基于MATLAB GUI的電力電子技術(shù)虛擬實驗仿真平臺的設(shè)計與構(gòu)建

宗哲英，張 旭，郝永強，王 帥，張春慧

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210000)

電力電子技術(shù)[1－3]是電氣類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程主要在介紹電力電子器件特性的基礎(chǔ)上，研究如何實現(xiàn)對不同形式的電能進行變換和控制。該課程實用性很強，具有理論與實踐并重的特點。由于電力電子器件具有非線性的特性，使得學(xué)生在學(xué)習過程中對電力電子電路的分析較為困難，需加重實踐比重，以增強對相關(guān)問題的理解。但受實踐教學(xué)學(xué)時要求和實驗設(shè)備更新的限制，要在實驗室完成所有實驗項目并不現(xiàn)實，因此在教學(xué)實踐中會出現(xiàn)理論與實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。因此，設(shè)計一個電力電子虛擬實驗仿真平臺，補充和完善該課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)習興趣，改善教學(xué)效果，是必要且可行的[4－10]。

要構(gòu)建電力電子技術(shù)虛擬實驗仿真平臺，電力電子電路的計算機仿真方法是它的基礎(chǔ)。美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB是當今科研領(lǐng)域最常用的應(yīng)用軟件之一，它在提供強大的計算功能的同時，還大力發(fā)展了圖形用戶界面功能。GUI[11－12](graphical user interface圖形用戶界面)是MATLAB的一個工具集，其圖形化的界面極大的簡化了設(shè)計過程中界面的布局操作，方便使用者執(zhí)行交互式的任務(wù)。本文利用MATLAB GUI，設(shè)計開發(fā)了一種包括登錄界面、電路選擇界面和仿真界面，可用于課堂教學(xué)演示、輔助實驗教學(xué)的電力電子技術(shù)虛擬實驗仿真平臺。

1 虛擬實驗平臺總體設(shè)計

本文設(shè)計的電力電子虛擬實驗仿真平臺是在MATLAB的語言環(huán)境平臺上開發(fā)的，在設(shè)計中采取從上到下層層遞進分析的思路。首先確定整個實驗系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，然后將每個實驗項目作為本結(jié)構(gòu)框架下的子實驗系統(tǒng)，最后確定統(tǒng)一的接口。在代碼的實現(xiàn)上，通過編寫所需功能模塊的回調(diào)函數(shù)以達到預(yù)期的功能，之后對程序進行修改與調(diào)試。如圖1所示，為GUI程序運行流程圖。

圖1 GUI程序運行流程

該平臺在滿足電力電子技術(shù)課程理論和實驗教學(xué)要求及課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，還可以輔助本科生自己進行綜合實驗設(shè)計。如圖2所示，設(shè)計出的本文虛擬實驗仿真平臺的總體框架。

圖2 虛擬實驗平臺的總體框架

2 界面設(shè)計

2.1 登錄界面設(shè)計

用戶登錄界面包括用戶注冊、修改密碼、退出3個選項菜單，可完成老用戶登錄、新用戶注冊、用戶賬號信息加密和修改密碼等功能[5]，如圖3所示。

圖3 登錄界面窗口

為標明該虛擬實驗系統(tǒng)的制作和版權(quán)單位，GUI界面的左上角以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的?；兆鳛楸酒脚_的LOGO。相應(yīng)的MATLAB程序如下:

2.2 實驗電路界面設(shè)計。

1)實驗電路選擇窗口的設(shè)計。

實驗電路選擇界面包括基本實驗電路演示平臺和綜合創(chuàng)新實驗操作平臺兩部分?；緦嶒炿娐费菔酒脚_包括整流電路、斬波電路、逆變電路和調(diào)壓電路及其典型子電路系統(tǒng)，涵蓋了電力電子技術(shù)課程的主要教學(xué)內(nèi)容。此界面起過渡作用，以方便實驗電路的選擇，如圖4所示。

圖4 實驗電路選擇窗口

2)演示平臺功能簡介。

基本實驗電路演示平臺界面里每個實驗均包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗電路的計算機仿真、實驗結(jié)果波形顯示及相關(guān)計算等。利用演示實驗環(huán)節(jié)，可以快速、清晰地完成對電路工作過程模擬及分析，此部分是虛擬實驗的主要內(nèi)容。

3)綜合創(chuàng)新實驗操作平臺簡介。

操作平臺也是虛擬實驗仿真系統(tǒng)的重要組成之一，可滿足學(xué)生自己動手設(shè)計電路的需求。操作平臺需預(yù)先建立空白的Simulink設(shè)計界面、電力電子元器件庫和常用的模塊庫。單擊圖4的 “操作平臺入口”按鈕，會自動彈出自建的電力電子元器件庫和空白的Simulink設(shè)計界面，如圖5和圖6所示。學(xué)生可根據(jù)需要自行設(shè)計實驗并進行仿真研究。

圖5 電力電子元件庫

圖6 Simulink設(shè)計界面

2.3 仿真電路界面

1)仿真電路界面簡介。

以單相交流調(diào)壓電路為例進行介紹。

單擊演示平臺上調(diào)壓電路的單相交流調(diào)壓電路按鈕，進入單相交流調(diào)壓電路仿真平臺，如圖7所示。

圖7 單相交流調(diào)壓電路仿真平臺界面

其中，左邊電路原理區(qū)和輸入?yún)?shù)區(qū)屬控制部分，右邊屬顯示部分。控制部分可實現(xiàn)將原理圖通過選項菜單選擇導(dǎo)入，并能夠根據(jù)電路實際要求設(shè)置輸入?yún)?shù)。顯示部分可以顯示電路的各相關(guān)波形。

