◆高寧宇

基于MATLAB的電力拖動虛擬實驗室設計*

◆高寧宇

針對電力拖動課程的教學與實驗特點，利用MATLAB中的GUI（圖形用戶界面）和Simulink，開發(fā)基于MATLAB的電力拖動虛擬實驗室。該虛擬實驗室界面友好，實驗參數(shù)可修改，實驗結果可波形顯示，同時可作為課程的輔助教學系統(tǒng)。

MATLAB/GUI；虛擬實驗室；Simulink

1 前言

電力拖動課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門必修專業(yè)課，課程實踐性強，實驗教學在整個課程教學過程中占重要地位。電力拖動課程的相關實驗，其動態(tài)過程往往在很短的時間內完成，無法觀測到電機各參數(shù)變化對電機運行性能的影響，增加了學生對課堂知識的理解難度。虛擬實驗技術是一種全新的教學手段，運用計算機技術及其圖形化功能，建立虛擬模型來仿真實際物理實驗過程，達到實驗教學目的。本文將虛擬實驗室技術運用到電力拖動課程的實驗教學中，建 立 一個電力拖動虛擬實驗室。

MATLAB是Mathwors公司推出的、當今國際上最流行的軟件之一。本文首先使用MATLAB/Simulink建立電力拖動課程各實驗項目的仿真實驗模型，然后使用MATLAB/GUI（圖形用戶界面）建立虛擬實驗室界面，最后利用GUI調用Simulink仿真模型，實現(xiàn)可視化界面與仿真后臺之間的人機對話。

2 虛擬實驗室的建立

圖1 他勵直流電動機串電阻起動仿真實驗模型

本虛擬實驗室涉及的實驗項目有：他勵直流電動機的起動、制動、調速；三相異步電動機的機械特性、起動、制動、調速。下面將以直流電動機串電阻分級起動實驗項目為例，進行虛擬實驗室的設計。

仿真實驗模型的建立 他勵直流電動機在電樞回路串電阻起動是限制起動電流的有效方法之一。使用Simulink分別建立三級起動的仿真實驗模型和電阻控制子模型，如圖1、圖2所示。系統(tǒng)在2.8 s、4.8 s、6.8 s時，依次短接電阻R1、R2和R3，當轉速上升到1400 r/min時加負載運行[1]。

虛擬實驗界面設計

1）啟動GUI。啟動GUI的方法有兩種：點擊MATLAB主菜單中File菜單的New子菜單中的選項GUI選項，或者在MATLAB命令窗口中輸入guide命令，即可打開GUI的開發(fā)環(huán)境，如圖3所示。

圖3 GUI設計窗口

2）界面的設計。虛擬實驗室的界面由主界面和子界面組成。根據(jù)主界面的設計目標，在控件模板區(qū)選擇三個靜態(tài)文本框Static Text控件（“電力拖動虛擬實驗室”“實

驗類別”“實驗項目”）、兩個列表框Listbox（“直流電力拖動”“交流電力拖動”；各種實驗項目）、兩個按鈕Push Button（“開始實驗”“退出系統(tǒng)”）。設計的主界面如圖4所示。同理設計子界面，其中Axes控件用于顯示仿真波形，如圖5所示。

*項目來源：南通大學教學改革課題（基金編號：2013B081）。

作者：高寧宇，南通大學電氣工程學院講師，主要研究方向為電機控制技術（226019）。

圖2 串起動電阻控制子模型仿真模型

圖4 主界面

圖5 子界面

3）回調函數(shù)的編寫與運行。通過點擊GUI編輯菜單中“RUN Figure”按鈕，MATLAB將自動生成一個和圖形界面同名的m文件，在此m文件下根據(jù)預設的圖形界面的功能，針對各個不同控件來編寫能夠實現(xiàn)該功能的回調函數(shù)，確保這個圖形界面能夠完成所預定的功能，達到直接通過界面上各個控件就可以控制數(shù)據(jù)的輸入，并且可以方便直觀地看到預期結果。

本虛擬實驗室是通過點擊“啟動仿真”按鈕，達到GUI調用后臺Simulink仿真實驗模型。在m文件中定位到“啟動仿真”按鈕的回調函數(shù)，在編寫此回調函數(shù)時特別注意：Simulink默認使用基本狀態(tài)空間（Base Workspace）的數(shù)據(jù)，而函數(shù)有自己的狀態(tài)空間，兩者狀態(tài)空間不兼容。在Simulink中simset()函數(shù)可以讓用戶自定義仿真實驗模型的狀態(tài)空間，即將仿真實驗模型的狀態(tài)空間設置為當前狀態(tài)空間。

