基于MATLAB的電力電子技術(shù)虛擬實驗仿真平臺的設(shè)計

張巖 賈小龍

（寧夏理工學(xué)院 寧夏回族自治區(qū)石嘴山市 753000）

1 背景

傳統(tǒng)高校實驗室所占實驗經(jīng)費比例大，軟硬件設(shè)備一般比較昂貴的，容量有限且電氣信息類技術(shù)更新非常快，要建立非常完備且與時俱進的實驗教學(xué)環(huán)境是很困難的。虛擬仿真實驗既節(jié)省了資金，又可突破傳統(tǒng)實驗室在硬件設(shè)備上的限制，緩解了實驗經(jīng)費不足與實驗人數(shù)過多的矛盾，突破了時空的局限，優(yōu)化了教育資源，提高了學(xué)習(xí)興趣和效率，真正實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的結(jié)合。因此，虛擬實驗室的研究對于現(xiàn)代遠程教學(xué)和高等院校的實驗教學(xué)、課堂教學(xué)都很有意義。

2 虛擬實驗平臺的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來計算機技術(shù)的發(fā)展為虛擬仿真實驗平臺開發(fā)提供了技術(shù)支持，已有很多高校和企業(yè)著手研究虛擬實驗仿真平臺。例如：美國卡耐基梅隆大學(xué)早期開發(fā)的虛擬實驗平臺，他們的技術(shù)方案是通過計算機所搭建出來的函數(shù)發(fā)生器、示波器等實驗硬件設(shè)備連接到Internet 上，學(xué)生或其他用戶可以通過上網(wǎng)然后網(wǎng)絡(luò)遠程連接并加以使用。麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology），該院校著手項目的主要是為了建設(shè)眾多學(xué)科科目的虛擬實驗平臺，此項目是同微軟公司通力合作開發(fā)出來的I-Lab，設(shè)計出來的平臺可以用來研究基于虛擬現(xiàn)實的科學(xué)技術(shù)與電氣工程的創(chuàng)新型教育體系。

目前國內(nèi)的一些高等院校逐漸設(shè)計出了自己的虛擬實驗平臺。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)早期設(shè)計的物理虛擬實驗平臺是把實驗運用在教學(xué)的演示和簡單物理實驗這些問題上，此設(shè)計是國內(nèi)第一套有推廣價值的實驗教學(xué)平臺。清華大學(xué)、西安交大、上海交大、西工大等大學(xué)也開發(fā)了虛擬實驗平臺。這些設(shè)計都是在虛擬平臺中打造的虛擬實驗，也可以是在網(wǎng)絡(luò)上展示出的實驗結(jié)果。

3 設(shè)計方案

MATLAB 程序簡單明了，開發(fā)率高，并且能夠結(jié)合其他多種開發(fā)工具，共同實現(xiàn)實驗仿真模擬功能。本設(shè)計通過MATLAB 設(shè)計一套集可視化圖形與動態(tài)仿真為一體的教學(xué)演示型軟件，以《電力電子技術(shù)》課程中單相半波橋式整流電路、直流斬波電路、三相橋式全控整流電路等實驗為例開發(fā)虛擬實驗仿真憑條，幫助學(xué)生直觀、感性地了解和掌握電力電子、電路原理等課程的專業(yè)知識，深化對電力電子技術(shù)的理解。

在MATLAB 平臺上，包括主界面設(shè)計、實驗選擇、電路圖的顯示、仿真模型的查看以及參數(shù)修改，輸出顯示和實驗指導(dǎo)書。

設(shè)計的實驗平臺具有以下功能：

（1）系統(tǒng)輸入形式多樣化：輸入模型是IGBT 和PWM，通過輸入角度和占空比改變的圖形響應(yīng)；

（2）繪圖功能：能夠繪制出準(zhǔn)確的系統(tǒng)相應(yīng)曲線，包括有時間-電流圖、時間-電壓圖及其它輸入下的曲線；

圖1：虛擬實驗平臺主界面框圖

圖2：實驗平臺主界面

圖3：橋式半控整流電路框架

（3）模型查看：根據(jù)不同實驗項目的要求，在SIMULINK 上搭建相應(yīng)的電路模型，實驗平臺也可以查看具體模型；

（4）實驗指導(dǎo)書：實驗指導(dǎo)書在具體實驗里有相對應(yīng)的，包含有實驗?zāi)康?、實驗器材簡介、實驗原理、實驗?nèi)容以及注意事項等；

