電力拖動(dòng)類課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

張敬南，張 強(qiáng)

(哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

我校電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心下設(shè)的電力拖動(dòng)類課程包括“電機(jī)學(xué)”、“電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)”和“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”等專業(yè)主干課程。該類課程具有理論抽象、教學(xué)難度大、實(shí)踐性強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)成本高等特點(diǎn)。針對(duì)課程特點(diǎn)，我們采用計(jì)算虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行了教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)手段的改革探索，開發(fā)了電力拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［1，2］。通過在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、時(shí)間等諸多客觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)量和質(zhì)量的制約。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能構(gòu)成

我們開發(fā)的電力拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將編程軟件、仿真軟件、數(shù)據(jù)和文字處理軟件相結(jié)合，集人機(jī)交互、實(shí)驗(yàn)虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)驗(yàn)文本生成為一體的系統(tǒng)。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電力拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用Visual C++編制的人機(jī)交互界面，通過界面操作可以完成實(shí)驗(yàn)虛擬操作、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成等功能。

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)基于Visual C++及第三方控件編制的GUI界面。實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)結(jié)合Simulink仿真軟件編制了虛擬實(shí)驗(yàn)仿真體系。仿真系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的交互通過Matlab引擎控制技術(shù)和數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)的。基于Visual C++程序和MS Access數(shù)據(jù)文件構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線的復(fù)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員在Visual C++編制的實(shí)驗(yàn)報(bào)告界面填寫的信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過COM技術(shù)調(diào)用OLE自動(dòng)化對(duì)象技術(shù)進(jìn)行MS Word文檔的編制和生成，形成基于Word文檔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1.2 實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境構(gòu)建

本系統(tǒng)中Visual C++應(yīng)用程序通過Matlab引擎執(zhí)行Simulink仿真命令行對(duì)仿真程序進(jìn)行控制，Matlab提供引擎方式函數(shù)庫，將Visual C++應(yīng)用程序同Simulink相連接。Matlab引擎的使用需要在Visual C++的工程中添加庫函數(shù)libmx.lib libeng.lib和相應(yīng)目錄，并在所應(yīng)用的程序中添加頭文件和庫文件［3，4］?？紤]到虛擬仿真系統(tǒng)的可移植性，所使用的虛擬仿真程序的目錄采用相對(duì)目錄形式。實(shí)驗(yàn)仿真程序均存儲(chǔ)在與主程序有相對(duì)路徑目錄下。

Simulink的電力系統(tǒng)仿真工具箱幾乎涵蓋了電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)所需要的所有元器件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求將實(shí)驗(yàn)所需元器件模型匯集于一個(gè)仿真程序中，為實(shí)驗(yàn)者構(gòu)成一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在此環(huán)境下，按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了元器件參數(shù)的設(shè)置;部分特殊模塊是基于S函數(shù)編制或由基本仿真模塊組合構(gòu)成，比如螺旋槳機(jī)械負(fù)載、起動(dòng)器和邏輯無環(huán)流控制器等。實(shí)驗(yàn)者所需的元器件具備與實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備相一致的接線端子設(shè)置，即可在Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)線路的虛擬連接和仿真驗(yàn)證分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交互

我們針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)編制了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存取模塊來實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為基于m文件編制的函數(shù)程序，程序運(yùn)行時(shí)構(gòu)建的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件實(shí)現(xiàn)了仿真程序與上位軟件之間的數(shù)據(jù)交互。臨時(shí)數(shù)據(jù)文件是為每次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)臨時(shí)建立的，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩裕捎昧薃SCII數(shù)據(jù)文件形式，完成包括初始值載入、上位軟件的操作產(chǎn)生的控制參數(shù)和仿真系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算的狀態(tài)變量數(shù)據(jù)的相互傳遞等功能。通過臨時(shí)數(shù)據(jù)文件，Visual C++程序?qū)⒉僮髅顐鬟_(dá)給虛擬仿真軟件，再把仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并轉(zhuǎn)存Access數(shù)據(jù)表單，方便實(shí)驗(yàn)者后期復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線和生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告使用。當(dāng)上位操作軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生中斷，通過數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)仿真程序的重新設(shè)置。雖然每一次的上位機(jī)操作都會(huì)導(dǎo)致重新運(yùn)行仿真程序，但是由于將前一次運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)作為新的仿真運(yùn)行的初始值，所以仿真全程是連續(xù)的，在上位軟件中體現(xiàn)的也將是一個(gè)連續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程。

