Modelica 虛擬實驗室在"電工電子技術"課程中的教學應用

閆淑梅++盛嬌

摘要：論文介紹了Modelica虛擬實驗室在"電工電子技術"課程中的教學應用，實現(xiàn)了理論與實踐的良好過渡與結合，使學生的學習遵循從理論到實踐、從仿真到動手的獲取及探討知識的過程，從而使教學流程更加合理和完整，有利于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

關鍵詞：Modelica ；虛擬實驗室；電工電子；教學應用

中圖分類號：G648 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2014）02-0012-02

"電工電子"課程是工科類專業(yè)的一門重要課程，目前虛擬實驗室在電工電子課程教學中的應用十分的廣泛，也取得了不少的成效，本文以基于Modelica 虛擬實驗室在"電工電子技術"課程中的教學加以探討。

1.Modelica的特征

Modelica是一種開放、面向對象的物理系統(tǒng)建模語言，可以跨越不同領域，方便地實現(xiàn)復雜的物理系統(tǒng)建模。Modelica使用統(tǒng)一的面向對象語言描述系統(tǒng)構成單元的邏輯關系，用代數(shù)和微分方程描述數(shù)學，用統(tǒng)一的求解方式自動獲得仿真結果，無需用戶自行處理。

本文以浙江大學[3]開發(fā)基于Modelica虛擬電工電子網(wǎng)絡實驗室為例，系統(tǒng)對電工電子課程采用統(tǒng)一建模，方便新課程及實驗的擴展。該系統(tǒng)易于操作，其中的儀器和元器件與實際器件極為相似。基于Modelica電工電子的虛擬實驗室的建立，學生通過虛擬儀器理解實際操作過程，不必顧慮元器件和儀器的損壞，節(jié)省了時間和成本，為真實環(huán)境下的實驗操作打下了基礎。

2.虛擬網(wǎng)絡實驗室結構

基于Modelica虛擬電工電子網(wǎng)絡實驗室包括三個部分：

2.1 服務器端。服務器端包含了數(shù)據(jù)庫服務器、WEB服務器及計算服務器，每個服務器在系統(tǒng)中都扮演了重要的角色。

2.2 客戶端。客戶端是一個Web站點，用戶可以通過瀏覽器訪問，它包含了用戶信息管理模塊及不同學科實驗模塊

2.3 計算集群。計算集群包含多個計算節(jié)點來分擔用戶的仿真請求。 其工作流程如下：

圖1 虛擬實驗室工作流程

3.Modelica仿真平臺

基于Modelica語言的仿真平臺產(chǎn)品有很多。其中，面向科研、教學及工業(yè)用戶應用的開源建模、編譯、仿真平臺OpenModelica，在面向對象、多領域、非因果物理建模中有著廣泛的應用。Simforge基于Java平臺構建具有對象圖形窗口、圖形化建模窗口及語言建模窗口。它允許對Modelica類進行文字及圖形化編輯，以直觀面向對象仿真的優(yōu)勢，降低仿真成本。此外，Simforge可在Linux、Windows 、Mac OS X等主流操作系統(tǒng)上跨平臺運行。

采用Modelica進行虛擬實驗仿真，包含三個環(huán)節(jié)：首先從虛擬場景操作平臺左側的器件列表選擇元器件，即選擇構件模型；然后將元器件互相連接形成實驗電路，即創(chuàng)建系統(tǒng)模型；最后將實驗電路場景發(fā)送至實驗端進行仿真求解，即求解系統(tǒng)模型。

3.1 模擬電路仿真。以模擬電子技術實驗中的比例運算放大電路為例。先選好構成電路的元器件，按要求連成具體的電路，見圖2，輸入信號為正弦波，輸出按一定比例放大的正弦波。圖3利用虛擬示波器觀察輸入與輸出的波形，從圖中可以看出，輸入幅值為0.5V，輸出幅值為1V，放大倍數(shù)為2。也可以通過改變電阻值，得到不同的輸出，從而觀察同相比例運放的工作特性及參數(shù)對輸出的影響。

圖2 模擬電子技術同相比例運算電路

圖3 虛擬示波器觀察的仿真結果

3.2 數(shù)字電路仿真。首先選擇數(shù)字電子技術實驗，并將從服務器下載實驗插件，當實驗列表右側的虛擬場景操作平臺顯示出來以后，用戶就可以進行虛擬實驗了。首先用戶根據(jù)實驗目標從操作平臺左側器件列表選取實驗元器件，然后拖至右側實驗桌，并連接實驗電路。

以數(shù)字電路中的半加器為例，來模擬仿真結果。半加器只考慮被加數(shù)和加數(shù)的相應位相加，而不考慮相鄰位的進位。因此，電路的輸入僅僅為被加數(shù)Ai和加數(shù)Bi，而輸出為和數(shù)Si和向高位的進位Ci。輸入輸出電位關系參考如表1所示。

根據(jù)半加器原理圖，選擇器件并搭建電路，如圖4所示。電路連接完以后，用戶可以點擊"運行場景"按鈕，系統(tǒng)自動將實驗電路場景發(fā)送到實驗端進行仿真，然后將結果返回，通過操作場景看到實驗結果。實驗結果如圖5所示，當Ai，Bi分別輸入1和0，用戶點擊運行場景按鈕后，得到的結果為Si為1（指示燈亮），Ci為0（指示燈滅）。

4.結語

Modelica 虛擬實驗室在電工電子技術課程中教學應用，實現(xiàn)了理論與實踐的良好 過渡與結合，使學生的學習遵循從理論到實踐、從仿真到動手的獲取及探討知識的科學過程，從而使教學流程更加合理和完整。學生直觀地看到電路的構成、信號的產(chǎn)生和變化，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，有助于對教學內(nèi)容的理解，還可促進學生動手能力和創(chuàng)新意識的提高，有利于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

參考文獻

[1] 時翔 Multisim虛擬實驗室在"通信電子線路"課程中的教學應用 常州工學院學報 2012.12

[2] 顧昊英等 基于Modelica的電子線路實驗仿真 實驗室研究與探索 2010.10

[3] 施正寅等 基于Modelica的虛擬電工電子網(wǎng)絡實驗室設計 計算機工程2012.6

[4] 孟 濤等 基于虛擬儀器技術的電工電子實驗教學模式研究 實驗實踐 2012年第21期

[5] 王韋剛等 基于Multsim的電工電子技術課程項目化教學 項目與課題 2012年9月第26期

作者介紹

閆淑梅（1974-）：湖南衡陽縣，碩士，工程師，長沙環(huán)保職業(yè)技術學院教師.