“電力電子技術(shù)”虛擬交互教學系統(tǒng)研究

張瑋?蔡艷平?何艷萍

摘要：“電力電子技術(shù)”既是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門實用性和實踐性較強的課程。針對該課程在理論講解和實驗中出現(xiàn)的問題，設(shè)計了一個電機類課程虛擬交互教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有界面友好性和開放性的特點。實踐證明，采用此系統(tǒng)可以較好地適應(yīng)教員教學和學員學習的需要。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；虛擬交互；教學系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0067-02

“電力電子技術(shù)”既是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門實用性和實踐性較強的課程。教學內(nèi)容以電力電子電路為主線，以波形與相位分析方法（波形分析法）貫穿始終，通過分析各類電力電子器件的通斷情況來理解整流、逆變、斬波等典型電路的工作原理，從而繪制出電路在不同負載作用下各參考點的電流、電壓波形?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程的內(nèi)容較為抽象，理解起來比較困難。教學過程中，理論講解、實驗驗證是兩個必經(jīng)環(huán)節(jié)。理論講解中，由于電路類型多，不管是晶閘管觸發(fā)控制角變化控制（相控），還是全控型器件高頻率通斷控制（斬控），單相電路比較容易，對于三相電路，學員普遍認為較難理解。而實驗可以驗證理論，加深學員的理解，因此應(yīng)開設(shè)一些相關(guān)的實驗課程。做實驗時，幾乎所有的電路和系統(tǒng)都是封閉式的，多數(shù)僅用掛件或?qū)嶒炏鋪硗瓿蓪嶒?。實驗過程中，學員幾乎是機械式連線、讀取實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗數(shù)據(jù)和波形，即使不了解電路的工作原理，只要連線正確、實驗儀器完好即可完成實驗，但是如果設(shè)備或連線有問題，就會使實驗結(jié)果與理論分析不符甚至出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致學員不能獨立分析、解決問題，排除故障。

針對“電力電子技術(shù)”課程在教學和實驗中出現(xiàn)的問題，設(shè)計了一個電機類課程虛擬交互教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠變抽象為具體，變枯燥為生動，形象直觀地進行教學，有助于激發(fā)學員的學習興趣，提高教學質(zhì)量。該系統(tǒng)基于VB和MATLAB的接口編程，可以通過友好的系統(tǒng)界面，運行相應(yīng)的Simulink仿真模型。該系統(tǒng)不僅可以實時觀察電路中任意參考點的電壓、電流波形，還可以實現(xiàn)交互操作，實時改變電路參數(shù)，從而加深學員對電路的理解；對于學員日后提高工程應(yīng)用和科研水平，掌握現(xiàn)代工程設(shè)計和實驗方法——計算機仿真技術(shù)很有幫助。該系統(tǒng)不僅可以用于輔助教員進行理論講解，加深學員理解，還可以用于學員做實驗前熟悉實驗項目，掌握實驗原理。實踐證明，采用該系統(tǒng)可以較好地適應(yīng)教員教學和學員學習的需要。

一、虛擬交互教學系統(tǒng)設(shè)計

虛擬交互教學系統(tǒng)設(shè)計的思路是：利用MATLAB構(gòu)建仿真模型，使用VB搭建界面，VB調(diào)用仿真模型，實現(xiàn)一個可以調(diào)用仿真模型的虛擬交互教學系統(tǒng)。

1.MATLAB/Simulink簡介

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱。其除具備卓越的數(shù)值計算能力外，還具備專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能。Simulink是MATLAB軟件下的一個附加組件，是用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包，為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（GUI）。建立系統(tǒng)模型時依托圖形界面，利用鼠標單擊和拖拉方式構(gòu)建仿真模型，像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡單。

2.常用電力電子電路模塊庫

（1）電力電子元件庫（POWER ELECTRONICS）。電力電子元件庫是Simulink的SIMPOWERSYSTEMS模塊庫中重要的元件庫，包括IDEAL SWITCH功能模塊和IGBT功能模塊，涵蓋了絕大多數(shù)電路所需的開關(guān)元件，如晶體二極管，IGBT，MOSFET，THYRISTOR，理想開關(guān)，THREE-LEVEL BRIDGE和UNIVERSAL BRIDGE等。

（2）線路元件庫（ELEMENTS）。線路元件庫也是Simulink的SIMPOWERSYSTEMS模塊庫中重要的元件庫，包括BREAKER功能模塊和LINEAR TRANSFORMER功能模塊，涵蓋了絕大多數(shù)電路所需的元器件，如電阻器、電容器、輸電線、變壓器、斷路器等。

3.電力電子電路仿真

（1）建立仿真模型。以三相橋式全控整流電路為例，建立仿真模型，使用模型庫的三相橋（Universal Bridge）和同步6脈沖觸發(fā)器（Synchronized 6-Pulse Generator）集成模塊，如圖1所示。

（2）設(shè)置模型參數(shù)。以阻感負載為例，設(shè)置模型參數(shù)。一是三相電壓源參數(shù)設(shè)置：電壓峰值為100V，頻率為50Hz。二是三相晶閘管整流器參數(shù)設(shè)置：使用默認值。三是RLC負載參數(shù)設(shè)置：R的值為45Ω，L的值為1，C的值為inf。四是6脈沖發(fā)生器設(shè)置：頻率為50Hz，脈沖寬度取1°，選擇雙脈沖觸發(fā)方式。將其第五個輸入端（Block）置“0”，此時有脈沖輸出。如果置“1”，則沒有脈沖輸出。五是觸發(fā)角設(shè)置：α設(shè)為30°。

