Simulink在电路课程教学一体化中的应用

樊亚东,刘迪燊,崔 雪,胡 钋

(武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430072)

长期以来,电路课程的理论教学与实验教学通常都被分割成两个独立的环节。在课堂上,理论讲解多,缺乏互动与启发;而在实验室里,只能做设定好步骤的验证性实验,不能延伸到综合性和研究性实验[1,2]。因此,实现电路课程理论教学与实验教学的一体化十分必要。本文将对Matlab/Simulink在电路理论教学与实验教学一体化探索的应用进行介绍。

1 电路课程教学存在的不足

1)理论教学与实验教学分离

由于实验课一般不与理论课同步进行,而是在理论课结束后才单独开设,授课教师缺乏及时对学生理论知识和实验能力结合程度的了解。

2)理论课教学方式相对落后

电路课中的基础理论和例题分析都缺乏可视化的直观表现。

3)实验设备的局限

我院电路实验室的设备存在的许多局限性,制约了电路实验课开设的内容。

4)教学计划的不合理

电路理论课教学学时不足,使教学质量受到影响。而电路实验课在验证性实验上分配的学时过多,导致学时的浪费。

2 Matlab与电路教学

如果我们将Matlab/Simulink可视化平台与电路教学相结合,学生还能对电路建模有更直观的认识,授课教师可以籍此来辅助理论教学和实验教学。国外新近出版的一些电路教材中,都将其作为一种解题的辅助工具,对于学生学习课程非常有益。

1)运用软件仿真进行课前预习

电路理论课教学课前预习十分重要。当学生遇到抽象概念难以理解时,可以利用Simulink在建模和仿真结果可视化方面的优势来辅助预习。

例如,在预习一阶电路零状态响应时,学生对电路瞬态过程的概念还比较陌生。为此,学生可以建立如图1所示的简单RC电路模型进行研究。仿真结果如图2所示,零状态下输入波形和输出波形一目了然。学生只要在图1的基础上对元件参数进行简单的调节,便可以观察输出波形的变化及规律。

图1 RC一阶电路的零输入响应仿真模型

图2 RC一阶电路的零输入响应仿真结果

再如,二阶电路暂态响应的分析计算过程较为繁琐,典型的二阶有损耗电路的三种不同阻尼条件下的表现情况容易混淆。学生可以搭建电路模型后,对三种情况下电容电压的曲线进行仿真。

2)课堂即时仿真实验

电路理论课中辅以即时的仿真实验,可让抽象概念形象化具体化,使复杂的过渡过程直观地表现出来。

如在讲授RC微积分电路时,可以用课堂实验作为理论课件的补充。采用在Simulink环境下建立如图 3所示的电路模型进行仿真实验。图中Switch模块连接的四个电容分别取值为4700pF,0.022μ F,0.1μ F 和0.47μ F 。学生不仅可以观察到典型的积分电路和微分电路的波形,还可以观察参数的变化对电路输出的影响。

图3 微积分电路仿真模型

图4所示的仿真结果中,Ur为电阻R上的电压波形,UC为电容电压波形。图4(a)和图4(b)为电容值分别取0.1μ F和0.47μ F的输出波形。这些直观的实验结果能可以改善学生对RC微积分电路的理解。另外,授课教师还可以根据学生在课堂上提出的问题,即时改变实验数据,甚至搭建新的简易模型进行仿真。在课堂中引入仿真实验,能给学生以传统教学模式所不能比拟的启发性。

图4 微分电路模型仿真结果

3)Simulink软实验

传统电路实验课以验证型的硬件实验为主,而Matlab/Simulink仿真环境是开展以提高型、设计型和综合型为主的软实验的理想平台。

例如,三相异步电机并网属于综合型实验,涉及的仪器设备较多,操作要求比较高。但是,实验精度低,其结果的再现性不高。如果让学生在Matlab/Simulink环境中搭建该实验的电路模型进行仿真实验,就能作为传统实验课程的补充。

如图5所示,仿真实验简化了接线操作,仪器设备的参数便于调整,大大降低了实验的操作门槛。仿真结果如图6所示,测得的曲线误差小,精度高,可准确地反映三相异步电机并网的瞬态过程。

图5 三相电动机启动过渡过程仿真模型

图6 发电机启动过渡过程仿真结果

软实验可以采用开放式的教学,教师根据硬件实验的完成情况灵活出题,由学生课后自行完成,实现电路实验的软硬结合,共同促进学生对电路理论课程的理解和掌握。

3 结语

本文提出在电路教学改革中引入仿真软件Matlab/Simulink,以实现理论教学与实验教学一体化的思路,并用实际的例子加以说明。一体化教学有助于改善传统电路理论教学的薄弱环节,仿真软件还可以开展软实验弥补实验室设备和实验学时的不足。学生可以在课堂或课余时间进行知识点的扩充,形成富有启发性的双向教学。在此基础上,进行的综合性和和研究性仿真,为今后学习专业课和参与科研打下了基础,有利于培养学生的创新能力和研究精神。可见,基于Matlab/Simulink的虚拟实验可以弥补传统硬件实验的不足,而且符合现代测试技术和实验技术的发展趋势。

[1] 傅晓林.电类课理论教学与实验课一体化初探[J].重庆:重庆交通学院学报(社科版),2002,2(1)

[2] 杨育霞,章玉政王俊等.电路课程教学改革的研究与实践[J].南京:电气电子教学报,2003,23(3)

[3] 刘景夏,郑学瑜,胡冰新.“电路基础”课程教学改革的再思考[J].南京:电气电子教学报,2005,27(3)

[4] 徐波,景展.电路课程的教学探讨[J].南京:南京工程学院学报,2001,1(2)

[5] 李裕能,夏长征.电路[M].武汉:武汉大学出版社,2004