計算機(jī)維護(hù)實操仿真技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用探討

馬一寧 鞠耀東 岑曦

??隨著電子計算機(jī)的大量普及，信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能教育的蓬勃興起，職業(yè)院校也在不斷改進(jìn)教學(xué)方法，應(yīng)用仿真軟件來優(yōu)化電子專業(yè)教學(xué)也成為一種可能。這將會給職業(yè)學(xué)校節(jié)約大量的物力、財力、人力，實現(xiàn)了既環(huán)保，有直觀高效的課堂教學(xué)。本文筆者就以電子專業(yè)課堂教學(xué)為切入口，探討仿真軟件在電子專業(yè)課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

電子專業(yè);仿真軟件;課堂教學(xué);計算機(jī)

電力電子技術(shù)是自動化專業(yè)必修的專業(yè)課程之一。它對學(xué)生的基礎(chǔ)知識面要求很寬，理論性強(qiáng)，涉及控制、電力和電子等方面的課程;課程里面的電路和運算非常多，而且電路工作原理復(fù)雜，運算繁瑣，因此學(xué)生學(xué)習(xí)起來特別吃力。對于這門課的特點，在課堂教學(xué)過程中引入計算機(jī)仿真，不僅可以解決學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程困難的問題，而且在電力電子技術(shù)相關(guān)的畢業(yè)綜合實訓(xùn)中，使學(xué)生可以利用相關(guān)軟件解決實際問題。近些年來，計算機(jī)仿真軟件在電力電力行業(yè)中的應(yīng)用逐漸增多，并且取得了一定的成效。大量事實證明，計算機(jī)仿真軟件的應(yīng)用為電力電子控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了有效的仿真環(huán)境，在很大程度上促進(jìn)了電子電力技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展。因此本文嘗試通過課堂教學(xué)的一些改革，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的要求。

自從約翰·馮·諾依曼發(fā)明了計算機(jī)，它就成為了我們最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，對人類的工作和生活都產(chǎn)生了非常重要的影響，帶動了全球范圍的技術(shù)進(jìn)步，成為了社會信息中不可缺少的工具，并且現(xiàn)在也在不斷的發(fā)展，相信以后會越來越好。

計算機(jī)可以進(jìn)行數(shù)值計算、邏輯計算及信息儲存功能，它是可以按照程序進(jìn)行的智能電子設(shè)備，為我們的生活提供了很大的幫助。計算機(jī)之所以能被我們有效的運用是與其有效特點分不開的，它具有運算速度快、計算精確度高、強(qiáng)大的邏輯判斷能力及自動控制能力等優(yōu)勢?，F(xiàn)在的計算機(jī)系統(tǒng)在計算的時候可以達(dá)到每秒萬億次，對于比較復(fù)雜的科學(xué)計算問題能有效的解決掉，以前對于復(fù)雜的計算問題要用到的時間長達(dá)幾個月，有時候幾個月還不能完全解決，現(xiàn)在有了計算機(jī)能很好地解決掉這個問題，只需要幾分鐘就能很好的解決，對人類的未來發(fā)展得到有效的提高。

計算機(jī)的運用已經(jīng)廣泛的體現(xiàn)在人們的生活中，例如：路由器、筆記本電腦、智能手機(jī)等。路由器是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)，有效為我們的生活提供了方便。

