論電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

摘要：虛擬實(shí)驗(yàn)是相對于實(shí)物實(shí)驗(yàn)來說的，當(dāng)前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及虛擬儀器的不斷更替，各種各樣的虛擬實(shí)驗(yàn)室被建立起來，電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室就是其中非常重要的一員。由于虛擬實(shí)驗(yàn)自身的虛擬性和可重復(fù)性，并且能夠節(jié)約資本，這些特點(diǎn)使得虛擬實(shí)驗(yàn)成為傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一個(gè)必要前提過程，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題?；诖?，本文首先分析了電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的意義，然后就電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了論述，最后給出了電子電力虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力電子；虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室；構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)是指在虛擬環(huán)境中所做的實(shí)驗(yàn)，在虛擬環(huán)境中沒有向?qū)嵨镄螒B(tài)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對象，因此虛擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都主要是對虛擬物體進(jìn)行的操作。當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)室主要是依靠計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備與技術(shù)為支撐，通過軟件開發(fā)工具設(shè)計(jì)特定的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)不可重復(fù)或者損壞實(shí)驗(yàn)環(huán)境的束縛，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)發(fā)展的時(shí)代趨勢。相對國外虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展來說，由于虛擬試驗(yàn)技術(shù)需要有效結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、CAI、多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，由于我國相關(guān)方面的理論引入和技術(shù)研發(fā)相對較晚，因此整體發(fā)展?fàn)顩r還處在初始階段。再加上電力電子學(xué)科作為一門新興高新技術(shù)發(fā)展科學(xué)，因此，做好電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的研究工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建意義

（一）電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室具有重要的教學(xué)和科研意義

電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室是工科類教育教學(xué)和科學(xué)研發(fā)進(jìn)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(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。拿教學(xué)來說，電力電子技術(shù)是指電力電子器件進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的技術(shù)，學(xué)生只有通過具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和足夠的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才能夠從實(shí)踐中更深入的理解所學(xué)的理論知識和設(shè)計(jì)方法。

（二）電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的優(yōu)勢

傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)室具有設(shè)備投入大，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高，因此需要耗費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力。而虛擬實(shí)驗(yàn)室是在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的，沒有時(shí)間和空間的限制，并且實(shí)驗(yàn)本身具有很高的可重復(fù)性和能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)容的快速更新，很好地滿足教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)的具體需求，有助于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，有助于科研實(shí)驗(yàn)更好的進(jìn)行完善。與此同時(shí)還能夠省去大量的實(shí)物投入資金，因此進(jìn)行電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)與利用有著明顯的優(yōu)勢。

二、電子電力虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方案

（一）電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能設(shè)計(jì)

第一，學(xué)生應(yīng)用與操作功能上的設(shè)計(jì)思路。學(xué)生通過學(xué)校電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室登錄界面進(jìn)行密碼輸入，通過服務(wù)器身份驗(yàn)證后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室功能操作界面。在實(shí)驗(yàn)室功能操作主頁，有學(xué)生信息、具體實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、作業(yè)與聯(lián)系等模塊導(dǎo)航。在具體的教學(xué)過程和學(xué)生作業(yè)過程中，學(xué)生可以通過界面導(dǎo)航清楚地找到具體實(shí)驗(yàn)的位置，在具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)的具體要求進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行電路圖的連接，以此創(chuàng)設(shè)出仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，按照教學(xué)要求完成實(shí)驗(yàn)，最后把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲，按照要求把實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳至教師制定的目錄中。即便不在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生也可以在自己的筆記本電腦上進(jìn)行客戶端的下載，在互聯(lián)網(wǎng)連接的而狀態(tài)下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第二，教師應(yīng)用于操作功能上的設(shè)計(jì)思路。相對來說，教師電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)界面與學(xué)生使用和操作上有共同之處，比如界面登錄，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析等等。不同的是教師在輸入密碼后，服務(wù)器通過識別，判定身份驗(yàn)證信息，并自動進(jìn)入教師的登錄界面，在登錄界面比學(xué)生多的是教學(xué)管理模塊功能，教師可以通過教學(xué)管理功能的實(shí)現(xiàn)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行閱讀，同時(shí)還能夠在網(wǎng)上進(jìn)行作業(yè)審批、問題解答等，同時(shí)處于教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新的需要，可以隨時(shí)隨地的升級實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在教學(xué)評估模塊功能上教師可以通過對學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及作業(yè)情況進(jìn)行課節(jié)內(nèi)容的總結(jié)，有助于教師進(jìn)行教學(xué)反思，提高教學(xué)效果。

