[发明专利]一种基于数字孪生技术的电路实验教学系统及方法

说明书

本发明属于模拟电子及数字电子实验教学系统领域，公开了一种基于数字孪生技术的电路实验教学系统及方法。所述电路实验教学系统包括实物电路和虚拟电路控制平台，所述实物电路和虚拟电路控制平台之间通过可编程逻辑控制器电连接。所述教学方法包括如下步骤：将实物电路与虚拟电路控制平台通过可编程逻辑控制器开关连接，通过电脑控制生成虚拟电路，虚拟仿真软件同步模拟仿真，通过对仿真电路的修改反馈到可编程逻辑控制器开关，从而改变实物电路连接。本发明基于数字孪生技术的理念，设计实物电路和虚拟仿真的数字孪生系统，通过对仿真电路的修改控制改变实物电路连接，使学生直观观察实物与仿真的相互预测和印证关系，加深对实验原理的理解。

技术领域

本发明属于模拟电子及实验教学系统领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的电路实验教学系统及方法。

背景技术

在模拟电子技术、数字电子技术和电路实验教学中，通常运用到实物电路和仿真软件，但两者往往是各自独立教学的，缺乏交互性。

数字孪生技术是指以数字化的方式建立物理实体的多维度、多时空尺度、多学科、多途径、多物理量、多概率的数字化实体(动态虚拟模型)来仿真、刻画和反应物理实体在真实环境中的属性、行为和规则等特性。首先基于高精度的物理模型、历史数据以及传感器实时数据更新构建物理实体完整映射在数字化空间(虚拟空间)的虚拟模型，从而反映相对应的物理实体的全生命周期过程的技术。实现物理实体的健康状态、剩余使用寿命以及任务可达性的预测，并能够比较预测结果与真实响应，及时发现未知问题，进而对物理实体系统触发自修复机制和任务重规划以降低损失和错误发生。数字孪生技术作为解决“工业4.0”时代信息融合、智能制造理念与目标的关键技术，得到学界广泛关注与研究，并被工业界引入到越来越多的领域落地应用。

专利CN115064020A公开了一种基于数字孪生技术的智慧教学方法、系统及存储介质，包括：采集实训教学设备实体数据信息，根据实体数据信息生成实训教学设备的点云数据，通过点云数据进行三维重建生成实训教学设备的三维重建模型；将实训教学设备的三维重建模型建立数字孪生体模型，根据数字孪生体模型构建虚拟交互场景；目标用户通过交互终端进行实训学习，获取目标用户在实训过程中的操作学习信息，根据操作学习信息评价目标用户的实训学习状况；根据目标用户的实训学习状况制定适应性实训教学计划，通过周期性考核制度对适应性实训教学计划进行更新修正。该发明通过数字孪生融合实训教学过程，提高了实训效率，同时有效解决培训效率低、危险系数高等问题。但该专利技术只是利用数字孪生体模型构建虚拟交互场景，目标用户通过交互终端进行实训学习，不涉及教学设备实体与数字孪生体模型之间的交互。

对于将数字孪生技术应用到电路实验教学，以增强实物电路和仿真软件的交互性目前还未有相应的报道。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种基于数字孪生技术的电路实验教学系统。本发明的电路实验教学系统基于数字孪生技术的理念，设计实物电路和虚拟仿真的数字孪生系统，该系统可运用于各类电路实验教学中，使学生直观观察实物与仿真的相互预测和印证关系，加深对实验原理的理解。

本发明的再一目的在于提供一种基于数字孪生技术的电路实验教学方法。本发明的电路实验教学方法简单直观，通过对仿真电路的修改控制改变实物电路连接，能够直观观察实物与仿真的相互预测和印证关系。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于数字孪生技术的电路实验教学系统，包括实物电路和虚拟电路控制平台，所述实物电路和虚拟电路控制平台之间通过可编程逻辑控制器电连接。

进一步地，所述实物电路包括实体电路元件和示波器、万用表、信号发生器等仪器。

更进一步地，所述实体电路元件可列举如开关、电阻、电容、电感、二极管、晶体管、传感器、变压器等。

进一步地，所述虚拟电路控制平台包括虚拟电路生成器和虚拟仿真软件。