虛擬仿真軟件在電氣專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

王穎杰 劉海媛

（[1]中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇 徐州 221000；[2]中國礦業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院 江蘇 徐州 221000）

0 引言

電氣專業(yè)教學(xué)體系中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)踐的基本環(huán)節(jié)。自“十三五”以來，為了讓工科學(xué)生擁有較強(qiáng)的科學(xué)實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，教育部在很多教學(xué)過程中增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但從實(shí)際情況來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)儀器，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)際應(yīng)用工況存在較大差距，使得很多高校不能很好滿足培養(yǎng)學(xué)生的教學(xué)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在高校的普及，虛擬仿真軟件日趨成熟，在開展新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)場(chǎng)景、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式等方面都有很好的應(yīng)用前景。

1 虛擬仿真軟件概述

上世紀(jì)80 年代初美國 VPL 公司創(chuàng)建人杰倫·拉尼爾提出虛擬仿真這一名詞。虛擬仿真是利用計(jì)算機(jī)編程軟件技術(shù)，參照真實(shí)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建具有類似環(huán)境和條件的虛擬仿真系統(tǒng)，并利用實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行仿真。學(xué)生可以根據(jù)自己的需要自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)成果驗(yàn)證，不必?fù)?dān)心因操作不當(dāng)而造成的實(shí)驗(yàn)不良后果，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，能有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。

1.1 虛擬仿真軟件應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬仿真軟件包括虛擬儀器和仿真軟件。虛擬儀器通過使用計(jì)算機(jī)的顯示功能來模擬傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制面板，借助軟件功能模擬電路環(huán)境及運(yùn)行過程。虛擬仿真的特點(diǎn)是虛實(shí)結(jié)合，能夠?qū)⒁恍┍匾挠布O(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行有效結(jié)合，既能克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺點(diǎn)，又能完美結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，包含教育教學(xué)、航空航天、電力系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、工業(yè)生產(chǎn)、消防安全、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、生物技術(shù)、建筑工程、電力電子等諸多領(lǐng)域。

1.2 虛擬仿真軟件適用課程

隨著計(jì)算機(jī)在高校的普及，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的虛擬仿真軟件也日益豐富，幾乎涵蓋了高校的所有學(xué)科，其中有電氣工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、實(shí)體建模、化工實(shí)踐、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、汽車維修等很多專業(yè)，每個(gè)專業(yè)涉及的虛擬仿真軟件也種類繁多。

在我校，電氣專業(yè)主要有電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、電力系統(tǒng)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、DSP原理及應(yīng)用等課程。這些課程的傳統(tǒng)教學(xué)采用“先理論，后實(shí)踐”的方法，即先在教室進(jìn)行理論教學(xué)，然后在實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。這種教學(xué)模式的弊端是顯而易見的，枯燥的理論課程加上既定的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不僅讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，而且在面對(duì)工程應(yīng)用時(shí)往往會(huì)束手無策。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以很好的將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互結(jié)合起來，幫助學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立綜合實(shí)驗(yàn)，激發(fā)其創(chuàng)新思維并培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力。虛擬仿真軟件教學(xué)方法也受到了學(xué)校和學(xué)院各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。

1.3 虛擬仿真軟件的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

在電氣專業(yè)課程的教學(xué)中，由于此類課程的工程實(shí)踐性強(qiáng)，采用理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，能更好幫助學(xué)生理解一些物理現(xiàn)象抽象、工作原理深?yuàn)W的問題，同時(shí)也能較好的培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。

傳統(tǒng)的電氣專業(yè)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中常常會(huì)受到儀器設(shè)備短缺、實(shí)驗(yàn)器材昂貴、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足、安全問題頻發(fā)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)等限制條件，大大影響課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力。虛擬仿真軟件能克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的制約和弊端，并在很大程度上能取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將虛擬仿真軟件引入電氣專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所受到的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間的限制，不僅節(jié)省了昂貴的儀器設(shè)備等成本，還能有效防止一些帶電操作引發(fā)的觸電事故，提高了電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全保障。學(xué)生能在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上，舉一反三，自主進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)深度且激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，徹底將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)際成果并展示出來。

