基于MATLAB/GUI的“電機(jī)學(xué)”仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

李思

（武昌首義學(xué)院 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢，430064）

0 引言

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的必修核心課程，其以直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)和同步電機(jī)為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，重點(diǎn)講解電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本分析方法和運(yùn)行特性[1]。

該課程涉及多學(xué)科知識(shí)，具有理論性強(qiáng)、概念抽象、與工程實(shí)際聯(lián)系密切等特點(diǎn)。目前理論教學(xué)以教師講授為主，實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生操作為主，二者分開(kāi)、獨(dú)立進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往不能夠及時(shí)切入，實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)不能有效緊密聯(lián)系在一起，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。喚醒學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力是教育教學(xué)的高級(jí)目標(biāo)，向此目標(biāo)靠近的最好方法就是為學(xué)生創(chuàng)造更多進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)的機(jī)會(huì)。根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)及傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的不足，建立基于ΜATLAB/GUI的“電機(jī)學(xué)”仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，充分運(yùn)用于課堂內(nèi)外，拓寬學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)的途徑。課前借助仿真教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，改善課中實(shí)踐教學(xué)效果，課外學(xué)生可以利用教學(xué)平臺(tái)對(duì)電機(jī)特性進(jìn)行探索、研究，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

1 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的組成

該平臺(tái)專(zhuān)為“電機(jī)學(xué)”教學(xué)而設(shè)計(jì)，依托ΜATLAB 軟件及其附屬的Simulink 和GUIDE 工具，主要包括直流電機(jī)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大部分，共計(jì)六個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中直流電動(dòng)機(jī)部分由“直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)”、“直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速”和“直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性”三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成；直流發(fā)電機(jī)部分由“直流發(fā)電機(jī)的空載特性”、“直流發(fā)電機(jī)的外特性”和“直流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性”三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成。用戶(hù)主界面如圖1 所示。平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)是通過(guò)設(shè)置不同級(jí)別的仿真界面來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。

圖1 “電機(jī)學(xué)”仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主界面

2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

華北電力大學(xué)提出了一種基于Μatlab 和LabVIEW 混合仿真技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)方法，該方法能減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，且實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間限制[2]。筆者首先根據(jù)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和預(yù)設(shè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)建立直流電機(jī)Simulink 實(shí)驗(yàn)仿真模型，具體包括他勵(lì)直流電動(dòng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真模型、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)仿真模型、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)仿真模型等，并調(diào)試運(yùn)行成功。然后建立平臺(tái) GUI 主界面和子界面，按照功能需求設(shè)置控件，編輯控件屬性，達(dá)到使用方便、顯示直觀、交互性好的效果[3]。最后編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)動(dòng)態(tài)調(diào)用實(shí)驗(yàn)仿真模型和仿真結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建模與仿真

該教學(xué)平臺(tái)共設(shè)計(jì)了六個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、機(jī)械特性，直流發(fā)電機(jī)的空載特性、調(diào)節(jié)特性、外特性。本文以他勵(lì)直流電動(dòng)的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，講述仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑴c仿真結(jié)果的分析。

以一臺(tái)電樞電感為0.012H，勵(lì)磁電阻為240Ω，電樞電阻為0.6Ω，勵(lì)磁電感為1.2H，勵(lì)磁-電樞互感為1.8H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1kg·m2，磁滯損耗為0，且其額定勵(lì)磁電壓和額定電樞電壓均為220V 的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例分析。

■3.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真模型

在Simulink 工具的元件庫(kù)中，分別找到直流電機(jī)（DC machine）、理想開(kāi)關(guān)元件（Ideal Switch）、常數(shù)模塊（Constant）、階梯波形生成器（Stair Generator）和示波器（Scope）等模塊。然后建立直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)Simulink 仿真模型，如圖2 所示，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，調(diào)試運(yùn)行，測(cè)試仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)Simulink 仿真模型

■3.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)仿真模型

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)可限制啟動(dòng)瞬間沖擊電流的大小，其仿真模型的建立只需在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真模型的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電阻封裝模塊即，如圖3 所示，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，調(diào)試運(yùn)行，測(cè)試仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)Simulink 仿真模型

4 GUI 界面的設(shè)計(jì)

GUI（圖形用戶(hù)界面）是指以圖形方式顯示的用戶(hù)界面。可視化的界面形象生動(dòng)、使用方便、交互性強(qiáng)，且具有較好的可擴(kuò)展性[4]。由于本次設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)需要操作人員在前臺(tái)與后臺(tái)的模型或程序進(jìn)行交互，所以需要使用GUIDE 工具創(chuàng)建具有良好交互功能的GUI 界面。本文主要介紹歡迎界面及直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子界面的設(shè)計(jì)。

■4.1 歡迎界面的設(shè)計(jì)

新建一個(gè)GUI 設(shè)計(jì)界面，將兩個(gè)靜態(tài)文本框和三個(gè)按鈕分別置于界面的合適位置，雙擊控件修改對(duì)應(yīng)控件的屬性和名稱(chēng)，歡迎界面設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 “電機(jī)學(xué)”仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)歡迎界面

本界面設(shè)置有“平臺(tái)簡(jiǎn)介”、“進(jìn)入平臺(tái)”兩個(gè)選項(xiàng)。在“平臺(tái)簡(jiǎn)介”按鈕上單擊鼠標(biāo)右鍵，依次選擇“查看回調(diào)”、“Callback”進(jìn)入Μ 函數(shù)編輯管理界面并編寫(xiě)如下回調(diào)函數(shù)：

if get(hObject，'value')==1% 如果按鈕被按下

run('untitled2') %運(yùn)行下一窗口

end

在新建的命名為untitled2 的GUI 設(shè)計(jì)界面用靜態(tài)文本對(duì)該平臺(tái)加以介紹就可以實(shí)現(xiàn)“平臺(tái)介紹”功能。

“進(jìn)入平臺(tái)”按鈕的Μ 函數(shù)編寫(xiě)如下：

■4.2 直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子界面的設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行子界面布局，其中包括直接啟動(dòng)、串電阻啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)三個(gè)分項(xiàng)目，并設(shè)計(jì)有“PPT講解”、“自行建模”和“查看模型”等按鈕，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)幫助、學(xué)生自主建模拓展等功能。同時(shí)子界面下方設(shè)置仿真參數(shù)修改區(qū)域，便于快速修改電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行仿真結(jié)果的分析。直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子界面如圖5 所示。

圖5 直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目子界面

■4.3 GUI 界面與仿真模型的交互

GUI 界面與仿真模型的交互通過(guò)回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，以直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)分項(xiàng)目為例，首先選擇“直接啟動(dòng)”選項(xiàng)，進(jìn)行仿真運(yùn)行的程序如下：

最后得到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真結(jié)果如圖6 所示，直接啟動(dòng)的瞬間電樞電流高達(dá)300A 以上，是以在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中一般不會(huì)采用直接啟動(dòng)方式，而是采用電樞回路串電阻啟動(dòng)的方式，其仿真運(yùn)行結(jié)果如圖7 所示，串聯(lián)的電阻為10Ω，啟動(dòng)的瞬間電流降為20A 左右。

5 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)學(xué)課程傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想，存在切入不及時(shí)的問(wèn)題，采用仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)相融合，切實(shí)可以解決實(shí)踐途徑單一，效果不佳的問(wèn)題。同時(shí)運(yùn)用 ΜATLAB 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與建模仿真功能設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了友好的GUI 圖形界面，達(dá)到了“學(xué)”、“做”、“用”、“練”為一體的目的，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖7 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)仿真結(jié)果