仿真案例（精选5篇）
仿真案例 篇1
摘要：现代工业中因为电气原因导致的故障较多, 教学过程中, 因为器件及安全等方面的考虑, 故障排除方法及思路的教学偏重于原理, 缺乏应用能力的实践培训。电气故障仿真案例库的建设的重要性凸显, 通过宇龙机电仿真软件建设案例库可有效解决此项需求, 既保证教学安全, 培训效果也得到保证。
关键词：宇龙机电,仿真,案例库
0 引言
电气控制系统组装及故障排除技术在现代企业电气控制系统中被广泛应用。各电气类专业均开设有电机电气控制课程。在教学方法上大多院校偏重于原理的教学, 缺乏应用能力的实践培训。部分院校加强了电气控制的实践环节内容, 取得了一定的效果, 但存在对电气控制系统全面性认知缺乏的问题。虽强调实践练习, 但相关案例较少, 实践环节单一重复, 缺乏变通, 且初期容易造成实践设备的损坏, 教学做一体效果较差。目前较突出的问题一是课程案例库缺乏, 学生无法得到与实践相关的技能训练;二是教学案例脱离实际, 无法实现实践技能与工作岗位要求能力契合;三是教学手段单一, 不利于教学做一体教学方法的开展。
1 仿真故障案例库建设分析
教育部及山东省教育厅关于高职高专课程改革提出了明确要求———大力推行工学结合, 突出实践能力培养, 改革人才培养模式。企业对电气类人才的要求与学校培养的电气专业人才有一定的差距, 需要强化实践技能培训, 更加符合企业对人才的需求。案例是进行案例教学的必备条件, 案例库的数量和质量直接决定了案例教学实施的效果。
1.1 紧扣实际生产, 使学生掌握职业所需实践技能
以人才培养方案为依托, 紧扣实际生产中较典型的电气故障环节, 基于宇龙机电仿真软件建设故障案例库, 将学生典型岗位对应的职业所需实践技能融入其中, 实施教学做一体的教学方法, 通过改革教学方法教学手段, 最终达到提高高职院校电气类专业学生专业技能和动手能力, 实现专业技能与岗位能力高度契合。
1.2 促进多课程模块的融合
故障案例库包括多门课程的知识点, 强化课程之间的联系, 使多门课程在一个体系内以案例库为核心完成各个环节故障排除仿真过程。
1.3 完善项目化教学
完善项目化教学, 推行完整故障排除流程项目化教学。并将原有电气类电气控制课程的项目进行延伸, 做到项目有来源有结果。
1.4 通过多种多样的教学方式提高学生兴趣, 强化实践技能
将原本的演示为主练习为辅的教学方式通过引入案例仿真实现多环节练习为主, 通过各种工况加以强化练习, 提升实践技能, 实现教学做一体。
1.5 降低教学成本
通过仿真案例的引入达到提高技能掌握水平的可信度, 进行可行性验证从而降低后续实践技能练习中风险率达到降低教学成本的目的。
2 仿真故障案例库建设实施
调研企业实际生产中电气故障排除技术, 结合岗位要求制定项目内容, 项目流程。最终到达教学与企业契合, 学生所学技能与生产技能契合, 使学生上岗即能操作。在教学内容上使一个个案例来源于企业。
宇龙机电控制仿真软件是应用于机电控制及相关专业实验室实训的教学仿真软件, 软件是由一个开放式的元器件库、控制对象和可视化的机电控制仿真平台构成。其中元器件库中含有电路、液压、气压中常用到的部件, 控制对象 (含有传送带、机械手、售货机等) , 3D控制对象 (含水塔、混料罐、传送带等) 。《宇龙机电控制仿真软件》可以在全软的环境中, 通过系统自带的各种功能部件, 自由搭建用户所需要的电、液、气的自动控制系统。
基于宇龙机电仿真软件电气故障仿真案例库教学内容分为以下三个部分:
第一, 宇龙机电仿真软件基本操作。此部分主要使学生熟悉仿真软件的各项操作方法、步骤和注意事项, 为下一步电气线路的安装做好准备工作。第二, 以基本电气控制为主的仿真案例。此部分主要根据绘制原理图、器件和线路选型、组装线路、电气测试几个步骤, 培养学生认识器件、熟悉器件图形符号、安装线路的要求、测试电控系统的能力, 通过完整的线路组装熟悉电气控制系统的特点及相关注意事项。第三, 工业电气控制系统典型故障案例库。此部分为整个案例库的重点, 一是包括CA6140车床、M7120磨床、Z3040钻床、X62W铣床、T68镗床为代表的机床电气故障案例库;二是包括港口皮带输送机、港口起重机械为代表的港口电气故障案例库;三是包括建筑线路为代表的民用电气故障案例库。通过以上三部分故障案例库将学生毕业后从事职业中典型岗位对应的职业能力融入其中, 使学生熟悉电气控制故障排除的一般步骤和方法, 既保证了安全, 又在教学过程中对出现的典型问题进行了解决。
2.1 电动机正反转控制故障仿真案例
正反转控制线路中, 正转接触器和反转接触器同时得电, 主电路会出现相间短路现象, 实物接线设置故障会导致器件烧毁且危险性较高。利用仿真软件搭建的仿真案例可有效解决此类问题。在讲解原理的过程中可展示故障现象, 是学生有直观的认识, 强化学习的效果。故障案例见图1。
2.2 X62W铣床故障仿真案例
以X62W铣床为例, 针对铣床经常出现的电气故障设置整体故障案例, 此案例中共设以下16个故障 (如表1所示) 。
通过宇龙机电仿真软件搭建仿真实物接线图, 培训学生按照对应故障现象使用万用表查找故障。 (图2)
