論仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)課程的作用
——以單相橋式整流電路的仿真實(shí)驗(yàn)為例

貴州電子科技職業(yè)學(xué)院 吳永樂

電力電子技術(shù)、模擬/數(shù)字電路和電路等是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課程，是理論和實(shí)驗(yàn)想結(jié)合的綜合性課程。理論學(xué)習(xí)是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論最好的方法。由于課程知識(shí)點(diǎn)抽象，難點(diǎn)多，且實(shí)驗(yàn)大多數(shù)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性的考核實(shí)驗(yàn)，一定程度上阻礙了學(xué)生的創(chuàng)造性和自主解決問題的能力。但通過Simulink、Multism搭建模型或者電路進(jìn)行仿真時(shí)，能直觀的觀察仿真結(jié)果。仿真式教學(xué)不但能提高學(xué)習(xí)效率，還能通過自主搭建仿真模型進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還能提前熟悉實(shí)驗(yàn)的流程和解決一些設(shè)計(jì)中遇到的難題。

自動(dòng)化專業(yè)的課程中，電路是最基本的，但也是最常用的。單相橋式整流電路是理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的基本電路，通過理論學(xué)習(xí)分析電路的工作原理，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)有一定的局限性，難以提升學(xué)生的動(dòng)手能力，影響學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造新，從而失去獨(dú)立思考的能力。

鑒于電力電子技術(shù)、電路等課程的特殊性和仿真軟件的發(fā)展，未來的教學(xué)離不開仿真研究。仿真技術(shù)能提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)還能提高設(shè)計(jì)者的動(dòng)手能力，通過搭建Simulink、Multisim仿真模型進(jìn)行理論研究，還能減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

圖1 單相橋式整流電路

1 單相橋式整流電路

單相橋式整流電路是基礎(chǔ)，也是重點(diǎn)。單相整流電路主要由三部分組成，即電源、變壓器、整流二極管組成，主要依靠二極管的導(dǎo)通與截至進(jìn)行整流，負(fù)載端并聯(lián)電容可進(jìn)行濾波處理，使輸出的波形更加平穩(wěn)。不論是單向整流電路，還是三相整流電路，都需要采用二極管進(jìn)行整流，而單向整流電路包含單向半波整流和單向橋式整流電路，兩者唯一的區(qū)別就是二極管的數(shù)量，前者僅僅采用單個(gè)二極管進(jìn)行整流，后者利用四個(gè)二極管進(jìn)行整流。

單向半波整流電路原理圖如圖1所示。

由文獻(xiàn)（孟秀娟，劉慶偉.單相橋式整流電路分析及應(yīng)用；崔景淼.單相橋式整流電路之我見）可知，單向橋式整流電路的整流二極管既可使用模塊化的成品，還能利用四個(gè)二極管組合成橋式電路。

電路工作原理（假設(shè)二極管處于理想狀態(tài)）：

（1）當(dāng)e2≥0時(shí)，即處于正半周期時(shí)，根據(jù)電壓方向，VD1和VD3導(dǎo)通，而VD2和VD4反向截止，此時(shí)電路形成完整的回路；

（2）電流回路為：e2→VD1→RL→VD3→e2

（3）反之，當(dāng)e2處于負(fù)半周期時(shí)，VD2和VD4導(dǎo)通，VD1和VD3截止，此時(shí)仍然形成回路。

單向橋式整流電路能夠在RL上得到單一方向的直流信號(hào)源，而根據(jù)整流的特點(diǎn)，不論是仿真實(shí)驗(yàn)還是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)要選擇合適的器件，否則會(huì)燒壞元器件。理論上，應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算參數(shù)去挑選元器件，仿真實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)最理想的結(jié)果，但在實(shí)際中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受多方面的影響，故選擇器件時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高閾值，保證元器件不被燒壞從而引起事故。

