基于LabVIEW和Matlab的電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

何 慧，田衛(wèi)華

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

電力電子技術(shù)是通過(guò)電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和變換的一門(mén)技術(shù)，作為各高等院校與電相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課，具有突出的地位和價(jià)值，而安排與課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)為同學(xué)們更好地學(xué)習(xí)和研究提供了便利，更易于學(xué)生了解電路工作過(guò)程和進(jìn)行結(jié)果分析[1]?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也局限于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，限制因素過(guò)多，學(xué)生實(shí)際操作機(jī)會(huì)少，效果較差，電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用可解決這一問(wèn)題。通過(guò)使用最為普遍的計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)環(huán)境，開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可最大化的模擬和再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

在開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW和Matlab的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，學(xué)生可以通過(guò)文字、圖像等眾多方面的輔助工具進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，能較全面的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工作原理等，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬結(jié)果的分析和研究，并深入理解實(shí)驗(yàn)意義，提高理論與實(shí)際結(jié)合的應(yīng)用水平，從而在一定程度上提高教學(xué)效率，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理

通過(guò)SIT來(lái)實(shí)現(xiàn)LabVIEW和Matlab/Simulink交互通信的原理如圖1所示。

圖1 交互通信原理

其中，進(jìn)行創(chuàng)建LabVIEW用戶接口并運(yùn)行Host VI的是主計(jì)算機(jī)(Host Computer)[2]。Matlab/Simulink應(yīng)用程序、SIT server和仿真模型由執(zhí)行主機(jī)(Execution Host)運(yùn)行啟動(dòng)。執(zhí)行主機(jī)既可以是主計(jì)算機(jī)，也可以是使用同一TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的電腦。打開(kāi)Matlab軟件SIT服務(wù)器就自行開(kāi)啟，其默認(rèn)端口可修改。若主計(jì)算機(jī)和執(zhí)行主機(jī)不是同一電腦，則必須都裝有SIT server才能完成主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)通信[3]。

混合仿真時(shí)，Host VI通過(guò)中間網(wǎng)路協(xié)議TCP/IP向SIT服務(wù)器發(fā)送LabVIEW界面被調(diào)整過(guò)后的新參數(shù)值。服務(wù)器又將其傳遞到相控整流電路模型上，Simulink里對(duì)應(yīng)的模塊對(duì)傳送來(lái)的參數(shù)值進(jìn)行刷新響應(yīng)。隨后，SIT Server將時(shí)刻檢測(cè)到的模型改變后的輸出信號(hào)按原方式傳回用戶界面主程序并更新前面板的顯示控件，完成仿真過(guò)程。

2 LabVIEW和Matlab混合仿真技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真接口工具箱SIT

Matlab和LabVIEW軟件安裝成功后，并不能實(shí)現(xiàn)與LabVIEW的自動(dòng)鏈接通信，需進(jìn)行如下設(shè)置：

1)設(shè)置LabVIEW時(shí)，先打開(kāi)軟件，新建一個(gè)空白VI；打開(kāi)工具/選項(xiàng)/VI服務(wù)器[4]；選擇TCP/IP，在機(jī)器訪問(wèn)列表中輸入本機(jī)IP或者localhost。

2)設(shè)置Matlab時(shí)，打開(kāi)軟件，輸入edit matlabrc命令，在打開(kāi)的.m文件末尾添加如圖2所示命令并保存。

此時(shí)打開(kāi)Matlab，若命令窗口出現(xiàn)：

SIT:Added paths for Simulation Interface Toolkit Version 2012

Starting the SIT Server on port 6011

SIT Server started則表示SIT已自動(dòng)運(yùn)行[5]。此時(shí)在LabVIEW的工具菜單中添加一個(gè)新的“SIT Connection Manager”管理器選項(xiàng)；Simulink庫(kù)文件中增加“NI SIT Blocks”選項(xiàng)，其中“signalProbe”為L(zhǎng)abVIEW和Matlab不可或缺的鏈接模塊。

圖2 添加命令示意圖

在進(jìn)行軟件安裝時(shí)，為保證正常通訊，需注意以下幾點(diǎn)：

1)將軟件全部安裝在同一盤(pán)符中，如安裝在C盤(pán)。

2)各軟件操作系統(tǒng)版本應(yīng)一致(同為32位或64位操作系統(tǒng))，并且與PC支持操作系統(tǒng)相匹配，否則無(wú)法完成通信連接。

3)軟件安裝順序?yàn)镸atlab/Simulink、LabVIEW、SIT。SIT一定要最后安裝，否則會(huì)提示通信不成功等錯(cuò)誤。

2.2 Simulink模型搭建

以三相橋相控整流電路帶電感性負(fù)載為例進(jìn)行模型搭建方法和界面設(shè)計(jì)過(guò)程說(shuō)明。

按照?qǐng)D3所示原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行Simulink模型的搭建。在模塊庫(kù)中選取交流電源、通用橋、同步六脈沖觸發(fā)器、Powergui(電力圖形用戶界面)等功能模塊放到模型窗口中并進(jìn)行連線，最后根據(jù)工程實(shí)際需要設(shè)置模塊內(nèi)部參數(shù)。搭建好的模型如圖4所示。