在排除故障的过程中, 着重培养学生根据故障现象分析故障原因, 结合电路图识图分析, 利用工具仪表排除相应故障, 可有效融合电气专业学生需要掌握的专业实践技能, 实现教学过程与工业过程的有效对接。工业过程中电气故障主要有断路、短路、器件损坏等典型原因, 基于宇龙机电仿真软件可将上述故障原因融入其中, 故障案例库培养学生按照故障现象分析、确定故障原因、分析电路图、使用仪表排除故障的步骤进行故障排除, 使学生掌握试灯法、短接法、电压电阻的分阶/分段等常用排除故障的方法, 学会万用表、钳形电流表等仪表的使用注意事项, 同时在仿真故障案例库建设过程中, 对接电气职业资格标准, 过程考核可得到有效实施。
3 仿真故障案例库建设特色
(1) 将岗位实践技能要求作为目标引入教学当中, 达到学生上岗即能操作的目的。在教学过程中产生案例可充实案例库, 深化校企合作。
(2) 创新点:将教师教学———学生学习———学生练习融合为一体达到零距离贴近岗位要求的教学过程。学生可在保证安全的前提下, 重复练习各种故障的排除方法及步骤, 逐步形成正确的故障排除思路, 对各种故障的排除可对号入座, 总结故障现象及其对应的故障原因, 为以后工作岗位排除故障打下基础。
(3) 应用价值及推广途径:技能培训手段具有普视性, 有利于工科各专业的推广。先仿真再实物操作, 可消除学生的畏难情绪, 增强学生排除故障的成就感, 同时教学内容承前启后有利于各项专业知识的相互融合, 可有效保证项目化教学的实施。
经该系涉电专业一个年级12个班约600人使用, 可保证人均30课时的仿真练习时间, 学生实践技能提升明显, 中级电工证及高级电工证通过率均超过90%。通过问卷调研及实地考察, 毕业生岗位对接效果良好, 现场查找、排除故障的能力得到用人单位肯定。
综上所述, 通过基于宇龙机电仿真软件开发电气故障案例库, 可研发出适应于电气类电气控制课程教学的教学模式。仿真故障案例数量多且贴近生产现场实际情况, 故障设置灵活, 学生可重复练习, 实践设备投入少, 可有效解决实践设备缺乏与实践培训要求之间的矛盾。既保证培训效果, 且使得完整技能培训项目化教学在课程教学中得以实施, 并发挥其贴近生产, 实践环节完整, 利于调动学生积极性等特点。通过教学做一体化教学的实施最终达到提高教学质量的目的。
参考文献
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[3]唐蒲华.机电液一体化课程实践教学方式的研究[J].内江科技, 2014 (07) .
仿真案例 篇2
作者简介：邓彩娇，女，珠海市第一中等职业学校高级教师，本科。 研究方向：高星级饭店运营与管理。（广东 珠海/519000）
望媛媛，女，珠海市第一中等职业学校中级教师，本科。研究方向：高星级饭店运营与管理。（广东 珠海/519000）摘要：该文主要介绍在饭店专业应用“高度仿真模拟教学法”，从教学环境、教学内容、课堂管理、教学流程、考核评价等五个方面高度仿真企业软硬环境的教学实践过程，并列举了实际教学案例，对案例进行专门分析。
关键词：高度仿真；模拟教学法；实践教学；案例分析
中图分类号:G712文献标识码:A文章编号：1005-1422（2014）07-0150-03一、模拟教学法及高度仿真模拟教学法
1.模拟教学法
模拟教学法（Simulationsmethode）是在一种人造的情境或环境里学习某职业所需的知识、技能和能力的方法，模拟训练给人一种身临其境的感觉，更重要的是提供了许多重复的机会和随时进行过程评价的可能性，能够使学生进行自我建构，是一种基于行动导向教学观的教学方法。
模拟教学法不是一种新的教学方法，在职业教育中已被广泛使用，在饭店专业教学中的应用研究也有不少。但这些研究比较侧重于角色模拟，主要强调角色扮演。实际上模拟教学法分为模拟设备教学与模拟情境教学两大类。
模拟设备教学主要是靠模拟设备作为教学的支撑，其特点是不怕学生因操作失误而产生不良的后果，一旦失误可重新来，而且还可以进行单项技能训练，学生在模拟训练中能通过自身反馈感悟正确的要领并及时改正。
模拟情境教学主要是根据专业学习要求，模拟一个社会场景，在这些场景中具有与实际相同的功能，及工作过程，只是活动是模拟的。通过这种教学让学生在一个现实的社会环境氛围中对自己未来的职业岗位有一个比较具体的、综合性的全面理解，特别是一些属于行业特有的规范，可以得到深化和强化，有利于学生职业素质的全面提高。
2.高度仿真模拟教学法
我校在模拟教学法的基础上提出“高度仿真模拟教学法”，所谓“高度仿真”是指不仅仅在课堂教学活动中进行情景模拟和角色扮演，更着重突出教学环境与工作环境、教学内容与岗位流程、教学考核与工作评价、纪律要求与职业规范的仿真模拟，因此本文着重探究应用模拟教学法理念，在实践性课堂教学中全面模拟真实工作场景、工作情境、工作过程来帮助学生体验职业岗位，认识职业规范，培养职业素质的教学法。
二、高度仿真模拟教学法在饭店专业实践教学中的应用
饭店专业培养的学生将来主要从事对客服务的工作，需要掌握与人沟通交流的规范与技巧，特别适合用模拟教学法进行教学。我校饭店专业对此进行了积极的实践与探讨，主要做法归纳如下：
1.教学环境真实化，模拟饭店真实工作环境
根据饭店专业核心岗位需求，我校模仿饭店真实工作环境，结合教学需要分别建设了前厅、客房、酒吧、中餐、西餐实训室。每一间实训室都以饭店实际岗位需求为参照，在实训室文化建设中体现企业文化和企业规范，力求学生在校学习的过程中就能耳濡目染，熟悉未来的工作环境和岗位要求。
