時(shí)間：2022-07-09 08:18:59
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關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)電力系統(tǒng)
自20世紀(jì)80年代末至今，我國(guó)的仿真技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)有電廠仿真、電網(wǎng)運(yùn)行工況仿真和變電所仿真。一般說(shuō)來(lái)，凡是需要有一個(gè)或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理與決策的實(shí)際系統(tǒng)，都需要對(duì)這些人員進(jìn)行培訓(xùn)、教育與培養(yǎng)。早期的培訓(xùn)大都是經(jīng)過(guò)理論講解和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，通過(guò)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)完成的，這種培訓(xùn)方式因是在實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)上進(jìn)行操作，不僅培訓(xùn)成本高、培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)，而且有些故障只能在實(shí)際發(fā)生時(shí)才能得到實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，致使一部分知識(shí)只有感性認(rèn)識(shí)，得不到實(shí)際操作的鍛煉。隨著系統(tǒng)規(guī)模的加大、復(fù)雜程度的提高，特別是造價(jià)日益昂貴，訓(xùn)練時(shí)因操作不當(dāng)引起的破壞而帶來(lái)的損失大大增加，因此，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性事關(guān)重大。為解決這些問(wèn)題，出現(xiàn)了培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，模擬實(shí)際系統(tǒng)的工作狀況和運(yùn)行環(huán)境，以避免運(yùn)用實(shí)際系統(tǒng)時(shí)可能帶來(lái)的危險(xiǎn)性及高昂的代價(jià)。
變電所培訓(xùn)仿真系統(tǒng)集仿真技術(shù)、圖形圖象技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)于一體，依據(jù)變電所電力設(shè)備實(shí)物、一次設(shè)備和二次設(shè)備接線圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，如主控室、控制屏、保護(hù)屏及設(shè)備連接狀況，可在模擬設(shè)備和二次接線圖上進(jìn)行相應(yīng)操作，采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊的操作方式，簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)(見(jiàn)圖1)。這種方式使變電運(yùn)行人員的培訓(xùn)手段大大更新，提高了培訓(xùn)效率，縮短了培訓(xùn)周期。也進(jìn)一步提高了運(yùn)行人員的正確判斷和處理事故的能力，防止事故擴(kuò)大化和縮短事故處理時(shí)間，從而確保電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
圖1
1變電所仿真的現(xiàn)狀
目前，我國(guó)農(nóng)網(wǎng)中(110kV、35kV)變電所培訓(xùn)仿真系統(tǒng)主要有孤立變電所型變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)和考慮簡(jiǎn)單電網(wǎng)的變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。前一種類(lèi)型的變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低；后一種不僅仿真了變電所的運(yùn)行狀況，而且考慮到電網(wǎng)和變電所之間的相互影響，該類(lèi)型的變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)在功能上比孤立變電所型的仿真系統(tǒng)要強(qiáng)。此外，還有將無(wú)人值班變電所仿真、集控中心仿真、變電所運(yùn)行管理系統(tǒng)結(jié)合于一體的110kV/35kV集控站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)?？紤]到仿真原理的相同性和孤立變電所型變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，能夠在單機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn)，以下只對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
2硬件配置的基本要求
微機(jī)一臺(tái)：主頻PENTIUM200；32M內(nèi)存；3.2G硬盤(pán)；16倍光驅(qū)；顯示卡、聲卡、音箱等。
3軟件配置的基本要求
(1)中文視窗Windows95以上版本；
(2)多媒體仿真培訓(xùn)軟件。
4主要功能
(1)正常操作訓(xùn)練：斷路器操作、隔離開(kāi)關(guān)操作、壓板操作、保護(hù)投停、電壓互感器的切換，電容器的投停等；
(2)故障演習(xí)訓(xùn)練：
斷路器故障：拒動(dòng)、誤動(dòng)、偷跳；
隔離開(kāi)關(guān)故障：帶負(fù)荷拉合隔離開(kāi)關(guān)、帶電合接地隔離開(kāi)關(guān)；
變壓器故障：包括相間短路、接地短路、匝間短路、變壓器過(guò)負(fù)荷、變壓器油溫過(guò)高；
母線故障：母線短路、母線接地；
線路故障：近區(qū)短路、接地、斷線等；
此外，還有電容器故障、繼電保護(hù)故障以及其它故障等。
培訓(xùn)者可對(duì)設(shè)定操作任務(wù)或故障，依據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)操作票進(jìn)行操作，系統(tǒng)也可在出現(xiàn)故障時(shí)，給予提示并指出錯(cuò)誤要點(diǎn)。
(3)操作票生成與培訓(xùn)系統(tǒng)：可對(duì)線路、主變壓器、母線、電容器等設(shè)備開(kāi)操作票；可對(duì)學(xué)員的操作以操作票的形式記錄；可對(duì)學(xué)員的操作票和標(biāo)準(zhǔn)操作票進(jìn)行比較；
(4)理論知識(shí)的培訓(xùn)：可提供設(shè)備的圖片和產(chǎn)品介紹；可進(jìn)行二次回路圖紙講解：包括中央信號(hào)回路、電力變壓器保護(hù)、電容器組保護(hù)、輸電線路保護(hù)、低周減載裝置等；還可進(jìn)行運(yùn)行規(guī)程問(wèn)答、典型故障處理、經(jīng)驗(yàn)介紹以及提供考試題庫(kù)。
(5)系統(tǒng)維護(hù)功能：系統(tǒng)可根據(jù)110kV變電所的主接線方式(如：?jiǎn)文妇€接線方式、內(nèi)橋接線方式、單元接線方式)和正常運(yùn)行方式的差異及實(shí)際變電所的工作情況進(jìn)行選擇和修改，可對(duì)考試題目進(jìn)行增加或修改，還可對(duì)二次接線圖上的線路名稱(chēng)和隔離開(kāi)關(guān)、斷路器號(hào)進(jìn)行更改，使其更加接近變電所的實(shí)際運(yùn)行情況。
操作實(shí)例：
倒閘操作是變電所正常運(yùn)行和檢修中都涉及的操作，具有重要的作用，其操作過(guò)程如下：
①運(yùn)行仿真軟件，進(jìn)行操作人員登陸。
②進(jìn)行功能選擇，進(jìn)入倒閘操作模塊，進(jìn)行題目分類(lèi)選擇。如選擇"10kV倒閘操作題目"后，屏幕上會(huì)出現(xiàn)一系列10kV倒閘操作題目的分項(xiàng)內(nèi)容，用鼠標(biāo)按鈕進(jìn)行選擇，選擇"紡織線002斷路器停電，紡織線線路檢修"(見(jiàn)圖2)。選擇題目后，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)操作票預(yù)覽，以便操作人員了解操作步驟后進(jìn)行正確操作?？蓡螕粢c(diǎn)按鈕，查看提示注意事項(xiàng)。操作練習(xí)既可在線路圖上進(jìn)行，也可在模擬圖上進(jìn)行。
圖2
③依次拉開(kāi)紡織線002斷路器，拉開(kāi)002-3隔離開(kāi)關(guān)，拉開(kāi)002-1隔離開(kāi)關(guān)，在002-3隔離開(kāi)關(guān)線路側(cè)掛接地線(見(jiàn)圖3)。遇到困難時(shí)，可查閱標(biāo)準(zhǔn)操作票和操作要點(diǎn)提示。操作完畢后，調(diào)出操作記錄與標(biāo)準(zhǔn)操作票進(jìn)行比較，如果在操作過(guò)程中發(fā)生誤操作，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警。
圖3