圖3 電感性負(fù)載電路原理

模型中，SIT Out1和SignalProbe為NI SIT Blocks工具包中的模塊，SignalProbe為L(zhǎng)abVIEW與Matlab之間的鏈接模塊，SIT Out1為波形輸出探針(即使輸出量以O(shè)ut端子的方式表示)。因?yàn)橐谟脩鬖abVIEW構(gòu)建的界面中顯示Simulink模型中相控整流電路的輸入電壓、二次側(cè)電流、負(fù)載電壓、負(fù)載電流，以及晶閘管承受的電壓、流過(guò)晶閘管的電流6個(gè)波形圖結(jié)果，所以放置6個(gè)探針在數(shù)據(jù)輸出端口，以將仿真數(shù)據(jù)傳遞到LabVIEW軟件的SIT Connection Manager中，保證后續(xù)變量映射的成功鏈接，實(shí)現(xiàn)混合仿真。在所有模型器件搭建完成后，最后添加NI SIT Blocks工具包中的SignalProbe模塊，以探測(cè)仿真模型中的信號(hào)，控制仿真運(yùn)行狀態(tài)。SignalProbe模塊必須在模型最頂層插入且不能修改名稱，其他模塊也不能以此命名[6]。

圖4 三相全控整流電路帶電感性負(fù)載模型

本例中，與LabVIEW界面匹配的控制輸入量為晶閘管的控制角α、電動(dòng)勢(shì)E、內(nèi)阻R、平波電抗器Ld、三相電源的峰值和頻率。模型中Firing Angle模塊的輸入值對(duì)應(yīng)晶閘管的控制角α。因通用橋沒(méi)有輸出測(cè)量端，因此在Measurement項(xiàng)選擇需測(cè)量的電壓電流量后，添加Multimeter模塊(多路測(cè)量模塊，也稱萬(wàn)用表)，選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)就可以輸出uvT1、ivT1波形。

模型建好后，打開(kāi)仿真-參數(shù)配置菜單，進(jìn)行具體參數(shù)設(shè)置。其中Simulation time(仿真時(shí)間)的Stop time為inf；Solver options(仿真算法)的類型Type選擇固定步長(zhǎng)，步長(zhǎng)大小可根據(jù)模型具體情況來(lái)定，該文中步長(zhǎng)設(shè)為10-6s。

2.3 混合仿真的鏈接

首先，使用繪圖編輯軟件制作出三相橋相控整流電路帶電感性負(fù)載電路的原理圖。然后，打開(kāi)LabVIEW軟件新建一個(gè)VI文件，進(jìn)入虛擬儀器VI程序設(shè)計(jì)環(huán)境，該環(huán)境包括一個(gè)前面板窗口、一個(gè)程序框圖窗口。前面板是用戶的操作界面，通過(guò)旋鈕、布爾開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)桿等輸入控件和波形圖表、文本顯示等指示器進(jìn)行創(chuàng)建，完成數(shù)據(jù)的提供和獲取生成的數(shù)據(jù)等功能。程序框圖窗口通過(guò)調(diào)用函數(shù)選板和工具選板進(jìn)行圖形化源代碼程序的編寫(xiě)，根據(jù)程序框圖的運(yùn)行邏輯決定VI的運(yùn)行方式并控制前面板器件的工作狀態(tài)和功能實(shí)現(xiàn)[7]。因?yàn)椴捎没旌戏抡鏁r(shí)，通過(guò)電路模型的調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)程序框圖的自動(dòng)生成，所以只需要編寫(xiě)前面板。

LabVIEW創(chuàng)建的用戶圖形界面主要包括電路模型原理圖、系統(tǒng)需控制的輸入?yún)?shù)和圖像顯示三部分。該平臺(tái)操作界面進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的邏輯思路是通過(guò)操作界面手動(dòng)調(diào)整電壓幅值、電壓頻率、負(fù)載及觸發(fā)角等，使二次側(cè)電流、負(fù)載電壓、負(fù)載電流等電氣量隨之變化，并在圖表中直觀地顯示出影響，為后續(xù)的結(jié)果分析服務(wù)。

