電氣工程虛擬仿真的實驗教學設(shè)計

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摘要：分析了電氣工程專業(yè)采用虛擬仿真技術(shù)進行實驗教學的必要性，提出了虛擬仿真實驗教學平臺的設(shè)計與實現(xiàn)方案，探討了電氣工程虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)思路。首先對虛擬仿真實驗教學平臺進行了需求分析，并對平臺的功能模塊進行了說明。然后描述了虛擬仿真實驗教學平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。最后提出了電氣工程虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)思路。通過電氣工程虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)與實踐，實現(xiàn)了真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，提高了學生工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：電氣工程;擬仿真;實驗教學平臺

虛擬仿真技術(shù)作為一種新的科學研究方法，對高等學校的教學和科研發(fā)揮的作用越來越重要[1-3]。基于虛擬仿真的實驗教學是綜合應(yīng)用計算機應(yīng)用技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)[4-6]，通過構(gòu)建逼真的實驗環(huán)境，達到、甚至超過真實實驗的效果[7]。虛擬仿真技術(shù)對傳統(tǒng)的實驗教學產(chǎn)生的影響越來越大。虛擬仿真可應(yīng)用到危險性極高、操作不可逆以及高成本、高消耗的實驗項目和實驗教學中，以提高實驗環(huán)境的安全性，彌補實驗成本的不足，突破安全、成本、儀器設(shè)備的限制，解決實驗教學面臨資金不足等問題[8-10]。我校的電氣工程及其自動化專業(yè)，分為電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)方向和電力電子與電機控制專業(yè)方向。電氣工程專業(yè)主要側(cè)重于電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)操作和運行，以及電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)操作和運行、電力電子與電機控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究[11]。由于電力系統(tǒng)龐大、復雜，且高電壓、大電流，電力設(shè)備種類多、價格昂貴等特點，在實驗室很能建立和現(xiàn)場完全一樣的電力實驗系統(tǒng)[12-14]。因此，有必要采用虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)電氣工程專業(yè)的實驗教學平臺，開發(fā)電氣工程專業(yè)的虛擬仿真實驗教學資源，提高學生的工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力[15]。

1虛擬仿真實驗教學平臺的功能模塊

1.1需求分析虛擬仿真實驗教學平臺的參與者可分為3類：（1）系統(tǒng)管理員：主要負責虛擬仿真實驗教學平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護，擁有平臺的所有操作權(quán)限。具體來說，可進行用戶管理、實驗管理、實驗操作、修改密碼、信息等模塊的管理和操作。(2)實驗指導教師：管理每門課程實驗的教師，主要負責實驗管理、實驗操作、實驗演示、實驗指導、實驗測評等模塊的管理和操作。實驗指導教師一般由任課老師擔任。(3)一般用戶：虛擬仿真實驗教學平臺的使用人，可進行實驗演示、實驗操作、密碼修改以及信息反饋、培訓學習等操作。普通用戶包括在校師生和校外用戶。2.2虛擬仿真實驗教學平臺的功能模塊虛擬仿真實驗教學平臺的系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。(1)用戶管理模塊：該模塊主要管理用戶的信息。系統(tǒng)管理員擁有對所有用戶賬號進行操作的權(quán)限，可以進行賬號查詢、激活、修改或禁止等操作。實驗指導老師和一般用戶只能對自身的賬號進行操作。(2)實驗管理模塊：該模塊可對用戶所進行的實驗類型、實驗內(nèi)容和實驗成績進行管理。用戶可選擇實驗的類別，如選擇進入實驗操作模塊、實驗演示模塊或?qū)嶒灉y評模塊。(3)實驗指導模塊：學生在進行實驗操作時，實驗指導教師通過該模塊可以在線指導學生，實現(xiàn)兩者的實時交流。(4)實驗測評模塊：學生進行實驗操作時，通過該模塊可將進行實驗的名稱及實驗過程存儲于服務(wù)器中。實驗指導教師可以隨時從服務(wù)器查看學生實驗操作過程并評閱，結(jié)果存儲到服務(wù)器。(5)實驗演示模塊：通過該模塊，實驗指導教師能進行實驗的演示，并存儲到服務(wù)器。學生通過該模塊，可隨時查看實驗演示過程。(6)實驗操作模塊：通過該模塊，學生可選擇相應(yīng)實驗項目并存儲，以后還可以繼續(xù)未完成的實驗。(7)培訓學習模塊：主要對一般用戶提供操作和相關(guān)的管理制度說明。

