Использование MATLAB Simulink при выполнении виртуальных лабораторных работ будущими инженерами-электриками
Authors: Бугайова Поліна Вікторівна 
Published: March 2022

Современные информационные системы и технологии предоставляют преподавателю мощный комплекс инструментов, позволяющий проектировать и заполнять информационными ресурсами учебный процесс, а также осуществлять контроль действий студента в ходе самостоятельного изучения различных учебных тем. В настоящие время существует множество компьютерных программ для моделирования, проектирования и расчетов электрических схем, которые используются в учебном процессе. Но, к сожалению, не все из них доступны рядовому пользователю. Многие предназначены для решения специальных задач, которые выходят за рамки учебной среды.Программа изучения теоретических основ электротехники студентами электротехнических специальностей предусматривает курс лекций, проведение практических и лабораторных занятий. Лабораторная работа – это выполнение студентами по заданию преподавателя опытов с использованием приборов, применением инструментов и других технических приспособлений, т. е. это изучение учащимися каких-либо явлений с помощью специального оборудования [1]. Лабораторные работы по теоретическим основам электротехники проводятся на реальных физических макетах, которые имеют ряд существенных ограничений. Во-первых, они недостаточно универсальны, а их количество ограничено. Во-вторых, при несоблюдении правил техники безопасности работа на них опасна для самой установки и для студентов. Также работы на таких установках выполняются группой из нескольких человек, что ограничивает возможность дать индивидуальное задание каждому студенту [1].Поэтому необходимо расширить возможности студентов при освоении теоретических основ электротехники с помощью различных технологий. Рассмотрим на примере использования MATLAB Simulink выполнение индивидуального задания при подготовке к лабораторной работе «Исследование процессов в RL и RC цепях переменного тока». В методических указаниях студентам предложены задачи для самостоятельного решения, которые можно решить, применяя MATLAB Simulink [2]. При этом студентами используется ранее приобретенный опыт при выполнении работ по дисциплине «Вычислительная математика», где они получили навыки работы с MATLAB. Виртуальные приборы и оборудования для проведения виртуального эксперимента представлены на рис. 1.Они содержат источник синусоидального напряжения (AC Voltage Source), последовательные RLC-цепи (Series RLC), измерительные приборы (Voltage Measurement, Current Measurement, Multimetr, powergui), элементы соединения (Ground input, Ground output) и элемент для вывода на экран графических зависимостей (Scope).Исследование процессов в RC-цепи переменного тока реализуется с помощью модели, представленной на рис. 2.Параметры источника задаются в окне задания, где можно выбрать необходимую амплитуду напряжения на выходе источника в вольтах, начальную фазу в градусах и частоту в герцах. Параметры RC-элементов задаются в блоке Series RLC. В поле Measurement выбираются величины, подлежащие измерению блоком Multimetr. Во всплывающем меню этого поля можно задать измерение только напряжения, только тока, напряжения и тока, а можно вообще отказаться от измерений в зависимости от поставленной задачи.Окно блока графического интерфейса пользователя (powergui) показано на рис. 3. При включенном флажке Measurement в поле блока отражаются измеряемые величины, в частности представлены результаты измерения действующего напряжения и тока, начальные фазы при последовательном соединении RC-цепи. Для самостоятельного исследования данных процессов параметры элементов задаются студентам по вариантам в методических указаниях по выполнению лабораторных работ по курсу «Теоретические основы электротехники». Результаты измерений и вычислений необходимо занести в таблицу.Мгновенные значения напряжения на емкости и активном сопротивлении и тока, через них проходящего, наблюдаются при настройке блока Multimetr. На рис. 4 приведены графики исследуемых величин.Описание исследования процессов в RL-цепи переменного тока (рис. 5, 6, 7) является аналогичным описанию исследования процессов в RC-цепи переменного тока.Дальнейшее использование системы моделирования MATLAB с пакетом расширения Simulink позволяет решать и выполнять курсовые проекты при изучении специальных дисциплин на старших курсах при подготовке будущих инженеров-электриков. Накопленный студентами опыт использования программы, позволит применить его при выполнении итоговой квалификационной работы.Внедрение программы MATLAB с пакетом расширения Simulink в учебный процесс позволит значительно улучшить качество подготовки будущих инженеров-электриков. Несомненно, большая нагрузка при этом приходится на преподавателя, так как требуется внесение поправок в индивидуальные задания, а также на освоение системы.