1.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成系統(tǒng)

我們結(jié)合Visual C++與MS Word的混合編程技術(shù)，將MS Office安裝目錄中的MSWORD.OLB類庫導(dǎo)入VC++中，利用COM技術(shù)編程，在源代碼中調(diào)用OLE自動(dòng)化對(duì)象來操作Word程序［5］。

由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式相對(duì)固定，編制程序事先設(shè)計(jì)好模板文件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線存為JPG文件，并導(dǎo)入到模板文件的對(duì)應(yīng)位置。報(bào)告的文本內(nèi)容，通過在需插入內(nèi)容的地方設(shè)置書簽變量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)過程的對(duì)話框中依次填寫的實(shí)驗(yàn)信息、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)總結(jié)等字符串文本，轉(zhuǎn)存到Word模板的對(duì)應(yīng)位置上，并最終生成基于Word文檔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 電力拖動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例

現(xiàn)以“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程中的不可逆雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例，介紹仿真實(shí)驗(yàn)。我們選擇實(shí)驗(yàn)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)講義和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊的介紹界面，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)講義和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊的介紹界面

我們通過對(duì)按鈕控件的操作，可以完成對(duì)講義內(nèi)容和圖片介紹的翻閱;通過本界面調(diào)用Matlab引擎，進(jìn)入基于Simulink仿真環(huán)境的實(shí)驗(yàn)仿真接線以及實(shí)驗(yàn)仿真分析實(shí)驗(yàn)環(huán)境。若實(shí)驗(yàn)者已完成實(shí)驗(yàn)接線并仿真分析驗(yàn)證，也可以直接導(dǎo)入預(yù)先設(shè)置好的實(shí)驗(yàn)仿真程序，如圖3所示。

圖3 基于Simulink環(huán)境下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)接線圖

通過“開始虛擬實(shí)驗(yàn)”操作，可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作界面。被調(diào)用的仿真程序在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算仿真，如果實(shí)驗(yàn)者沒有進(jìn)行接線操作，將直接調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的實(shí)驗(yàn)仿真程序。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作界面如圖4所示。

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作界面

實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊“完成實(shí)驗(yàn)”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)生成以實(shí)驗(yàn)時(shí)間命名的ACCESS數(shù)據(jù)庫文件，并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成系統(tǒng)可以調(diào)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選擇與實(shí)驗(yàn)曲線的復(fù)現(xiàn);通過對(duì)所設(shè)置實(shí)驗(yàn)問題的回答，可以生成到設(shè)置好格式的Word實(shí)驗(yàn)報(bào)告文檔。

3 結(jié)語

我們實(shí)施的電力拖動(dòng)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得如下成效。

(1)增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的認(rèn)知，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度，提升了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

(2)有效地改變了電力拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)手段單一、實(shí)驗(yàn)資源不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限制的問題。

(3)解決了授課教師在教學(xué)實(shí)踐中虛擬仿真多媒體技術(shù)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)過程有機(jī)結(jié)合的問題。改進(jìn)了教學(xué)方法和教學(xué)手段，提升了任課教師的教學(xué)能力。

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不斷完善，其技術(shù)成果將有很好的推廣價(jià)值，為同類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供有效的技術(shù)借鑒。

［1］陳麗蘭.“電力拖動(dòng)系統(tǒng)”課程實(shí)踐教學(xué)的探索［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(11):389-391.

［2］木合亞提.伊克山.“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)的改革［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(12):131-133.

［3］董建婷;王杰.VC++調(diào)用Matlab實(shí)現(xiàn)圖像處理的3種常用方法比較［J］.西安:現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(16):46-49.

［4］來爽，慕德俊.基于VC和Matlab的PID仿真軟件實(shí)現(xiàn)［J］.北京:計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45(3):81-83.

［5］熊瑜容，柴毅，王淑娟，王嘉騏.基于VC++的Word文檔自動(dòng)生成技術(shù)［J］.杭州:計(jì)算機(jī)時(shí)代，2010(1):52-54.