2虛擬仿真實驗教學平臺的構(gòu)建

2.1系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)C/S（Client/Serve，客戶機/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)適合于小規(guī)模、單一數(shù)據(jù)庫的局域網(wǎng)環(huán)境，而B/S（browser/server，瀏覽器/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)的客戶端只需要瀏覽器，具有較高的安全性和通用性。本虛擬仿真實驗教學平臺擬采用典型的B/S三層體系結(jié)構(gòu)，其中三層分別為Web表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層[16]。2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)我校虛擬仿真實驗教學平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。(1)Web瀏覽器：虛擬仿真實驗教學平臺采用Web瀏覽器作為客戶端。Web瀏覽器與實驗服務(wù)器交互是通過HTTP協(xié)議實現(xiàn)，下載網(wǎng)頁并獲取各種動態(tài)數(shù)據(jù)信息，并將用戶行為的信息提交到web服務(wù)器。(2)服務(wù)器：服務(wù)器包括Web服務(wù)器、實驗服務(wù)器、仿真軟件服務(wù)器、RT-LAB系統(tǒng)服務(wù)器等。Web服務(wù)器是虛擬仿真實驗教學平臺的核心，使用SQLServer2012數(shù)據(jù)庫來管理全部教學資源，如實驗服務(wù)器、仿真軟件服務(wù)器、RT-Lab系統(tǒng)服務(wù)器等，并通過程序檢測這些資源的運行狀態(tài)。Web服務(wù)器負責多個用戶同時訪問某一實驗設(shè)備的調(diào)度。實驗服務(wù)器負責與實驗室的實驗臺交互。在實驗室進行實時控制實驗臺時，程序自動選取最佳實驗服務(wù)器，實驗服務(wù)器直接向遠程用戶提供實時監(jiān)控服務(wù)，這樣可以縮短監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸路徑，提高監(jiān)控的實時性，同時增強了系統(tǒng)的可擴展性，避免了實驗負載過度集中在Web服務(wù)器上。RT-LAB是一種模塊化的實時仿真平臺，可實現(xiàn)硬件在環(huán)真仿真(hardware-in-the-loopsimulation，HILS)和快速控制原型(rapidcontrolprototyping，RCP)。RT-LAB的提供了良好的人機界面，這將使HILS和RCP變得更輕松。建立RT-LAB系統(tǒng)服務(wù)器，用戶可進行遠程的HILS和RCP操作。軟件服務(wù)器可以安裝電氣工程相關(guān)仿真軟件，使用戶可以進行遠程軟件虛擬仿真。例如LabVIEW、Matlab/Simulink。軟件服務(wù)器接收用戶的命令和參數(shù)并解釋執(zhí)行，且把執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶。（3）實驗臺：實驗臺由2部分組成：網(wǎng)絡(luò)化控制器和實驗設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)化控制器是為實驗設(shè)備連接到實驗服務(wù)器而開發(fā)的前端控制器。目前，我校的虛擬仿真實驗教學平臺己連入多臺實驗設(shè)備，如DCS過程控制仿真、PLC工業(yè)過程控制仿真、ProteusEDA設(shè)計仿真、基于LabVIEW和Multisim仿真等平臺。

3電氣工程虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)

(1)虛擬仿真軟件實驗教學資源的開發(fā)。建立仿真軟件服務(wù)器，安裝LabVIEW、Matlab/Simulink、Multisim、PSCAD/EMTDC、PSIM等電氣工程仿真軟件?；陔姎夤こ虒I(yè)仿真軟件，可以進行電路理論、電子技術(shù)電路、電力電子、電力系統(tǒng)的仿真，結(jié)合友好的圖形化界面，使用可操作的相應(yīng)的虛擬實驗儀器，可以在計算機上建立起虛擬實驗室環(huán)境，并可實時顯示仿真波形，方便直觀。(2)虛擬仿真硬件實驗教學資源的開發(fā)。采用虛擬仿真技術(shù)對現(xiàn)有實驗室進行改造，將相關(guān)實驗室的實驗臺通過網(wǎng)絡(luò)化控制器連接到實驗服務(wù)器，學生在校園網(wǎng)就可以進行有限的軟硬件結(jié)合的實驗。(3)電氣工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學的改革?；谔摂M仿真技術(shù)，進行電氣工程專業(yè)實驗教學的改革，優(yōu)化電氣工程專業(yè)實驗教學體系，構(gòu)建模塊化、遞進式、多層次的電氣工程專業(yè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學資源，研究電氣工程專業(yè)“虛實結(jié)合”的實驗教學模式，培養(yǎng)學生的工程實驗能力和創(chuàng)新能力。

4結(jié)語

目前，我校的電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺已初步建成并初見成效。電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺雖然已經(jīng)建成，但需進一步完善、推廣和應(yīng)用，同時需要進行電氣工程專業(yè)實驗教學的改革，構(gòu)建模塊化、遞進式、多層次的電氣工程專業(yè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學資源。充分發(fā)揮電氣工程學科專業(yè)優(yōu)勢，整合和拓展學校電氣工程實驗教學資源，豐富電氣工程實驗教學內(nèi)容，可以降低實驗教學成本和風險，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，提高了學生工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力。

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作者:童玲 李祥飛 單位:湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院 湖南工業(yè)大學圖書館