電力電子技術(shù)在人們生活和工作中的應(yīng)用也較為廣泛，對電力電子技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新可以顯著改善人們的生活狀態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。在現(xiàn)代社會中，人們無論處在何時何地都離不開電能的支持，人們的工作將無法開展，人們的生活將回到原始時代，所以，電能是人類賴以生存發(fā)展的重要能源。電力電子技術(shù)是現(xiàn)代電氣工程發(fā)展的重要組成部分，行業(yè)內(nèi)通常將晶閘管的成功研發(fā)作為電力電子技術(shù)的發(fā)端，之后又陸續(xù)研發(fā)出電力雙極型晶體管等技術(shù)的出現(xiàn)更加完善了電力電子技術(shù)的發(fā)展，給電力電子技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更加廣闊的發(fā)展空間。通過電力電子技術(shù)可以實現(xiàn)工業(yè)電能形式的轉(zhuǎn)化，讓電能的應(yīng)用更加合理高效，顯著提高了電能的使用效率。電力電子技術(shù)的高頻化處理可以讓工業(yè)中的機(jī)電設(shè)備逐漸向高頻化和微型化方向發(fā)展，降低了工作人員的工作量，顯著提高了工作效率，極大促進(jìn)了工業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得計算機(jī)仿真技術(shù)也在不斷地更新，計算機(jī)的有效運用也為人們提供了更好的思路，對于計算機(jī)仿真軟件的發(fā)明更是提高了生活質(zhì)量，促進(jìn)生活的有效運行。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)已成為分析、綜合各類系統(tǒng)，對于大系統(tǒng)可以有限的研究。所謂仿真，就是對一些系統(tǒng)屬性的逼真，從而達(dá)到有效處理的目的。仿真也是要有效的解決有關(guān)問題的，既需要處理系統(tǒng)的有關(guān)問題，也要處理需求者的有關(guān)問題。

傳統(tǒng)的仿真軟件是一種反復(fù)進(jìn)行的過程，抽象出一種模型，然后輸入進(jìn)行實驗，由試驗者來說出實驗結(jié)果，根據(jù)判斷的情況來對實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行不斷的改變，一直到認(rèn)為這種模型能為試驗者對客觀系統(tǒng)的仿真目的為止。這種仿真軟件常用于仿真機(jī)等，有效地提高了我們的生活質(zhì)量。

西麥科技實訓(xùn)云采用前沿的技術(shù)，結(jié)合當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)教育的實際困境，有針對性的設(shè)計出一代教學(xué)方案-實訓(xùn)云系統(tǒng)。實訓(xùn)云提供課程、挑戰(zhàn)和考試等多元化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并根據(jù)需要部署云主機(jī)資源池，啟動虛擬機(jī)并通過網(wǎng)絡(luò)交付給云終端，實現(xiàn)課程環(huán)境的搭建，可供用戶體驗更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。實訓(xùn)云將云計算和教育場景、教育方案結(jié)合在一起，提供全面的教學(xué)管理功能。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式相比，在線學(xué)習(xí)具有高效、快捷、方便傳播的特點，為學(xué)員、老師帶來極大的便利。

西麥實訓(xùn)云系統(tǒng)是一款功能全面的電子仿真軟件，該軟件里保護(hù)了多種模型數(shù)據(jù)，不需要學(xué)生自己去網(wǎng)上搜索數(shù)據(jù)，可以直接從軟件內(nèi)部搜索使用，只需要設(shè)置一個編碼器，就可以應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真實驗了，因為該軟件保護(hù)數(shù)據(jù)多，所以已經(jīng)在課堂上廣泛應(yīng)用，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，為教師提供了更多可參考的授課素材。

運用仿真軟件設(shè)計的實驗圖像清晰直觀，便于學(xué)生理解。用鼠標(biāo)移動對應(yīng)的功能模塊，然后只要根據(jù)電氣聯(lián)結(jié)關(guān)系進(jìn)行連接就可以得到想要的效果，操作十分簡單不繁瑣，與電力電力技術(shù)結(jié)合的非常緊密，對操作用戶的要求極低，只需要掌握基礎(chǔ)的計算機(jī)操作和電力電子的理論技術(shù)就可以熟練應(yīng)用。更加容易被大眾接受。電路圖的清晰程度一直都是影響電子專業(yè)學(xué)生學(xué)校成效的關(guān)鍵因素。過去教學(xué)中，很多高校以及高職院校也多次嘗試應(yīng)用其他軟件來解決電路圖清晰問題，但效果都不明顯，直到虛擬仿真軟件的出現(xiàn)，為我們教學(xué)者解決了這一難題。

