論電力電子虛擬實驗室的構建

摘要：虛擬實驗是相對于實物實驗來說的，當前隨著計算機技術以及虛擬儀器的不斷更替，各種各樣的虛擬實驗室被建立起來，電力電子虛擬實驗室就是其中非常重要的一員。由于虛擬實驗自身的虛擬性和可重復性，并且能夠節(jié)約資本，這些特點使得虛擬實驗成為傳統(tǒng)實物實驗的一個必要前提過程，是當前研究的熱點課題?；诖?，本文首先分析了電力電子虛擬實驗室構建的意義，然后就電力電子虛擬實驗室的實現(xiàn)原理進行了論述，最后給出了電子電力虛擬實驗室的實現(xiàn)應用。

關鍵詞：電力電子；虛擬實驗；實驗室；構建

虛擬實驗是指在虛擬環(huán)境中所做的實驗，在虛擬環(huán)境中沒有向?qū)嵨镄螒B(tài)的實驗設備和實驗對象，因此虛擬實驗的整個實驗過程都主要是對虛擬物體進行的操作。當前虛擬實驗室主要是依靠計算機軟硬件設備與技術為支撐，通過軟件開發(fā)工具設計特定的虛擬實驗環(huán)境，從而實現(xiàn)了傳統(tǒng)實物實驗不可重復或者損壞實驗環(huán)境的束縛，是當前實驗發(fā)展的時代趨勢。相對國外虛擬實驗室發(fā)展來說，由于虛擬試驗技術需要有效結合虛擬現(xiàn)實技術、虛擬儀器技術、CAI、多媒體計算機技術等關鍵技術，由于我國相關方面的理論引入和技術研發(fā)相對較晚，因此整體發(fā)展狀況還處在初始階段。再加上電力電子學科作為一門新興高新技術發(fā)展科學，因此，做好電力電子虛擬實驗室構建的研究工作具有重要的現(xiàn)實意義。

一、電力電子虛擬實驗室的構建意義

（一）電力電子虛擬實驗室具有重要的教學和科研意義

電力電子虛擬實驗室是工科類教育教學和科學研發(fā)進行的工具，是培養(yǎng)我國電力電子高新科技人才現(xiàn)代教育技術的現(xiàn)實應用。拿教學來說，電力電子技術是指電力電子器件進行電能轉換的技術，學生只有通過具體的實驗驗證和足夠的綜合實驗設計才能夠從實踐中更深入的理解所學的理論知識和設計方法。

（二）電力電子虛擬實驗室構建的優(yōu)勢

傳統(tǒng)實物實驗室具有設備投入大，實驗環(huán)境要求高，因此需要耗費大量的人力物力和財力。而虛擬實驗室是在虛擬環(huán)境中進行的，沒有時間和空間的限制，并且實驗本身具有很高的可重復性和能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)容的快速更新，很好地滿足教學和科研實驗的具體需求，有助于學生進行實驗訓練，有助于科研實驗更好的進行完善。與此同時還能夠省去大量的實物投入資金，因此進行電力電子虛擬實驗室的開發(fā)與利用有著明顯的優(yōu)勢。

二、電子電力虛擬實驗室的設計方案

（一）電力電子虛擬實驗室的功能設計

第一，學生應用與操作功能上的設計思路。學生通過學校電力電子虛擬實驗室登錄界面進行密碼輸入，通過服務器身份驗證后，進入實驗室功能操作界面。在實驗室功能操作主頁，有學生信息、具體實驗、實驗數(shù)據(jù)、作業(yè)與聯(lián)系等模塊導航。在具體的教學過程和學生作業(yè)過程中，學生可以通過界面導航清楚地找到具體實驗的位置，在具體實驗的設計和應用過程中，學生可以通過實驗參數(shù)的具體要求進行設置，根據(jù)具體的實驗要求進行電路圖的連接，以此創(chuàng)設出仿真實驗的環(huán)境，按照教學要求完成實驗，最后把實驗數(shù)據(jù)進行分析和存儲，按照要求把實驗報告上傳至教師制定的目錄中。即便不在實驗室進行虛擬實驗操作，學生也可以在自己的筆記本電腦上進行客戶端的下載，在互聯(lián)網(wǎng)連接的而狀態(tài)下，進行實驗。

第二，教師應用于操作功能上的設計思路。相對來說，教師電力電子虛擬實驗室的設計界面與學生使用和操作上有共同之處，比如界面登錄，實驗設計和實驗分析等等。不同的是教師在輸入密碼后，服務器通過識別，判定身份驗證信息，并自動進入教師的登錄界面，在登錄界面比學生多的是教學管理模塊功能，教師可以通過教學管理功能的實現(xiàn)對學生實驗報告進行閱讀，同時還能夠在網(wǎng)上進行作業(yè)審批、問題解答等，同時處于教學實驗內(nèi)容更新的需要，可以隨時隨地的升級實驗內(nèi)容。在教學評估模塊功能上教師可以通過對學生實驗報告以及作業(yè)情況進行課節(jié)內(nèi)容的總結，有助于教師進行教學反思，提高教學效果。