2)仿真電路界面功能的實現(xiàn)。

下面介紹界面主要功能的實現(xiàn)。

①電路原理區(qū):單擊選項菜單 “原理圖”即可顯示電路原理圖，分別由 “imread” 和 “image”函數(shù)實現(xiàn)讀取和顯示電路原理圖的功能。MATLAB語言相關(guān)程序如下:

②電路參數(shù)設(shè)置區(qū):電壓、電阻、電感和移相角的傳遞，是由get函數(shù)讀取GUI界面數(shù)值，利用參數(shù)同名傳遞到相應(yīng)的mdl模型中。仿真時間的設(shè)置可通過打開 “Simulink模型”進行修改，利用open＿system()打開相應(yīng)的模型。此菜單功能除了可以修改仿真時間外，還可通過直接修改相關(guān)模塊來搭建其他類似電路，并對其工作波形進行觀測。

③波形顯示區(qū):GUI界面參數(shù)通過函數(shù)get傳遞到單相交流調(diào)壓電路電路mdl模型中，模型在后臺進行仿真后的結(jié)果，會通過sim、simset函數(shù)和plot顯示在GUI界面上。

④菜單區(qū):選項菜單有電路原理圖、實驗原理、Simulink模型、啟動仿真及退出和返回上一級菜單，可通過菜單編輯器實現(xiàn)對選項菜單的編輯。

3 應(yīng)用與測試

本虛擬實驗平臺提供了演示實驗和操作實驗兩種實驗類型，下面分別舉例介紹兩種實驗的測試及實現(xiàn)。

3.1 演示實驗

以單相交流調(diào)壓電路為例，按2.3節(jié)所述操作步驟進入演示電路仿真平臺，通過選項菜單導(dǎo)入電路原理圖，根據(jù)要求在參數(shù)設(shè)置區(qū)對參數(shù)進行設(shè)置，即可在波形顯示區(qū)觀測到仿真波形，如圖8所示，為觸發(fā)角α=45°時的晶閘管電流、電壓及負載電流、電壓的波形。

圖8 單相交流調(diào)壓電路仿真波形

此外，還可以通過 “Simulink模型”直接進入系統(tǒng)模型界面，單擊菜單選項下的 “Simulink模型”，系統(tǒng)將在后臺運行程序及模型，也可實現(xiàn)此功能，十分方便。電路及波形如圖9所示，與GUI界面的波形顯示完全相同。

圖9 單相交流調(diào)壓電路仿真模型與波形

3.2 操作實驗

操作實驗是學(xué)生自己搭建電路，并可設(shè)置器件參數(shù)和屬性的平臺。該平臺在演示實驗的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供了打破原有實驗的限制自己設(shè)計實驗的機會。在設(shè)計和實驗過程中，可提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問題及解決問題的能力。

1)搭建電路圖(以單相半波可控整流電路為例)。

①選取并拖放元器件:搭建單相半波可控整流電路需要的基本元件交流電源1臺、脈沖電源1臺、晶閘管1個和電阻1個。

②器件間連線及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖10所示。

圖10 器件連線

③電路圖搭建說明:此處電路搭建類似于演示平臺中的電路仿真搭建，唯一不同之處在于參數(shù)的設(shè)置。操作實驗下參數(shù)直接修改即可，而演示實驗中需要參數(shù)傳遞到GUI界面程序中，與之相比，操作平臺更隨意。

2)電路仿真。

設(shè)置元件屬性并仿真，如圖11所示，為觸發(fā)角α=0°時的仿真曲線。

圖11 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果不難看出實驗結(jié)果的正確性。通過此實驗我們可觀察到，觸發(fā)角發(fā)生改變時，直流輸出電壓、負載電壓波形均會發(fā)生相應(yīng)的變化，當觸發(fā)角α=180°時，平均電壓為0。

電力電子技術(shù)課程的理論計算比較繁瑣，利用上述虛擬系統(tǒng)進行仿真，會準確、快速地獲得工作波形，直觀、便捷，節(jié)省了大量傳統(tǒng)方法繪制工作波形的時間。利用該操作平臺可對復(fù)雜的電路、電力電子變流系統(tǒng)進行建模仿真。

4 結(jié)束語

本文所述的電力電子虛擬實驗仿真平臺是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一個必要、有益的補充，既能節(jié)省教學(xué)的經(jīng)濟成本，也使實驗在時間、空間上得到有效的延長。在理論教學(xué)的課堂上，利用虛擬實驗平臺進行實驗驗證，既加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，又能解決課程內(nèi)容與傳統(tǒng)實驗脫節(jié)的問題。本實驗平臺的操作實驗為學(xué)生提供了一個創(chuàng)新的平臺，充分調(diào)動學(xué)生主動性和創(chuàng)造性的同時，又培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計和調(diào)試系統(tǒng)的能力。因此，本虛擬實驗平臺具有通用性高、交互性能好、靈活性強的特點，有較大的應(yīng)用和推廣價值。

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