（二）電子電力虛擬實(shí)驗(yàn)室的平臺的選擇

由于虛擬實(shí)驗(yàn)室需要依靠軟硬件技術(shù)，因此在電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺選擇上應(yīng)該選擇開發(fā)工作量小和避免低水平狀態(tài)下進(jìn)行重復(fù)建設(shè)，提高軟件工具的運(yùn)作效率。具體來說，有通常的電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺技術(shù)應(yīng)用上，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)有編程技術(shù)軟件的應(yīng)有特點(diǎn)和所需要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建要求相匹配，比如，VB開發(fā)工具，VB控件能夠更方面的進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，并滿足各式各樣的功能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)和起到相應(yīng)的作用。VC++有著更為便捷的繪圖功能和較為成熟和廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。還比如MATLAB，它具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠在復(fù)雜的電路計(jì)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(zhǔn)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(shí)控件庫方面，劣勢也較為明顯，在時(shí)間和繪圖功能實(shí)現(xiàn)上操作較為復(fù)雜。當(dāng)前，無論從哪個(gè)角度選擇搭配這些軟件工具，都需要根據(jù)具體實(shí)際情況進(jìn)行選擇。本文以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，以MATLAB為計(jì)算引擎，把電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室建立在基于LabVIEW和MATLAB混合編程基礎(chǔ)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(jì)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(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)室整個(gè)系統(tǒng)大體可以分為應(yīng)用程序服務(wù)器端和用戶端兩個(gè)部分，其中服務(wù)器端是系統(tǒng)的核心部分，通過服務(wù)器端實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)儀器的管理和調(diào)度，根據(jù)用戶端的具體要求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和調(diào)度，用戶端和服務(wù)器端通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(yīng)用過程中顯示出了極高的靈活性和可重復(fù)性，同時(shí)在進(jìn)行新的具體實(shí)驗(yàn)擴(kuò)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新。具體的功能實(shí)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(wù)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(yīng)其具體要求，然后用戶端可以根據(jù)需要進(jìn)行各種具體實(shí)驗(yàn)的操作，在最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和總結(jié)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(wù)器端生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告發(fā)送到用戶客戶端手中，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的全過程。

當(dāng)然在具體的設(shè)計(jì)過程中，需要注意以下幾點(diǎn)原則設(shè)計(jì)：

第一，軟件界面的設(shè)計(jì)原則。無論哪種軟件，在設(shè)計(jì)上一定要注意用戶的使用體驗(yàn)，即講求應(yīng)用效果的可操作性。因?yàn)檐浖慕换ソ缑媸怯脩粑ㄒ荒軌蛘鎸?shí)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(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一定要從用戶的心理和水平角度進(jìn)行考慮，比如在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中，從真實(shí)儀器操作體驗(yàn)角度入手，使用戶能夠在計(jì)算機(jī)的操作中比如鼠標(biāo)和鍵盤操作來模擬真實(shí)儀器的操作。由此，在設(shè)計(jì)上，要講求整體設(shè)計(jì)風(fēng)格一致性，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界面文字、圖像、窗口等的設(shè)計(jì)，整齊規(guī)劃。同時(shí)，遵循對比原則，以柔和的背景色彩最為合適，此外在實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)用品上進(jìn)行分裂放置，便于用戶查找和使用。

第二，仿真計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。犯這個(gè)很計(jì)算模塊主要包括模型參數(shù)、仿真參數(shù)設(shè)置以及仿真結(jié)果顯示三個(gè)方面，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真模型搭建下，通過三個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)，最后以.mdl文件格式保存。具體來說，首先建立一個(gè)新文件，在具體操作頁面菜單欄選擇File，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊NEW，并在彈出的菜單中選擇MODEL，再出現(xiàn)的空白平臺上進(jìn)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(shè)計(jì)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(jìn)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(biāo)左鍵拖住元器件移動到制定位置。在電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K仿真參數(shù)模型設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)過程中更加準(zhǔn)確。在模型仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用上，通過模型參數(shù)的服務(wù)器主程序的想用和處理，在菜單欄中選擇Simulation中可以看到實(shí)驗(yàn)具體的開始時(shí)間和終止時(shí)間、包括仿真類別，從而有效的降低了項(xiàng)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(xué)士，講師，研究方向：電力電子，電力傳動實(shí)驗(yàn)及管理。