基于MATLAB/GUI电机学虚拟实验室的教学研究

张星　黄凯峰　戴文俊

摘 要：本文针对电机学课程理论性和实践性较强，电磁关系比较复杂、抽象，实验与理论教学不能有效的紧密结合等问题，分析了电机学理论和实验课程的特点以及相互联系，进行了基于MATLAB/GUI的电机学虚拟实验室的研究和实践，通过建立电机学MATLAB/GUI虚拟实验室，提前在虚拟实验室进行理论和实验项目的仿真，然后到实验室平台进行动手操作验证，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力，满足工程教育专业认证人才培养的需求.

关键词：电机学;Simulink仿真;MATLAB/GUI;虚拟实验室

中图分类号：G642  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）11-0163-03

“电机学”课程是电气工程及其自动化专业的专业核心课，也是电机与电器二级学科研究的理论基础，它以变压器、异步电机、同步电机和交、直流电机等为研究对象，掌握电机基本原理和分析方法[1].通过理论和实验课程的融合教学，理论课堂引入仿真模型，有助于理解抽象难懂的电机电磁关系及运行特性，可以直观学习理论知识，实验课前仿真实验项目可以加深对电机学理论知识和实验原理的理解，提高学生的动手能力和专业知识应用能力，为后续专业课程和自身就业竞争力的提升打好坚实的理论和实践基础.本文的主要工作：（1）以电机学课程为基础建立电机学Simulink实验仿真模型;（2）建立基于MATLAB/GUI电机学虚拟实验室仿真平台;（3）编写回调函数实现虚拟实验室仿真平台动态调用实验仿真模型和仿真结果.

1 理论与实验课程特点、联系及存在的问题

电机学理论课程以变压器、异步电机、同步电机和交直流电机等为研究对象，掌握电机基本原理和分析方法.该课程概念抽象难理解、公式复杂，涉及物理学中的电学、磁学、热学和力学，理论性比较强，与工程实际联系紧密[2].实验课程要求学生具备较强的动手能力和工程思维能力，能够根据实验项目要求完成实验过程，得出正确实验数据，运用理论知识处理实验数据，验证电机基本原理和运行特性.

目前，理论课程大多以讲授和PPT演示为主，公式复杂、概念抽象难懂;实验课程存在着学生人数过多得不到充分指导、学生存在“重理论、轻实验”思想、学生对指导老师过于依赖、缺乏主动性以及实验考核体系与理论课程考核体系存在一定差距等问题[3].针对以上情况，本文从自己的课程实际出发，理论课堂引入仿真模型，有助于理解抽象难懂的电机电磁关系及运行特性，可以直观学习理论知识，把实验课程项目化，建立实验课程项目小组，项目小组自行完成实验项目，通过MATLAB/GUI电机学虚拟实验室仿真平台，对实验内容和实验步骤进行仿真，然后在实验室平台进行动手操作，对实验结果进行验证.

因此，电机学理论性和实践性较强，理论和实验课程联系紧密，只学好理论，不会实验操作，达不到工程应用要求，学不好理论，实验操作和数据数据处理无从下手，因次，理论和实验教学相互融合，用理论指导实验，用实验检验理论的正确性[4].

2 理论课程与实验仿真模型融合

理论课程与实验仿真有机融合，理论课堂引入仿真模型，以变压器负载运行为例[5]，分析变压器负载运行时一、二次电流关系及二次电压、电流关系.

3 互动融合式实验教学模式

3.1 项目化实验模式

电机学课程实验是对电机学中变压器、异步电机、同步电机和交、直流电机的参数和特性进行实验验证性操作.在实验教学中，将教学班分为若干个项目小组，小组成员根据每个实验项目内容进行分工，每个人必须操作一个实验小项，实验小项得分总和构成此实验项目总得分，学生通过分工协作共同完成实验项目.

本实验操作平台采用“求是”的电机综合实验平台，分为变压器的参数测定及运行特性实验、直流发电机运行特性实验、三相异步交流电动机综合实验以及三相同步电动机参数测定实验四个实验项目.每个实验项目中包含若干个实验子项目，以实际的实验设备和装置、经典的实验任务为教学载体，让学生在实验课程项目化中体会做项目与学习关系和意义.建立以实验考勤、实验报告、实验理论考核、實验操作考核为一体的多项考核制度，使学生重视实验课程的学习[6].

3.2 MATLAB/GUI虚拟实验室

MATLAB，简称矩阵实验室，集成了大量的工具箱，具备很强的分析功能和较高的计算精度，可以分析几乎所有的工程问题，是一种高效的科学计算软件[7].它具有较强的矩阵处理能力，专门以矩阵的形式处理数据，将数值运算与可视化相结合，广泛用于各个领域的分析、设计和仿真.Simulink是MATLAB最重要的工具之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境.在Simulink环境下，我们不需要编写大量的程序，可以直接从模块库中调用所需的标准模块，搭建自己需要的模型，它具有简单、直观、易操作的优点.SimPowerSysterms（电力系统仿真工具箱）已成为研究和分析电机与拖动以及电机学的重要工具.MATLAB GUI是基于MATLAB仿真软件的图形用户界面，通过建立虚拟实验室GUI主界面和子界面，编辑按钮回调函数，实现主界面按钮调用仿真模型和显示仿真结果.

首先在MATLAB/GUI环境下建立一个电机学（电机与拖动）虚拟实验室GUI主界面，如图3.1所示.以三相异步交流电动机直接起动实验为例[8-10]，通过建立三相异步交流电动机直接起动子界面和仿真模型，编写对应回调函数，实现虚拟实验室主界面“三相异步交流电动机直接起动”按钮调用对应子界面仿真模型和仿真结果[11-13]，对三相异步交流电动机进行直接起动仿真演示.

通过实验仿真，我们可以直观地看出三相异步交流电动机直接起动时转子电流、定子电流、转速和电磁转矩随时间变化规律.采用虚拟仿真平台和实验室教学平台及理论教学相融合，运用MATLAB/Simulink强大的仿真与数值处理功能创造虚拟实验环境，通过MATLAB/GUI建立友好图形用户界面实现一键操作，实现理论课堂和实验仿真相结合，既让学生掌握一门仿真软件，又给学生自己的实验空间，更是对目前理论和实验教学的拓展和补充.

4 结语

电机学理论教学和实验教学有时存在脱节现象，实验课程一般都会滞后理论课程，实验课程是按照实验项目的顺序进行教学，理论课程一旦落后实验课程，学生在进行实验项目时还未学到相关理论知识，整个实验过程效率较低，达不到理论指导实践，实践验证理论的目的.在电机学理论和实验教学过程中，由于电机学原理、概念和公式抽象难懂，电机学实验项目复杂难做，引入电机学虚拟实验室，教师可以在课堂对抽象难懂的理论知识进行仿真演示，学生能够在课后对所学知识和实验项目进行虚拟仿真验证，既提高了课堂学习的积极性和效率以及实验课程的学习兴趣，又能够让学生掌握MATLAB/Simulink仿真模型建立和MATLAB/GUI图形用户界面的创建和回调函数的编写.

参考文献：

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〔5〕曹永娟.电机与拖动控制实验及其MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2014.

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〔13〕宗哲英，等.基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建[J].实验科学与技术，2018.6：16（3）146-149.