MATLAB軟件在《電機與拖動》課程任務驅動教學法中的應用

張芳 姚威

摘要：對于《電機與拖動》課程中實驗性、實踐性與操作性較強的教學內容采用任務驅動教學模式，讓學生通過MATLAB軟件搭建仿真模型進行仿真，完成學習任務，有助于學生理解和掌握課程難點，提高其學習興趣和效果。本文列舉了兩個直流電機電力拖動的實例，學生利用所學理論知識和MATLAB軟件搭建仿真模型，在完成任務的過程中自發的去學習專業知識和技能，激發學習興趣，將抽象問題形象化、具體化，在更大程度上提高學習效果和質量。

關鍵詞：電機與拖動;任務驅動;MATLAB

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）07-0211-02

《電機與拖動》課程是電機基礎和電力拖動兩門課程的綜合，課程理論性強，涉及的基礎理論偏多;與工程實際聯系緊密，一直被公認為教師難教、學生難學的“兩難”課程。傳統的教學方法，采用圖片、幻燈片、視頻等資料介紹電機的結構、工作原理、拖動制動方法等，這很難讓學生掌握和理解，同時學時有限電機與拖動課程的實驗學時已經寥寥無幾，教師上課時也不能為學生一一演示。任務驅動教學法是一種能夠很好應用于以實驗性、實踐性與操作性較強的教學內容的教學方法，它的含義是以富有趣味性，能夠激發學生學習動機與好奇心的情景為基礎，與教學內容緊密結合的任務為載體，使學習者在完成特定任務的過程中獲得知識與技能的一種教學方法[1，2]。為了加深學生對理論知識的理解，提高學生的學習興趣，將電機與拖動課程的一些內容設計為任務驅動教學模式中的任務，讓學生自己主動學習電機工作原理并利用MATLAB軟件搭建模型進行仿真，不僅有助于學生理解和掌握該課程的難點，使之不再感到抽象，而且能夠調動學生的學習積極性，大大提高教學效果和質量[3-5]。

一、MATLAB介紹

MATLAB是美國Math Works公司開發的一種科學與工程計算軟件，具備豐富的矩陣運算、良好的人機交互、模塊化的系統仿真及繪制圖形曲線的功能，可以廣泛應用于各個領域，受到廣大工程設計人員的青睞。在《電機與拖動》課程教學中，可以利用其Simulink工具箱中power system元件庫及現有的算法程序，搭建不同的電機仿真模型，繪制各個變量曲線，使抽象的概念更加形象生動。

二、仿真任務實例——直流電機的起動

任務描述：利用MATLAB軟件搭建直流電機的直接起動模型，觀察起動過程中直流電機轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩的變化過程。學生在搭建仿真模型時，首先需要在simulink的power system元件庫中找到直流電機的模型，如圖1所示。圖中F+、F-對應他勵直流電機的勵磁端，一般外接直流電源即可;A+、A-對應他勵直流電機的電樞端，起動、制動、調速時需外接元件后再接直流電源;TL對應直流電機的負載轉矩;m包括直流電機的轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩等四個變量。

雙擊直流電機模型可以調節其參數，例如電樞電阻、電感，勵磁電阻、電感，互感，轉動慣量，摩擦力矩，粘滯摩擦系數，初始轉速。正常情況下，功率在4千瓦或者4千瓦以下的電動機，在起動時會采用直接起動方法，即直接合閘起動。在各種中小型直流電機中，起動時為了限制起動電流的大小，會在電樞回路中串入阻值可變的電阻，起動過程中，隨著轉速n的不斷提高，一步步將該串入的電阻短路連接，這種方法就是直流電動機的串電阻起動。直流電動機的起動仿真模型需要直流電機電樞供電的直流電源模塊、直流電動機模塊、定時模塊、增益模塊，還有示波器模塊。由于直流電動機的m端口的輸出信號有4個，所以將示波器模塊的輸入端口設置為4，這樣就可以清楚的看到電動機的4個輸出參數了。他勵直流電動機的直接起動仿真模型如圖2所示。

在Simulink模型窗口中打開Simulation/Start菜單項，或者在菜單欄單擊開始按鈕（一個綠色的播放按鈕）這時系統就會開始運行，當運行到達設定的仿真時間時系統終止運行，并在示波器輸出仿真結果，直流電動機直接起動的仿真結果如圖3所示。分別是轉速n的輸出曲線，電樞電流Ia的輸出曲線，勵磁電流If的輸出曲線，電磁轉矩Te的輸出曲線。

根據直流電動機的直接起動仿真結果可以看出，轉速從0開始慢慢增大，到1s左右，達到峰值并趨于平穩;電樞電流由0增大到峰值然后慢慢回落到0;勵磁電流由于是單獨電源供電，所以從頭至尾沒有變化;電磁轉矩的變化曲線和電樞電流的變化曲線是一致的。此次仿真和實際情況下直流電動機直接起動時的仿真曲線大致相同，與理論分析一致。

三、結論

將MATLAB軟件應用于《電機與拖動》課程教學中，尤其是在任務驅動教學模式中引入一些仿真任務，讓學生在學習理論知識的同時，積極主動利用simulink搭建仿真模型，可以將許多抽象的概念和原理以生動、形象地通過仿真曲線、圖形表示出來，用傳統的教學方式不易講透的一些工程實際問題可借助于該軟件搭建模型進行仿真分析，使學生能深入理解和掌握，提高教學效果和學習效率。

參考文獻：

[1]和學玲，程國忠.任務驅動教學模式的探討和應用[J].新課程研究，2010（8）：48-50.

[2]陳高燕，何建平，祁強.《電機與拖動》實驗課程的教學視頻案例設計[J].實驗科學與技術，2014（5）：121-124

[3]魏立明，陳偉利，韓成浩.MATLAB軟件在電機與拖動課程教學中的應用[J].吉林建筑工程學院學報，2014，31（4）：84-87

[4]沈霞，許瑾，王洪誠，等.“電機與拖動”系列課程與教材建設研究[J].中國電力教育，2012（2）：72-73

[5]陳亞愛.電機與拖動基礎及MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，2011.