論仿真實驗對自動化專業課程的作用
——以單相橋式整流電路的仿真實驗為例

貴州電子科技職業學院 吳永樂

電力電子技術、模擬/數字電路和電路等是自動化專業的專業課程，是理論和實驗想結合的綜合性課程。理論學習是實驗的基礎，而實驗是檢驗理論最好的方法。由于課程知識點抽象，難點多，且實驗大多數屬于驗證性實驗，缺乏綜合性的考核實驗，一定程度上阻礙了學生的創造性和自主解決問題的能力。但通過Simulink、Multism搭建模型或者電路進行仿真時，能直觀的觀察仿真結果。仿真式教學不但能提高學習效率，還能通過自主搭建仿真模型進行設計型實驗，同時還能提前熟悉實驗的流程和解決一些設計中遇到的難題。

自動化專業的課程中，電路是最基本的，但也是最常用的。單相橋式整流電路是理論學習和實驗的基本電路，通過理論學習分析電路的工作原理，從而進行實驗驗證，但驗證性的實驗有一定的局限性，難以提升學生的動手能力，影響學習的主動性和創造新，從而失去獨立思考的能力。

鑒于電力電子技術、電路等課程的特殊性和仿真軟件的發展，未來的教學離不開仿真研究。仿真技術能提高學習效率，同時還能提高設計者的動手能力，通過搭建Simulink、Multisim仿真模型進行理論研究，還能減少設計時間。

圖1 單相橋式整流電路

1 單相橋式整流電路

單相橋式整流電路是基礎，也是重點。單相整流電路主要由三部分組成，即電源、變壓器、整流二極管組成，主要依靠二極管的導通與截至進行整流，負載端并聯電容可進行濾波處理，使輸出的波形更加平穩。不論是單向整流電路，還是三相整流電路，都需要采用二極管進行整流，而單向整流電路包含單向半波整流和單向橋式整流電路，兩者唯一的區別就是二極管的數量，前者僅僅采用單個二極管進行整流，后者利用四個二極管進行整流。

單向半波整流電路原理圖如圖1所示。

由文獻（孟秀娟，劉慶偉.單相橋式整流電路分析及應用；崔景淼.單相橋式整流電路之我見）可知，單向橋式整流電路的整流二極管既可使用模塊化的成品，還能利用四個二極管組合成橋式電路。

電路工作原理（假設二極管處于理想狀態）：

（1）當e2≥0時，即處于正半周期時，根據電壓方向，VD1和VD3導通，而VD2和VD4反向截止，此時電路形成完整的回路；

（2）電流回路為：e2→VD1→RL→VD3→e2

（3）反之，當e2處于負半周期時，VD2和VD4導通，VD1和VD3截止，此時仍然形成回路。

單向橋式整流電路能夠在RL上得到單一方向的直流信號源，而根據整流的特點，不論是仿真實驗還是實驗驗證時，應要選擇合適的器件，否則會燒壞元器件。理論上，應根據理論計算參數去挑選元器件，仿真實驗是實驗最理想的結果，但在實際中，實驗結果受多方面的影響，故選擇器件時應當適當提高閾值，保證元器件不被燒壞從而引起事故。

由文獻（吳恒玉,唐民麗.模擬電子技術）可知，純負載電路的整流效果并不理想，無論是從仿真還是實際實驗中來看，純負載電路的輸出波形仍然有交流分量。因此，為了使單向橋式整流電路輸出波形近似理想的直流效果，往往需要采用濾波電路，由于電容具有“隔直通交”的作用，而且電容兩端的電壓不可突變，因此在整流電路中通常采用電容濾波電路。

2 仿真軟件

Multisim仿真軟件廣泛用于電子電子技術、模數電電路仿真中，元器件通過導線連接，就能直觀的觀察輸出結果，通過不斷調試器件參數，能動態觀察輸出的結果；Simulink是廣受設計者青睞的仿真平臺，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。而且Simulink平臺操作界面簡單，從類似于Multisim仿真軟件的電路仿真外，還能進行電機、電力系統等方面的動態仿真實驗，并且Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。此外，還能采用proteus仿真軟件進行仿真。

圖2 單相整流電路仿真圖

在通過理論學習后進行仿真實驗，不但能減少實驗的錯誤以及操作時間，還能通過仿真掌握更多的知識。從而根據所學的專業課程知識進行綜合性的仿真實驗，提高自主思考能力，真正意義上的做到全方面提升，而不能僅僅局限于實驗結果，更要通過思考、調試去搭建更具綜合性的模型。

仿真實驗是為了驗證實驗的理想效果，避免操作不當而產生的實驗事故。仿真技術的發展意味著未來仿真實驗能夠一定程度上減少驗證性實驗的次數，從而進行綜合性實驗鍛煉動手能力。

3 仿真實驗的作用

根據電路的原理，通過Simulink和Multisim搭建的仿真模型，設置完相應的參數后，輸出仿真結果如圖2所示。

通過理論學習和實驗結果可知，單相橋式整流電路中利用二極管的特性，能夠達到很好的整流效果。

自動化專業的很多門課程是都實踐性很強的課程，通過實驗去學習可以鞏固理論知識，還能鍛煉動手能力。仿真實驗是學習自動化專業課程的一個很重要的過程，在一定程度上仿真實驗能夠替代實驗教學，學生可隨時搭建仿真模型進行驗證，仿真教學有利于提高學生的學習興趣，學生能夠掌握實驗的基本流程以及實驗中易出現的問題，通過自己的思考去解決難題；同時，仿真實驗還能提高學生的創造力和主動性，有助于提高動手能力；最后，仿真實驗還能為學生提供綜合性實驗的驗證，通過仿真去驗證綜合性的實驗，提高實驗的效率。

結束語：本文以仿真實驗為基準，重點分析了單向橋式整流電路的基本原理以及通過Simulink和Multisim觀察仿真結果，強調了仿真實驗對自動化專業課程學習的重要性。自動化是一個綜合性很強的專業，依靠仿真實驗對于學生、老師都會有很大的提升，老師以仿真實驗作為切入點，能夠幫助學生更快熟悉仿真軟件或者平臺，而學生也能通過仿真實驗提前熟悉實驗，提高動手能力和創造性。

Simulink和Multisim為設計者提供仿真平臺，而仿真實驗室仿真結果與理論分析、實驗結果一致，這表明大多數的實驗驗證可采用仿真軟件完成。設計者進行綜合性的設計時，可先采用仿真進行驗證，動態改變參數實時觀察仿真結果，提高設計的效率和準確性。