Matlab和LabVIEW在電力電子虛擬實驗中的應(yīng)用

王 慧，王 毅，付 超

(華北電力大學(xué)電力與電子工程學(xué)院，河北保定 071003)

目前，國內(nèi)很多高校對仿真技術(shù)和Flash技術(shù)在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用進行了探索和實踐。很多高校教師將Matlab/Simulink應(yīng)用于電力電子教學(xué)，采用遞進式實驗教學(xué)方法和仿真實驗，提高了學(xué)生分析和理解問題的能力，取得了良好的教學(xué)效果［1-4］。還有的學(xué)?；贔lash技術(shù)使用Delphi和VB，開發(fā)制作了形象生動和使用靈活的教學(xué)軟件［5］。如果在實驗教學(xué)中讓學(xué)生自己動手搭建Matlab/Simulink仿真模型模擬真實的電路，并且編制前臺界面虛擬真實的儀器，學(xué)習(xí)效果將會更好。但采用Delphi和VB等軟件編制前臺界面的方法卻相對困難，學(xué)生不易在短時間內(nèi)掌握。

我校電力工程系通過教育部高等學(xué)?！皩I(yè)綜合改革試點”及“國家大學(xué)生校外實踐教育基地建設(shè)工作”項目，開展了基于Matlab/Simulink和Lab-VIEW混合仿真技術(shù)的虛擬實驗方法的探索。該方法能減少實驗室設(shè)備投入經(jīng)費，突破實驗時間和空間限制，為后期學(xué)習(xí)和科研奠定良好的基礎(chǔ)。

1 基于混合仿真技術(shù)的虛擬實驗方法

LabVIEW是美國國家儀器公司NI推出的一種通用的編程系統(tǒng)，它使用圖形化語言編寫程序，基本上不寫文本代碼，取而代之的是程序框圖，因為程序外觀和操作方式與示波器和萬用表等相似，常被稱為虛擬儀器VI。它使用了技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標和概念，用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。在LabVIEW和Matlab/Simulink混合編程方面，NI公司和Math-Works公司合作開發(fā)了仿真接口工具包SIT(Simulation Interface Toolkit)。我們可以使用該工具包輕松建立自定義的VI界面，實現(xiàn)與Matlab/Simulink模型的交互。

綜上所述，基于Matlab/Simulink和LabVIEW混合仿真技術(shù)的虛擬實驗方法，選擇LabVIEW編制前臺界面虛擬真實的儀器，可以實現(xiàn)仿真模型創(chuàng)建的簡單化和精確化，確保控制界面的美觀性和友好性。使用該軟件編制VI界面更充分體現(xiàn)了虛擬實驗的思想，讓學(xué)生入門比較容易，能夠消除非計算機專業(yè)學(xué)生對編程的抵觸情緒。更重要的是，采用該軟件能輕易實現(xiàn)遠程控制、WEB發(fā)布以及硬件在環(huán)仿真等功能，能擴展和提高該實驗方法的應(yīng)用范圍和層次。

2 Matlab和Labview混合仿真

2.1 混合仿真結(jié)構(gòu)框架

Matlab和LabVIEW混合仿真框架如圖1所示。該框架的基本構(gòu)成是:① Model DLL是Matlab/Simulink中搭建的仿真模型，經(jīng)過Microsoft Visual C++編譯后生成動態(tài)鏈接庫DLL(Dynamic Link library)類型的模型;②Driver VI是直接操控Model DLL的虛擬儀器程序;③Host VI是上位機中與Driver VI進行交互的的虛擬儀器程序，它實現(xiàn)了對Model DLL的間接操控;④SIT Server是通過TCP/IP協(xié)議在Driver VI和Host VI之間傳遞數(shù)據(jù)的服務(wù)程序;⑤Host Computer是運行Host VI程序的上位機;⑥Execution Host是運行Model DLL和Driver VI的下位機，下位機可以和上位機為同一臺PC。

圖1 Matlab和LabVIEW混合仿真框架

當(dāng)上位機運行Host VI程序時，程序?qū)odel DLL和Driver VI部署至下位機，SIT啟動下位機的SIT Server，與此同時，Driver VI對 Model DLL 進行初始化。當(dāng)上位機Host VI前面板控件值發(fā)生改變時數(shù)據(jù)傳遞過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳遞過程

2.2 Matlab仿真模型的建立

LabVIEW SIT安裝成功后，Matlab/Simulink庫中將出現(xiàn)NI SIT Blocks包。以搭建單相整流電路為例，其仿真模型如圖3所示。學(xué)生在搭建模型時將可能的輸出量以O(shè)ut端子的方式呈現(xiàn)，并拖入SignalProbe模塊探測模型中的信號。SignalProbe模塊必須放置在模型層次的最上方并且不能改變名稱，其它模塊也不能以此命名。

圖3 單相整流器仿真模型

Matlab/Simulink模型完成后需將其編譯成C語言代碼并生成DLL文件?，F(xiàn)以Matlab R2008A為例，其過程為:點擊Simulation菜單中子菜單項Configuration Parameters，先在Solver配置頁中設(shè)置Stop time為 inf，設(shè)置 Type為 Fixed-step，后在 Real-Time Workshop配置頁中設(shè)置 System target file為 nidll.tlc，最后點擊Build按鈕將模型編譯成DLL文件。