2.学生角色职业化，模拟饭店各岗位职业角色
在饭店各部门岗位中有不同的职业角色，例如餐饮部有楼面经理、部长、主管、领班、看台、传菜等不同的角色。我们在教学中将学生分成多个小组，每个小组按不同课程内容分配给学生不同的角色，学生在课堂上必须按岗位角色的要求担当起自己的职责。
3.教学内容项目化，模拟饭店岗位工作流程
传统的教材内容一般是按学科体系，分章节讲授，注重知识的衔接和系统性。我校参照澳门旅游学院MORS教材，结合珠海本地实际情况，以“教学与生产对接”为目标，将饭店专业的核心技能课程教学内容项目化，模拟饭店岗位工作流程进行教学内容编排和教学。例如《前厅服务》这门课程我们按实际岗位工作内容将教学内容划分为十一个项目，学生熟练掌握这十一个项目后就可以基本胜任前厅接待员这个岗位，每一个项目以任务驱动，在任务中渗透理论知识的教学，学生边做边学，既掌握了规范的操作流程又知其所以然，极大地提高了教学实效。
4.教学过程规范化，模拟饭店岗位规范要求
这里所说的教学过程规范并不是指教师教学行为的规范，而是指教学过程中按职业规范对学生进行要求和管理。例如学生在上实操技能课前要整理好自己的仪容仪表，教师按饭店对员工仪容仪表的要求进行检查；学生在调酒操作期间要注重礼仪与卫生；学生在进行客房清洁操作时必须严格按照要求选用清洁剂和清洁工具等。通过每节课的要求与渗透，使学生养成良好的职业习惯，将高标准的服务要求内化成学生的职业素养，在未来的对客服务中自然而然地体现出有礼有节的职业气质。
·教学教法·高度仿真模拟教学法在中职饭店专业的实践教学中的应用及案例分析5.考核评价企业化，模拟饭店评价方式对学生进行考核
“以考定教”是教学中普遍适用的定律，一般学校怎么考，教师就怎么教，学生就怎么学，因此考核的方式直接影响教学。一般考笔试就会使学生去死记硬背，考技能就会使学生单练技能，这样教出来的学生往往到企业后还要重新培训。因此我们制定了《校企合作的技能考核评价办法》，办法中规定对学生的核心技能考核要分为过程性考核和终结性考核，考核的内容既要有理论知识，又要有完整的工作服务流程和职业素养考核，职业素养考核就是要将学生的课堂表现作为评价学生的内容之一。
以上是我校实践高度仿真模拟教学法的步骤，强调的是教学全过程的仿真模拟。当然教学效果的好坏关键还要看每一节课教师如何将教学理念渗透到每一个教学环节中。下面是我校教师践行高度仿真模拟教学法的案例及分析。
三、高度仿真模拟教学法案例分析
1.高度仿真模拟教学法研讨案例
课程名称：前厅服务
教师姓名：望媛媛
所在单位：珠海市第一中等职业学校
教学项目：办理保险箱手续
教学目标：价值目标:培养学生的职业能力和职业素养，达到企业的用人标准
知识目标:保险箱使用的相关基础知识和操作流程
能力目标:培养学生的服务技能和技巧，使学生能够胜任接待员的工作，学会举一反三，处理问题，通过团队合作增强学生的团队意识
教学重点：掌握办理保险箱的程序
教学难点：操作的规范化
教学地点：前厅实训室
课前准备：学生分好小组及角色，领班负责检查本小组成员仪容仪表
学生学的设计：
(1)复习回顾办理保险箱的程序
(2)分组进行角色扮演，完成实操的任务
(3)小组之间互相点评，总结
教师教的设计：
(1)创设情境，以任务驱动的方法引导学生通过模拟角色进行实操练习，达到课程目标
(2)对学生的实操进行总结、评价
(3)通过实操反思，引导学生学会举一反三，思考问题
教学过程：见表1。
2.案例分析
从教学过程来看，在教学环境上，学生置身于学校新建好的前厅实训室，站在与企业环境相似的岗位上学习和操作，真正有了上班的感觉。教师安排的教学项目与岗位工作内容一致，教授的实操流程与实际工作流程一致，学生纷纷表示学有所获。在教学的整个过程中教师都非常注重学生服务礼仪、服务规范，学生的言谈举止得到了全方位的训练，解决了以往教学与实际工作脱节的问题。
从教学效果来看，通过采用模拟教学法课堂的秩序明显好转，主要体现在将小组的作用发挥了出来,通过召开岗前会议，组长的积极性被调动起来了，检查仪容仪表，分配相应的任务，因为角色的转换使每一个领班都很认真地在执行领班的任务，组长认真起来了，组员也跟着被调动，整个班级的课堂秩序就好了；
另外采用模拟教学法对于提高学生的专业素养有重要作用，在进行实操练习时，教师会对学生提出岗位要求，例如：仪容仪表、服务礼仪、岗位职责等等，并通过一定的教学环节来实现这些要求，通过实践课程的反复训练，学生的专业素养也就随之养成。
表1
阶段内容与实训过程设计教师指导过程学生活动过程一、课程导入（10分钟）
1.学习目标：掌握办理保险箱的程序
2.回顾上节课的学习内容：办理保险箱的步骤
工作步骤岗位职责一、问候客人①获得客人的姓氏
②了解客人的需求
③确认客人的身份二、介绍保险箱尺寸①确保通过介绍能让客人使用到适合他的保险箱
②使用恰当的肢体语言进行介绍三、介绍保险箱使用注意事项①确保客人了解保险箱使用注意事项：钥匙使用注意事项
开启保险箱程序、保险箱使用时限
②解释保险箱赔偿方法
③请客人阅读保险箱使用登记表四、签字确认①留下客人的签名式样
②解释原因五、请客人存放物品①将空的保险箱递给客人，请客人检查
②等客人存放物品，再将保险箱放回去六、感谢客人①报上自己的姓名
②感谢客人使用保险箱
二、职场体验（30分钟）