④選擇操作題目后，也可進(jìn)入考試狀態(tài)。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)不提供標(biāo)準(zhǔn)操作票和操作要點(diǎn)提示，考試時(shí)間到，系統(tǒng)不再進(jìn)行操作記錄。
5結(jié)束語(yǔ)
目前，110/35kV變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)在一些變電所已經(jīng)得到應(yīng)用，并取得實(shí)效。歸納起來(lái)，變電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：
(1)計(jì)算機(jī)仿真程度高。仿真畫(huà)面完全按照變電所的電力設(shè)備實(shí)物進(jìn)行繪制，形象逼真。操作人員在模擬圖或二次接線圖上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊元器件，即可激發(fā)元器件動(dòng)作，元器件動(dòng)作后仿真變電所同實(shí)際變電所情況一致。
(2)培訓(xùn)功能完善。不但可對(duì)變電所的正常和異常事故進(jìn)行仿真，而且可提供完善的二次圖講解。對(duì)變電所的繼電保護(hù)裝置從動(dòng)作原理到動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行分步講解，突出顯示動(dòng)作斷路器和響應(yīng)元器件，動(dòng)畫(huà)模仿電流軌跡。
(3)可擴(kuò)充性強(qiáng)。仿真系統(tǒng)還應(yīng)提供維護(hù)功能，用戶可在使用過(guò)程中，按照各自變電所的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，使其更接近?shí)際運(yùn)行中的變電所。
伴隨著科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)被廣泛運(yùn)用到教學(xué)領(lǐng)域中，仿真技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，同樣也被運(yùn)用到電子專(zhuān)業(yè)的教學(xué)當(dāng)中，且對(duì)促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量與效率的提升，起到了舉足輕重的作用。以下筆者以“放大電路”的學(xué)習(xí)為例，對(duì)仿真技術(shù)在電子專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。在模擬電路中，放大電路是一個(gè)極為關(guān)鍵的構(gòu)成部分，其中最為基本的電路形式就是共射極放大電路。因此，在放大電路教學(xué)過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)利用多媒體課件對(duì)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，例如信號(hào)放大的基本概念、共射極電路的構(gòu)成、各個(gè)組成部分的作用、放大電路的動(dòng)靜態(tài)特性等。
在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)計(jì)以下問(wèn)題：怎樣在放大電路輸入端添加正弦信號(hào)？輸出信號(hào)是否會(huì)出現(xiàn)變化？電壓放大倍數(shù)與什么因素相關(guān)？倘若對(duì)電路的偏置予以調(diào)整，那么輸出信號(hào)又將發(fā)生怎樣的改變？之后通過(guò)Multisim軟件建立共射極電路，然后再展開(kāi)以下仿真實(shí)驗(yàn)。共射極放大電路圖如圖1所示。將Simulate菜單內(nèi)的Anslysis下的DCOperatingPoint命令打開(kāi)，進(jìn)而得到靜態(tài)的參數(shù)：VB=1.82V，VC=4.84V，VE=1.20V。將正弦電壓信號(hào)（幅值是5mV）添加在輸入端，進(jìn)而對(duì)處于空載狀態(tài)與接10kΩ負(fù)載下的放大電路的輸出電壓波形予以測(cè)定，進(jìn)而得出參數(shù)值分別是1.2V、753.7mV，具體如圖2所示。對(duì)輸入信號(hào)的幅值予以改變，輸入電壓增加到15mV，而在此時(shí)輸出電壓波形如圖3（1）所示。對(duì)偏置電阻予以改變，把電阻Rb1增加至25kΩ，最終所得到的電壓波如下圖3（2）所示。通過(guò)對(duì)上述仿真結(jié)果的總結(jié)與分析，可以得出以下五點(diǎn)結(jié)論：第一，當(dāng)輸出電壓大于輸入電壓幅值時(shí)，電路具備電壓放大的功能；第二，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓在相位上相差180º時(shí)，共射極電路具備反相功能；第三，在輸入信號(hào)較大，且輸出信號(hào)正負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)失真的現(xiàn)象；第四，放大電路當(dāng)中的放大倍數(shù)和負(fù)載有一定的聯(lián)系，其中當(dāng)負(fù)載小時(shí)，放大電路的放大倍數(shù)就小，反之，負(fù)載大，放大倍數(shù)也大；第五，當(dāng)偏置電阻Rb1增加至一定值時(shí)，輸出電壓波形的負(fù)半周會(huì)發(fā)生失真的現(xiàn)象。
二、仿真技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)及注意事項(xiàng)
在中職電子專(zhuān)業(yè)教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)，具有一定的優(yōu)越性。一是應(yīng)用范疇比較廣，且有極強(qiáng)的拓展性。仿真教學(xué)能夠提供多種多樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)程序與實(shí)驗(yàn)電路板，能夠廣泛運(yùn)用于各種電子課程，例如模擬電子技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)等。二是有比較高的效率。仿真技術(shù)能夠提供各種信號(hào)源、數(shù)字存儲(chǔ)示波器等虛擬儀器，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，展開(kāi)溫度檢測(cè)控制，以及進(jìn)行電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。三是有較強(qiáng)的趣味性。在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行仿真教學(xué)，能夠極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與熱情，將全部的精力都投入到教學(xué)活動(dòng)中。此外，仿真實(shí)驗(yàn)的成本較低，可以隨時(shí)展開(kāi)仿真教學(xué)。
（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)從屬于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)得不到足夠的重視，實(shí)驗(yàn)是為驗(yàn)證理論知識(shí)，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)；
（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，無(wú)法趕上移動(dòng)通信新型器件和裝置的發(fā)展，缺乏新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和方法；設(shè)備的更新?lián)Q代比較慢，實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展受到硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，跟不上技術(shù)革新的步伐；
（3）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，綜合性實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少，在實(shí)驗(yàn)方法上基本是簡(jiǎn)單的模仿，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺少積極的思維和創(chuàng)新，也沒(méi)有探索的目標(biāo)和方向，沒(méi)有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施；