（3）仿真結(jié)果。圖2為三相橋式全控整流電路仿真結(jié)果，可觀察輸出電壓、輸出電流、晶閘管兩端電壓等多個波形，并且可以通過改變α角，觀察以上波形，由此加深對于電路的理解。

4.VB簡介及應(yīng)用

（1）VB簡介。Visual Basic（簡稱VB）是美國微軟公司推出的Microsoft Visual Studio可視化開發(fā)工具套件中的一個組件，是在Quick BASIC基礎(chǔ)上，為開發(fā)Windows應(yīng)用程序而提供的強有力的開發(fā)工具，是一種具有良好的圖形用戶界面（Graphic User Interface，簡稱GUI）的程序設(shè)計語言。該系統(tǒng)采用VB和MATLAB的接口編程，通過友好的系統(tǒng)界面，運行相應(yīng)的Simulink仿真模型。

（2）界面制作。用VB開發(fā)的“實驗內(nèi)容和步驟”窗體中包含多個運行按鈕，這些按鈕是根據(jù)電路帶不同類型的負載而設(shè)置的，當單擊任一個運行按鈕時，都會調(diào)用相應(yīng)的Simulink模型窗口進行仿真。要實現(xiàn)這一功能，就需要在運行按鈕的單擊事件中輸入相應(yīng)的代碼。以第一個運行按鈕（Commandl）為例，介紹代碼的編寫過程即VB和MATLAB的接口編程的實現(xiàn)。雙擊Commandl，進入代碼編寫窗口，在PrivateSub Commandl—Click0中寫入如下代碼：

其中，fz是一個后綴為mdl的模型文件，就是仿真模型的名稱。該文件路徑是可以指定的，但須在MATLAB中將該文件路徑設(shè)置為搜索路徑，否則無法調(diào)用該文件。

輸入以上代碼，即可調(diào)用程序。但是在VB調(diào)用仿真模型時，只是彈出一下，馬上就結(jié)束。因此，為了使調(diào)用的程序不結(jié)束，可使用如下代碼：

以上兩行代碼，第一行代表可以開始運行仿真，第二行代表暫停仿真。當程序運行至第二行時，仿真界面將停住，此時即可對模型進行相應(yīng)的操作，與在MATLAB中操作方法類似。圖3是編程截圖。

二、虛擬交互教學系統(tǒng)實現(xiàn)

為了使整個虛擬交互教學系統(tǒng)正常運行，必須把用VB完成的界面設(shè)計和用MATLAB實現(xiàn)的仿真模型連接起來，也就是VB和MATLAB的接口編程。本交互系統(tǒng)中VB和MATLAB的動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）采用的是客戶端/服務(wù)器（c/s）模式，VB作為客戶端，MATLAB作為服務(wù)器。而接口編程方法中的ActiveX技術(shù)正適合于這種模式，并且實現(xiàn)起來比較方便，因此采用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)VB和MATLAB的接口編程。系統(tǒng)主要包括主界面和調(diào)用界面，進入調(diào)用界面后，就相當于在MATLAB環(huán)境中操作。

1.主界面

虛擬交互教學系統(tǒng)標題為“電機類課程虛擬交互系統(tǒng)”，主界面有兩個按鈕，即“進入系統(tǒng)”和“退出系統(tǒng)”，如圖4所示。

2.調(diào)用界面

進入系統(tǒng)后，出現(xiàn)調(diào)用界面。本界面主要是進入相應(yīng)仿真模型，共有9個仿真模型。本界面具有可添加性，可以根據(jù)自己的需要制作仿真模型并添加到系統(tǒng)中，對系統(tǒng)進行完善。

三、結(jié)論

本虛擬交互教學系統(tǒng)具有界面友好性和開放性兩個特點。友好性體現(xiàn)為交互系統(tǒng)界面友好，可以完成對仿真模型的調(diào)用。調(diào)用仿真模型后，環(huán)境與在MATLAB中相同，可以對模型進行仿真操作。開放性體現(xiàn)為可實時修改模塊中的參數(shù)，甚至根據(jù)需要可以添加模塊和模型。教員在完成理論講解后，可使用本系統(tǒng)對所講解的電路進行仿真，使學員可以實時觀察電力電子電路中任意參考點的電壓、電流波形，還可以實現(xiàn)交互操作，實時改變電路參數(shù)，加深學員對電路的理解。另外，將該系統(tǒng)進行適度開放后，學員不僅可以親自對教員所講電路進行仿真，還可以自己構(gòu)造仿真模型（添加代碼只需要改動模型文件名稱即可）并添加到系統(tǒng)中，完善整個系統(tǒng)。由于時間關(guān)系，系統(tǒng)中僅僅囊括了“電力電子技術(shù)”課程部分電路的仿真，未包含其他復(fù)雜的電路和“電力電子技術(shù)”課程中電機調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容。希望日后可以依靠教員和學員的努力完善此系統(tǒng)，從而更有利于教員的教學和學員的學習。

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（責任編輯：孫晴）