1.情景导入：
周丽小姐是住在华天大酒店405房的客人，一天早上她来到酒店前台想寄存一些贵重物品，正好你在前台当班，请你为客人进行保险箱的服务！
岗位要求：仪容仪表、服务姿态
2.角色模拟：
学生以分组的形式，按照老师所给的案例，分别扮演客人和前堂服务员的角色，模拟案例处理的过程，进行实操训练
3.总结评分：
从仪容仪表、操作程序、操作规范三方面来进行总结点评，先学生点评再老师点评；
4.实操反思：
客人存放物品时，服务员为何要转过身背对客人？
三、课堂总结和作业布置（5分钟）
1.组织学生填写《实训任务书》
2.布置作业：
①预习第十一章的内容
②自己练习为客人办理保险箱的程序，要求在5分钟之内完成
多媒体出示教学目标，对目标作简要介绍，交代本节课的重点安排学生分组回答问题，引导学生回顾程序，提示操作重点介绍情景，提出岗位要求将学生分组练习，解答学生疑问评价学生的表现，总结出现的问题
展示问题需要学生反思的问题
通过反思引导学生举一反三，注重服务细节
要求学生根据实训的情况完成实训任务书和作业学生明确本节课实训的任务学生思考，分组回答问题学生浏览目标学生分组讨论，角色分配，情景模拟学生点评，解决出现的问题
思考问题，进行反思并回答提问
学生听讲并记录，填写实训任务书
教学建议：在实训课程开始前，要在思想上和行为上要对学生进行引导，可以做一个类似岗前培训的课程，目的在于告诉学生进入实训岗位时应该在心态、行为举止上有所调整，引起学生对实训课程的重视和进入实训岗位的责任感，只有这样，教师才好在后面的课程中引导学生，除此之外，在课程中，教师也要不断的监督，在学生模拟操作过程中或结束后要及时点拨和总结学生的表现，否则的话达不到模拟教学的效果。
参考文献：
［1］姜大源.职业教育学研究新论［M］.北京：教育科学出版社，2007.
［2］高宏，钱晓冰.情景模拟教学法在旅游专业课教学中的运用［J］.中国职业技术教育，2008（2）.
［3］李秀萍.浅议宾馆服务模拟教学法［J］.科技资讯，2001（3）.
仿真案例 篇3
直流输电具有输送容量大、输送距离远、调节方便等优点。由于中国资源能源分布不均,直流输电在国内得到了大规模应用[1,2]。2014年迎峰度夏期间,共有7回特高压或高压直流注入华东电网,总输送能力达31.76GW,且直流落点均在长三角地区, 形成了规模庞大而复杂的多馈入直流系统。多馈入直流系统给电网稳定运行带来了新的挑战。如果多馈入直流系统落点电气距离较近,单个交流系统故障可能引发近区多条直流同时换相失败,对送受端电网造成较大冲击[3]。
由于交直流系统之间的相互影响,多馈入直流换相失败比单个直流换相失败更为复杂。文献[4] 提出了采用多馈入交互作用因子判断高压直流系统换相失败的方法。文献[5]结合电网规划,利用机电暂态程序对华北和华东地区多馈入直流输电系统的换相失败问题进行了分析。文献[6]在运用电磁暂态仿真程序建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型基础上,对换相失败问题进行了研究。文献[7-11] 采用的电磁—机电混合仿真方法,结合了机电暂态仿真和电磁暂态仿真的优点,是交直流互联电网分析的有力工具。
本文结合电网实际案例分析多馈入直流同时换相失败过程,采用机电暂态仿真分析了换相失败对送受端电网的影响,采用机电—电磁混合仿真方法分析了多馈入直流系统间的相互影响,并确定了故障可引起直流换相失败的交流线路范围,最后结合实际运行情况给出了相关建议。
1 故障案例分析
截至2013年底,华东电网通过复奉、锦苏、龙 政、林枫、宜华、葛南6回直流接受华中来电,是典型的多馈入直流大受端系统。2013年华东电网发生两起因交流线路故障导致的多直流同时换相失败。2013年9月18日,华东电网苏沪联络线500kV牌渡5903线B相故障跳闸,重合不成功,造成锦苏、林枫、宜华、葛 南均发生 换相失败。2013年11月6日,华东电网上海地区500kV泗余5152线C相故障,重合不成功线路跳闸,造成直流落点在上海地区的复奉直流 双极2次换相失 败,林枫直流 双极2次换相失败,葛南直流极Ⅱ1次换相失败。
下面以2013年11月6日故障为例进行详细分析和仿真计算。图1和图2分别给出了复奉直流整流和逆变站的换相失败波形。可以看出,复奉直流逆变侧换流阀进行C相向A相换相过程中,泗余5152线C相故障导致奉贤站C相电压幅值跌落,高于A相电压,这样换流阀无法完成C相至A相的换相,导致换相失败。换相失败会在直流侧形成短路,逆变侧直流电压迅速下降,而整流侧直流电压还未来得及改变,导致直流电流激增,瞬时功率增大, 很快整流侧控制保护系统起作用,直流电压、直流电流均迅速下降。换相失败结束后,逆变侧直流电压恢复正常,整流侧也慢慢恢复至原电压。
换相失败期间逆变站直流侧被短路,功率无法送至交流系统,导致有功功率大幅下降,复奉直流逆变侧有功功率由5 238 MW跌至800 MW。为避免换相失败,换相失败期间逆变站减小触发角,换流器吸收大量无功,复奉直流逆变侧换流器吸收无功由2 640 Mvar增加至5 340 Mvar。同时由于逆变侧交流电压的降低滤波器的无功输出将减少,两者叠加,换相失败期间直流站对外吸收大量无功功率。
