Modelica 虚拟实验室在"电工电子技术"课程中的教学应用

闫淑梅++盛娇

摘要：论文介绍了Modelica虚拟实验室在"电工电子技术"课程中的教学应用，实现了理论与实践的良好过渡与结合，使学生的学习遵循从理论到实践、从仿真到动手的获取及探讨知识的过程，从而使教学流程更加合理和完整，有利于学生综合素质的培养。

关键词：Modelica ；虚拟实验室；电工电子；教学应用

中图分类号：G648 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2014）02-0012-02

"电工电子"课程是工科类专业的一门重要课程，目前虚拟实验室在电工电子课程教学中的应用十分的广泛，也取得了不少的成效，本文以基于Modelica 虚拟实验室在"电工电子技术"课程中的教学加以探讨。

1.Modelica的特征

Modelica是一种开放、面向对象的物理系统建模语言，可以跨越不同领域，方便地实现复杂的物理系统建模。Modelica使用统一的面向对象语言描述系统构成单元的逻辑关系，用代数和微分方程描述数学，用统一的求解方式自动获得仿真结果，无需用户自行处理。

本文以浙江大学[3]开发基于Modelica虚拟电工电子网络实验室为例，系统对电工电子课程采用统一建模，方便新课程及实验的扩展。该系统易于操作，其中的仪器和元器件与实际器件极为相似。基于Modelica电工电子的虚拟实验室的建立，学生通过虚拟仪器理解实际操作过程，不必顾虑元器件和仪器的损坏，节省了时间和成本，为真实环境下的实验操作打下了基础。

2.虚拟网络实验室结构

基于Modelica虚拟电工电子网络实验室包括三个部分：

2.1 服务器端。服务器端包含了数据库服务器、WEB服务器及计算服务器，每个服务器在系统中都扮演了重要的角色。

2.2 客户端。客户端是一个Web站点，用户可以通过浏览器访问，它包含了用户信息管理模块及不同学科实验模块

2.3 计算集群。计算集群包含多个计算节点来分担用户的仿真请求。 其工作流程如下：

图1 虚拟实验室工作流程

3.Modelica仿真平台

基于Modelica语言的仿真平台产品有很多。其中，面向科研、教学及工业用户应用的开源建模、编译、仿真平台OpenModelica，在面向对象、多领域、非因果物理建模中有着广泛的应用。Simforge基于Java平台构建具有对象图形窗口、图形化建模窗口及语言建模窗口。它允许对Modelica类进行文字及图形化编辑，以直观面向对象仿真的优势，降低仿真成本。此外，Simforge可在Linux、Windows 、Mac OS X等主流操作系统上跨平台运行。

采用Modelica进行虚拟实验仿真，包含三个环节：首先从虚拟场景操作平台左侧的器件列表选择元器件，即选择构件模型；然后将元器件互相连接形成实验电路，即创建系统模型；最后将实验电路场景发送至实验端进行仿真求解，即求解系统模型。

3.1 模拟电路仿真。以模拟电子技术实验中的比例运算放大电路为例。先选好构成电路的元器件，按要求连成具体的电路，见图2，输入信号为正弦波，输出按一定比例放大的正弦波。图3利用虚拟示波器观察输入与输出的波形，从图中可以看出，输入幅值为0.5V，输出幅值为1V，放大倍数为2。也可以通过改变电阻值，得到不同的输出，从而观察同相比例运放的工作特性及参数对输出的影响。

图2 模拟电子技术同相比例运算电路

图3 虚拟示波器观察的仿真结果

3.2 数字电路仿真。首先选择数字电子技术实验，并将从服务器下载实验插件，当实验列表右侧的虚拟场景操作平台显示出来以后，用户就可以进行虚拟实验了。首先用户根据实验目标从操作平台左侧器件列表选取实验元器件，然后拖至右侧实验桌，并连接实验电路。

以数字电路中的半加器为例，来模拟仿真结果。半加器只考虑被加数和加数的相应位相加，而不考虑相邻位的进位。因此，电路的输入仅仅为被加数Ai和加数Bi，而输出为和数Si和向高位的进位Ci。输入输出电位关系参考如表1所示。

根据半加器原理图，选择器件并搭建电路，如图4所示。电路连接完以后，用户可以点击"运行场景"按钮，系统自动将实验电路场景发送到实验端进行仿真，然后将结果返回，通过操作场景看到实验结果。实验结果如图5所示，当Ai，Bi分别输入1和0，用户点击运行场景按钮后，得到的结果为Si为1（指示灯亮），Ci为0（指示灯灭）。

4.结语

Modelica 虚拟实验室在电工电子技术课程中教学应用，实现了理论与实践的良好 过渡与结合，使学生的学习遵循从理论到实践、从仿真到动手的获取及探讨知识的科学过程，从而使教学流程更加合理和完整。学生直观地看到电路的构成、信号的产生和变化，发现问题、解决问题，有助于对教学内容的理解，还可促进学生动手能力和创新意识的提高，有利于学生综合素质的培养。

参考文献

[1] 时翔 Multisim虚拟实验室在"通信电子线路"课程中的教学应用 常州工学院学报 2012.12

[2] 顾昊英等 基于Modelica的电子线路实验仿真 实验室研究与探索 2010.10

[3] 施正寅等 基于Modelica的虚拟电工电子网络实验室设计 计算机工程2012.6

[4] 孟 涛等 基于虚拟仪器技术的电工电子实验教学模式研究 实验实践 2012年第21期

[5] 王韦刚等 基于Multsim的电工电子技术课程项目化教学 项目与课题 2012年9月第26期

作者介绍

闫淑梅（1974-）：湖南衡阳县，硕士，工程师，长沙环保职业技术学院教师.