GUI軟件在電力電子課程教學(xué)上的應(yīng)用

(天津市儀表無線電工業(yè)學(xué)校，天津 300350)

1.研究意義

電力電子技術(shù)是電氣自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。該課程是一門理論性極強(qiáng)的課程、概念及其抽象、計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，造成中職學(xué)生難以理解和掌握。在理論教學(xué)過程中，一般都是采用波形與相位分析的方法解釋電路的工作原理，在繪制電路圖及波形圖上通常需要花費(fèi)大量時(shí)間，由于波形繪制精度難以保證，教學(xué)效果一般。學(xué)生在理解和掌握過程中，由于電子電路結(jié)構(gòu)多樣，負(fù)載分析復(fù)雜，波形難以掌握，大大降低了學(xué)習(xí)本門課程的興趣。

傳統(tǒng)的電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有很多局限性，首先，由于接線復(fù)雜，學(xué)生開始對(duì)實(shí)驗(yàn)還不能完全掌握，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的接線，只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出的線路連接，不能很好的根據(jù)理論進(jìn)行參數(shù)的修改，達(dá)不到做實(shí)驗(yàn)的目的。其次，實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于錯(cuò)誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞、設(shè)備老化造成干擾等，都會(huì)造成通過實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與理論分析得出的結(jié)果不符，造成學(xué)生難以理解實(shí)驗(yàn)，不能從實(shí)驗(yàn)中得到結(jié)論，達(dá)不到教學(xué)的目的。更重要的一點(diǎn)是，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是在高電壓下進(jìn)行，危險(xiǎn)性較大。

基于上述存在的問題，提出基于GUI軟件教學(xué)的方法，設(shè)計(jì)了一系列基于MATLAB GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)通過電腦實(shí)驗(yàn)或者演示的方法，很好的解決電力電子技術(shù)理論教學(xué)概念難以理解的問題與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中接線復(fù)雜、危險(xiǎn)等困難。MATLAB是國內(nèi)外高校學(xué)和使用的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，開發(fā)這樣的一系列基于MATLAB GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)，對(duì)于中職院校在電力電子技術(shù)教學(xué)中有很大的幫助。

2.研究內(nèi)容

針對(duì)中職院校學(xué)生的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)的實(shí)際情況，根據(jù)自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)基于MATLAB GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。

2.1 開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究

針對(duì)中職院校電力電子技術(shù)這門課的授課計(jì)劃，設(shè)計(jì)GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。根據(jù)電力電子技術(shù)這門課知識(shí)點(diǎn)的要求，既能滿足教師在教學(xué)工程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講解，又能滿足學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行課外補(bǔ)充對(duì)電力電子技術(shù)的掌握。該仿真平臺(tái)包括電力電子電路中最基本的整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路、交流-交流變流電路、PWM控制技術(shù)以及軟開關(guān)技術(shù)等6大部分。針對(duì)每一部分，都有詳細(xì)的仿真電路，比如整流電路部分，包括單相半波可控整流電路、單相全控橋式整流電路、三相半波可控整流電路、三相全控橋式整流電路等。

2.2 GUI設(shè)計(jì)

MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)算能力并且具有多功能的工具箱，是教育教學(xué)以及科研的得力助手之一。MATLAB GUI(Graphic User Interface)具有界面設(shè)計(jì)開發(fā)功能，能夠以圖像的形式展示計(jì)算結(jié)果。簡單地說，GUI就是以圖形形式組成需要的界面，在界面之下是用MATLAB語言編寫的程序，用戶僅僅需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以完成需要的功能。

一般情況地，在MATLAB軟件中，GUI的建立有兩種方法。方法一是，直接利用句柄函數(shù)編寫產(chǎn)生GUI。該方法采用uicontrol、uibuttongroup、uimenu、uipanel、uicontextmenu等函數(shù)直接編寫界面，優(yōu)點(diǎn)是代碼效率高，缺點(diǎn)是需要配置GUI圖形位置等，上手難度大。方法二是直接通過GUIDE編輯界面來建立GUI。該方法簡單，可以直接拖拽GUI界面上的相關(guān)圖形就可以建立GUI界面，編程語言少，代碼簡單，上手迅速。GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)就是采用方法二建構(gòu)的。