发生换相失败后,为控制直流电流,整流侧增大触发角将近90°。因而这段时期,整流站有功功率迅速下降,无功功率反而迅速上升。部分直流控制系统动作较慢不能迅速控制直流电流,直流有功功率可能先略微增加后,迅速减少。
综上,换相失败给送受端交流电网均施加了较大但短暂的有功、无功冲击。
2 换相失败对送受端电网影响仿真分析
为研究换相失败对送受端电网影响,分别采用在线安全分析中提取的华中—华北互联电网和华东电网实时数据进行机电暂态计算分析。其中换相失败对交流电网的冲击用在换流站母线叠加冲击负荷 的方法来模拟。冲击有功、无功负荷均采用相量测量单元(PMU)实测数据。
2.1 受端电网影响分析
图3给出了上 海某受入 联络线功 率的实际PMU曲线和仿真曲线,可以看出仿真结果和PMU实测趋势一致,但因华东电网部分调速器模型缺失, 仿真曲线振荡更多。由于上海电网与相邻电网电气联系紧密,换相失败结束后功率波动很快平息。
为计算换相失败对华东电网影响,分别在叠加和不叠加直流换相失败冲击负荷条件下进行仿真计算。图4给出两种情况下华东电网电压、功率波动情况,可以看出直流换相失败的发生引起了更大的母线电压跌落和线路功率波动,扩大了交流故障影响。
2.2 送端电网影响分析
直流送端华中电网因多回直流同时换相失败的冲击引起了华北—华中区域联络线、川渝等断面的功率振荡。图5给出了1 000kV长南Ⅰ线(华北—华中联络线)功率的PMU实测和仿真结果曲线,可以看出长南Ⅰ线功率出现小幅波动,波动过程接近30s。
基于在线数据振荡模态图分析,华北—华中存在明显的振 荡模式,频率为0.193 Hz,阻尼比为9.2%;基于长南1线的PMU曲线进行Prony分析,振荡频率为0.183Hz,阻尼比为8.1%。两者基本一致。
换相失败期间华中送华东直流系统最大共减少送出功率5 000 MW,长南Ⅰ线最大功率波动只有850 MW。而根据理论计算和实际运行经验,华中电网机组跳闸以及直流闭锁的造成功率波动时,长南Ⅰ线的最大波动达到功率缺额的85%~95%[12]。分析主要原因是换相失败对交流系统而言是一个非常短暂的冲击,本次冲击时间为0.31s,远小于长南Ⅰ线振荡周期5.5s。表1给出了单次换相失败时不断增加换相失败持续时间情况下长南Ⅰ线首摆波动峰值以及转移比(首摆峰值/损失功率)。
分析表1可知,随着换相失败冲击持续时间的增加,长南Ⅰ线波动幅值大致等比例增加。如果直流系统在交流故障切除后能迅速恢复直流功率,尽量减少换相失败对交流系统冲击时间,则交流侧功率波动会大大减小。由于换相失败持续时间一般在400ms以内,这样换相失败对交流系统的影响 较小。
3 多馈入直流相互影响仿真分析
为分析直流之间相互影响以及确定故障可引起直流换相失败的交流线路范围,本文采用电磁—机电暂态混合仿 真方法详 细仿真换 相失败过 程,如图6所示。复奉、林枫、葛南直流采用详细直流模型和控制保护模型,送端华中电网采用等值机模型,受端华东电网采用完整机电模型,直流和华东电网机电模型采用电磁—机电混合仿真接口相连。
3.1 故障仿真分析
为再现故障过程,机电侧和电磁侧均采用故障前电网实时运行数据,并在泗余5152线机电侧设置相应故障。图7给出三回直流的关断角曲线,关断角降到0表明直流发生换相失败。可以看出初次故障期间复奉、林枫、葛南直流均发生换相失败,重合故障期间复奉、林枫直流发生换相失败,而葛南直流未发生换相失败,与实际情况情况相符。
3.2 多馈入直流间相互影响分析
多馈入直流输电系统中,各逆变站通过交流系统的耦合阻抗实现相互作用。某一直流换相失败造成的无功功率波动,会通过耦合阻抗导致其他直流站电压波动,可能引起其他直流发生换相失败。
以三馈入直流为例,图8给出了三馈入直流的等效模型。当各逆变站交流电压对称时,逆变站1的关断角如式(1)所示[13,14,15]。
式中:n1为换流变变比;Id1为直流电流;Z1为等效换相阻抗;ZN1为交流侧自阻抗;Z12和Z13为互阻抗; E1 为等效电动势;UL2和UL3为换流变母线电压;β1 为触发角;γ1为关断角。
由式(1)可知,相邻换流变母线电压的降低导致换流站关断角的降低,关断角降低从而可能引发换相失败。其中互阻抗越小,对关断角影响越大。当逆变站交流电压不对称时,同样存在类似结论[15]。通过网络分析可知,南桥—枫泾间互阻抗为1.6Ω, 南桥—奉贤间互阻抗为2.1Ω,枫泾—奉贤间互阻抗为3.4Ω。可以看出3条直流的逆变站互阻抗均较小,如果某一直流换相失败对其他直流将产生一定影响。
为论证本次故障情况下多馈入直流之间的相互影响,设计了不同的仿真方案,对比分析仿真结果如表2所示。
仿真结果表明,本次3条直流换相失败发生的主要原因是交流线故障,即使忽略直流间的相互影响仍然会发生换相失败。
为了通过仿真验证多馈入直流系统的相互影响,在500kV远卫5136线(远东—亭卫)的中点设置单相短路接地故障,并设计不同的仿真方案,对比仿真结果见表3(括号内为逆变站交流母线最低电压标幺值)。
仿真结果表明,单纯交流故障本身会引起复奉直流发生换相失败,但不会引起林枫、葛南直流发生换相失败,而复奉直流换相失败造成的功率波动进一步影响了林枫直流和葛南直流,在交流故障和复奉直流功率扰动的叠加效应下,林枫、葛南直流发生换相失败。从不同仿真方案下 电压跌落值可以看出,直流换相失败引起的无功波动会导致其他直流交流电压的进一步下跌,从而诱发其他直流发生换相失败。
