《電工與電子技術》課程典型電路教學仿真

張冬梅

（中國遠洋海運大學職業教育學院機電系，青島266071）

0 引言

《電工與電子技術》是我校輪機管理和船電專業的基礎課程，主要包括直流電路、正弦交流電路、三相電路、半導體器件、集成運算放大器、集成門電路等基礎知識，是一門理論性和實踐性很強的課程。在課程教學中，以電路分析計算為主，計算過程和計算量大，教師在教授過程和學生在學習過程中，精力主要集中在數據的運算過程中，而對電路的功能實現、元件參數變化引起的電路特性改變、電路輸出波形變化等只能通過課本上內容講解來學習，不能實現對由于電路元件參數變化影響的電路特性的實時觀察，教學過程相對比較僵硬、呆板，不夠直觀。雖然教學過程中開設了部分實驗環節，能夠幫助學生形象直觀地觀察實驗現象和實驗結果，但受實驗場地、實驗設備和教學課時的限制，不能夠對每個電路進行參數調整、實驗分析，不能方便地觀察電路現象和響應。

近年來，很多教學工作者，為提高課堂教學效率，降低課程學習難度，增加課程內容直觀性與感受度，相繼利用MATLAB軟件對課程內容獨立的知識點進行計算、波形仿真，取得了不錯的效果[1]。

本文基于MATLAB Guide（圖形用戶界面）的開發環境，設計開發了一套應用于《電工與電子技術》課程典型電路教學仿真平臺。該平臺選擇了十個典型電路，設計開發仿真實驗。利用該平臺，任課教師在課堂上以人機交互的方式對相關內容進行講解，可以使得枯燥抽象的電路分析內容變得生動具體，有助于加強實踐訓練，培養學生探究電路原理、自主學習的能力。

1 系統功能與結構設計

結合本校《電工與電子技術》教材[2]，教學仿真平臺包含兩大部分內容：電工學和電子技術課程中的典型電路。在MATLAB GUI（圖形用戶界面）下設計運行，類似Windows風格，使用者可以通過鼠標、鍵盤等外部輸入設備，與仿真平臺進行數據交流。GUI的建立大體有兩種方式[3-4]。本文采用圖形用戶界面開發環境。

GUI功能包括面板設計和組件回調程序編程，由窗口、光標、按鈕、選單、文字說明等圖形對象構成用戶界面，用戶通過鼠標活著鍵盤選擇、激活圖形對象，使計算機實現計算、繪圖、顯示等功能[5]。仿真平臺的設計流程如圖1所示。

圖1 仿真設計流程

2 仿真平臺的實現

2.1 登錄系統界面（圖2）

圖2 登錄系統界面

在圖2界面中，包含兩個輸入文本框，“用戶名”和“密碼”。包含六個按鈕，“用戶注冊”、“修改密碼”、“登錄”、“返回”、“退出”和“用戶管理”。

首次登錄時，需要進行用戶注冊（圖3）。在界面中，輸入用戶名、新密碼、密碼確認，輸入手機號，然后點擊“注冊”按鈕，完成注冊功能。點擊“返回”，返回到“登錄系統界面”。點擊“退出”，退出整個系統，程序結束。

圖3 用戶注冊界面

在“登錄系統界面（圖2）”中，輸入注冊的“用戶名”和“密碼”，點擊“修改密碼”按鈕，可以根據需要修改密碼。輸入“用戶名”和“密碼”均為“admin”，點擊“用戶管理”，可以管理注冊的用戶。

在“登錄系統界面（圖2）”中，輸入注冊的“用戶名”、“密碼”，點擊“登錄”按鈕，進入實驗電路選擇界面。

2.2 實驗電路選擇

登錄后進入仿真平臺主界面。在主界面中設計了三個按鈕，分別是“實驗介紹”、“進入實驗”和“退出實驗”。“實驗介紹”按鈕打開界面，介紹仿真平臺主要內容。“進入實驗”按鈕，打開“電路選擇”界面。“電路選擇”界面中包含8個觸發按鈕，內容如圖4所示。

圖4 電路選擇內容

2.3 典型電路仿真主界面

每個典型電路仿真主界面基本包括快捷菜單欄、圖形顯示區、參數設置區、計算結果及波形顯示區。以三相負載星形連接電路圖5為例，簡述各電路仿真。

圖5 三相不對稱負載星形連接仿真界面

（1）快捷菜單欄。包含兩個快捷菜單欄：實驗步驟和實驗結論。實驗步驟中介紹如何操作電路的仿真過程。實驗結論介紹仿真的最后結論，操作者可以根據自己的想法改變參數值，觀察電路的反應，對照實驗結論，總結電路特點。

（2）圖形顯示區。在圖形顯示區中，載入電路原理圖，顯示仿真的典型電路。

（3）參數設置區。在參數設置區中，電源電壓是已知量，不可改變。三相負載電路中，三相負載為純阻性負載，負載大小可以由操作者自主設定。操作者自己輸入電阻值和仿真時間，點擊“計算”按鈕，計算出負載電壓和電流的值。

（4）計算結果及波形顯示區。“計算結果”區顯示計算結果。“相量圖”區，顯示對應計算量的相量圖，觀察電壓、電流之間大小、相量關系。在波形顯示區，顯示電壓、電流瞬時值，觀察電壓和電流瞬時值的大小、波形變化規律，如圖6所示。

圖6 仿真結果顯示

3 后臺m文件的編寫

GUI界面布局后，對按鈕、文本框和下拉列表框分別編寫m文件，通過編寫和調用相應的回調函數，實現相應功能。其中“計算”按鈕函數編寫如下：

4 Simulink仿真設計

對電源有載工作、戴維寧定理、RLC串聯電路、二極管橋式整流電路設計Simulink虛擬器件仿真。其中電源有載工作Simulink文件如圖7所示。

圖7 電源有載工作Simulink建模文件

在圖8的有載工作電路仿真中，輸入負載電阻值，計算電路電壓和電流值；同時建立Simulink仿真電路，如圖7。把所用元器件、模擬電壓表、電流表、示波器布置到仿真模型中。模型中，一定要加POWERGUI模塊，否則模型不能運行。然后在GUI界面中，輸入電阻值，回車，調用Simulink仿真文件，GUI與Simulink之間進行參數互調，把GUI中用戶輸入的負載電阻值傳遞到Simulink仿真圖中，打開并運行仿真文件，最后把仿真的結果再顯示到GUI界面中，實現GUI與Simu?link之間參數互調[6]。計算結果和仿真結果相同，驗證電路可行性。

圖8 電源有載工作仿真界面

5 結語

《電工與電子技術》課程是輪機管理專業基礎課程，為后續《電力拖動》、《船舶電站》、《輪機自動化》等課程打好基礎。學生在學習過程中，對電路的基本功能、電路計算及參數變化對電路的影響掌握起來有難度。為此，本文開發了一種基于MATLAB GUI的典型電路仿真平臺。該平臺以交互的方式對電工與電子電路中的典型線路計算與仿真。將其應用于課程的輔助教學，給學生提供一個交互式、可視化的仿真環境，使學生在學習理論知識的同時，能夠觀察相應典型電路的動態變化計算與仿真，自主修改電路參數，觀察電路的現象，使原本抽象、枯燥的概念變得形象、生動、直觀，激發學生的學習興趣，提高教學質量和效率。