學(xué)員可以根據(jù)自己的喜好選擇想要學(xué)習(xí)的課程，并添加到【課程管理】之中，若課程發(fā)布，則可以直接通過客戶端端進(jìn)入課程學(xué)習(xí)，在課程結(jié)束之后，可以通過軟件自帶的特色化實訓(xùn)功能，將課程與實驗進(jìn)行關(guān)聯(lián)，增加學(xué)員在課程上的實操能力，深入了解課程內(nèi)容。

在課程學(xué)習(xí)完成之后，可以通過軟件自帶的考試模塊，對學(xué)員自身的整體學(xué)習(xí)程度進(jìn)行考核，試題題型分為：可選擇單選題、多選題、判斷題、填空題和簡單題。已勾選的題型會在考試頁面顯示對應(yīng)試題，已添加試題但未添加試題題型，則不在考試頁面中顯示。試題來源分為：實驗題、題庫、歷史考試、新建，支持多來源試題，加入試題更加方便，支持試題的多次使用。老師也可以通過自帶的編輯分?jǐn)?shù)對已選擇題型的題目需編輯分?jǐn)?shù)，支持批量添加和單項添加，打分更便捷。

仿真軟件功能很多，比如可以 3D 模擬出真實電子線路，結(jié)合數(shù)字技術(shù)真實再現(xiàn)。開發(fā)者設(shè)計仿真軟件時，就在其器件庫里儲存了大量大公司的元器件和集成電路，教師和學(xué)生可以利用虛擬測試器直觀地觀察電路運行狀態(tài)好結(jié)果，教師也可以一邊講解理論知識，一邊讓學(xué)生直觀看電路圖的某個位置，將文字知識與圖像結(jié)合起來教學(xué)，加深學(xué)生對理論知識的理解，從而利用計算機(jī)處理速度的優(yōu)勢，再計算結(jié)果，學(xué)生則可以看到實驗的整個過程。當(dāng)然，仿真軟件還有一大優(yōu)勢就是學(xué)生做實驗不再受空間限制，以往學(xué)生可以必須到實驗室才能完成的工作，限制學(xué)生可以在實訓(xùn)室、宿舍電腦里隨時模擬。可見，仿真軟件對于電子專業(yè)教學(xué)有非常重要的助推作用。

在實際電路設(shè)計前，可以進(jìn)行多次修改參數(shù)，元件等等，并進(jìn)行反復(fù)的對照和實驗，可以較少實際實驗中的操作繁瑣度，縮短實際實驗時間。其次，使用計算機(jī)仿真軟件，可以減少測量元件的過程，一方面減少了原件的損耗，另一方面可以快速進(jìn)行實驗，最好在計算機(jī)仿真軟件中盡可能的模擬實際模型。

電子專業(yè)課程實踐性矯情，如果教師單純依靠課堂理論知識傳授和課程內(nèi)容設(shè)計的實驗來完成教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法提升學(xué)生實踐技能的，因為學(xué)生只有在大量實踐訓(xùn)練中才可能真正將理論知識轉(zhuǎn)化為實際技能。仿真軟件就可以成為指導(dǎo)學(xué)生自主模擬和設(shè)計實驗的“導(dǎo)師”，學(xué)生完成理論學(xué)習(xí)后，教師可以讓學(xué)生結(jié)合仿真軟件來設(shè)計電路，又不懂的可以問老師，也可以借助仿真軟件自主學(xué)習(xí)。如此一來，極大地提高了學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)造能力。

