虚拟仿真软件在电气专业教学中的应用与实践

王颖杰 刘海媛

（[1]中国矿业大学电气与动力工程学院 江苏 徐州 221000；[2]中国矿业大学数学学院 江苏 徐州 221000）

0 引言

电气专业教学体系中，实验教学是理论联系实践的基本环节。自“十三五”以来，为了让工科学生拥有较强的科学实践能力和动手能力，教育部在很多教学过程中增加了实验教学。但从实际情况来看，实验教学需要大量实验设备和教学仪器，且实验设备与实际应用工况存在较大差距，使得很多高校不能很好满足培养学生的教学要求。随着计算机技术在高校的普及，虚拟仿真软件日趋成熟，在开展新型实验教学、学习场景、丰富实验教学模式等方面都有很好的应用前景。

1 虚拟仿真软件概述

上世纪80 年代初美国 VPL 公司创建人杰伦·拉尼尔提出虚拟仿真这一名词。虚拟仿真是利用计算机编程软件技术，参照真实实验构建具有类似环境和条件的虚拟仿真系统，并利用实验仪器和实验设备进行仿真。学生可以根据自己的需要自主设计实验进行学习成果验证，不必担心因操作不当而造成的实验不良后果，为培养学生创新能力提供了一个很好的平台，能有效提高教学质量和学习效率。

1.1 虚拟仿真软件应用领域

虚拟仿真软件包括虚拟仪器和仿真软件。虚拟仪器通过使用计算机的显示功能来模拟传统实验设备的控制面板，借助软件功能模拟电路环境及运行过程。虚拟仿真的特点是虚实结合，能够将一些必要的硬件设备和计算机仿真软件进行有效结合，既能克服传统实验设备的缺点，又能完美结合传统实验设备和计算机仿真软件的优点，已经被广泛应用于各行各业中，包含教育教学、航空航天、电力系统、办公自动化、工业生产、消防安全、交通运输、医疗卫生、生物技术、建筑工程、电力电子等诸多领域。

1.2 虚拟仿真软件适用课程

随着计算机在高校的普及，实验教学中使用的虚拟仿真软件也日益丰富，几乎涵盖了高校的所有学科，其中有电气工程、机械设计、实体建模、化工实践、医学实验、汽车维修等很多专业，每个专业涉及的虚拟仿真软件也种类繁多。

在我校，电气专业主要有电力电子技术、电力拖动与运动控制系统、自动控制原理、电力系统基础、计算机控制技术、DSP原理及应用等课程。这些课程的传统教学采用“先理论，后实践”的方法，即先在教室进行理论教学，然后在实验/实训室进行实践教学。这种教学模式的弊端是显而易见的，枯燥的理论课程加上既定的验证性实验，不仅让学生失去学习兴趣，而且在面对工程应用时往往会束手无策。而虚拟仿真实验教学可以很好的将理论教学与实践教学相互结合起来，帮助学生进行独立综合实验，激发其创新思维并培养工程设计能力。虚拟仿真软件教学方法也受到了学校和学院各级领导的大力支持。

1.3 虚拟仿真软件的教学优势

在电气专业课程的教学中，由于此类课程的工程实践性强，采用理论教学与实验教学相结合的方式，能更好帮助学生理解一些物理现象抽象、工作原理深奥的问题，同时也能较好的培养学生的动手实践能力和创新思维能力。

传统的电气专业课程在实验教学过程中常常会受到仪器设备短缺、实验器材昂贵、实验场地不足、安全问题频发、实验内容单调、实验时间较长等限制条件，大大影响课程教学质量和学生实践能力。虚拟仿真软件能克服传统实验教学的制约和弊端，并在很大程度上能取代传统实验教学。将虚拟仿真软件引入电气专业的实验教学中能打破传统实验教学所受到的实验场地和时间的限制，不仅节省了昂贵的仪器设备等成本，还能有效防止一些带电操作引发的触电事故，提高了电气专业实验教学的安全保障。学生能在完成实验教学任务的基础上，举一反三，自主进行设计性实验和创新性实验，加深学生对本课程的学习深度且激发学生的创新思维能力，彻底将所学的专业知识转化成实际成果并展示出来。

