Modelica虚拟实验室在"电工电子技术"课程中的教学应用

摘 要：论文介绍了Modelica虚拟实验室在"电工电子技术"课程中的教学应用,实现了理论与实践的良好过渡与结合,使学生的学习遵循从理论到实践、从仿真到动手的获取及探讨知识的过程,从而使教学流程更加合理和完整,有利于学生综合素质的培养.

关 键 词：Modelica,虚拟实验室；电工电子；教学应用

ABSTRACTThispaperintroducesvirtuallaboratorybasedonModelicaisapplicatedinthe"ElectricalandElectronicTechnology"courseteaching,thatachievesagoodtransitionandintegrationbetweentheoryandpractice.Thestudentslearntofollowfromtheorytopractice,fromsimulationtoexplorehands-onaccesstoandknowledgeoftheprocess,sothattheteachingprocessiorereasonableandplete.andisconducivetothecultivationofstudents'prehensivequality.

KEYWORDodelica,VirtualLaboratory,ElectricalandElectronic,TeachingApplication中图分类号：G648文献标识码：B文章编号：1672-1578（2014）02-0012-02"电工电子"课程是工科类专业的一门重要课程,目前虚拟实验室在电工电子课程教学中的应用十分的广泛,也取得了不少的成效,本文以基于Modelica虚拟实验室在"电工电子技术"课程中的教学加以探讨.

1.Modelica的特征

Modelica是一种开放、面向对象的物理系统建模语言,可以跨越不同领域,方便地实现复杂的物理系统建模.Modelica使用统一的面向对象语言描述系统构成单元的逻辑关系,用代数和微分方程描述数学,用统一的求解方式自动获得仿真结果,无需用户自行处理.

本文以浙江大学[3]开发基于Modelica虚拟电工电子网络实验室为例,系统对电工电子课程采用统一建模,方便新课程及实验的扩展.该系统易于操作,其中的仪器和元器件与实际器件极为相似.基于Modelica电工电子的虚拟实验室的建立,学生通过虚拟仪器理解实际操作过程,不必顾虑元器件和仪器的损坏,节省了时间和成本,为真实环境下的实验操作打下了基础.

2.虚拟网络实验室结构

基于Modelica虚拟电工电子网络实验室包括三个部分：

2.1怎么写作器端.怎么写作器端包含了数据库怎么写作器、WEB怎么写作器及计算怎么写作器,每个怎么写作器在系统中都扮演了重要的角色.

2.2客户端.客户端是一个Web站点,用户可以通过浏览器访问,它包含了用户信息管理模块及不同学科实验模块

2.3计算集群.计算集群包含多个计算节点来分担用户的仿真请求.其工作流程如下：

图1虚拟实验室工作流程

3.Modelica仿真平台

基于Modelica语言的仿真平台产品有很多.其中,面向科研、教学及工业用户应用的开源建模、编译、仿真平台OpenModelica,在面向对象、多领域、非因果物理建模中有着广泛的应用.Simfe基于Ja平台构建具有对象图形窗口、图形化建模窗口及语言建模窗口.它允许对Modelica类进行文字及图形化编辑,以直观面向对象仿真的优势,降低仿真成本.此外,Simfe可在Linux、Windows、MacOSX等主流操作系统上跨平台运行.

采用Modelica进行虚拟实验仿真,包含三个环节：首先从虚拟场景操作平台左侧的器件列表选择元器件,即选择构件模型；然后将元器件互相连接形成实验电路,即创建系统模型；最后将实验电路场景发送至实验端进行仿真求解,即求解系统模型.

3.1模拟电路仿真.以模拟电子技术实验中的比例运算放大电路为例.先选好构成电路的元器件,按要求连成具体的电路,见图2,输入信号为正弦波,输出按一定比例放大的正弦波.图3利用虚拟示波器观察输入与输出的波形,从图中可以看出,输入幅值为0.5V,输出幅值为1V,放大倍数为2.也可以通过改变电阻值,得到不同的输出,从而观察同相比例运放的工作特性及参数对输出的影响.

图2模拟电子技术同相比例运算电路

图3虚拟示波器观察的仿真结果

3.2数字电路仿真.首先选择数字电子技术实验,并将从怎么写作器下载实验插件,当实验列表右侧的虚拟场景操作平台显示出来以后,用户就可以进行虚拟实验了.首先用户根据实验目标从操作平台左侧器件列表选取实验元器件,然后拖至右侧实验桌,并连接实验电路.

以数字电路中的半加器为例,来模拟仿真结果.半加器只考虑被加数和加数的相应位相加,而不考虑相邻位的进位.因此,电路的输入仅仅为被加数Ai和加数Bi,而输出为和数Si和向高位的进位Ci.输入输出电位关系参考如表1所示.

表1半加器输入输出电位关系参考

AiBiSiCi0000011010101101根据半加器原理图,选择器件并搭建电路,如图4所示.电路连接完以后,用户可以点击"运行场景"按钮,系统自动将实验电路场景发送到实验端进行仿真,然后将结果返回,通过操作场景看到实验结果.实验结果如图5所示,当Ai,Bi分别输入1和0,用户点击运行场景按钮后,得到的结果为Si为1（指示灯亮）,Ci为0（指示灯灭）.

4.结语

Modelica虚拟实验室在电工电子技术课程中教学应用,实现了理论与实践的良好过渡与结合,使学生的学习遵循从理论到实践、从仿真到动手的获取及探讨知识的科学过程,从而使教学流程更加合理和完整.学生直观地看到电路的构成、信号的产生和变化,发现问题、解决问题,有助于对教学内容的理解,还可促进学生动手能力和创新意识的提高,有利于学生综合素质的培养.

图474LS04和74LS00构建的半加器电路

图5运行场景后的实验结果参考文献

[1]时翔Multisim虚拟实验室在"通信电子线路"课程中的教学应用常州工学院学报2012.12

[2]顾昊英等基于Modelica的电子线路实验仿真实验室研究与探索2010.10

[3]施正寅等基于Modelica的虚拟电工电子网络实验室设计计算机工程2012.6

[4]孟涛等基于虚拟仪器技术的电工电子实验教学模式研究实验实践2012年第21期

[5]王韦刚等基于Multsim的电工电子技术课程项目化教学项目与课题2012年9月第26期

作者介绍

闫淑梅(1974-)：湖南衡阳县,硕士,工程师,长沙环保职业技术学院教师.