實驗數(shù)據(jù)誤差的產(chǎn)生與試驗中參數(shù)一致性差有著密不可分的關(guān)系，而單純的工具測量，難以精準(zhǔn)，且次數(shù)受到限制，不能進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)測量，但是可以通過引入計算機(jī)仿真軟件，可以對參數(shù)的觀察更加細(xì)致，同時減少了誤差，除此之外，計算機(jī)仿真軟件，可以不用在實驗時不停的更替元件，進(jìn)行冗雜的操作，在較短的時間內(nèi)觀察較多的曲線變化，通過改變部分電路的參數(shù)， 進(jìn)一步觀察其它數(shù)據(jù)的變化以及數(shù)據(jù)曲線的變化，從中觀察到電路的變化，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，進(jìn)而更好地學(xué)習(xí)和掌握電力電子技術(shù)的技巧。

西麥實訓(xùn)云系統(tǒng)是一款功能全面的電子仿真軟件，包括很多專業(yè)的課程：數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬化等這些方面。

例如需要系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)Boost功率因數(shù)校正電路完成模擬訓(xùn)練，首先可以利用系統(tǒng)設(shè)計單相Boost功率因數(shù)校正電路圖見圖1。

Boost變換器在“電力電子技術(shù)”中的作用是升壓的功能，在電子電路中應(yīng)用最多。作為功率因數(shù)校正裝置使用，比如開關(guān)電源作為市電和后級變換電路的中間電路，作用是提高變換器的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)效率。單相Boost功率因數(shù)校正電路的基本原理是利用控制電路強(qiáng)迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形而實現(xiàn)交流輸入電流的正弦化，并與輸入電壓同步。因此，在學(xué)習(xí)Boost變換器的時候，教師不僅要讓學(xué)生知道Boost變換器的升壓作用，因為這是所有電力電子技術(shù)書籍中的理論知識點，更重要的是要讓學(xué)生了解Boost變換器在電子電路中的實際應(yīng)用，這樣才能使學(xué)生知道學(xué)習(xí)這個知識點在以后的工作當(dāng)中有非常重要的作用。既能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能使學(xué)生加深對知識點的理解。

單相Boost功率因數(shù)校正電路中的控制器采用TI/Unitrode公司的UC3854芯片。可以在系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫中選取UC3854芯片，然后根據(jù)系統(tǒng)給的實際參數(shù)設(shè)計基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖見圖2。

圖2中Boost變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，其電感電流就是輸入電流。電感電流被采樣并被控制，其幅值與輸入電壓同相位的正弦參考信號成正比，從而達(dá)到功率因數(shù)校正的目的;乘法器方式PFC電路還可以根據(jù)輸出電壓反饋信號，利用一個乘法器電路來控制正弦參考電流信號，從而獲得可調(diào)整的輸出電壓;同時，也具有輸出電壓的平均值。實際上，模擬控制器可以概括為內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)電壓環(huán)兩個控制環(huán)。內(nèi)環(huán)電流環(huán)的作用是使輸入電流跟蹤輸入電壓，外環(huán)電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓。

電路圖設(shè)計完成之后，可以在根據(jù)系統(tǒng)給到的部分實際數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真實驗，以此來加深對知識的掌握度。

現(xiàn)如今，除了在電氣電路領(lǐng)域被廣泛運用，在部分領(lǐng)域也會有液壓機(jī)、氣壓機(jī)等作為主要模擬設(shè)備，后來漸漸的發(fā)展，使得仿真機(jī)不斷的運用到其中?，F(xiàn)在以數(shù)字機(jī)為主機(jī)的各種各樣專用和通用仿真機(jī)得到普遍運用，隨著科技的不斷發(fā)展，更高層次的數(shù)字模擬仿真機(jī)和智能仿真機(jī)在整合集成數(shù)字仿真和模擬仿真優(yōu)勢的基礎(chǔ)上誕生了，這為人們的仿真跨出了重要的一步。

計算機(jī)仿真技術(shù)的使用使得人們在生活中也更加便捷，在未來發(fā)展過程中還需要對其進(jìn)行更進(jìn)一步的發(fā)展，為人類的生活提供更方便的途徑。仿真技術(shù)的有效運行也使得電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，造就現(xiàn)在電能的不斷使用，也會使得人類對電力的使用更加方便。

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