电力拖动类课程的仿真实验教学改革

张敬南，张 强

(哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

我校电气工程实验教学中心下设的电力拖动类课程包括“电机学”、“电机拖动基础”和“电力拖动控制系统”等专业主干课程。该类课程具有理论抽象、教学难度大、实践性强和实验成本高等特点。针对课程特点，我们采用计算虚拟仿真技术进行了教学方法和实验手段的改革探索，开发了电力拖动虚拟仿真实验系统［1，2］。通过在电气工程及其自动化专业教学中的应用，弥补了实验设备、场地、时间等诸多客观因素对实验数量和质量的制约。

1 虚拟仿真实验系统功能设计

1.1 实验系统功能构成

我们开发的电力拖动虚拟仿真实验系统将编程软件、仿真软件、数据和文字处理软件相结合，集人机交互、实验虚拟仿真、实验数据存储和实验文本生成为一体的系统。其功能结构图如图1所示。

图1 电力拖动虚拟仿真实验系统功能结构图

系统采用Visual C++编制的人机交互界面，通过界面操作可以完成实验虚拟操作、实验仿真、实验数据管理和实验报告生成等功能。

系统的实验操作平台基于Visual C++及第三方控件编制的GUI界面。实验仿真系统结合Simulink仿真软件编制了虚拟实验仿真体系。仿真系统与实验操作平台的交互通过Matlab引擎控制技术和数据文件实现的。基于Visual C++程序和MS Access数据文件构成了实验数据管理系统，通过数据管理系统可以实现实验曲线的复现。实验报告生成系统是根据实验人员在Visual C++编制的实验报告界面填写的信息和实验数据，通过COM技术调用OLE自动化对象技术进行MS Word文档的编制和生成，形成基于Word文档的实验报告。

1.2 实验仿真环境构建

本系统中Visual C++应用程序通过Matlab引擎执行Simulink仿真命令行对仿真程序进行控制，Matlab提供引擎方式函数库，将Visual C++应用程序同Simulink相连接。Matlab引擎的使用需要在Visual C++的工程中添加库函数libmx.lib libeng.lib和相应目录，并在所应用的程序中添加头文件和库文件［3，4］。考虑到虚拟仿真系统的可移植性，所使用的虚拟仿真程序的目录采用相对目录形式。实验仿真程序均存储在与主程序有相对路径目录下。

Simulink的电力系统仿真工具箱几乎涵盖了电力拖动实验所需要的所有元器件。根据实验需求将实验所需元器件模型汇集于一个仿真程序中，为实验者构成一个虚拟仿真实验环境。在此环境下，按照实验要求进行了元器件参数的设置;部分特殊模块是基于S函数编制或由基本仿真模块组合构成，比如螺旋桨机械负载、起动器和逻辑无环流控制器等。实验者所需的元器件具备与实际实验设备相一致的接线端子设置，即可在Simulink仿真环境下进行实验线路的虚拟连接和仿真验证分析。

1.3 实验数据交互

我们针对不同实验的实验数据特点编制了对应的数据存取模块来实现仿真数据的管理。数据存储模块为基于m文件编制的函数程序，程序运行时构建的临时数据存储文件实现了仿真程序与上位软件之间的数据交互。临时数据文件是为每次虚拟仿真实验临时建立的，考虑到数据传输的快速性，采用了ASCII数据文件形式，完成包括初始值载入、上位软件的操作产生的控制参数和仿真系统数值计算的状态变量数据的相互传递等功能。通过临时数据文件，Visual C++程序将操作命令传达给虚拟仿真软件，再把仿真结果进行实时显示，并转存Access数据表单，方便实验者后期复现实验曲线和生成实验报告使用。当上位操作软件进行实验操作时，将会产生中断，通过数据交互实现仿真程序的重新设置。虽然每一次的上位机操作都会导致重新运行仿真程序，但是由于将前一次运行状态参数作为新的仿真运行的初始值，所以仿真全程是连续的，在上位软件中体现的也将是一个连续的实验过程。

1.4 实验报告生成系统

我们结合Visual C++与MS Word的混合编程技术，将MS Office安装目录中的MSWORD.OLB类库导入VC++中，利用COM技术编程，在源代码中调用OLE自动化对象来操作Word程序［5］。

由于实验报告的格式相对固定，编制程序事先设计好模板文件，虚拟仿真实验结束后，将实验结果曲线存为JPG文件，并导入到模板文件的对应位置。报告的文本内容，通过在需插入内容的地方设置书签变量，结合实验者在实验过程的对话框中依次填写的实验信息、实验分析和实验总结等字符串文本，转存到Word模板的对应位置上，并最终生成基于Word文档的实验报告。

2 电力拖动虚拟仿真实验案例

现以“电力拖动自动控制系统”课程中的不可逆双闭环直流调速系统实验为例，介绍仿真实验。我们选择实验后进入实验讲义和实验平台主要功能模块的介绍界面，如图2所示。

图2 实验讲义和实验平台主要功能模块的介绍界面

我们通过对按钮控件的操作，可以完成对讲义内容和图片介绍的翻阅;通过本界面调用Matlab引擎，进入基于Simulink仿真环境的实验仿真接线以及实验仿真分析实验环境。若实验者已完成实验接线并仿真分析验证，也可以直接导入预先设置好的实验仿真程序，如图3所示。

图3 基于Simulink环境下的虚拟仿真实验接线图

通过“开始虚拟实验”操作，可以进入实验操作界面。被调用的仿真程序在后台进行数值计算仿真，如果实验者没有进行接线操作，将直接调用预先设置好的实验仿真程序。虚拟仿真实验操作界面如图4所示。

图4 虚拟仿真实验操作界面

实验完成后，点击“完成实验”按钮，系统将自动生成以实验时间命名的ACCESS数据库文件，并进入实验报告生成系统。实验报告生成系统可以调用实验数据管理系统进行实验数据的选择与实验曲线的复现;通过对所设置实验问题的回答，可以生成到设置好格式的Word实验报告文档。

3 结语

我们实施的电力拖动类课程虚拟仿真实验教学改革取得如下成效。

(1)增强了学生对电力拖动系统的认知，降低了实验教学难度，提升了学生对实验的兴趣。

(2)有效地改变了电力拖动课程实验手段单一、实验资源不足、实验内容缺乏创新和实验环境受限制的问题。

(3)解决了授课教师在教学实践中虚拟仿真多媒体技术与电力拖动系统教学过程有机结合的问题。改进了教学方法和教学手段，提升了任课教师的教学能力。

随着虚拟实验系统的不断完善，其技术成果将有很好的推广价值，为同类课程的虚拟实验建设提供有效的技术借鉴。

［1］陈丽兰.“电力拖动系统”课程实践教学的探索［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(11):389-391.

［2］木合亚提.伊克山.“电力拖动自动控制系统”课程实验的改革［J］.上海:实验室研究与探索，2010，29(12):131-133.

［3］董建婷;王杰.VC++调用Matlab实现图像处理的3种常用方法比较［J］.西安:现代电子技术，2012，35(16):46-49.

［4］来爽，慕德俊.基于VC和Matlab的PID仿真软件实现［J］.北京:计算机工程与应用，2009，45(3):81-83.

［5］熊瑜容，柴毅，王淑娟，王嘉骐.基于VC++的Word文档自动生成技术［J］.杭州:计算机时代，2010(1):52-54.