Применение имитационного моделирования при изучении курса ТОЭ

Д.В. Савинова г. Челябинск, ЮУрГУ

Рассматривается применение имитационного моделирования для повышения качества обучения при изучении линейных цепей в курсе ТОЭ. Приведены примеры разработанных моделей и представлены результаты моделирования. Описана методика проведения занятий и оценена их эффективность.

Повышение качества образования возможно в первую очередь на основе применения новых информационных технологий. При изучении электротехнических дисциплин особенно перспективно применение имитационного моделирования. Наиболее широкими возможностями в построении имитационных моделей обладает математический пакет Matlab с приложением Simulink [1,2].

При имитационном моделировании модель как бы заменяет исследователю реальный объект, но обладает дополнительным важнейшим свойством - в ней доступны для изменения и измерения все входящие в нее параметры и переменные, доступ к которым в реальном объекте по разным причинам может быть невозможен.

Применение имитационного моделирования целесообразно начинать с младших курсов. Особенно целесообразно использование имитационных моделей в курсе ТОЭ при изучении переходных процессов и несинусоидальных токов.

Разработаны модели для изучения переходных процессов в различных линейных цепях. Адекватность некоторых моделей проверяется студентами при выполнении лабораторных работ.

Фронтальное проведение лабораторных работ на виртуальных моделях и синхронное их выполнение студентами обеспечивает возможность обмена мнениями и совместного анализа результатов.

Применение имитационного моделирования в курсе ТОЭ, а также дальнейшее его применение в специальных курсах способствует повышению качества обучения студентов по специальности «Электроснабжение». Применение виртуального моделирования позволяет облегчить обучение студентов-заочников, особенно с учетом малого числа лабораторных работ, предусмотренных учебным планом.

Ниже приведены примеры некоторых виртуальных моделей, используемых как для проверки и углубленного анализа при выполнении домашних заданий, так и при подготовке к лабораторным работам.

На рис. 1 приведена схема модели, позволяющей исследовать переходные процессы при включении и выключении последовательного колебательного контура на постоянное и переменное синусоидальное напряжение. Модель содержит источники постоянного и переменного синусои-

Рис. 1. Модель для исследования переходного процесса включения последовательного колебательного контура

Савинова Д.В.

дальнего напряжения (Е, е) с внутренним сопротивлением Ri, идеальные ключи (Ideal Switch, Ideal Switch 1) и нагрузку, содержащую элементы 7?, L, С. Датчики тока и напряжения на нагрузке и ее элементах (z, и, uR, uL, uC) преобразуют ток и напряжения в информационные сигналы, подаваемые на осциллограф (Scope). Таймеры (Timer, Timer 1) задают моменты переключения ключей. Модель позволяет просто изменять источник питания, менять все параметры и исключать некоторые элементы схемы. В модели предусмотрена возможность изменения моментов коммутации. Резистор R1 позволяет решать уравнения при некорректных начальных условиях. Его сопротивление очень велико и не влияет на характер процессов.

В модели имеется возможность наблюдения переходного процесса и установившегося режима.

На рис. 2 приведены осциллограммы процессов в схеме при включении постоянного (а) и переменного (б) напряжения.

На рис. 3 приведена схема модели, позволяющей исследовать переходные процессы при включении параллельного колебательного контура на постоянное и переменное синусоидальное напряжение и при его выключении. Модель содержит источники постоянного и переменного синусоидального напряжения (Е, е) с внутренним сопротивлением Ri, идеальный ключ (Ideal Switch) и нагрузку, содержащую элементы R, L, С. Датчики токов и напряжения на нагрузке (П, i, и) преобразуют ток, потребляемый от источника питания, ток в активно-индуктивной ветви нагрузки и напряжение в информационные сигналы, подаваемые на осциллограф (Scope). Таймер (Timer) задает моменты переключения ключа. Модель позволяет просто изменять источник питания, менять все параметры и исключать некоторые элементы схемы. В модели предусмотрена возможность изменения моментов коммутации.

На рис. 4 приведены осциллограммы процес-

а)

б)

Рис. 2. Осциллограммы процессов при включении постоянного (а) и переменного (б) напряжения

Рис. 3. Модель для исследования переходных процессов при включении и выключении параллельного колебательного контура

Научно-методические вопросы

Рис. 4. Осциллограммы процессов при выключении и включении постоянного (а) и переменного (б) напряжения

сов в схеме при включении постоянного (а) и переменного (б) напряжения.

Изменение моментов коммутации при включении переменного напряжения позволяет наглядно убедиться в их влиянии. Расчетными способами это сделать затруднительно.

Сравнение результатов моделирования и расчетных работ, выполненных аналитическими методами, позволяет студентам убедиться в правильности решений. Имитационное моделирование способствует более глубокому изучению процессов в связи с широкими возможностями варьирования параметров и режимов. Имитационное моделирование может применяться при выполнении предварительных расчетов к лабораторным работам.