（二）電子電力虛擬實驗室的平臺的選擇

由于虛擬實驗室需要依靠軟硬件技術，因此在電力電子虛擬實驗室平臺選擇上應該選擇開發(fā)工作量小和避免低水平狀態(tài)下進行重復建設，提高軟件工具的運作效率。具體來說，有通常的電力電子虛擬實驗室平臺技術應用上，應該根據(jù)現(xiàn)有編程技術軟件的應有特點和所需要達到的實驗室構建要求相匹配，比如，VB開發(fā)工具，VB控件能夠更方面的進行功能設計，并滿足各式各樣的功能實現(xiàn)的任務和起到相應的作用。VC++有著更為便捷的繪圖功能和較為成熟和廣泛應用的數(shù)據(jù)庫技術。還比如MATLAB，它具有強大的計算能力，能夠在復雜的電路計算分析中更勝一籌，和LATLAB相比，PSPICE則在電力電子電路仿真上有著更為專業(yè)的影響力，數(shù)據(jù)準確度較高。LabVIEW是近些年興起的編程語言，因其廣闊的市場潛力，被稱為G語言，主要優(yōu)勢集中在控制和現(xiàn)實控件庫方面，劣勢也較為明顯，在時間和繪圖功能實現(xiàn)上操作較為復雜。當前，無論從哪個角度選擇搭配這些軟件工具，都需要根據(jù)具體實際情況進行選擇。本文以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，以MATLAB為計算引擎，把電力電子虛擬實驗室建立在基于LabVIEW和MATLAB混合編程基礎之上。充分利用LabVIEW在數(shù)據(jù)通信、圖形化用戶操作界面，與MATLAB計算引擎一樣有著較為豐富的接口，方便其他編程語言的優(yōu)勢借用。

三、電子電力虛擬實驗室的實現(xiàn)與應用

基于LabVIEW的虛擬實驗室整個系統(tǒng)大體可以分為應用程序服務器端和用戶端兩個部分，其中服務器端是系統(tǒng)的核心部分，通過服務器端實驗模塊和實驗儀器的管理和調(diào)度，根據(jù)用戶端的具體要求進行數(shù)據(jù)分析和調(diào)度，用戶端和服務器端通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)信息傳遞和接受。LabVIEW模塊化的編程思想，使得系統(tǒng)在應用過程中顯示出了極高的靈活性和可重復性，同時在進行新的具體實驗擴展的過程中，直接加入主控程序下屬的分類集就可以，便于教師進行實驗內(nèi)容的更新。具體的功能實現(xiàn)過程，在互聯(lián)網(wǎng)連接的狀態(tài)下，根據(jù)用戶端的操作要求，服務器端通過互聯(lián)網(wǎng)接受命令請求，然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)接脩舳?，把所傳遞的環(huán)境和數(shù)據(jù)生成傳送到用戶端相應其具體要求，然后用戶端可以根據(jù)需要進行各種具體實驗的操作，在最后實驗數(shù)據(jù)分析和總結過程中，通過互聯(lián)網(wǎng)的信息無障礙傳遞和信息反饋，有服務器端生成實驗數(shù)據(jù)報告發(fā)送到用戶客戶端手中，從而實現(xiàn)了實驗的全過程。

當然在具體的設計過程中，需要注意以下幾點原則設計：

第一，軟件界面的設計原則。無論哪種軟件，在設計上一定要注意用戶的使用體驗，即講求應用效果的可操作性。因為軟件的交互界面是用戶唯一能夠真實接觸到的系統(tǒng)部分，其功能使用感受直接決定了用戶對于軟件好用與否的判斷。因此，在電力電子虛擬實驗室系統(tǒng)設計中，一定要從用戶的心理和水平角度進行考慮，比如在虛擬實驗操作過程中，從真實儀器操作體驗角度入手，使用戶能夠在計算機的操作中比如鼠標和鍵盤操作來模擬真實儀器的操作。由此，在設計上，要講求整體設計風格一致性，遵循統(tǒng)一的標準進行界面文字、圖像、窗口等的設計，整齊規(guī)劃。同時，遵循對比原則，以柔和的背景色彩最為合適，此外在實驗儀器和實驗用品上進行分裂放置，便于用戶查找和使用。

第二，仿真計算模塊的設計實現(xiàn)。犯這個很計算模塊主要包括模型參數(shù)、仿真參數(shù)設置以及仿真結果顯示三個方面，在Simulink環(huán)境下進行仿真模型搭建下，通過三個步驟的實現(xiàn)，最后以.mdl文件格式保存。具體來說，首先建立一個新文件，在具體操作頁面菜單欄選擇File，鼠標左鍵點擊NEW，并在彈出的菜單中選擇MODEL，再出現(xiàn)的空白平臺上進行電力電子電路的繪制。其次，在電力電子電路元器件模塊設計過程中，從MATLAB下找到模型庫，并根據(jù)具體要求把適合的模塊進行放置到平臺上，通過電路原理圖連接起這些組成部分，用鼠標左鍵拖住元器件移動到制定位置。在電力電子虛擬實驗模塊仿真參數(shù)模型設計中，首要明確數(shù)據(jù)模型參數(shù)的意義，即確保仿真能夠在具體的實驗過程中更加準確。在模型仿真設計應用上，通過模型參數(shù)的服務器主程序的想用和處理，在菜單欄中選擇Simulation中可以看到實驗具體的開始時間和終止時間、包括仿真類別，從而有效的降低了項目開發(fā)過程中容易出現(xiàn)誤差的情況。

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作者簡介：錢國華（1962），男，漢族，江蘇常熟人，雙學士，講師，研究方向：電力電子，電力傳動實驗及管理。