基于Matlab的交互式课堂教学模式研究

许 胜，夏华凤，曹 健

(泰州学院，江苏泰州 225300)

“电机与电力拖动”是电气与自动化类专业一门基础课程，具有知识面宽、理论抽象而对象具体的特点。为了改善教学效果，我校对该课程开展了基于Matlab的交互式课堂教学模式的研究。

1 交互式课堂教学模式结构

基于Matlab的“电机与电力拖动”课程交互式课堂教学模式的构建如下:

首先，根据“电机与电力拖动”课程大纲要求，构建一个虚拟仿真环境:①利用Matlab/Simulink仿真软件建立典型对象(变压器、交直流电机及其拖动系统等)的仿真模型库;②采用链接技术将后台典型模型合理插入到理论教学PPT中，构建交互式课堂教学PPT系统;③构建习题仿真平台，以便将例题或习题数据输入到该平台中。

其次，将上述的虚拟仿真环境和课堂理论教学合理融合，形成交互式课堂教学模式。最大程度地提高课堂教学效率，增强课堂教学效果。因此，本文采用如图1所示的课堂教学模式结构。

图1 交互式课堂教学模式结构

交互式课堂教学模式包括以下环节和实现步骤:

1)理论分析

该环节进行教学内容的理论分析，如交直流电机、电力拖动的工作原理和数学建模等。

2)虚拟实验

调用仿真模型库内相关实验模型，并结合实验数据采集终端等构建虚拟实验平台，输入实验参数，进行虚拟仿真实验。

3)实验数据分析

通过仿真示波器等终端显示设备，监测虚拟仿真实验各个环节的实验数据，分析实验模型的动态和静态特性。

4)实验和理论结果的比较

根据上述实验数据，总结实验模型运行规律，并与理论分析结论相比较。如果两种结果相差较大，说明虚拟仿真实验参数选择或实验平台构建不正确，理论分析环节没有很好地理解和掌握。因此，需要重新调试。

5)实际工程案例分析

通过实际工程案例(或者习题)的分析和解决，强化对所学知识的理解，并提高学生独立分析问题和解决问题的能力。课堂教学中根据情况可将该环节安排到虚拟实验之前或虚拟实验之后。

2 交互式课堂教学实例分析

这里以他励直流电动机的电枢串电阻分级启动为例，介绍课程“电机与电力拖动”的交互式课堂教学过程。

1)理论分析［5］

他励直流电动机的基本电压方程:

式中，U为电源电压，Ce为电动势常数，Φ为主磁通，n为电机转速，Ia和Ra分别为电枢电流和电阻。

由于刚启动时，n=0，此时直接启动电流为

式中，UN为额定电压。由于Ra一般较小，此时Ist可能达到20倍的额定电流IN。过大的起动电流会造成电网电压下降、电机自身换向恶化以及绕组发热等严重问题。

为了将Ist限制在(1.5～2)IN的范围内，这里采用电枢回路串电阻的起动方式，设串接启动电阻为Rst，则:

在电枢回路串电阻起动的过程中，应将起动电阻逐级切除，以避免电阻不切除启动转矩过小和一次性切除出现电流过冲等问题，这种起动方法称为电枢串电阻分级起动。

下面以三级起动为例，图2为他励直流电动机三级启动时的主电路图。

图2 电枢串电阻分级起动主电路

图中，电动机励磁回路通电后，接触器触点KM1、KM2、KM3 断开，此时起动电流为

起动电流Ist1产生起动转矩Tst1，图3为他励直流电动机分三级起动时的机械特性。

图3 电枢串电阻分级起动的人为机械特性

分析图3，由于Tst1＞TL，电机开始起动，转速上升，转矩下降，电机的工作点从A点沿特性ABn0上移，电磁转矩减小，加速度逐渐降低;到B点KM3闭合，切除Rst3，启动电流变为Ist2，称为切换电流，机械特性变成直线CDn0，电机的工作点从B点过渡到C点，此时电机转矩仍为Tst1，又获得了较大的加速度。此后，逐步切除KM1和KM2，电力拖动系统按照上述原理分级加速到H点后稳定运行，起动过程结束。

2)实际案例分析

一台他励直流电动机，额定电压UN=240 V，额定电流IN=16.2 A，额定转速nN=1220 r/min，额定转矩TN=29.2 N.m，电枢绕组电阻Ra=0.6 Ω，分析三级启动时的启动电阻。

分析图3中的B、C两点，由于在切换启动电阻瞬间两点电机转速不变，根据式(1)，可得关系:

令λ=Ist1/Ist2，称为启动电流比，于是有Rq3=λRq2。同理，在 D、E两点和 F、G两点有Rq2=λRq1和Rq1=λRa，结合上述各级启动电阻关系，可得

3)虚拟仿真实验

他励直流电动机3级电阻启动的虚拟仿真实验模型如图4所示。

图4 他励直流电动机电阻分级启动虚拟模型

图中，虚线框中的电路为3级启动电路，切换时刻由3个定时器触发开关模拟完成，切换时间依次设定为 2.8 s、4.8 s和 6.8 s，仿真实验时间为 10 s;电源电压通过理想开关延时0.5 s投入。实验励磁电压取240 V，电磁电阻取240 Ω，则励磁电流If=1 A，其他模型参数根据案例分析结果配置。

通过示波器观测电机电枢两端电压Ua、电枢电流Ia、转速n以及电磁转矩Te，实验波形如图5所示。

分析图5波形数据，Ua、Ia、Te以及n的变化规律和理论分析结论相符合，其中:经过分级启动，当启动电阻全部切除后，Ua逐渐趋向电源电压240 V;电枢电流Ia基本被限定在允许范围内，并最终稳定在额定电流值16.2 A;电磁转矩Te的变化规律同Ia，符合相关电磁理论;转速n最后稳定运行在额定值1220 r/min。

图5 虚拟仿真实验波形图

3 结语

本文提到的基于Matlab的交互式课程教学模式，经过实践证明，可以有效改善课程教学效果:①克服了传统教学模式中理论讲授环节的枯燥和抽象，增强学生对理论知识的理解能力和学习兴趣;②改变了传统教学模式中学生被动接受的状态，变被动为主动，充分调动学生学习的积极性;③弥补了实验室实验数据可观察性差、时空性及可扩展性差等不足。

此外，该教学模式研究成果可以为“电机与电力拖动”课程的虚拟实验室的建立提供基础;另一方面，该课堂教学模式的实践经验可以推广到其他工科类课程的课堂与实验实践教学中。

［1］邓清涛.计算机硬件虚拟实验平台设计［D］.重庆:重庆大学，2007.11

［2］徐清超，刘启胜.基于Matlab和CAD的电机教学软件［J］.天津:电力系统及其自动化学报，2005，17(4):94-97.

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