（4）在移動(dòng)通信原理課程中，關(guān)于調(diào)制解調(diào)等有關(guān)內(nèi)容偏重理論，太過(guò)抽象，枯燥乏味。受資金和儀器設(shè)備不足等實(shí)驗(yàn)條件的限制以及學(xué)時(shí)較少的影響，很多移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)（例如正交頻分多路實(shí)驗(yàn)）不能由學(xué)生實(shí)際動(dòng)手完成，一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅僅能驗(yàn)證理論課學(xué)習(xí)的內(nèi)容，顯然對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是非常不利的。積極探索移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，嘗試開(kāi)展仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)移動(dòng)通信原理課程，培養(yǎng)創(chuàng)新能力起著重要的作用。
2仿真教學(xué)的引入與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)
傳統(tǒng)的移動(dòng)通信原理課程理論教學(xué)，大多重在討論某種技術(shù)或算法的原理及其理論推導(dǎo)，以方便理解調(diào)制解調(diào)器原理和無(wú)線電波變換過(guò)程，從而加深信源編解碼和信道編解碼、無(wú)線電波發(fā)射與接收等知識(shí)的理解。在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課上，對(duì)移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)原理的講解也要在黑板上書(shū)寫(xiě)，既不夠形象、直觀，又比較呆板。由于有大量的波形分析內(nèi)容，教師在黑板上畫(huà)圖也是一件比較困難的事情，而且學(xué)生不易理解。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生常因受到固定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的束縛而改變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，不可避免地存在錯(cuò)誤和不足，致使電路調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至引起元器件和儀器設(shè)備損壞，使實(shí)驗(yàn)不能達(dá)到預(yù)期效果。因此，在移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)，是對(duì)理論課教學(xué)的必要補(bǔ)充。學(xué)生可以充分利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件在數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、處理、傳輸及控制等方面的強(qiáng)大功能，進(jìn)行方案的論證、選定和電路的設(shè)計(jì)，可以方便地改變參數(shù)來(lái)調(diào)整電路，使之更好地接近設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出較為理想的電路。學(xué)生還可以根據(jù)要求輸出電路的測(cè)試參量或波形，作為真實(shí)電路調(diào)試的依據(jù)和參考；可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行不同的仿真操作，得到與使用實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果。另外，一些較為復(fù)雜的移動(dòng)通信創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，但是通過(guò)引入仿真教學(xué)，便可以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的維度、擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性。移動(dòng)通信是通信原理、高頻電路和信號(hào)處理的交叉學(xué)科，學(xué)生只通過(guò)理論教學(xué)很難理解學(xué)科交叉性，對(duì)移動(dòng)通信原理的理解也不夠全面。通過(guò)引入仿真教學(xué)，既能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)移動(dòng)通信原理的認(rèn)識(shí)，又能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際電路的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引入，很好地支持了移動(dòng)通信原理的學(xué)習(xí)，可以進(jìn)行新技術(shù)的研究，拓展學(xué)生的工程意識(shí)，提高設(shè)計(jì)調(diào)試電路的靈活性，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，開(kāi)闊學(xué)生的視野。
3仿真教學(xué)開(kāi)展實(shí)例分析
3．1理論教學(xué)與正交調(diào)制解調(diào)分析
正交調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理是把整個(gè)可用信道頻帶B劃分為N個(gè)帶寬為f的子信道，把N個(gè)串行碼元變換為N個(gè)并行的碼元，將高速信號(hào)變換為低速的并行子數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制這N個(gè)子信道載波進(jìn)行同步傳輸，并在終端分開(kāi)正交信號(hào)。信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)實(shí)際是采用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。先將信號(hào)串并變換成低速支路，各支路的調(diào)制可以采用數(shù)字調(diào)制方式，然后進(jìn)行快速傅里葉逆變換（IFFT）、快速傅里葉變換（FFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3．2正交頻分電路仿真實(shí)驗(yàn)分析
通常在正交頻分電路分析中，往往會(huì)忽略講解和分析子載波調(diào)制快速傅里葉變換和反變換等內(nèi)容。讓學(xué)生從理論公式推導(dǎo)中理解OFDM原理，并利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)不同子載波數(shù)的調(diào)制信號(hào)，可以驗(yàn)證對(duì)子載波數(shù)調(diào)制狀態(tài)的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證理論公式并加深理解。可以用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種方法來(lái)理解調(diào)制。通過(guò)正交頻分各步驟的波形圖，形象地描繪信號(hào)調(diào)制解調(diào)的過(guò)程，逼真地顯現(xiàn)出真實(shí)信號(hào)傳輸變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程。
（1）確定參數(shù)。假設(shè)參數(shù)為：子載波數(shù)為8，F(xiàn)FT長(zhǎng)度為8，符號(hào)速率、比特率、保護(hù)間隔長(zhǎng)度為2，信噪比12，插入導(dǎo)頻數(shù)?；镜姆抡婵梢圆徊迦雽?dǎo)頻，導(dǎo)頻數(shù)可以為0。通過(guò)運(yùn)行仿真及修改參數(shù)設(shè)置，教師可引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)驗(yàn)，觀察分析仿真結(jié)果并給出結(jié)論。通過(guò)示波器模塊可以直觀地觀察到二進(jìn)制隨機(jī)信源。
（2）產(chǎn)生數(shù)據(jù)。使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)?？梢詫⒃蛄谢癁?6進(jìn)制的碼元圖，通過(guò)改變數(shù)據(jù)率觀察仿真波形。
（3）子載波調(diào)制。利用Matlab工具仿真實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等4種調(diào)制方式。按照星座圖，將每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)映射到星座圖點(diǎn)的復(fù)數(shù)表示。通過(guò)改變支路不同的調(diào)制方式，觀察到仿真波形，每次課都會(huì)有各式各樣新的實(shí)驗(yàn)波形，可以直觀地觀察到二進(jìn)制隨機(jī)信源，以及將一路高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路低速數(shù)據(jù)的波形。
（4）IFFT運(yùn)算。對(duì)上一步得到的同相分量和正交分量進(jìn)行IFFT運(yùn)算。為便于理解，可采用仿真軟件直觀地表現(xiàn)子信道上的數(shù)據(jù)與OFDM符號(hào)之間傅里葉逆變換關(guān)系。當(dāng)子信道的脈沖為矩形脈沖時(shí)，具有sinc函數(shù)形式的頻譜。當(dāng)改變系統(tǒng)（N）時(shí)，OFDM功率譜形狀也隨之改變。