前面板空白處右鍵從控件選板里選擇6個(gè)數(shù)值輸入控件，分別命名為控制角α(°)、平波電抗器參數(shù)值L(H)、直流電源內(nèi)阻值R(Ω)、直流電源電動(dòng)勢(shì)E(V)、三相電源頻率、三相電源峰值。其中數(shù)值輸入控件是控制器，可以直接調(diào)整Simulink仿真模型中的晶閘管控制角α、平波電抗器電感、內(nèi)阻值、電動(dòng)勢(shì)、交流電源峰值頻率等參數(shù)，操作較Simulink更簡(jiǎn)便。同樣選擇六個(gè)圖形-波形圖表組成指示器模塊。波形圖表是指示器，具有顯示相控整流電路的輸入電壓、二次側(cè)電流、負(fù)載電壓、負(fù)載電流、以及晶閘管承受的電壓、流過(guò)晶閘管的電流圖的功能。

LabVlEW前面板界面設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行輸入控件、顯示控件與Simulink中相控整流電路模型的映射關(guān)系鏈接，進(jìn)行如下操作就可實(shí)現(xiàn)交互通信。

單擊菜單欄中的工具，選擇SIT Connection Manager(即SIT連接管理器)，該對(duì)話框通過(guò)創(chuàng)建Host VI的框圖代碼來(lái)建立Host VI和模型之間的映射[8]。

在Current Model單選框中指定之前搭建的Simulink仿真模型文件，此時(shí)Mappings選項(xiàng)卡被激活。在Mappings選項(xiàng)卡頁(yè)，Current Mappings框中的Lable一列顯示LabVlEW前面板中已搭建好的輸入控件Control(每個(gè)Control控件只與一個(gè)參數(shù)相對(duì)應(yīng))和指示器Indicate。Mapped Parameter/Signal一列為空白，此時(shí)需要與Simulink 仿真文件中可配置的參數(shù)相鏈接。雙擊Lable中的一項(xiàng)，彈出Simulink 仿真模型可進(jìn)行鏈接操作的參數(shù)列表，選擇對(duì)應(yīng)的參數(shù)建立映射。當(dāng)用戶界面輸入控件，指示器與模型參數(shù)的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)后，便完成了LabVlEW和Matlab/Simulink的無(wú)縫連接。最終映射關(guān)系如圖5所示。

圖5 映射關(guān)系

點(diǎn)擊Mappings頁(yè)面下方的OK按鈕，程序代碼自動(dòng)在程序框圖面板生成，生成的程序框圖如圖6所示。無(wú)縫鏈接建立完成，在運(yùn)行時(shí)通過(guò)操作用戶界面就能控制相控整流電路仿真模型的運(yùn)行。

圖6 操作界面程序

3 模型運(yùn)行仿真結(jié)果

運(yùn)行及仿真時(shí)，需先打開(kāi)Matlab軟件使系統(tǒng)處于Matlab運(yùn)行環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)SIT Sever的自行啟動(dòng)。之后再啟動(dòng)LabVIEW工程文件進(jìn)行混合仿真。

通過(guò)LabVIEW與Matlab的混合編程實(shí)現(xiàn)了相控整流電路的仿真，仿真波形圖與Simulink仿真示波器顯示結(jié)果相同。以三相橋相控整流電路帶電感性負(fù)載電路為例進(jìn)行仿真功能說(shuō)明。圖7表示的是電路在三相電源峰值100 V、頻率50 Hz、控制角60°、負(fù)載電阻2 Ω、電感0.02 H參數(shù)下的仿真結(jié)果。

圖7 電感性負(fù)載仿真界面

另外，LabVIEW強(qiáng)大的圖形顯示處理功能，可以為今后的工作帶來(lái)極大的便利。如圖形工具選板還可以對(duì)波形圖進(jìn)行顯示調(diào)整，滿足不同情況的需要。如選擇波形縮放工具，可完成不同模式的圖像調(diào)整，數(shù)字顯示可以跟隨仿真隨時(shí)顯示波形圖的對(duì)應(yīng)值，或是通過(guò)創(chuàng)建游標(biāo)的方式，與曲線關(guān)聯(lián)后顯示指定點(diǎn)的數(shù)值，方便數(shù)據(jù)的讀取[9]。導(dǎo)出簡(jiǎn)化圖像功能支持結(jié)果波形圖的Word生成，方便實(shí)驗(yàn)人員后續(xù)電子檔實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫(xiě)。

該文僅以三相橋式相控整流電路電感性負(fù)載為例進(jìn)行說(shuō)明，還可進(jìn)行逆變電路、DC-DC變化電路、AC-AC變換電路的設(shè)計(jì)仿真。基于LabVIEW和Matlab的電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體上可以實(shí)現(xiàn)登錄、密碼修改、選擇電路仿真實(shí)驗(yàn)類型、電路的混合仿真等功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

所述的電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用LabVIEW和Matlab混合編程的方式，通過(guò)SIT(仿真接口工具包)進(jìn)行兩軟件的通信即無(wú)縫連接，使實(shí)驗(yàn)室更趨向于軟件化和網(wǎng)絡(luò)化，不僅可操作性強(qiáng)而且結(jié)果顯示直觀。

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