MATLAB軟件在《電機(jī)與拖動》課程任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法中的應(yīng)用

張芳 姚威

摘要：對于《電機(jī)與拖動》課程中實(shí)驗(yàn)性、實(shí)踐性與操作性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，讓學(xué)生通過MATLAB軟件搭建仿真模型進(jìn)行仿真，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，有助于學(xué)生理解和掌握課程難點(diǎn)，提高其學(xué)習(xí)興趣和效果。本文列舉了兩個直流電機(jī)電力拖動的實(shí)例，學(xué)生利用所學(xué)理論知識和MATLAB軟件搭建仿真模型，在完成任務(wù)的過程中自發(fā)的去學(xué)習(xí)專業(yè)知識和技能，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，將抽象問題形象化、具體化，在更大程度上提高學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電機(jī)與拖動;任務(wù)驅(qū)動;MATLAB

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

《電機(jī)與拖動》課程是電機(jī)基礎(chǔ)和電力拖動兩門課程的綜合，課程理論性強(qiáng)，涉及的基礎(chǔ)理論偏多;與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，一直被公認(rèn)為教師難教、學(xué)生難學(xué)的“兩難”課程。傳統(tǒng)的教學(xué)方法，采用圖片、幻燈片、視頻等資料介紹電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、拖動制動方法等，這很難讓學(xué)生掌握和理解，同時學(xué)時有限電機(jī)與拖動課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時已經(jīng)寥寥無幾，教師上課時也不能為學(xué)生一一演示。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種能夠很好應(yīng)用于以實(shí)驗(yàn)性、實(shí)踐性與操作性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法，它的含義是以富有趣味性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)與好奇心的情景為基礎(chǔ)，與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的任務(wù)為載體，使學(xué)習(xí)者在完成特定任務(wù)的過程中獲得知識與技能的一種教學(xué)方法[1，2]。為了加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將電機(jī)與拖動課程的一些內(nèi)容設(shè)計為任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式中的任務(wù)，讓學(xué)生自己主動學(xué)習(xí)電機(jī)工作原理并利用MATLAB軟件搭建模型進(jìn)行仿真，不僅有助于學(xué)生理解和掌握該課程的難點(diǎn)，使之不再感到抽象，而且能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，大大提高教學(xué)效果和質(zhì)量[3-5]。

一、MATLAB介紹

MATLAB是美國Math Works公司開發(fā)的一種科學(xué)與工程計算軟件，具備豐富的矩陣運(yùn)算、良好的人機(jī)交互、模塊化的系統(tǒng)仿真及繪制圖形曲線的功能，可以廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，受到廣大工程設(shè)計人員的青睞。在《電機(jī)與拖動》課程教學(xué)中，可以利用其Simulink工具箱中power system元件庫及現(xiàn)有的算法程序，搭建不同的電機(jī)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(wù)實(shí)例——直流電機(jī)的起動

任務(wù)描述：利用MATLAB軟件搭建直流電機(jī)的直接起動模型，觀察起動過程中直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化過程。學(xué)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(jī)的模型，如圖1所示。圖中F+、F-對應(yīng)他勵直流電機(jī)的勵磁端，一般外接直流電源即可;A+、A-對應(yīng)他勵直流電機(jī)的電樞端，起動、制動、調(diào)速時需外接元件后再接直流電源;TL對應(yīng)直流電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩;m包括直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩等四個變量。

雙擊直流電機(jī)模型可以調(diào)節(jié)其參數(shù)，例如電樞電阻、電感，勵磁電阻、電感，互感，轉(zhuǎn)動慣量，摩擦力矩，粘滯摩擦系數(shù)，初始轉(zhuǎn)速。正常情況下，功率在4千瓦或者4千瓦以下的電動機(jī)，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(jī)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(zhuǎn)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(jī)的串電阻起動。直流電動機(jī)的起動仿真模型需要直流電機(jī)電樞供電的直流電源模塊、直流電動機(jī)模塊、定時模塊、增益模塊，還有示波器模塊。由于直流電動機(jī)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(shè)置為4，這樣就可以清楚的看到電動機(jī)的4個輸出參數(shù)了。他勵直流電動機(jī)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(xiàng)，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(tǒng)就會開始運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到達(dá)設(shè)定的仿真時間時系統(tǒng)終止運(yùn)行，并在示波器輸出仿真結(jié)果，直流電動機(jī)直接起動的仿真結(jié)果如圖3所示。分別是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩Te的輸出曲線。

根據(jù)直流電動機(jī)的直接起動仿真結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速從0開始慢慢增大，到1s左右，達(dá)到峰值并趨于平穩(wěn);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(dú)電源供電，所以從頭至尾沒有變化;電磁轉(zhuǎn)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(shí)際情況下直流電動機(jī)直接起動時的仿真曲線大致相同，與理論分析一致。

三、結(jié)論

將MATLAB軟件應(yīng)用于《電機(jī)與拖動》課程教學(xué)中，尤其是在任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式中引入一些仿真任務(wù)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)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(tǒng)的教學(xué)方式不易講透的一些工程實(shí)際問題可借助于該軟件搭建模型進(jìn)行仿真分析，使學(xué)生能深入理解和掌握，提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳高燕，何建平，祁強(qiáng).《電機(jī)與拖動》實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)視頻案例設(shè)計[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014（5）：121-124

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

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

[5]陳亞愛.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)及MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.