（5）加入保護(hù)間隔，加入噪聲。由IFFT運(yùn)算后的每個(gè)符號(hào)的同相分量和正交分量分別轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并將符號(hào)尾部G長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)加到頭部，構(gòu)成循環(huán)前綴。
（6）并串轉(zhuǎn)換。將每個(gè)符號(hào)分布在子信道上的數(shù)據(jù)還原為一路串行數(shù)據(jù)。
（7）FFT運(yùn)算。對(duì)每個(gè)符號(hào)的同相分量和正交分量按照（Ich＋Qch×i）進(jìn)行FFT運(yùn)算。由于噪聲和信道的影響，接收端收到的每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)，映射到星座圖不再是嚴(yán)格的發(fā)送端的星座圖。將得到的星座圖上的點(diǎn)按照最近原則判決為原星座圖上的點(diǎn)，并按映射規(guī)則還原為一組數(shù)據(jù)。利用以上設(shè)計(jì)的信號(hào)，在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)該信號(hào)的調(diào)制，畫(huà)出調(diào)制前后信號(hào)的時(shí)序圖。此時(shí)，學(xué)生容易理解此種調(diào)制方式為何IFFT被稱(chēng)調(diào)制。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)理論分析以及Matlab實(shí)驗(yàn)畫(huà)圖驗(yàn)證，進(jìn)一步加深了對(duì)正交頻分電路的理解。
4結(jié)束語(yǔ)
關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波器MATLABFIRIIR
引言：
在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)和二次控制中，很多信號(hào)的處理與分析都是基于對(duì)正弦基波和某些整次諧波的分析，而系統(tǒng)電壓電流信號(hào)（尤其是故障瞬變過(guò)程）中混有各種復(fù)雜成分，所以濾波器一直是電力系統(tǒng)二次裝置的關(guān)鍵部件【1】。目前微機(jī)保護(hù)和二次信號(hào)處理軟件主要采用數(shù)字濾波器。傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)使用繁瑣的公式計(jì)算，改變參數(shù)后需要重新計(jì)算，在設(shè)計(jì)濾波器尤其是高階濾波器時(shí)工作量很大。利用MATLAB信號(hào)處理工具箱（SignalProcessingToolbox）可以快速有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。
1數(shù)字濾波器及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
數(shù)字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類(lèi)，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。
IIR數(shù)字濾波器具有無(wú)限寬的沖激響應(yīng)，與模擬濾波器相匹配。所以IIR濾波器的設(shè)計(jì)可以采取在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步變換的方法。FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列。它的設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。
在對(duì)濾波器實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)過(guò)程的運(yùn)算量是很大的。例如利用窗函數(shù)法【2】設(shè)計(jì)M階FIR低通濾波器時(shí)，首先要根據(jù)（1）式計(jì)算出理想低通濾波器的單位沖激響應(yīng)序列，然后根據(jù)（2）式計(jì)算出M個(gè)濾波器系數(shù)。當(dāng)濾波器階數(shù)比較高時(shí)，計(jì)算量比較大，設(shè)計(jì)過(guò)程中改變參數(shù)或?yàn)V波器類(lèi)型時(shí)都要重新計(jì)算。
設(shè)計(jì)完成后對(duì)已設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)要進(jìn)行校核，要得到幅頻相頻響應(yīng)特性，運(yùn)算量也是很大的。我們平時(shí)所要設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，階數(shù)和類(lèi)型并不一定是完全給定的，很多時(shí)候都是要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷的調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。在這種情況下，濾波器的設(shè)計(jì)就要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，單純的靠公式計(jì)算和編制簡(jiǎn)單的程序很難在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以快速有效的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，大大的簡(jiǎn)化了計(jì)算量，直觀簡(jiǎn)便。
2數(shù)字濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)
2.1FDATool界面設(shè)計(jì)
2.1.1FDATool的介紹
FDATool（FilterDesign&AnalysisTool）是MATLAB信號(hào)處理工具箱里專(zhuān)用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具，MATLAB6.0以上的版本還專(zhuān)門(mén)增加了濾波器設(shè)計(jì)工具箱（FilterDesignToolbox）。FDATool可以設(shè)計(jì)幾乎所有的基本的常規(guī)濾波器，包括FIR和IIR的各種設(shè)計(jì)方法。它操作簡(jiǎn)單，方便靈活。
FDATool界面總共分兩大部分，一部分是DesignFilter，在界面的下半部，用來(lái)設(shè)置濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，另一部分則是特性區(qū)，在界面的上半部分，用來(lái)顯示濾波器的各種特性。DesignFilter部分主要分為：
FilterType（濾波器類(lèi)型）選項(xiàng)，包括Lowpass（低通）、Highpass（高通）、Bandpass（帶通）、Bandstop（帶阻）和特殊的FIR濾波器。
DesignMethod（設(shè)計(jì)方法）選項(xiàng)，包括IIR濾波器的Butterworth（巴特沃思）法、ChebyshevTypeI（切比雪夫I型）法、ChebyshevTypeII（切比雪夫II型）法、Elliptic（橢圓濾波器）法和FIR濾波器的Equiripple法、Least-Squares（最小乘方）法、Window（窗函數(shù)）法。
FilterOrder（濾波器階數(shù)）選項(xiàng)，定義濾波器的階數(shù)，包括SpecifyOrder（指定階數(shù)）和MinimumOrder（最小階數(shù)）。在SpecifyOrder中填入所要設(shè)計(jì)的濾波器的階數(shù)（N階濾波器，SpecifyOrder＝N-1），如果選擇MinimumOrder則MATLAB根據(jù)所選擇的濾波器類(lèi)型自動(dòng)使用最小階數(shù)。
FrenquencySpecifications選項(xiàng)，可以詳細(xì)定義頻帶的各參數(shù)，包括采樣頻率Fs和頻帶的截止頻率。它的具體選項(xiàng)由FilterType選項(xiàng)和DesignMethod選項(xiàng)決定，例如Bandpass（帶通）濾波器需要定義Fstop1（下阻帶截止頻率）、Fpass1（通帶下限截止頻率）、Fpass2（通帶上限截止頻率）、Fstop2（上阻帶截止頻率），而Lowpass（低通）濾波器只需要定義Fstop1、Fpass1。采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，由于過(guò)渡帶是由窗函數(shù)的類(lèi)型和階數(shù)所決定的，所以只需要定義通帶截止頻率，而不必定義阻帶參數(shù)。
MagnitudeSpecifications選項(xiàng)，可以定義幅值衰減的情況。例如設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，可以定義Wstop1（頻率Fstop1處的幅值衰減）、Wpass（通帶范圍內(nèi)的幅值衰減）、Wstop2（頻率Fstop2處的幅值衰減）。當(dāng)采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，通帶截止頻率處的幅值衰減固定為6db，所以不必定義。
