《電工與電子技術(shù)》課程典型電路教學(xué)仿真

張冬梅

（中國(guó)遠(yuǎn)洋海運(yùn)大學(xué)職業(yè)教育學(xué)院機(jī)電系，青島266071）

0 引言

《電工與電子技術(shù)》是我校輪機(jī)管理和船電專業(yè)的基礎(chǔ)課程，主要包括直流電路、正弦交流電路、三相電路、半導(dǎo)體器件、集成運(yùn)算放大器、集成門電路等基礎(chǔ)知識(shí)，是一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在課程教學(xué)中，以電路分析計(jì)算為主，計(jì)算過(guò)程和計(jì)算量大，教師在教授過(guò)程和學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，精力主要集中在數(shù)據(jù)的運(yùn)算過(guò)程中，而對(duì)電路的功能實(shí)現(xiàn)、元件參數(shù)變化引起的電路特性改變、電路輸出波形變化等只能通過(guò)課本上內(nèi)容講解來(lái)學(xué)習(xí)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)由于電路元件參數(shù)變化影響的電路特性的實(shí)時(shí)觀察，教學(xué)過(guò)程相對(duì)比較僵硬、呆板，不夠直觀。雖然教學(xué)過(guò)程中開設(shè)了部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，能夠幫助學(xué)生形象直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)課時(shí)的限制，不能夠?qū)γ總€(gè)電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、實(shí)驗(yàn)分析，不能方便地觀察電路現(xiàn)象和響應(yīng)。

近年來(lái)，很多教學(xué)工作者，為提高課堂教學(xué)效率，降低課程學(xué)習(xí)難度，增加課程內(nèi)容直觀性與感受度，相繼利用MATLAB軟件對(duì)課程內(nèi)容獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算、波形仿真，取得了不錯(cuò)的效果[1]。

本文基于MATLAB Guide（圖形用戶界面）的開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套應(yīng)用于《電工與電子技術(shù)》課程典型電路教學(xué)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)選擇了十個(gè)典型電路，設(shè)計(jì)開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)。利用該平臺(tái)，任課教師在課堂上以人機(jī)交互的方式對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行講解，可以使得枯燥抽象的電路分析內(nèi)容變得生動(dòng)具體，有助于加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生探究電路原理、自主學(xué)習(xí)的能力。

1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合本校《電工與電子技術(shù)》教材[2]，教學(xué)仿真平臺(tái)包含兩大部分內(nèi)容：電工學(xué)和電子技術(shù)課程中的典型電路。在MATLAB GUI（圖形用戶界面）下設(shè)計(jì)運(yùn)行，類似Windows風(fēng)格，使用者可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等外部輸入設(shè)備，與仿真平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。GUI的建立大體有兩種方式[3-4]。本文采用圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境。

GUI功能包括面板設(shè)計(jì)和組件回調(diào)程序編程，由窗口、光標(biāo)、按鈕、選單、文字說(shuō)明等圖形對(duì)象構(gòu)成用戶界面，用戶通過(guò)鼠標(biāo)活著鍵盤選擇、激活圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖、顯示等功能[5]。仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 仿真設(shè)計(jì)流程

2 仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.1 登錄系統(tǒng)界面（圖2）

圖2 登錄系統(tǒng)界面

在圖2界面中，包含兩個(gè)輸入文本框，“用戶名”和“密碼”。包含六個(gè)按鈕，“用戶注冊(cè)”、“修改密碼”、“登錄”、“返回”、“退出”和“用戶管理”。

首次登錄時(shí)，需要進(jìn)行用戶注冊(cè)（圖3）。在界面中，輸入用戶名、新密碼、密碼確認(rèn)，輸入手機(jī)號(hào)，然后點(diǎn)擊“注冊(cè)”按鈕，完成注冊(cè)功能。點(diǎn)擊“返回”，返回到“登錄系統(tǒng)界面”。點(diǎn)擊“退出”，退出整個(gè)系統(tǒng)，程序結(jié)束。

圖3 用戶注冊(cè)界面

在“登錄系統(tǒng)界面（圖2）”中，輸入注冊(cè)的“用戶名”和“密碼”，點(diǎn)擊“修改密碼”按鈕，可以根據(jù)需要修改密碼。輸入“用戶名”和“密碼”均為“admin”，點(diǎn)擊“用戶管理”，可以管理注冊(cè)的用戶。

在“登錄系統(tǒng)界面（圖2）”中，輸入注冊(cè)的“用戶名”、“密碼”，點(diǎn)擊“登錄”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)電路選擇界面。