图9给出了表3中第6种仿真方案的仿真结果,可以看出复奉直流比林枫直流早0.01s发生换相失败,也印证了复奉直流换相失败引起林枫直流换相失败的结论。
3.3 引发直流换相失败的交流故障范围划分
在直流落地近区不同交流线路上设置单相短路故障,通过混合仿真判断直流系统是否发生换相失败,这样可以确定当前工况下引起复奉、林枫、葛南直流换相失败的交流线路单相故障范围。
根据计算结果可知:由于复奉直流电流较大,引起复奉直流换相失败的交流故障范围最大。引起复奉、林枫、葛南直流换相失败的交流故障范围有重叠区,如果重叠区发生交流故障会导致多馈入直流同时换相失败。分析发生故障点与换流站母线间互阻抗和是否换相失败关系可以发现,故障点与换流站互阻抗越小,故障引起的电压跌落越大,越容易发生换相失败。
4 结论
经过本文分析可以得到如下结论。
1)多馈入直流受端落点较近时,受端电网交流单一故障会引起多个逆变站电压畸变,可能导致多馈入直流同时换相失败。
2)多馈入直流受端落点较近时,当一条直流发生换相失败时会瞬时吸收大量无功,造成其他直流站交流电压的进一步跌落,从而引发其他直流发生换相失败。
3)多馈入直流同时换相失败可能引起送受端电网功率转移、电压跌落,可能激发电网固有振荡模式。但由于换相失败持续时间很短,对交流系统的冲击是短暂的,换相失败后交直流输电系统均能快速恢复稳定运行,对系统的稳定运行影响不大。如果换相失败损失的功率较大或换相失败持续时间较长,将对交流电网造成一定影响。
结合实际运行情况,为减少换相失败给交直流电网带来的影响,建议从以下4个方面采取措施。
1)电网规划方面:优化直流落点布局,防止同一交流故障引发多条直流换相失败以及减弱多条直流之间的相互影响;加强特高压交流互联电网建设,增加交流系统承受直流闭锁和换相失败冲击的能力。
2)保护控制方面:优化直流控制系统,提高换相失败时直流控制系统快速限制直流电流能力以及交流故障切除后直流系统恢复速度(综合考虑交流系统承受能力),减少对交流系统冲击;优化换相失败预测功能,减小换相失败可能性。
3)仿真计算方面:建立全国交直流互联电网主干网的电磁—机电混合仿真平台;建立基于实际控制保护系统的直流详细模型。
4)调度运行方面:给出特定方式下,引起多直流同时换相失败的交流系统故障范围,指导实时调度运行。例如夏季华东电网遭遇台风时期,提前计算当时运行方式引发多直流同时换相失败的可能性, 视情况采取压降、降功率等措施。
摘要：随着特高压直流工程的大规模建设,交直流系统之间与直流系统之间的关联越来越紧密。受端电网单一交流故障可能引发多直流同时换相失败,对送受端电网造成冲击。对一起因受端电网交流故障引发的多馈入直流同时换相失败故障案例,采用机电暂态仿真分析换相失败对送受端电网的影响,采用机电—电磁混合仿真方法分析多馈入直流系统间的相互影响,并确定故障可引起直流换相失败的交流线路范围,最后给出了相关建议。
仿真案例 篇4
1 线性系统频率测试实验现状
在信号与系统实验课程中线性系统频率特性的测试这一实验常用的实验方法有三种。一是逐点法。逐点法测量是严格按照频率特性的定义进行的。二是用虚拟仪器仿真, 如EWB中的波特仪或交流频率分析项目, Matlab中的Simulink建模等方法获得。三是用频率特性测试仪测量幅频特性。相频测量可用示波器根据不用频率时响应与激励的相位差测得。
第一种方法可用非常简单的仪器进行测量, 但是测量时间长, 且如果测量仪器不稳定, 会造成测量数据的不准确。第二种方法只需要一台计算机, 但仅限于仿真实验。而第三种方法比起第一种方法更为快速、可靠、直观, 也可观测硬件电路的实际输出结果。但这种方法需要的扫频仪较为昂贵, 且仅在该次实验中用到, 由于经费的限制, 为每个实验组配备一台扫频仪的可能性较小, 也会造成资源浪费。因此, 大部分高校仅使用第二种方法开展该实验。
2 需求分析和硬件设计
在线性系统频率特性的测试实验中, 基于虚拟仪器的软件仿真类实验大大降低了实验成本, 输出数据结果准确。仿真的过程可以直观、清晰地看出电路模型, 并可以随意更改元件参数设置, 观察参数变化对模型输出的影响, 有助于学生对整个电路的理解。然而软件仿真并不能代替真实的实验过程, 也不能模拟实验过程中可能出现的问题, 不利于提高学生的实际动手能力。单独为该实验配备扫频仪, 会导致实验成本过高。如将南京某仪器厂制造的信号发生器所带的扫频仪直接加载在该实验使用的实验电路中, 并不能达到预期的实验效果。鉴于此, 实验中心教师与该厂技术人员共同研究, 针对实验所需的技术指标对信号发生器所带的扫频仪的部分功能进行了改进:
(1) 线性系统频率特性测试实验的硬件电路图的一阶电路图如图1所示。为了减少检波器内阻对电路的影响以得到清晰的图像, 要求扫频仪检波器电阻设为高阻。当检波器电阻设置为50Ω时, 扫频仪加载在该电路上得到的频率特性图如图2所示。
检波器电阻设置为1 M时得到的现象如图3所示。
虽然检波器内阻为50Ω时测量的数据相对精确, 但图2与图3对比可看到低频段地方与正常幅频特性曲线不一致。原因是该电路在低频时电容C的阻抗非常高, 检波器内阻相对较低, 影响了该幅频特性曲线的正常输出。