WindowSpecifications選項(xiàng)，當(dāng)選取采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，該選項(xiàng)可定義，它包含了各種窗函數(shù)。
2.1.2帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例
本文將以一個(gè)FIR濾波器的設(shè)計(jì)為例來(lái)說(shuō)明如何使用MATLAB設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器：在小電流接地系統(tǒng)中注入83.3Hz的正弦信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行跟蹤分析，要求設(shè)計(jì)一帶通數(shù)字濾波器，濾除工頻及整次諧波，以便在非常復(fù)雜的信號(hào)中分離出該注入信號(hào)。參數(shù)要求：96階FIR數(shù)字濾波器，采樣頻率1000Hz，采用Hamming窗函數(shù)設(shè)計(jì)。
本例中，首先在FilterType中選擇Bandpass（帶通濾波器）；在DesignMethod選項(xiàng)中選擇FIRWindow（FIR濾波器窗函數(shù)法），接著在WindowSpecifications選項(xiàng)中選取Hamming；指定FilterOrder項(xiàng)中的SpecifyOrder＝95；由于采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)，只要給出通帶下限截止頻率Fc1和通帶上限截止頻率Fc2，選取Fc1＝70Hz，F(xiàn)c2＝84Hz。設(shè)置完以后點(diǎn)擊DesignFilter即可得到所設(shè)計(jì)的FIR濾波器。通過(guò)菜單選項(xiàng)Analysis可以在特性區(qū)看到所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)、零極點(diǎn)配置和濾波器系數(shù)等各種特性。設(shè)計(jì)完成后將結(jié)果保存為1.fda文件。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以對(duì)比濾波器幅頻相頻特性和設(shè)計(jì)要求，隨時(shí)調(diào)整參數(shù)和濾波器類(lèi)型，
以便得到最佳效果。其它類(lèi)型的FIR濾波器和IIR濾波器也都可以使用FDATool來(lái)設(shè)計(jì)。
Fig.1MagnitudeResponseandPhaseResponseofthefilter
2.2程序設(shè)計(jì)法
在MATLAB中，對(duì)各種濾波器的設(shè)計(jì)都有相應(yīng)的計(jì)算振幅響應(yīng)的函數(shù)【3】，可以用來(lái)做濾波器的程序設(shè)計(jì)。
上例的帶通濾波器可以用程序設(shè)計(jì)：
c=95;％定義濾波器階數(shù)96階
w1=2*pi*fc1/fs;
w2=2*pi*fc2/fs;%參數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)
window=hamming(c+1);%使用hamming窗函數(shù)
h=fir1(c,[w1/piw2/pi],window);％使用標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)的加窗設(shè)計(jì)函數(shù)fir1
freqz(h,1,512);％數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)
在MATLAB環(huán)境下運(yùn)行該程序即可得到濾波器幅頻相頻響應(yīng)曲線和濾波器系數(shù)h。篇幅所限，這里不再將源程序詳細(xì)列出。
3Simulink仿真
本文通過(guò)調(diào)用Simulink中的功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的仿真框圖，在仿真過(guò)程中，可以雙擊各功能模塊，隨時(shí)改變參數(shù)，獲得不同狀態(tài)下的仿真結(jié)果。例如構(gòu)造以基波為主的原始信號(hào)，，通過(guò)Simulink環(huán)境下的DigitalFilterDesign（數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)）模塊導(dǎo)入2.1.2中FDATool所設(shè)計(jì)的濾波器文件1.fda。仿真圖和濾波效果圖如圖2所示。
可以看到經(jīng)過(guò)離散采樣、數(shù)字濾波后分離出了83.3Hz的頻率分量（scope1）。之所以選取上面的疊加信號(hào)作為原始信號(hào)，是由于在實(shí)際工作中是要對(duì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)差分濾波的信號(hào)進(jìn)一步做帶通濾波，信號(hào)的各分量基本同一致，可以反映實(shí)際的情況。本例設(shè)計(jì)的濾波器已在實(shí)際工作中應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。
4結(jié)論
利用MATLAB的強(qiáng)大運(yùn)算功能，基于MATLAB信號(hào)處理工具箱（SignalProcessingToolbox）的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)法可以快速有效的設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器，設(shè)計(jì)方便、快捷，極大的減輕了工作量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)比濾波器特性，隨時(shí)更改參數(shù)，以達(dá)到濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。利用MATLAB設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器在電力系統(tǒng)二次信號(hào)處理軟件和微機(jī)保護(hù)中，有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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2．蔣志凱.數(shù)字濾波與卡爾曼濾波【M】北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1993
3．樓順天、李博菡.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)－信號(hào)處理【M】西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.
1.1建設(shè)思路
通過(guò)仿真模擬教學(xué)平臺(tái)的搭建，將學(xué)校教育方式轉(zhuǎn)化為以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。為學(xué)生提供全時(shí)段全方位的理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)資源，幫助提升崗位核心競(jìng)爭(zhēng)力，為學(xué)校提供新的理實(shí)一體化教學(xué)模式，提高信息化教學(xué)水平，最終實(shí)現(xiàn)校企在人才培養(yǎng)上雙向互助，提升社會(huì)服務(wù)能力。
1.2建設(shè)內(nèi)容
高職建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)主要培養(yǎng)從事建筑工程施工與管理、工程測(cè)量、工程預(yù)決算及工程監(jiān)理等工作，具有理論基礎(chǔ)扎實(shí)、專(zhuān)業(yè)素質(zhì)高、實(shí)踐能力及可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)，擅識(shí)圖、能計(jì)算、懂技術(shù)、會(huì)管理的復(fù)合型、創(chuàng)新型、發(fā)展型技術(shù)技能人才。因此，我們從分析本專(zhuān)業(yè)所對(duì)應(yīng)的核心職業(yè)崗位（施工員崗位）工作任務(wù)與專(zhuān)業(yè)能力的要求，按照虛擬企業(yè)、虛擬場(chǎng)景、虛擬設(shè)備以及虛擬工程項(xiàng)目、企業(yè)生產(chǎn)工具、生產(chǎn)對(duì)象、生產(chǎn)場(chǎng)景、基地管理制度等原則，構(gòu)建專(zhuān)業(yè)仿真實(shí)踐教學(xué)體系。
2模擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)
虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)以構(gòu)建符合仿真教學(xué)實(shí)際的“教、學(xué)、管、評(píng)、控”的運(yùn)行模式為原則，以深化學(xué)校理實(shí)一體的人才培養(yǎng)模式為指導(dǎo)，深入分析建筑技術(shù)應(yīng)用與施工管理教學(xué)過(guò)程，通過(guò)虛擬技術(shù)緊扣施工工藝、直擊教學(xué)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多維仿真和真實(shí)場(chǎng)景模擬，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助學(xué)生課下練習(xí)、及時(shí)鞏固知識(shí)，實(shí)現(xiàn)單人訓(xùn)練、多人競(jìng)賽和互動(dòng)交流，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況的統(tǒng)計(jì)與分析，提高教學(xué)評(píng)價(jià)的科學(xué)性。
2.1構(gòu)建仿真教學(xué)“教、學(xué)、管、評(píng)、控”的運(yùn)行模式
圍繞“教”與“學(xué)”建立虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)、資源庫(kù)系統(tǒng)、題庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；圍繞“管、評(píng)、控”實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一登錄用戶界面、數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息的有效傳遞與分析反饋，合理安排和及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能與內(nèi)容的嵌入。
2.2解決傳統(tǒng)教學(xué)弊端，實(shí)現(xiàn)立體化的教與學(xué)
仿真虛擬教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)，著重規(guī)避傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，擴(kuò)充專(zhuān)業(yè)教學(xué)和信息資源，利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，直擊教學(xué)難點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目腳本的深度。以學(xué)校專(zhuān)業(yè)化的教學(xué)力量為依托，以企業(yè)成熟技術(shù)與先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，通過(guò)項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)、需求調(diào)研、規(guī)范專(zhuān)業(yè)教學(xué)基本要求、制訂專(zhuān)業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)核心課程，不斷提高教學(xué)深度。
2.3依托專(zhuān)業(yè)教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，合理安排教學(xué)
建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)安排的規(guī)范性及教學(xué)信息反饋的搜集，便于合理調(diào)整教學(xué)進(jìn)度與方式。通過(guò)資源、課程的管理，讓專(zhuān)業(yè)教師實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、針對(duì)性的課程安排和設(shè)置；通過(guò)練習(xí)、考試、經(jīng)驗(yàn)積分的管理，實(shí)現(xiàn)教學(xué)成果的考察及數(shù)據(jù)信息反饋搜集。
3仿真模擬實(shí)訓(xùn)的效果
3.1學(xué)生層面：提升知識(shí)整體貫穿能力，提高學(xué)生崗位核心競(jìng)爭(zhēng)力
仿真虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)展實(shí)現(xiàn)了信息化教學(xué)資源的任意調(diào)用，它以學(xué)生對(duì)建筑領(lǐng)域核心崗位項(xiàng)目的學(xué)習(xí)作為一個(gè)整體，以虛擬技術(shù)還原真實(shí)的施工場(chǎng)景，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的三維展示和立體情境漫游，能夠在課上、課下為學(xué)生提供系統(tǒng)化的技能知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)和全天候的校內(nèi)實(shí)踐操作機(jī)會(huì)，剔除了以往學(xué)生實(shí)踐的時(shí)間和空間限制，將理論與實(shí)踐相融合，讓學(xué)生更好的掌握教學(xué)內(nèi)容，熟悉技能實(shí)際應(yīng)用需求，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，有效的提高了學(xué)生崗位核心競(jìng)爭(zhēng)力，為職業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
3.2學(xué)校層面：以教學(xué)信息化建設(shè)帶動(dòng)教學(xué)改革，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)建設(shè)
在教學(xué)過(guò)程中引入計(jì)算機(jī)、虛擬仿真等現(xiàn)代技術(shù)，解決了專(zhuān)業(yè)教學(xué)理論課堂抽象生硬，施工細(xì)節(jié)講解不到位、工藝操作方法難以演示的問(wèn)題，其次，通過(guò)仿真模擬教學(xué)，將學(xué)生碎片化的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)性的整合，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能運(yùn)用，為專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革提供了全新的思路，有助于提升本專(zhuān)業(yè)的建設(shè)水平。
3.3社會(huì)層面：有利校企合作項(xiàng)目的開(kāi)展，促進(jìn)學(xué)校與社會(huì)人才的接軌
1車(chē)工技術(shù)實(shí)習(xí)方案
1.1車(chē)工技術(shù)實(shí)習(xí)內(nèi)容及工藝
車(chē)工技術(shù)實(shí)訓(xùn)的主要內(nèi)容包括：認(rèn)識(shí)車(chē)床、端面的車(chē)削、外圓面的車(chē)削、臺(tái)階的加工，切槽與切斷加工，螺紋加工，二次裝夾加工，圖1的是實(shí)習(xí)加工的典型零件，包含各個(gè)主要練習(xí)內(nèi)容。該零件的加工工藝主要包括：裝料，車(chē)平外端面，試切對(duì)刀，車(chē)外圓面，粗車(chē)大徑，精車(chē)大徑，粗車(chē)小徑，精車(chē)小徑，車(chē)倒角，車(chē)退刀槽，車(chē)外螺紋，卸料，二次裝夾，試切對(duì)刀，車(chē)外圓面，粗車(chē)二階，精車(chē)二階，倒角，切斷。
1.2實(shí)習(xí)教學(xué)安排
完整的整個(gè)實(shí)習(xí)周期需要42學(xué)時(shí)。其中理論教學(xué)8學(xué)時(shí)，由老師利用多媒體教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)機(jī)床的構(gòu)造和操作上有了基本的了解，其余時(shí)間教師現(xiàn)場(chǎng)示教、學(xué)生上機(jī)操作。實(shí)習(xí)安排如下：從大量學(xué)生的實(shí)際情況來(lái)看，多數(shù)錯(cuò)誤發(fā)生在上機(jī)前期，尤其是由于機(jī)床操作不熟練造成的扎刀、撞刀、試切不準(zhǔn)等錯(cuò)誤屢見(jiàn)不鮮，故在正式加工之前，先使用工程塑料毛坯，供學(xué)生練習(xí)。尼龍棒是最常用的塑性毛坯材料，它具有良好的韌性、耐磨力強(qiáng)、耐油、抗震、拉伸、彎曲強(qiáng)度好，并具有吸水性小、尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在加過(guò)程廢屑成帶狀，避免了因廢屑飛出的危害，減少了學(xué)生因進(jìn)退刀錯(cuò)誤，加工切削量過(guò)大等造成的事故發(fā)生。因?yàn)楣こ趟芰蠌椥韵禂?shù)大，在車(chē)削螺紋中讓刀明顯，所以取消螺紋車(chē)削的內(nèi)容，使用工程塑料進(jìn)行車(chē)削的時(shí)間約為20學(xué)時(shí)，剩余12學(xué)時(shí)實(shí)踐時(shí)間用于金屬切削及螺紋車(chē)削的教學(xué)。
2仿真加工訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)
2.1學(xué)生操作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)