（5）外觀、操作簡便：基于MATLAB 的電力電子電路分析與設(shè)計的平臺具有Windows 程序風(fēng)格，外觀簡潔明了，操作方便，易于廣泛推廣。

4 實驗平臺開發(fā)與應(yīng)用

4.1 主界面模塊框圖

設(shè)計的主界面是為了使用者能夠快速的了解了解實驗平臺并選擇實驗項目。主界面模塊框圖如圖1所示。

通過該連接可以將用戶導(dǎo)入實驗操作的子窗口，該窗口的設(shè)計目的是為了讓用戶有個可以實現(xiàn)自己模型的平臺。一邊是具體實驗項目窗口，這是該程序的核心部分，所完成的各個實驗項目的窗口都在上面陳列，點擊對應(yīng)的控件可以進入不同的實驗子窗口，在每個實驗的窗口中就可以完成各個實驗項目。在各自的窗口中，可以通過圖形用戶界面很方便的了解電力電子技術(shù)中比較典型的模型，對學(xué)習(xí)自動化理論的用戶來說是相當(dāng)方便的。

表1：仿真階段

圖4：仿真模型

4.2 主界面的具體設(shè)計及設(shè)計成果

根據(jù)主界面的模塊框圖，可以在圖形用戶界面（GUI）里設(shè)計開發(fā)出主界面。在MATLAB 中借助于GUI 開發(fā)模塊中的Menu Editor，然后創(chuàng)建一個菜單。首先依據(jù)主界面的模型架構(gòu)，創(chuàng)建一個GUI，在Menu Editor 創(chuàng)建預(yù)期的菜單，之后開始點擊進行運作，然后得到對應(yīng)的M 程序文件。為了達到調(diào)用各個模塊的目的，需要先獲得M 文件里，然后定義文件的變量。圖2 為電力電子技術(shù)的虛擬實驗平臺的主界面。

4.3 單相橋式半控整流電路

整流是地啊你電子技術(shù)中一項重要的變流技術(shù)，橋式整流是其最終要最基礎(chǔ)的內(nèi)容。以單相橋式半控整流電路實驗為例，按照設(shè)計要求和實驗原理，其框架如圖3所示。

4.3.1 仿真模型的搭建

該電路的仿真過程，大致分為幾個主要階段如表1。

將元器件連接組成仿真模型如圖4所示。

4.3.2 實驗操作

點擊打開第二個實驗按鈕，進入實驗界面。最上面是實驗項目的名稱，半控整流電路；最右下側(cè)是“實驗指導(dǎo)書”按鈕，我們可以在這里查看實驗指導(dǎo)；占空比旁邊輸入變量框，可以再對應(yīng)的變量框內(nèi)輸入合理的數(shù)值，點擊后方的“開始”按鈕，就可進行實驗仿真，并可以彈出實驗結(jié)果，大大的簡化了同學(xué)們的操作流程，可以使同學(xué)們更加方便的觀察到實驗電路波形輸出。

實驗界面的最下方以及右側(cè)，顯示的是實驗仿真模型和實驗波形圖。如果想進入其他實驗界面，那么點擊“返回”按鍵，可以重新返回虛擬仿真實驗平臺的主界面，重復(fù)上述操作可以進行其他實驗的仿真。

5 總結(jié)

本設(shè)計是基于MATLAB 開發(fā)了一種《電力電子技術(shù)》的虛擬實驗平臺。根據(jù)設(shè)計要求，調(diào)研《電力電子技術(shù)》實驗項目的需求、利用GUI 搭建虛擬平臺，并在實驗平臺上完成主界面、實驗選擇、電路圖的顯示、仿真模型的查看、參數(shù)的修改以為實驗指導(dǎo)書的查看等功能設(shè)計。設(shè)計方案對虛擬實驗室的開發(fā)具有一定的參考價值。