首先，打開MATLAB的GUIDE編輯器，建立GUI基本界面，通過工具欄拖拽的方式建立GUI按扭。其次，建立GUI按扭之后，雙擊各個(gè)按鈕，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的m文件，此時(shí)的m文件代碼只有框架，需要添加仿真需要的代碼。再次，在m文件中添加相關(guān)的電力電子課程的教學(xué)仿真程序。最后，編譯程序，生成需要的文件。在很多情況下，電腦上不一定有MATLAB軟件，還需要把可執(zhí)行程序與MATLAB組件運(yùn)行環(huán)境一起打包，這樣就可以只需要安裝MATLAB組件運(yùn)行環(huán)境就可以直接運(yùn)行GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。在教學(xué)中，電腦上一般情況下都裝有MATLAB軟件，這樣就可以直接生成可執(zhí)行程序，利用電腦自帶的MATLAB軟件環(huán)境就可以直接運(yùn)行GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。

根據(jù)電力電子技術(shù)授課需求，設(shè)計(jì)的GUI界面簡潔明了、布局合理、操作簡單，側(cè)重對(duì)電力電子知識(shí)的理解和掌握，即使沒有MATLAB相關(guān)知識(shí)，也能很好的使用GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。

3.電路仿真設(shè)計(jì)

基于MATLAB GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)給電力電子技術(shù)的教學(xué)工作帶來了極大的便利，生動(dòng)形象的仿真界面讓學(xué)生直接觀察到電路運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)獲得電路的波形，方便學(xué)生理解和掌握，同時(shí)，仿真平臺(tái)不需要維修費(fèi)用，大大減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資和維修費(fèi)用。該仿真平臺(tái)包括電力電子電路中最基本的整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路、交流-交流變流電路、PWM控制技術(shù)以及軟開關(guān)技術(shù)等6大部分，每一部分都可以直接用到教學(xué)中，大大的方便了教師教學(xué)，也提高了學(xué)生理解和掌握的程度。

根據(jù)電力電子技術(shù)課程演示的方便，在GUI主界面上包括原理圖、實(shí)驗(yàn)波形、電路的相關(guān)參數(shù)以及可以顯示其他波形的按鈕、顯示仿真圖的按鈕。其中，實(shí)驗(yàn)波形包括晶閘管兩端電壓波形、負(fù)載兩端電壓波形、流過負(fù)載的電流波形等三個(gè)波形。電路的相關(guān)參數(shù)包括晶閘管的控制角、負(fù)載大小以及輸入的電壓三部分，該部分可以根據(jù)需要，自行設(shè)置，仿真的波形根據(jù)控制角、負(fù)載以及電壓的變化而變化。

圖1 控制角為30°，電阻為15歐，電壓為220伏時(shí)的仿真波形

點(diǎn)擊右下角的scope按鈕即可出現(xiàn)電源電壓相對(duì)應(yīng)的波形。該波形是輸入電壓的波形，電壓值是220V，頻率為50Hz。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 電源電壓波形

圖3 晶閘管對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)、電流波形以及電壓波形

點(diǎn)擊右下角的顯示仿真圖按鈕，即可出現(xiàn)MATLAB中的單向全控整流電路仿真圖。仿真如圖4所示。

圖4 仿真圖

GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)的任何參數(shù)都是可以修改的，一是方便教師在教學(xué)過程中演示，增加課堂的趣味性，二是方便學(xué)生課下自學(xué)，能非常方便的了解參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)的影響。在教學(xué)過程中，教師非常方便的通過修改參數(shù)的方式進(jìn)行演示，本文不再一一展示。

4.使用效果

把GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)應(yīng)用到電力電子課程教學(xué)上，經(jīng)過多個(gè)教學(xué)周期證明，收到良好的效果，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