車(chē)工技術(shù)實(shí)訓(xùn)主要是實(shí)踐性訓(xùn)練，受學(xué)校資源限制，在實(shí)習(xí)過(guò)程中不能對(duì)學(xué)生實(shí)現(xiàn)一對(duì)一輔導(dǎo)，而學(xué)生在獨(dú)立操作時(shí)，往往容易忘記操作要點(diǎn)，產(chǎn)生誤操作。表2是學(xué)生常見(jiàn)的誤操及其后果。從表中可以看出，在車(chē)工技術(shù)操作中，很多錯(cuò)誤操作的原因是很簡(jiǎn)單的，雖然教師三令五申，但是總是難以避免。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)的誤操作往往是由于心理原因，而采用工程塑料作為加工工件后，學(xué)生的畏難情緒明顯降低，減少恐懼心理增加了學(xué)生的自信心去嘗試把工件做出來(lái)。即便不小心勿操作了也可避免刀具或機(jī)床的損傷，減少人身傷害。所以使用尼龍圓棒進(jìn)行加工，對(duì)降低誤操作的嚴(yán)重后果有著重大的意義。
2.2實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益分析
我校在以往的實(shí)訓(xùn)中，平均磨刀間隔時(shí)間為25工時(shí)，采用塑料工件后，平均磨刀間隔為100工時(shí)，刀具的年損耗量有之前的3000元/年降低到1000元/年。以往用金屬材料直接練習(xí)加工，對(duì)45號(hào)鋼材消耗較多，以4.5元/公斤技算，平均每個(gè)實(shí)訓(xùn)周期下來(lái)消耗的材料約2500元，而采用尼龍塑料作為練習(xí)材料，用45號(hào)鋼作為成品加工，這樣節(jié)省練習(xí)的消耗，每個(gè)周期大約能節(jié)省1000元，大大的節(jié)省的實(shí)驗(yàn)耗材的損耗，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。
3仿真加工存在的不足之處
當(dāng)然，工程塑料作為一種典型的塑性材料，在金工實(shí)習(xí)中也有一定的不足之處。首先在加工過(guò)程中，由于工件材料塑性較大，會(huì)產(chǎn)生一系列不良的切削現(xiàn)象，如變形和讓刀現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致加工尺寸誤差較大，影響表面粗糙度；加工產(chǎn)生切屑為帶狀切屑，即使在有斷屑槽的情況也不斷屑，常常會(huì)纏繞在刀具和工件未加工表面上，需要在加工結(jié)束后從工件上取下，影響操作者視線。其次，塑料的熔點(diǎn)較低，在加工過(guò)程中不能采用較大的切削參數(shù)，有時(shí)切削速度較大時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)材料熔化的現(xiàn)象，特別是在切斷的工序，由于切削熱難以排出，積聚在已加工表面，斷面呈凸凹不平。另外南方夏季塑料會(huì)軟化，工藝系統(tǒng)的動(dòng)剛度不足，直接表現(xiàn)就是在裝夾中圓跳動(dòng)很大，而且很難消除。第三點(diǎn)是隱形的影響，工程塑料材質(zhì)很軟，對(duì)加工工藝的要求比較寬泛，可能會(huì)養(yǎng)成某些學(xué)生的錯(cuò)誤習(xí)慣，如用手指觸摸刀尖或工件表面等；在車(chē)削中用手撕扯切屑；單次背吃刀量偏大等等。以上種種弊端，一般可以通過(guò)后期的金屬車(chē)削教學(xué)及操作中得到糾正，對(duì)實(shí)訓(xùn)操作影響不大。
4總結(jié)
1征文范圍
1.1CAE當(dāng)前研究熱點(diǎn)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
(1)計(jì)算流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、仿生力學(xué)、爆破力學(xué)等新進(jìn)展;(2)新材料與新工藝、生物材料、微納米、復(fù)合材料的CAE應(yīng)用技術(shù);(3)高性能計(jì)算與CAE;(4)智能化CAD/CAE集成;(5)多學(xué)科、多尺度CAE仿真技術(shù);(6)可靠性分析與CAE工程穩(wěn)健設(shè)計(jì);(7)非線性有限元進(jìn)展及應(yīng)用;(8)有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù).
1.2CAE專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用探討
(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、疲勞壽命分析、振動(dòng)及噪聲仿真分析、碰撞仿真;(2)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)與控制仿真技術(shù);(3)跌落以及沖擊、多物理場(chǎng)耦合分析;(4)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù);(5)先進(jìn)材料/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù).
1.3CAE的平臺(tái)技術(shù)與應(yīng)用
(1)虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái);(2)分布式仿真平臺(tái)技術(shù)與協(xié)同仿真;(3)產(chǎn)品研發(fā)仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)建設(shè);(4)企業(yè)級(jí)仿真和多學(xué)科聯(lián)合仿真.
1.4CAE技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用與解決方案
(1)CAE在航空、航天、兵器、船舶工業(yè)中的應(yīng)用;(2)CAE在海洋工程、核工業(yè)及特種行業(yè)的應(yīng)用;(3)CAE在汽車(chē)制造、鐵道機(jī)車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用;(4)CAE在裝備制造及通用機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用;(5)CAE在電子、材料、土木工程、生物科技中的應(yīng)用;(6)CAE技術(shù)在國(guó)家重大工程與裝備中的應(yīng)用.
1.5CAE技術(shù)的人才培養(yǎng)
(1)社會(huì)對(duì)仿真分析工程師的需求及要求;(2)高校CAE課程的設(shè)置及人才培養(yǎng)模式;(3)社會(huì)科技中介及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的CAE人才培訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā).
2征文要求
(1)圍繞主題內(nèi)容、充實(shí)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、文字通順,字?jǐn)?shù)在5000字以?xún)?nèi),未在正式刊物發(fā)表;(2) 會(huì)議收錄論文,不收取任何費(fèi)用,僅供業(yè)內(nèi)人士交流參考;(3)文章的格式編寫(xiě)要求請(qǐng)?jiān)L問(wèn).cn或;(4)論文結(jié)束頁(yè)后另附論文全部作者詳細(xì)信息,包括作者職稱(chēng)、學(xué)歷、職務(wù)及主要專(zhuān)業(yè)方向,聯(lián)系方式,并標(biāo)明按上述5個(gè)專(zhuān)題論文應(yīng)屬的類(lèi)別;(5)論文請(qǐng)務(wù)必在7月10日之前發(fā)送到()郵箱里.
3論文評(píng)審
組委會(huì)將組織專(zhuān)家組對(duì)征集的論文進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)審,根據(jù)評(píng)審結(jié)果向論文作者發(fā)出錄取通知和參會(huì)通知,并選出優(yōu)秀論文頒發(fā)獲獎(jiǎng)證書(shū)和獎(jiǎng)品,優(yōu)秀論文將推薦給專(zhuān)業(yè)刊物正式發(fā)表.
4聯(lián)系方式
Abstract: In the actual teaching of project cost, if take the simulation technology in engineering cost course to construct the three-dimensional panoramic display of highways, bridges and tunnels in civil engineering, we can freely control the viewing angle and picture zoom, with real pictures, the effect is direct and can improve the effect of learning. This paper, taking the tunnel project as an example, talks about the applications of simulation technology in engineering cost courses.