2 虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

電氣專業(yè)教學(xué)中用到的虛擬儀器和仿真軟件主要有RT-LAB、dSPACE、RTDS、PSCAD、MATLAB、LabVIEW 等。

2.1 RT-LAB 虛擬儀器的應(yīng)用

RT-LAB采用主機(jī)/目標(biāo)機(jī)架構(gòu)的分布實(shí)時(shí)平臺(tái)，可以對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)模型，也稱為半實(shí)物仿真和硬件在環(huán)仿真，即可以通過豐富的外部I/O 連接外部電路代替相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，提高模型的精確度和運(yùn)行速度，克服一些不確定因素的干擾。支持PSIM、Simulink 或者PLECS 模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化成代碼，并且可以通過eHS 平臺(tái)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)FPGA 仿真。無需具備豐富的VHD、FPGA和其他編程語言，這對(duì)于開發(fā)人員來說，能有更多的時(shí)間專注算法研究，同時(shí)還具有在線修改系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行結(jié)果的功能，得益于FPGA高速并行的計(jì)算能力、高頻時(shí)鐘及直接管理I/O，使得接口延時(shí)非常小?；谀軐?fù)雜模型簡(jiǎn)單化、快速原型、接口豐富的特點(diǎn)，RT-LAB 被廣泛應(yīng)用到電氣專業(yè)的教學(xué)中，主要包含電力電子技術(shù)、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理等課程。

RT-LAB 是基于數(shù)學(xué)模型的工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，其前期的模型開發(fā)通常都是在Simulink 環(huán)境下進(jìn)行。主要流程如下：首先對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并與RT-LAB 主控制機(jī)關(guān)聯(lián)起來，并根據(jù)其建模原則將系統(tǒng)合理的分為若干個(gè)子模塊；然后編譯模型和分配節(jié)點(diǎn)，生成可為 RT-LAB 執(zhí)行的文件并回傳給上位機(jī)；其次加載模型，上位機(jī)向目標(biāo)機(jī)加載執(zhí)行代碼；最后就是模型運(yùn)行或者暫停，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)運(yùn)行過程并在線修改系統(tǒng)仿真參數(shù),且使用方便。

2.2 MATLAB 仿真軟件的應(yīng)用

MATLAB仿真軟件是用于數(shù)據(jù)分析、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)可視化的計(jì)算語言和交互式環(huán)境，可以進(jìn)行函數(shù)繪制、數(shù)據(jù)圖形化、創(chuàng)建用戶界面、矩陣運(yùn)算等功能，提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理的集成環(huán)境。MATLAB 仿真軟件具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活高效等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到電氣專業(yè)的教學(xué)中，主要包含電力系統(tǒng)分析、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等課程。

Simulink 為MATLAB 工具下的一種仿真系統(tǒng)，工具箱中包含了電氣專業(yè)幾乎全部的元器件模型。其使用方法如下：首先對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，主要分為主電路和控制電路兩部分；然后通過MATLAB 首頁進(jìn)入Simulink 仿真系統(tǒng)，打開工具箱，選擇模型中需要的各種元器件并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后將各部分通過導(dǎo)線連接起來，進(jìn)行編譯，在模型中添加分析工具可對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。這種圖形化編程能有效節(jié)省時(shí)間，簡(jiǎn)單方便，有效降低實(shí)驗(yàn)成本，在電氣專業(yè)的教學(xué)中受到學(xué)生的一致好評(píng)。

2.3 LabVIEW 仿真軟件的應(yīng)用

LabVIEW 仿真軟件是NI 設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，由美國國家儀器公司開發(fā)，集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用程序所需的全部工具。LabVIEW 作為一款功能強(qiáng)大的圖形化程序開發(fā)環(huán)境，具有數(shù)據(jù)采集和儀器控制等功能，被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)界和電氣專業(yè)的教學(xué)中，主要包含電力電子技術(shù)、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等課程。

LabVIEW軟件中包含了數(shù)千種專為工業(yè)測(cè)量和控制應(yīng)用程序創(chuàng)建的高級(jí)函數(shù)，圖形化編程大大縮減了開發(fā)周期。其主要開發(fā)流程如下：打開LabVIEW 軟件，點(diǎn)擊創(chuàng)建項(xiàng)目，添加終端設(shè)備(CompactRIO 控制器)；添加FPGA 終端到機(jī)箱，添加C系統(tǒng)模塊到FPGA 終端；設(shè)置C 系統(tǒng)模塊在卡槽位置，設(shè)置C系統(tǒng)模塊工作模式；創(chuàng)建主程序VI，創(chuàng)建底層程序FPGA VI。采用可重新配置I/O 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能和自定義功能，并具備集成式工業(yè)通行和人機(jī)交互界面功能。

3 結(jié)束語

虛擬仿真軟件的引入為高校電氣專業(yè)教學(xué)帶來了新的活力，為改善相關(guān)理論教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)問題提供了渠道，適應(yīng)了研究性、開放性、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展需求，為完善電氣專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系和課程體系建設(shè)與改革做出了貢獻(xiàn)，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新想法，從而提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。