(2) 线性系统频率特性的测试实验的硬件电路图中二阶电路图如图4所示。本实验采用10 Hz~1 MHz的扫频范围, 将扫频仪加载在该电路上, 其实验结果的水平轴扫描频率如用线性输出显示, 幅频特性曲线图如图5所示, 中心频率理论值为4.77 kHz, 通频带集中在前半段。为清晰地显示幅频特性曲线, 改进后的扫频仪将频率以对数坐标显示得到的图像如图6所示。
将改进后的仪器应用于该实验, 目前已经过三届学生的使用验证。改进后软硬结合的课程不仅增强了学生对该实验课的兴趣, 也帮助学生了解了各电路的幅频特性曲线, 很好地满足了实验教学的需要。
3 结束语
该仪器在实验过程中有效而稳定地运行, 并得出了正确的实验结果。中心实验教师根据实验所需提出扫频仪的技术指标, 联合南京某仪器厂研制了适用于我校实验教学的仪器, 在控制实验成本的基础上, 打破了学生只能在计算机上对该实验进行仿真的局限, 让学生在仿真实验后进行硬件实验, 并对比、分析两次实验结果。
在实验教学工作中, 大部分的设计性实验需要先用软件仿真完成参数设置, 然后进行硬件实验。本次实验通过仿真与实践相结合的教学模式给学生展现了一个完整的作品设计流程, 有效避免了实验操作过程中由于学生盲目操作而导致的电路和元器件的损坏, 提升了学生的创新能力和动手能力。在实验教学资源建设中, 学校提出实验所需教学仪器的技术指标, 与企业共同研制开发满足实验需求的设备, 节约了实验教学成本, 还克服了单一的教学形式, 提升了教学质量。
摘要：信号与系统是电子类专业的主干课程, 其实验课可以加深学生对课程基本概念的理解。南京航空航天大学电工电子实验中心教师与南京某仪器厂联合研究, 针对实验所需的技术指标对信号发生器内嵌的扫频仪进行了改进, 使学生在进行仿真实验的基础上完成硬件操作。打破了由于实验成本限制而仅限于软件仿真的局限, 同时软硬件结合的实验方法使学生加深了对基本概念的理解, 提高了学生的动手能力, 达到了校企双赢的效果。
关键词：信号与系统,扫频仪,仿真
参考文献
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[4]王路露, 刘光灿, 陈威兵.Matlab和实验箱的结合在信号与系统实验教学中的应用[J].长沙大学学报, 2011 (2) :138-140.
仿真案例 篇5
机电一体化系统是一门综合性、应用性很强的课程, 它涵盖了机械、计算机、信息、微电子、传感控制、电力电子等技术, 以及各种技术之间的有机融合, 突显系统和机电结合的特点。正因为是多种技术融合的课程, 尽管目前有很多研究人员在致力于机电一体化课程的改革研究, 也取得了一些可喜的成果, 如工学结合法、项目教学法、增加实践课程法等, 但是对于一个财力、人力投入有限的刚升格为本科的院校来说, 这些方法的实施变得有困难了。因此, 教学仿真成为了一个考虑成本和效果的折中方案, 也是这些院校比较好的选择。要完成涵盖多种技术的仿真, 选择一个合适的仿真方法能有起到很好的效果。把在系统建模、仿真、科学计算、工程领域等方面有着广泛应用的MATLAB用于机电一体化课程仿真, 是一个不错的选择。 由于机电一体化课程涵盖的多种技术, 本文选取一个典型的案例来阐述MATLAB的Simulink与GUI的仿真教学研究过程。
1仿真案例的选取
机械技术是机电一体化的基础, 机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应, 利用其它高、新技术来更新概念, 实现结构、材料、性能上的变更, 满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。而在机电一体化课程的机械技术中, 机构的动力学解算仿真一直以来都是经典, 尤其是图1机构中E点的轨迹、速度、加速度是非常丰富的, 直接解算较难。因此, 本文利用Simulink与GUI相结合的技术, 对经典机械技术中的四杆机构的运动进行仿真, 避免了在参数调整中反复直接解算复杂超越数学方程组, 易于实现动态可视化教学, 帮助提高学生对机构设计、运动学等的理解。
2案例仿真研究过程
在引入MATLAB的Simulink和GUI的机电一体化系统设计课程仿真教学设计中, 仿真思路是先进行Simulink建模, 然后GUI设计, 设置仿真参数, 最后是仿真运行。这样能使学生不仅能弄清楚MATLAB/Simulink的建模过程, 还能进行仿真界面的设计。下面就是机电一体化系统设计课程中机械技术典型案例的MATLAB/Simulink仿真建模设计的关键步骤。
2.1 Simulink建模
图1为机电一体化系统中机械技术部分的典型案例四杆机构示意图。四杆机构的连杆BC上任意一点的运动轨迹、运动速度、运动加速度都是非常丰富的, 也有其独有的特点, 正因如此, 四杆机构在机械本体运动机构设计中发挥了很大的作用。在以往的教学中, 要讲解连杆BC上E的轨迹, 都是通过建立复杂的超越数学方程组进行解算, 但使用普通解算方法来解方程组是很难的, 获得的数值精度有限, 因此使用MATLAB/Simulink进行建模可以克服这一点, 而且便于修改各种参数。