關(guān)鍵詞：三維空間結(jié)構(gòu)；模擬仿真技術(shù)；課程教學(xué)；應(yīng)用
Key words: three-dimensional structure；simulation technology；teaching；application
中圖分類(lèi)號(hào)：G42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）05-0161-02
1工程造價(jià)課程的發(fā)展瓶頸
在實(shí)際的工程造價(jià)課程教學(xué)中，學(xué)生由于缺乏空間想象，對(duì)工程結(jié)構(gòu)沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，無(wú)法理解抽象的理論，給教師教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)了瓶頸。因此，我們希望通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)來(lái)解決傳統(tǒng)工程造價(jià)教學(xué)中存在的種種弊端。在教學(xué)中使用仿真技術(shù)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的感覺(jué)和思維器官，使所觀察的事物栩栩如生地展現(xiàn)在面前，任學(xué)習(xí)者正面、側(cè)面、反面仔細(xì)觀察仿真技術(shù)的發(fā)展被認(rèn)為是解決傳統(tǒng)工程造價(jià)教學(xué)瓶頸的一把利器。
本文正是從當(dāng)前工程造價(jià)教學(xué)的基本情況以及教學(xué)難點(diǎn)出發(fā)，將仿真技術(shù)引入到開(kāi)發(fā)工程造價(jià)教學(xué)軟件的過(guò)程中。本研究選擇隧道工程作為研究的案例，通過(guò)利用目前比較成熟的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，為老師和學(xué)生提供一個(gè)模型展示平臺(tái)。
2模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用的效果
模擬是指用一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，來(lái)全部或部分地模仿某一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使得模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一樣接受同樣的數(shù)據(jù)，執(zhí)行同樣的程序，獲得同樣的結(jié)果。有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)為仿真，是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)，代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的常用技術(shù)手段。
從國(guó)內(nèi)外職業(yè)教育專(zhuān)業(yè)信息化可以看出，模擬仿真技術(shù)具有先進(jìn)、便捷、安全等優(yōu)點(diǎn)，仿真教學(xué)系統(tǒng)向工程類(lèi)職業(yè)學(xué)校提供了培訓(xùn)學(xué)生的高技術(shù)工具，將專(zhuān)業(yè)課程和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生了解生產(chǎn)操作、熟悉生產(chǎn)原理的能力，提高了學(xué)生動(dòng)手操作的興趣與水平。以較少的投入滿足了學(xué)生的實(shí)踐需要。許多專(zhuān)業(yè)課程由于受到設(shè)備、場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)等條件的限制，可以選擇采用模擬仿真技術(shù)。但模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工程造價(jià)課程教學(xué)實(shí)踐的研究很少，可參考的研究成果幾乎沒(méi)有。
3研究方法
3.1 文獻(xiàn)研究法在研究中，通過(guò)對(duì)多種學(xué)習(xí)資料的閱讀、分析，了解到了當(dāng)前研究的發(fā)展?fàn)顩r，為論文的撰寫(xiě)奠定了必要的理論基礎(chǔ)。
3.2 個(gè)案研究法在研究中，通過(guò)具體的案例，對(duì)工程造價(jià)教學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、優(yōu)化教學(xué)策略，設(shè)計(jì)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)方案，最終完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。（圖1）
4模擬仿真技術(shù)在造價(jià)教學(xué)中的應(yīng)用
重點(diǎn)是構(gòu)建土木工程中公路、橋梁、隧道的立體全景展示。在三維仿真動(dòng)畫(huà)展示過(guò)程中，可自由控制觀看角度及畫(huà)面縮放，配合實(shí)景照片，效果直觀。施工流程部分以簡(jiǎn)單的工程施工3D動(dòng)畫(huà)，配以實(shí)景圖片及施工工藝文本說(shuō)明，使學(xué)生能更直觀地了解工程施工的流程步驟。公路、橋梁、隧道的分解結(jié)構(gòu)模塊通過(guò)點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)圖中的交互熱點(diǎn)，顯示該局部結(jié)構(gòu)的名稱(chēng)、所在位置以及該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說(shuō)明窗口，其中包含局部結(jié)構(gòu)3d展示、工程量復(fù)核、定額、工程圖紙。為了滿足課堂教學(xué)的需要，支持文本和圖紙的縮放、自由拖動(dòng)功能，以增強(qiáng)課堂教學(xué)實(shí)際效果。人性化的人機(jī)交互界面及流程分類(lèi)設(shè)計(jì)，學(xué)生在課余時(shí)間也能通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的軟件操作進(jìn)行學(xué)習(xí)。選題立足于公路工程造價(jià)專(zhuān)業(yè)，重點(diǎn)在于利用該模擬仿真技術(shù)將造價(jià)及工程量復(fù)核等內(nèi)容更加形象地展示出來(lái)，使課程的實(shí)效性更強(qiáng)（表1）。
5隧道工程案例
在傳統(tǒng)課程教學(xué)中，教師都會(huì)按照既定的教學(xué)過(guò)程來(lái)實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，那么在仿真公路系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)如何開(kāi)展？隧道模型概述為由以下幾個(gè)部分：
5.1 用戶界面呈現(xiàn)在工程仿真系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者必須是通過(guò)用戶界面與仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互。因此，構(gòu)建和諧友好、方便操作、逼近工程實(shí)體虛擬系統(tǒng)要解決的首要問(wèn)題。仿真系統(tǒng)的真實(shí)性可以豐富學(xué)習(xí)者在虛擬情境中的體驗(yàn)，方便性主要表現(xiàn)在學(xué)習(xí)中按照學(xué)習(xí)者的進(jìn)度，適時(shí)的為其提出指導(dǎo)性建議（圖2）。
5.2 仿真情景設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)要依據(jù)學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)背景及需求，呈現(xiàn)具體的公路工程、橋梁工程、隧道工程等信息。設(shè)計(jì)工程實(shí)例，仿真場(chǎng)景和工程對(duì)象，通過(guò)情境設(shè)計(jì)，以激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣（圖3）。
5.3 工程造價(jià)數(shù)據(jù)分析通過(guò)仿真系統(tǒng)的現(xiàn)象觀察，具體進(jìn)行工程造價(jià)結(jié)果的分析，處理工程數(shù)據(jù)，并根據(jù)反饋信息及時(shí)調(diào)整策略，這有助于提高學(xué)習(xí)者對(duì)造價(jià)編制過(guò)程的反應(yīng)能力以及對(duì)因果關(guān)系的敏感性。該過(guò)程中須關(guān)注在工程內(nèi)容的一致性、工程過(guò)程的交互性等問(wèn)題（圖4）。
6實(shí)用價(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義
6.1 課件制作方法的探索使用直觀的設(shè)計(jì)方法取代繁瑣的傳統(tǒng)編程式的課件制作，老師把更多精力放在課程本身的教學(xué)設(shè)計(jì)上，只需根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求，設(shè)計(jì)課件，向?qū)W生展示工程結(jié)構(gòu)；體現(xiàn)新一代課件的廣闊應(yīng)用前景。
6.2 促進(jìn)學(xué)生探索性的學(xué)習(xí)現(xiàn)在的教學(xué)所采用的方法比較單一，學(xué)生在上課中往往很被動(dòng)，面對(duì)各種各樣的公路、橋梁、擋土墻，結(jié)構(gòu)物感覺(jué)一片茫然，老師怎么說(shuō)，學(xué)生就照著怎么做。很多時(shí)候上課只停留在不動(dòng)腦的機(jī)械勞動(dòng)階段，達(dá)不到提高學(xué)生動(dòng)手能力的目的，這樣的知識(shí)傳遞過(guò)程較為單調(diào)，效果也不明顯。在仿真平臺(tái)上，學(xué)生可以擺脫了原有模型設(shè)備條件的約束,在更形象的知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)自主探索，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
6.3 降低了各類(lèi)開(kāi)支費(fèi)用工程仿真系統(tǒng)降低了科研成本，節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)，并能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)、,提高使用效率。