其一，與板書比較。在板書教學(xué)時(shí)代，教師使用板書進(jìn)行公式、定理的推導(dǎo)，原理圖在板書的時(shí)候浪費(fèi)大量的時(shí)間，并且由于精度的問題，也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，對(duì)于電力電子電路這一類電路的運(yùn)行效果，只能通過教師口頭講解或者看教材的示意圖，然后學(xué)生通過自己的想象來理解運(yùn)行效果，這種“一支筆、一本書”的教學(xué)方法很難取得良好的效果。把GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)應(yīng)用到電力電子課程教學(xué)上后，幫助教師方便地使用演示系統(tǒng)，可以隨時(shí)使用人機(jī)界面對(duì)算法和仿真結(jié)果以圖形的方式展示給學(xué)生，課堂不在是單一的“老師講、學(xué)生聽”的模式，學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的知識(shí)印象更加深刻，教師也能方便的進(jìn)行教學(xué)。

其二，與PPT比較。傳統(tǒng)的PPT教學(xué)課件只是對(duì)教材知識(shí)的羅列，不能很好的展示公式推導(dǎo)和仿真過程，對(duì)于電力電子電路這一類電路的運(yùn)行效果，只能通過圖片的形式去學(xué)習(xí)，學(xué)生不能從根本上理解這些圖形是怎么通過公式推導(dǎo)出來的，也不能很好的理解公式中的參數(shù)如何影響運(yùn)行結(jié)果的。PPT教學(xué)課件能在一定程度上幫助教師授課，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解存在一定的困難，教學(xué)效果一般。GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)收錄了所有的電力電子電路的原理圖，并能很方便的修改參數(shù)，通過動(dòng)態(tài)的方式去展示。GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)比傳統(tǒng)的PPT教學(xué)課件收錄了更加豐富的電路，還能通過隨意修改參數(shù)展示不同的仿真效果，提供實(shí)時(shí)的電路仿真曲線更有說服力，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對(duì)電力電子知識(shí)的接受程度，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握電力電子這門課程的核心技術(shù)和方法。

其三，GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)提供的“任意設(shè)置參數(shù)”功能是本文的創(chuàng)新點(diǎn)。在之前的教學(xué)中，修改電力電子電路中的任意一個(gè)參數(shù)，都需要大量的計(jì)算和公式推導(dǎo)才能得出最后的波形圖，這種費(fèi)時(shí)費(fèi)力的計(jì)算方法不僅效率不高，對(duì)學(xué)生身心也是一種負(fù)擔(dān)，更有甚者會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)情緒。GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)提供的“任意設(shè)置參數(shù)”功能，只需要在人機(jī)界面上對(duì)應(yīng)修改其中的參數(shù)就可以，修改完參數(shù)后學(xué)生就可以立即看到修改后的參數(shù)對(duì)仿真圖形的影響，有利于學(xué)生對(duì)參數(shù)的認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生對(duì)算法的理解。并且GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)沒有計(jì)算和公式推導(dǎo)過程，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，有利于增強(qiáng)學(xué)生的信心，為學(xué)生對(duì)電力電子課程的學(xué)習(xí)提供了便利。

其四，GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)方便學(xué)生自學(xué)。自學(xué)都是學(xué)生自己看課本，遇到不會(huì)的上課聽老師講，這種自學(xué)方法效率低下，也不能很好的掌握自己需要掌握的知識(shí)。GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)與其他教學(xué)方法相比，打破了傳統(tǒng)“老師講、學(xué)生聽”的教學(xué)方法，教師和學(xué)生以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)，雙向交流，學(xué)生也可以設(shè)置參數(shù)得到自己想學(xué)習(xí)的內(nèi)容，很多知識(shí)都可以利用GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

5.總結(jié)

通過分析電力電子技術(shù)傳統(tǒng)理論教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的局限性，提出基于GUI軟件教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一系列基于MATLAB GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)仿真平臺(tái)。一方面方便了教師在上課過程中教授電力電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)，另一方面也方便了學(xué)生更生動(dòng)的了解和掌握電力電子技術(shù)新知識(shí)，基于MATLAB GUI軟件仿真的電力電子課程的教學(xué)軟件取得良好的教學(xué)效果。