基于MATLAB的电力拖动虚拟实验室设计*

2015-12-03高宁宇

中国教育技术装备 2015年18期

关键词：界面实验室实训

◆高宁宇

◆高宁宇

针对电力拖动课程的教学与实验特点，利用MATLAB中的GUI（图形用户界面）和Simulink，开发基于MATLAB的电力拖动虚拟实验室。该虚拟实验室界面友好，实验参数可修改，实验结果可波形显示，同时可作为课程的辅助教学系统。

MATLAB/GUI；虚拟实验室；Simulink

1 前言

电力拖动课程是电气工程及其自动化专业的一门必修专业课，课程实践性强，实验教学在整个课程教学过程中占重要地位。电力拖动课程的相关实验，其动态过程往往在很短的时间内完成，无法观测到电机各参数变化对电机运行性能的影响，增加了学生对课堂知识的理解难度。虚拟实验技术是一种全新的教学手段，运用计算机技术及其图形化功能，建立虚拟模型来仿真实际物理实验过程，达到实验教学目的。本文将虚拟实验室技术运用到电力拖动课程的实验教学中，建立一个电力拖动虚拟实验室。

MATLAB是Mathwors公司推出的、当今国际上最流行的软件之一。本文首先使用MATLAB/Simulink建立电力拖动课程各实验项目的仿真实验模型，然后使用MATLAB/GUI（图形用户界面）建立虚拟实验室界面，最后利用GUI调用Simulink仿真模型，实现可视化界面与仿真后台之间的人机对话。

2 虚拟实验室的建立

图1 他励直流电动机串电阻起动仿真实验模型

本虚拟实验室涉及的实验项目有：他励直流电动机的起动、制动、调速；三相异步电动机的机械特性、起动、制动、调速。下面将以直流电动机串电阻分级起动实验项目为例，进行虚拟实验室的设计。

仿真实验模型的建立他励直流电动机在电枢回路串电阻起动是限制起动电流的有效方法之一。使用Simulink分别建立三级起动的仿真实验模型和电阻控制子模型，如图1、图2所示。系统在2.8 s、4.8 s、6.8 s时，依次短接电阻R1、R2和R3，当转速上升到1400 r/min时加负载运行[1]。

虚拟实验界面设计

1）启动GUI。启动GUI的方法有两种：点击MATLAB主菜单中File菜单的New子菜单中的选项GUI选项，或者在MATLAB命令窗口中输入guide命令，即可打开GUI的开发环境，如图3所示。

图3 GUI设计窗口

2）界面的设计。虚拟实验室的界面由主界面和子界面组成。根据主界面的设计目标，在控件模板区选择三个静态文本框Static Text控件（“电力拖动虚拟实验室”“实

验类别”“实验项目”）、两个列表框Listbox（“直流电力拖动”“交流电力拖动”；各种实验项目）、两个按钮Push Button（“开始实验”“退出系统”）。设计的主界面如图4所示。同理设计子界面，其中Axes控件用于显示仿真波形，如图5所示。

*项目来源：南通大学教学改革课题（基金编号：2013B081）。

作者：高宁宇，南通大学电气工程学院讲师，主要研究方向为电机控制技术（226019）。

图2 串起动电阻控制子模型仿真模型

图4 主界面

图5 子界面

3）回调函数的编写与运行。通过点击GUI编辑菜单中“RUN Figure”按钮，MATLAB将自动生成一个和图形界面同名的m文件，在此m文件下根据预设的图形界面的功能，针对各个不同控件来编写能够实现该功能的回调函数，确保这个图形界面能够完成所预定的功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入，并且可以方便直观地看到预期结果。

本虚拟实验室是通过点击“启动仿真”按钮，达到GUI调用后台Simulink仿真实验模型。在m文件中定位到“启动仿真”按钮的回调函数，在编写此回调函数时特别注意：Simulink默认使用基本状态空间（Base Workspace）的数据，而函数有自己的状态空间，两者状态空间不兼容。在Simulink中simset()函数可以让用户自定义仿真实验模型的状态空间，即将仿真实验模型的状态空间设置为当前状态空间。

回调函数程序如下：

图6 运行后的主界面

运行程序后，主界面如图6所示，通过点击“实验类别”下拉单选择“直流电力拖动”，然后点击“实验项目”

下拉菜单“串电阻分级起动”，最后点击“开始实验”按钮，跳出“电力拖动虚拟实验室”窗口，如图7所示。从波形显示中可以观察到转速、电流的动态变化过程，通过“参数设置”，设定合适的各级起动电阻的大小，起动电流可以控制在一定的范围内。

3 结束语

开发的基于MATLAB/GUI电力拖动虚拟实验室达到预期设计目标。本虚拟实验室除了可以获得与传统实验一致的实验现象外，还可以对实验结果（包括转速、电流等关键参数）曲线显示，可以通过实验界面改变工作参数，模拟实际电动机的各种响应，观察瞬间完成的实验动态过程，同时也可以作为电力拖动课程理论教学及实验教学的计算机辅助教学系统。

[1]刘凤春,等.电机与拖动MATLAB仿真与学习指导[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]罗飞华.MATLAB GUI设计学习手记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014.

基础知识模块主要有两个方面的内容，分别为系统知识和基本理论，主要是供学习者进行查阅，在课堂教学中如果学生对某个知识点不理解，可以直接查阅。同时方便课下查阅、复习。

虚拟实训中是很有创意性的题目，分为基础训练和设计项目。对于做完作业的学生，可以引导去做虚拟实训；如果是刚开课不久，可以去做基础训练；如果技术熟练，可以去做项目设计。这些项目要求很宽泛，对于技术没有规定，可以使用想用的任何技术，可以做想做的任何内容，最终完成作品。同时还展示前几届学长学姐的优秀作品，通过优秀作品的引导、教师的鼓励，学生的作品一届比一届优秀。

对于快捷键，最好的掌握方法就是学生不断地练习。开发者开发了一个小游戏，就像金山打字通里的打苹果游戏，如果快捷键按对，小飞机就被打落；如果按错，小飞机就飞走，最后统计打落小飞机的次数和自己的按键次数。通过这样的训练，学生就能记住快捷键，在以后的操作中可以信手拈来。

讨论交流有两种方式，一种是文字的交流，没有时间或者不方便当面和任课教师交流的内容可以在本平台内留言。另一种是作品交流，将作品上传，围绕作品进行深入的交流。

4 创新点

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调动学生学习积极性由于虚拟实训平台的开通，学生不仅能看到本班同学的作品，还能看到学长学姐的作品，让学生的学习有了动力。同时虚拟实训栏目的应用，学生有了自己发挥的空间，做出很有想法的设计，有的作品在学生中有很大的影响，有时作品获得全区全国各类奖项，主要是由于很多项目都是有很多设计结果的开放性项目，对学生的局限性就会小，学生就会放开思路，大胆地去创作。

开放的系统管理思想本系统在开发时采用Web2.0思想，注重用户的参与，以开放的系统管理思想，让学生自由地管理课程中的作品，可添加、可删除，教学是建立在对学生信任的基础之上的，而且在应用的实践中也发现，学生并没有恶意地去删除系统中的数据。让学生看到系统很亲切，知道具体的操作方法和流程，便于学生很快地掌握平台的操作方法。