根据图1四杆机构示意图, 在MATLAB/ Simulink的Simscape库中选取选取Ground、 Machine Environment、 Body、Revolute Prisma - tic模块, 要获取输入以及输出信号, 还需要选取Joint Actuator、Body Sensor、Scope等模块。搭建的Simulink模块仿真框图如图2所示, 同时设置好各种参数, 如杆件长度、密度、质量、惯性矩、坐标系、加速度方向、约束等参数。采用自适应步长 (Variable-step) 的四阶-五阶Runge-Kutta算法 (即ode45) 进行解算, 便可以得到仿真结果。
2.2 GUI设计
MATLAB的图形用户界面GUI是在图形界面下创建与用户交互信息的设计界面, 通过操作交互控件实现特定的功能, 并返回程序处理相应结果, 显示在指定的区域中, 其各种运算、绘图、数据交换等操作处理都封装在内部。分析图1所包涵杆件以及需要控制显示的信息, 本文的GUI设置了4个axes、5个Edit Text、2个Push Button, 其中4个axes分别用来显示典型四杆机构的运动动画、连杆BC上任意点E的位移、E点的速度、加速度;5个Edit Text分别用来显示或修改杆件长度和E点归一化值, 并通过这些参数传递给Simulink的仿真模块;2个Push Button分别用来作Simulink和close按钮。由于是做教学界面, 需限制数值范围, 否则导致机构不能连续整周运动等问题, 因此在Simulink按下的时候进行了机构数值的判断, 满足要求即可进行下一步仿真, 如不满足则需要重新设置新的数值。 因此, 最后设计的GUI如图3所示。设计好界面后, 还需要进行各模块的属性设置, 即对Inspector的参数进行相应的设置, 同时还需要对各模块编写相应的M程序, 以完成相应的数据处理、传递等功能。
2.3程序的编写
由窗口、图标、菜单和文本说明等图形对象构成的图形用户界面 (graphical userinterfaces, GUI) , 它会将设计好的GUI保存为fig文件, 同时生成M文件框架。在这个M文件框架内进行编程, 不但可以设计复杂的界面, 而且还能够更好地把握整个程序的全局, 方便实现函数的回调, 通过函数回调来完成数据的处理和数据的传递。因此, M程序的编写还是比较重要的。图3机构GUI生成的M文件框架包含了界面的各按钮、编辑修改框等的回调函数, 需要对这些函数编写相应的程序, 以完成相应的数据处理和传输。下面给出一个Simulink按钮回调函数的部分程序。
2.4仿真参数设置
完成上述的设计之后, 要对Simulink的Configuration Parameters进行设置。设置的目的是要把Simulink运行的中间变量值以及最后结果进行输出, 以及输入GUI界面的用户修改值, 从而才能使得MATLAB的Simulink和GUI两者数值在workspace中进行交换。设置Solver options中的类型为Variable-step, 解算器为ode45 (Dormand-Prince) , Relative tolerance为1e-3, 仿真时间0.01s等参数。
3仿真运行与教学效果分析
回到MATLAB的GUI设计界面, 运行设计好的GUI界面以及M程序, 这时就可以修改交换界面GUI上的杆件参数了。点击界面绿色Simulink案按钮, 程序判断输入的参数是否符合规定设置的要求, 如果符合要求则进行GUI与机构Simulink模型的数据交换, 并使用自适应变步长的ode45解算方程, 输出运行结果。如果输入数据不符合要求, 则弹出对话框要求学生重新输入数据。同时, 还可以不断修改参数, 反复运行仿真, 则可以观察到不同输出数据。 如改变E点位置参数 ( 因E_weizhi = BE/BC, 则其取值范围为0~1之间的值) , 便可以得到不同参数值下的E点的轨迹、速度、加速度值。图4为其中一组参数的仿真运行结果图。学生可以从不同的运行结果反复比较, 认真思考通过改变参数得到不同结果的原因, 从而掌握四杆机构设计规律, 理解机电一体化系统中该案例所涉及的机械技术。本案例已经在我校的机电专业两个班的教学中作了尝试, 学生反映效果不错, 能够掌握机构运动学规律, 能从系统的角度分析问题和解决问题。
4结语
把MATLAB的Simulink多物理建模仿真技术和GUI交互式界面技术相结合, 用于涵盖多种技术特点的机电一体化系统课程仿真教学研究, 通过修改界面参数便可得到动态结果, 避免了在参数调整中反复直接解算复杂超越数学方程组, 易于实现动态可视化教学, 使得学生在学习中容易理解和掌握案例所涉及的技术。本文只从课程中的机械技术挑选了一个典型案例阐述该方法在课程仿真中的应用, 降低了教学成本, 实现了动态可视化仿真教学, 为后续的教学改革研究起到抛砖引玉的作用。
摘要：从机电一体化系统的机械技术部分选取经典案例进行了Simulink建模、GUI设计、参数的传递、运行仿真等, 阐述了把Simulink和GUI用于课程教学仿真研究的一般步骤。结果表明, 把MATLAB的Simulink和GUI用于机电一体化系统课程的仿真教学是可行的、有意义的, 避免了在多参数调整中反复直接解算复杂超越数学方程组, 易于实现动态可视化教学, 方便学生对课程的理解, 降低了教学成本。
关键词：Simulink,GUI,仿真建模,教学研究,机电一体化系统
参考文献
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