2.3 LabVIEW圖形界面的設(shè)計

在上例中，學(xué)生如果需要觀察交流側(cè)電壓幅值變化對直流電壓和電流的影響，可以首先在Host VI中放置Knob控件和Chart控件。Knob控件用于調(diào)節(jié)交流電壓幅值，Chart控件用于顯示直流電壓和電流波形。然后點擊Tool菜單中子菜單項SIT Connection Manager，如果下位機和上位機同為本地PC，在Model and Host配置頁中設(shè)置Execution Host為Driver VI on Localhost，如果進行硬件在環(huán)仿真等實驗，下位機為遠程實時仿真平臺則設(shè)置為Real-Time Target，設(shè)置Current Model DLL為Matlab中編譯生成的DLL文件。在Mapping配置頁中設(shè)置Host VI控件與模型信號/參數(shù)的映射關(guān)系，最后執(zhí)行Host VI程序，學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓幅值觀察直流側(cè)電壓和電流波形。圖4所示的是上位機VI用戶界面顯示交流側(cè)電壓幅值從150V變?yōu)?50V時，直流側(cè)電壓和電流變化曲線。

圖4 上位機VI用戶界面

Host VI程序部署在上位機，Model DLL程序部署在下位機，至于Driver VI和SIT Server的數(shù)據(jù)傳遞過程對學(xué)生則是透明的，他們完全不用編寫任何程序而只需配置兩者之間的映射關(guān)系。這種方法的優(yōu)點是操作方便、性能良好和易學(xué)易懂。另外，Lab-VIEW具備 WEB發(fā)布功能，利用 Web Publishing Tool可以把VI的前面板嵌入到Web頁面中，只要服務(wù)器端的應(yīng)用程序載入內(nèi)存，客戶端便可以通過瀏覽器對遠程的VI進行監(jiān)控，學(xué)生在客戶端就可以進行虛擬實驗［6］。

3 應(yīng)用效果

我們在國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目中使用了虛擬實驗的方法，實驗小組成員實現(xiàn)了Matlab/Simulink和LabVIEW的混合仿真。圖5為學(xué)生制作的三相橋式全控整流電路VI用戶界面，他們在界面上修改電壓幅值、頻率、電阻及觸發(fā)角等參數(shù)，直流側(cè)ud和id等電氣量將隨之變化。

圖5 三相橋式全控整流電路VI用戶界面

學(xué)生搭建的電路模型包括了常見的整流、逆變、直流斬波和交流調(diào)壓等基本變換電路。他們籍此熟悉常見電力電子拓撲結(jié)構(gòu)，能熟練地對電力電子電路換流的物理過程、波形特性和電參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系進行分析，掌握了用仿真技術(shù)來分析電力電子問題的技能。學(xué)生通過LabVIEW SIT可以將Model DLL和Driver VI部署至下位機，下位機為本地PC則為模型添加了交互式的界面，可在線式的修改模型參數(shù)。將下位機作為遠程實時仿真平臺，學(xué)生可進行硬件在環(huán)仿真研究，學(xué)習(xí)使用面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展PX I(PCI eXtensions for Instrumentation)和緊湊型可重配置輸入/輸出系統(tǒng) CRIO(Compact Reconfigurable Input/Output)等設(shè)備的使用方法，為后續(xù)更高層次的實驗研究作鋪墊［7］。

4 結(jié)語

本文闡述的基于Matlab/Simulink和LabVIEW混合仿真技術(shù)的虛擬實驗方法，讓學(xué)生搭建Matlab/Simulink仿真模型模擬真實的電路，使他們加深對各種電力電子電路工作原理的理解，編制LabVIEW的控制界面虛擬真實的儀器，使其感受到完成交互式仿真系統(tǒng)的成就感。實踐證明該實驗方法效果良好，不僅提高了學(xué)生的動手實踐能力，并且為后期學(xué)習(xí)和科研奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］張寶生，王念春.MATLAB在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2004，26(3):102-104

［2］葛瑜，王武.電力電子技術(shù)遞階式實驗教學(xué)研究［J］.北京:實驗技術(shù)與管理.2011，28(5):156-159.

［3］王曉剛，王佳慶.Matlab/Simulink在電力電子交互式教學(xué)中的應(yīng)用［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2004，26(5):104-106.

［4］王曉剛，王佳慶，林婷.“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革的探索［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(2):13-15.

［5］王莉，龔春英，謝少軍.基于Flash MX電力電子技術(shù)教學(xué)軟件開發(fā)［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(4):60-62.

［6］李繼容，何湘初.用LabVIEW Web服務(wù)器發(fā)布網(wǎng)頁的兩種方法［J］.上海:儀表技術(shù)，2003，5:13-15.

［7］付超，王丹，王毅，等.基于NI-PXI的分布式發(fā)電數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)［J］.西安:電力電子技術(shù)，2012，46(2):57-59.