回調函數(shù)程序如下：

圖6 運行后的主界面

運行程序后，主界面如圖6所示，通過點擊“實驗類別”下拉單選擇“直流電力拖動”，然后點擊“實驗項目”

下拉菜單“串電阻分級起動”，最后點擊“開始實驗”按鈕，跳出“電力拖動虛擬實驗室”窗口，如圖7所示。從波形顯示中可以觀察到轉速、電流的動態(tài)變化過程，通過“參數(shù)設置”，設定合適的各級起動電阻的大小，起動電流可以控制在一定的范圍內。

3 結束語

開發(fā)的基于MATLAB/GUI電力拖動虛擬實驗室達到預期設計目標。本虛擬實驗室除了可以獲得與傳統(tǒng)實驗一致的實驗現(xiàn)象外，還可以對實驗結果（包括轉速、電流等關鍵參數(shù)）曲線顯示，可以通過實驗界面改變工作參數(shù)，模擬實際電動機的各種響應，觀察瞬間完成的實驗動態(tài)過程，同時也可以作為電力拖動課程理論教學及實驗教學的計算機輔助教學系統(tǒng)。

[1]劉鳳春,等.電機與拖動MATLAB仿真與學習指導[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[2]羅飛華.MATLAB GUI設計學習手記[M].北京:北京航空航天大學出版社,2014.

基礎知識模塊主要有兩個方面的內容，分別為系統(tǒng)知識和基本理論，主要是供學習者進行查閱，在課堂教學中如果學生對某個知識點不理解，可以直接查閱。同時方便課下查閱、復習。

虛擬實訓中是很有創(chuàng)意性的題目，分為基礎訓練和設計項目。對于做完作業(yè)的學生，可以引導去做虛擬實訓；如果是剛開課不久，可以去做基礎訓練；如果技術熟練，可以去做項目設計。這些項目要求很寬泛，對于技術沒有規(guī)定，可以使用想用的任何技術，可以做想做的任何內容，最終完成作品。同時還展示前幾屆學長學姐的優(yōu)秀作品，通過優(yōu)秀作品的引導、教師的鼓勵，學生的作品一屆比一屆優(yōu)秀。

對于快捷鍵，最好的掌握方法就是學生不斷地練習。開發(fā)者開發(fā)了一個小游戲，就像金山打字通里的打蘋果游戲，如果快捷鍵按對，小飛機就被打落；如果按錯，小飛機就飛走，最后統(tǒng)計打落小飛機的次數(shù)和自己的按鍵次數(shù)。通過這樣的訓練，學生就能記住快捷鍵，在以后的操作中可以信手拈來。

討論交流有兩種方式，一種是文字的交流，沒有時間或者不方便當面和任課教師交流的內容可以在本平臺內留言。另一種是作品交流，將作品上傳，圍繞作品進行深入的交流。

4 創(chuàng)新點

解決教學中存在的實際問題 本平臺的開發(fā)，解決了Photoshop平面設計教學中的實際問題，如快捷鍵的熟練使用、課堂時間充分利用、主動進行作業(yè)交流等方面的問題，將信息化方式應用到具體課程的教學過程中，讓學生、教師真正體會到信息化教學的優(yōu)勢。

調動學生學習積極性 由于虛擬實訓平臺的開通，學生不僅能看到本班同學的作品，還能看到學長學姐的作品，讓學生的學習有了動力。同時虛擬實訓欄目的應用，學生有了自己發(fā)揮的空間，做出很有想法的設計，有的作品在學生中有很大的影響，有時作品獲得全區(qū)全國各類獎項，主要是由于很多項目都是有很多設計結果的開放性項目，對學生的局限性就會小，學生就會放開思路，大膽地去創(chuàng)作。

開放的系統(tǒng)管理思想 本系統(tǒng)在開發(fā)時采用Web2.0思想，注重用戶的參與，以開放的系統(tǒng)管理思想，讓學生自由地管理課程中的作品，可添加、可刪除，教學是建立在對學生信任的基礎之上的，而且在應用的實踐中也發(fā)現(xiàn)，學生并沒有惡意地去刪除系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。讓學生看到系統(tǒng)很親切，知道具體的操作方法和流程，便于學生很快地掌握平臺的操作方法。

5 結束語

通過Photoshop平面設計課程實訓平臺的構建，一方面解決課程教學中存在的無法解決的具體問題，另一方面增強課程的教學效果，讓學生樂于學習，讓教師教得更有興致。同時本課程實訓平臺在寧夏回族自治區(qū)信息化教學大賽中榮獲一等獎。

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