由文獻(xiàn)（吳恒玉,唐民麗.模擬電子技術(shù)）可知，純負(fù)載電路的整流效果并不理想，無論是從仿真還是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中來看，純負(fù)載電路的輸出波形仍然有交流分量。因此，為了使單向橋式整流電路輸出波形近似理想的直流效果，往往需要采用濾波電路，由于電容具有“隔直通交”的作用，而且電容兩端的電壓不可突變，因此在整流電路中通常采用電容濾波電路。

2 仿真軟件

Multisim仿真軟件廣泛用于電子電子技術(shù)、模數(shù)電電路仿真中，元器件通過導(dǎo)線連接，就能直觀的觀察輸出結(jié)果，通過不斷調(diào)試器件參數(shù)，能動(dòng)態(tài)觀察輸出的結(jié)果；Simulink是廣受設(shè)計(jì)者青睞的仿真平臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。而且Simulink平臺(tái)操作界面簡(jiǎn)單，從類似于Multisim仿真軟件的電路仿真外，還能進(jìn)行電機(jī)、電力系統(tǒng)等方面的動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，并且Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。此外，還能采用proteus仿真軟件進(jìn)行仿真。

圖2 單相整流電路仿真圖

在通過理論學(xué)習(xí)后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不但能減少實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤以及操作時(shí)間，還能通過仿真掌握更多的知識(shí)。從而根據(jù)所學(xué)的專業(yè)課程知識(shí)進(jìn)行綜合性的仿真實(shí)驗(yàn)，提高自主思考能力，真正意義上的做到全方面提升，而不能僅僅局限于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更要通過思考、調(diào)試去搭建更具綜合性的模型。

仿真實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的理想效果，避免操作不當(dāng)而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)事故。仿真技術(shù)的發(fā)展意味著未來仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞欢ǔ潭壬蠝p少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，從而進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)鍛煉動(dòng)手能力。

3 仿真實(shí)驗(yàn)的作用

根據(jù)電路的原理，通過Simulink和Multisim搭建的仿真模型，設(shè)置完相應(yīng)的參數(shù)后，輸出仿真結(jié)果如圖2所示。

通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，單相橋式整流電路中利用二極管的特性，能夠達(dá)到很好的整流效果。

自動(dòng)化專業(yè)的很多門課程是都實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，通過實(shí)驗(yàn)去學(xué)習(xí)可以鞏固理論知識(shí)，還能鍛煉動(dòng)手能力。仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)自動(dòng)化專業(yè)課程的一個(gè)很重要的過程，在一定程度上仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱娲鷮?shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可隨時(shí)搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，仿真教學(xué)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生能夠掌握實(shí)驗(yàn)的基本流程以及實(shí)驗(yàn)中易出現(xiàn)的問題，通過自己的思考去解決難題；同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)還能提高學(xué)生的創(chuàng)造力和主動(dòng)性，有助于提高動(dòng)手能力；最后，仿真實(shí)驗(yàn)還能為學(xué)生提供綜合性實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，通過仿真去驗(yàn)證綜合性的實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的效率。

結(jié)束語：本文以仿真實(shí)驗(yàn)為基準(zhǔn)，重點(diǎn)分析了單向橋式整流電路的基本原理以及通過Simulink和Multisim觀察仿真結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要性。自動(dòng)化是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的專業(yè)，依靠仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生、老師都會(huì)有很大的提升，老師以仿真實(shí)驗(yàn)作為切入點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生更快熟悉仿真軟件或者平臺(tái)，而學(xué)生也能通過仿真實(shí)驗(yàn)提前熟悉實(shí)驗(yàn)，提高動(dòng)手能力和創(chuàng)造性。

Simulink和Multisim為設(shè)計(jì)者提供仿真平臺(tái)，而仿真實(shí)驗(yàn)室仿真結(jié)果與理論分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，這表明大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可采用仿真軟件完成。設(shè)計(jì)者進(jìn)行綜合性的設(shè)計(jì)時(shí)，可先采用仿真進(jìn)行驗(yàn)證，動(dòng)態(tài)改變參數(shù)實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，提高設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。