2.2 實(shí)驗(yàn)電路選擇

登錄后進(jìn)入仿真平臺(tái)主界面。在主界面中設(shè)計(jì)了三個(gè)按鈕，分別是“實(shí)驗(yàn)介紹”、“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”和“退出實(shí)驗(yàn)”?！皩?shí)驗(yàn)介紹”按鈕打開界面，介紹仿真平臺(tái)主要內(nèi)容?！斑M(jìn)入實(shí)驗(yàn)”按鈕，打開“電路選擇”界面?！半娐愤x擇”界面中包含8個(gè)觸發(fā)按鈕，內(nèi)容如圖4所示。

圖4 電路選擇內(nèi)容

2.3 典型電路仿真主界面

每個(gè)典型電路仿真主界面基本包括快捷菜單欄、圖形顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、計(jì)算結(jié)果及波形顯示區(qū)。以三相負(fù)載星形連接電路圖5為例，簡(jiǎn)述各電路仿真。

圖5 三相不對(duì)稱負(fù)載星形連接仿真界面

（1）快捷菜單欄。包含兩個(gè)快捷菜單欄：實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)步驟中介紹如何操作電路的仿真過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)論介紹仿真的最后結(jié)論，操作者可以根據(jù)自己的想法改變參數(shù)值，觀察電路的反應(yīng)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)論，總結(jié)電路特點(diǎn)。

（2）圖形顯示區(qū)。在圖形顯示區(qū)中，載入電路原理圖，顯示仿真的典型電路。

（3）參數(shù)設(shè)置區(qū)。在參數(shù)設(shè)置區(qū)中，電源電壓是已知量，不可改變。三相負(fù)載電路中，三相負(fù)載為純阻性負(fù)載，負(fù)載大小可以由操作者自主設(shè)定。操作者自己輸入電阻值和仿真時(shí)間，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，計(jì)算出負(fù)載電壓和電流的值。

（4）計(jì)算結(jié)果及波形顯示區(qū)?！坝?jì)算結(jié)果”區(qū)顯示計(jì)算結(jié)果。“相量圖”區(qū)，顯示對(duì)應(yīng)計(jì)算量的相量圖，觀察電壓、電流之間大小、相量關(guān)系。在波形顯示區(qū)，顯示電壓、電流瞬時(shí)值，觀察電壓和電流瞬時(shí)值的大小、波形變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果顯示

3 后臺(tái)m文件的編寫

GUI界面布局后，對(duì)按鈕、文本框和下拉列表框分別編寫m文件，通過(guò)編寫和調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。其中“計(jì)算”按鈕函數(shù)編寫如下：

4 Simulink仿真設(shè)計(jì)

對(duì)電源有載工作、戴維寧定理、RLC串聯(lián)電路、二極管橋式整流電路設(shè)計(jì)Simulink虛擬器件仿真。其中電源有載工作Simulink文件如圖7所示。

圖7 電源有載工作Simulink建模文件

在圖8的有載工作電路仿真中，輸入負(fù)載電阻值，計(jì)算電路電壓和電流值；同時(shí)建立Simulink仿真電路，如圖7。把所用元器件、模擬電壓表、電流表、示波器布置到仿真模型中。模型中，一定要加POWERGUI模塊，否則模型不能運(yùn)行。然后在GUI界面中，輸入電阻值，回車，調(diào)用Simulink仿真文件，GUI與Simulink之間進(jìn)行參數(shù)互調(diào)，把GUI中用戶輸入的負(fù)載電阻值傳遞到Simulink仿真圖中，打開并運(yùn)行仿真文件，最后把仿真的結(jié)果再顯示到GUI界面中，實(shí)現(xiàn)GUI與Simu?link之間參數(shù)互調(diào)[6]。計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果相同，驗(yàn)證電路可行性。

圖8 電源有載工作仿真界面

5 結(jié)語(yǔ)

《電工與電子技術(shù)》課程是輪機(jī)管理專業(yè)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)《電力拖動(dòng)》、《船舶電站》、《輪機(jī)自動(dòng)化》等課程打好基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)電路的基本功能、電路計(jì)算及參數(shù)變化對(duì)電路的影響掌握起來(lái)有難度。為此，本文開發(fā)了一種基于MATLAB GUI的典型電路仿真平臺(tái)。該平臺(tái)以交互的方式對(duì)電工與電子電路中的典型線路計(jì)算與仿真。將其應(yīng)用于課程的輔助教學(xué)，給學(xué)生提供一個(gè)交互式、可視化的仿真環(huán)境，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，能夠觀察相應(yīng)典型電路的動(dòng)態(tài)變化計(jì)算與仿真，自主修改電路參數(shù)，觀察電路的現(xiàn)象，使原本抽象、枯燥的概念變得形象、生動(dòng)、直觀，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。