大威等，综合实验的系统设计与实施［J］.实验室研究与探索［J］，2009，28(12):168-170

［2］ 杨德先，陆继明，吴彤等，电气工程专业综合实验平台和实验教材建设，电气电子教学学报［J］，2007，29(1):64-66

［3］ 段晓英，姚天明，杨勇等，巧设综合实验提升综合能力，实验室研究与探索［J］，2008，27(4):97-99

［4］ 吴晓，堵俊，羌予践等，电气专业课程综合性和设计性实验教学改革与实践，实验室研究与探索［J］，2009，28(8):124-125

［5］ 沈媛媛，基于Matlab的数字信号处理综合性实验设计，实验室研究与探索［J］，2009，28(8):60-61

［6］ 孔英秀，基于Matlab/Simulink在电力电子技术实训教学中的研究，科技信息［J］，2010，21:225-226

［7］ 金波，Matlab在动态电路分析中的应用，实验室研究与探索［J］，2009，28(11):27-3