2 虚拟仿真软件在教学中的应用

电气专业教学中用到的虚拟仪器和仿真软件主要有RT-LAB、dSPACE、RTDS、PSCAD、MATLAB、LabVIEW 等。

2.1 RT-LAB 虚拟仪器的应用

RT-LAB采用主机/目标机架构的分布实时平台，可以对实时系统建立动态模型，也称为半实物仿真和硬件在环仿真，即可以通过丰富的外部I/O 连接外部电路代替相应的数学模型，提高模型的精确度和运行速度，克服一些不确定因素的干扰。支持PSIM、Simulink 或者PLECS 模型自动转化成代码，并且可以通过eHS 平台在短时间内进行实时FPGA 仿真。无需具备丰富的VHD、FPGA和其他编程语言，这对于开发人员来说，能有更多的时间专注算法研究，同时还具有在线修改系统参数和实时监测运行结果的功能，得益于FPGA高速并行的计算能力、高频时钟及直接管理I/O，使得接口延时非常小。基于能将复杂模型简单化、快速原型、接口丰富的特点，RT-LAB 被广泛应用到电气专业的教学中，主要包含电力电子技术、电机与拖动基础、运动控制系统、自动控制原理等课程。

RT-LAB 是基于数学模型的工程设计平台，其前期的模型开发通常都是在Simulink 环境下进行。主要流程如下：首先对研究对象进行数学建模，并与RT-LAB 主控制机关联起来，并根据其建模原则将系统合理的分为若干个子模块；然后编译模型和分配节点，生成可为 RT-LAB 执行的文件并回传给上位机；其次加载模型，上位机向目标机加载执行代码；最后就是模型运行或者暂停，可实时监测整个运行过程并在线修改系统仿真参数,且使用方便。

2.2 MATLAB 仿真软件的应用

MATLAB仿真软件是用于数据分析、算法开发、数据计算以及数据可视化的计算语言和交互式环境，可以进行函数绘制、数据图形化、创建用户界面、矩阵运算等功能，提供动态系统建模、仿真运算和数据处理的集成环境。MATLAB 仿真软件具有适应面广、结构简单、灵活高效等特点，被广泛应用到电气专业的教学中，主要包含电力系统分析、电力电子技术、自动控制原理、运动控制系统等课程。

Simulink 为MATLAB 工具下的一种仿真系统，工具箱中包含了电气专业几乎全部的元器件模型。其使用方法如下：首先对研究对象进行数学建模，主要分为主电路和控制电路两部分；然后通过MATLAB 首页进入Simulink 仿真系统，打开工具箱，选择模型中需要的各种元器件并根据实际需要对参数进行设计；最后将各部分通过导线连接起来，进行编译，在模型中添加分析工具可对获得的数据进行分析处理。这种图形化编程能有效节省时间，简单方便，有效降低实验成本，在电气专业的教学中受到学生的一致好评。

2.3 LabVIEW 仿真软件的应用

LabVIEW 仿真软件是NI 设计平台的核心，由美国国家仪器公司开发，集成了工程师和科学家快速构建各种应用程序所需的全部工具。LabVIEW 作为一款功能强大的图形化程序开发环境，具有数据采集和仪器控制等功能，被广泛应用于学术界和电气专业的教学中，主要包含电力电子技术、电机与拖动基础、运动控制系统等课程。

LabVIEW软件中包含了数千种专为工业测量和控制应用程序创建的高级函数，图形化编程大大缩减了开发周期。其主要开发流程如下：打开LabVIEW 软件，点击创建项目，添加终端设备(CompactRIO 控制器)；添加FPGA 终端到机箱，添加C系统模块到FPGA 终端；设置C 系统模块在卡槽位置，设置C系统模块工作模式；创建主程序VI，创建底层程序FPGA VI。采用可重新配置I/O 技术实现高性能和自定义功能，并具备集成式工业通行和人机交互界面功能。

3 结束语

虚拟仿真软件的引入为高校电气专业教学带来了新的活力，为改善相关理论教学与实践脱节问题提供了渠道，适应了研究性、开放性、综合性实验教学的发展需求，为完善电气专业实践教学体系和课程体系建设与改革做出了贡献，在一定程度上弥补了传统实验教学的不足，同时激发了学生的学习兴趣和创新想法，从而提高了教学质量和学习效果。