基于MATLAB/GUI的“電機學”仿真實驗教學平臺的設計

李思

（武昌首義學院 機電與自動化學院，湖北武漢，430064）

0 引言

“電機學”是電氣工程及其自動化專業的必修核心課程，其以直流電機、變壓器、異步電機和同步電機為主要學習內容，重點講解電機的基本結構、工作原理、基本分析方法和運行特性[1]。

該課程涉及多學科知識，具有理論性強、概念抽象、與工程實際聯系密切等特點。目前理論教學以教師講授為主，實踐教學以學生操作為主，二者分開、獨立進行，且實驗教學往往不能夠及時切入，實驗與理論教學不能有效緊密聯系在一起，導致學生學習效果不佳。喚醒學生的創新意識，培養其創新能力是教育教學的高級目標，向此目標靠近的最好方法就是為學生創造更多進行實踐活動的機會。根據課程內容特點及傳統實踐教學中的不足，建立基于ΜATLAB/GUI的“電機學”仿真實驗教學平臺，充分運用于課堂內外，拓寬學生進行實踐活動的途徑。課前借助仿真教學平臺進行實驗預習，改善課中實踐教學效果，課外學生可以利用教學平臺對電機特性進行探索、研究，培養創新意識。

1 仿真實驗教學平臺的組成

該平臺專為“電機學”教學而設計，依托ΜATLAB 軟件及其附屬的Simulink 和GUIDE 工具，主要包括直流電機的電動機和發電機兩大部分，共計六個實驗項目。其中直流電動機部分由“直流電動機的啟動”、“直流電動機的調速”和“直流電動機的機械特性”三個實驗項目組成；直流發電機部分由“直流發電機的空載特性”、“直流發電機的外特性”和“直流發電機的調節特性”三個實驗項目組成。用戶主界面如圖1 所示。平臺的層次結構是通過設置不同級別的仿真界面來實現的[1]。

圖1 “電機學”仿真實驗教學平臺主界面

2 仿真實驗教學平臺的設計思路

華北電力大學提出了一種基于Μatlab 和LabVIEW 混合仿真技術的虛擬實驗方法，該方法能減少實驗設備的投入，且實驗不受時間和空間限制[2]。筆者首先根據線下實驗教學內容和預設平臺結構建立直流電機Simulink 實驗仿真模型，具體包括他勵直流電動啟動實驗仿真模型、他勵直流電動機調速實驗仿真模型、他勵直流電動機機械特性實驗仿真模型等，并調試運行成功。然后建立平臺 GUI 主界面和子界面，按照功能需求設置控件，編輯控件屬性，達到使用方便、顯示直觀、交互性好的效果[3]。最后編寫回調函數實現直流電機仿真實驗教學平臺動態調用實驗仿真模型和仿真結果。

3 實驗項目建模與仿真

該教學平臺共設計了六個仿真實驗項目，涉及直流電動機的啟動、調速、機械特性，直流發電機的空載特性、調節特性、外特性。本文以他勵直流電動的啟動實驗項目為例，講述仿真實驗模型的建立與仿真結果的分析。

以一臺電樞電感為0.012H，勵磁電阻為240Ω，電樞電阻為0.6Ω，勵磁電感為1.2H，勵磁-電樞互感為1.8H，轉動慣量為1kg·m2，磁滯損耗為0，且其額定勵磁電壓和額定電樞電壓均為220V 的他勵直流電動機為例分析。

■3.1 他勵直流電動機直接啟動仿真模型

在Simulink 工具的元件庫中，分別找到直流電機（DC machine）、理想開關元件（Ideal Switch）、常數模塊（Constant）、階梯波形生成器（Stair Generator）和示波器（Scope）等模塊。然后建立直流電動機直接啟動Simulink 仿真模型，如圖2 所示，并進行參數設置，調試運行，測試仿真結果的準確性。

圖2 他勵直流電動機直接啟動Simulink 仿真模型

■3.2 他勵直流電動機串電阻啟動仿真模型

他勵直流電動機串電阻啟動可限制啟動瞬間沖擊電流的大小，其仿真模型的建立只需在他勵直流電動機直接啟動仿真模型的基礎上增加一個電阻封裝模塊即，如圖3 所示，并進行參數設置，調試運行，測試仿真結果的準確性。

圖3 他勵直流電動機串電阻啟動Simulink 仿真模型

4 GUI 界面的設計

GUI（圖形用戶界面）是指以圖形方式顯示的用戶界面。可視化的界面形象生動、使用方便、交互性強，且具有較好的可擴展性[4]。由于本次設計的仿真實驗教學平臺需要操作人員在前臺與后臺的模型或程序進行交互，所以需要使用GUIDE 工具創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機啟動實驗項目子界面的設計。

■4.1 歡迎界面的設計

新建一個GUI 設計界面，將兩個靜態文本框和三個按鈕分別置于界面的合適位置，雙擊控件修改對應控件的屬性和名稱，歡迎界面設計如圖4 所示。

圖4 “電機學”仿真實驗教學平臺歡迎界面

本界面設置有“平臺簡介”、“進入平臺”兩個選項。在“平臺簡介”按鈕上單擊鼠標右鍵，依次選擇“查看回調”、“Callback”進入Μ 函數編輯管理界面并編寫如下回調函數：

if get(hObject，'value')==1% 如果按鈕被按下

run('untitled2') %運行下一窗口

end

在新建的命名為untitled2 的GUI 設計界面用靜態文本對該平臺加以介紹就可以實現“平臺介紹”功能。

“進入平臺”按鈕的Μ 函數編寫如下：

■4.2 直流電動機啟動實驗項目子界面的設計

根據預設實驗項目進行子界面布局，其中包括直接啟動、串電阻啟動和降壓啟動三個分項目，并設計有“PPT講解”、“自行建模”和“查看模型”等按鈕，可實現實驗預習幫助、學生自主建模拓展等功能。同時子界面下方設置仿真參數修改區域，便于快速修改電機參數，進行仿真結果的分析。直流電動機啟動實驗項目子界面如圖5 所示。

圖5 直流電動機啟動實驗項目子界面

■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回調函數實現，以直流電動機直接啟動實驗分項目為例，首先選擇“直接啟動”選項，進行仿真運行的程序如下：

最后得到他勵直流電動機直接啟動仿真結果如圖6 所示，直接啟動的瞬間電樞電流高達300A 以上，是以在實際工業生產中一般不會采用直接啟動方式，而是采用電樞回路串電阻啟動的方式，其仿真運行結果如圖7 所示，串聯的電阻為10Ω，啟動的瞬間電流降為20A 左右。

5 結語

電機學課程傳統線下實驗教學效果不理想，存在切入不及時的問題，采用仿真實驗教學平臺和課堂理論教學、實驗室教學平臺相融合，切實可以解決實踐途徑單一，效果不佳的問題。同時運用 ΜATLAB 強大的數據處理與建模仿真功能設計的仿真實驗教學平臺，為學生創設了友好的GUI 圖形界面，達到了“學”、“做”、“用”、“練”為一體的目的，為培養高素質應用型人才打下堅實的基礎。

圖7 他勵直流電動機串電阻啟動仿真結果