基于MATLAB的電力電子技術虛擬教學實驗系統的設計

摘要：本論文通過MATLAB中GUIDE設計工具以及對各種控件進行程序編寫，可以設計美觀、實用的菜單化和控件式的界面，進而可以構建出電力電子技術虛擬實驗仿真平臺。該平臺包括登錄界面、電路選擇界面及仿真界面等，通過以上人機交互界面，實現對各種典型電路電路的仿真。該平臺可以對各種電路參數進行設置和修改，實驗結果通過變化的波形來顯示，直觀反映參數變化對仿真結果的影響，學生們還可以根據實際需要自主搭建電路并實現綜合創新實驗的仿真，可廣泛應用于教學實驗中。

關鍵詞： MATLAB;電力電子技術;虛擬教學平臺;圖形用戶界面

電力電子技術課程是電子類專業學生的入門基礎課程，對于學生們以后對于專業領域進一步地深入學習具有極其重要的作用。該課程的主要特點是電路波形復雜、計算繁鎖，并且與現實生活的實踐操作聯系緊密。如何能在有限的時間內消化吸收最多的知識，讓學生們對課程內容較好地應用與掌握，并盡可能地培養學生們的自主創新能力，增強學生們的動手操作能力，極大地提高學生們的求知欲，是急需解決的問題。因此，需要對課程的教學內容、教學方法、實踐操作等方面進行改革，為了有效地解決教學中理論與實踐與脫節的問題，可以通過電力電子技術虛擬教學實驗系統，實現人機交互界面對多種電力電子電路的模擬仿真，這種虛擬實驗系統可以對電路參數進行設置和修改，以圖形化顯示得到實驗結果，直觀反映改變參數對仿真結果的影響，從而讓學生對新知識有一個全方面的掌握與理解，同時可以極大地縮減不必要的叫教學時間，不但擴充了教學內容，而且還擴大了教學的質量，而且還具有讓同學們可自主搭建電路并實現綜合創新實驗的仿真。

面對新工科及新經濟的發展，培養學生創新能力已成為高等教育界的共識。隨著計算機和信息技術的高速發展，虛擬教學系統的設計已成工程型課程發展必然趨勢。目前，虛擬實驗室使用較為廣泛的幾類仿真軟件有Pspice軟件、Multisim軟件以及MATLAB軟件。由于電力電子電路中的某些器件具有特異性和非線性，Pspice軟件、Multisim軟件仿真使用較為困難，其應用擴展方面受到約束。而MATLAB軟件彌補了Pspice軟件和Multisim軟件上的不足，在實際生活的工程運用中具有系統運行性能好，效益高等特點，已經被廣泛地投入使用，所以將MATLAB軟件作為電力電子仿真模擬實驗室研究、開發的首選工具。而且國內早已將MATLAB軟件工具引入高等院校的日常學習中，如周淵深教授編寫的《電力電子技術與MATLAB仿真》一書中對MATLAB的研究應用就取得了相當大的成就，但凸現得進步的同時也出現了一些不足，如操作難度高、專業應用性過強等特點，不太具備普及性。為了更高效的利用該軟件，不斷革新控制技術和算法，本文擬建立滿足地方高校學生需求的電力電子技術虛擬教學實驗平臺。

虛擬仿真平臺設計主體思路就是利用生成的界面函數文件調用電路模型函數文件，進而進行仿真實驗。通過Simulink的仿真，將仿真結果數據（即任意開關器件和負載電壓和電流波形）傳遞到工作空間，并通過繪圖顯示在系統的用戶界面中。在整個虛擬仿真平臺包括登錄界面、演示平臺和操作平臺，演示平臺里面包含整流電路、逆變電路、斬波電路、交流變流電路和綜合實驗電路，操作平臺中學生可以自己搭建其他創新電力電子電路。

使用MATLAB中的Simulink對電力電子電路進行仿真研究，根據各種電力變換電路的原理建立仿真模型，然后再對模型參數進行設置，完成對模型仿真，對電力電子電路的工作狀況進行研究。在完成電力電路的仿真模型構建之后，還需要進行參數設置，依次點擊Simlink模型中Simulation、Configuration、Parameters，打開參數設置窗口，即可進行電路元件的參數設置。

設計開發的GUI是由窗口、按鈕、靜態文本、可編輯文本、坐標區、面板等界面控件所構成為一體的用戶界面，用戶通過對界面控件進行編碼最終形成計算、繪圖、顯示等功能為一體的用戶界面。本文將采用GUIDE構建出虛擬仿真平臺，該平臺既能在其GUI界面中編寫仿真程序，又能以人機交互的動態方式將仿真的圖形化結果在仿真界面上實時顯示出來。

3.3.1登錄界面設計

用戶登錄界面如圖3-1所示包括用戶注冊、修改密碼、退出三個選項菜單，可完成老用戶登錄、新用戶注冊、修改密碼等功能。

3.3.2虛擬實驗系統主界面設計

主界面是由GUIDE工具箱中按鈕、坐標軸、靜態文本框、菜單欄和組合框等控件組合形成的。在仿真系統的主界面中，靜態文本框主要起提示作用，單選按鈕是用于進出系統，坐標區用于嵌入圖片，組合框起選項作用。組合框中有“電力電子器件”“電力電子電路”兩個選項，通過點擊組合框中的選項按鈕，即可進入相應子界面。電力電子電路界面如圖3-2所示，在電力電子電路主界面的菜單欄中有AC-DC實驗、DC-DC實驗、AC-AC實驗、DC-AC實驗、綜合應用實驗、關閉仿真等六個子菜單。

3.4基于MATLAB的電力電子技術虛擬實驗仿真平臺的運行

電力電子變換電路的主界面如圖3-3所示，在電力電子變換電路主界面中有四個小面板，從左至右小面板的面板名分別為整流電路、斬波電路、逆變電路以及調壓電路，四個面板代表電力電子中的四類電路。每個小面板上的都有若干個歸屬于該類電路的子電路，可以通過點擊小面板上子電路的按鈕達到所需變換功能。

選擇子電路按鈕完畢后再點擊“演示平臺入口”按鈕就會在新出現的界面中顯示出相應電路。整個界面主要由電路原理圖、參數設置區、仿真波形顯示區以及按鈕四大部分組成。取單相全控橋整流電路為例，單相全控橋式整流電路如圖3-4所示。

該虛擬教學實驗平臺可以通過計算機聯網進行虛擬實驗，根據需要可以隨時進入到虛擬實驗環境，也可以通過手動調整各種控制參數進而實時觀看仿真結果，從基本控制電路到綜合應用典型實例，可以清晰地知道不同仿真參數對仿真結果的影響，進而讓學習者由淺入深地進行動態的交互式學習。通過對各種電力電子電路的仿真，在進行實際實驗之前就能對電路的性能以及工作狀態有著較為深刻的認知，通過各種電路實時波形展示，不僅將復雜晦澀的電路知識轉換為生動形象簡潔明了的波形變換，而且還增加了教學的趣味性，提高學生們的學習熱情。

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本文系2016年江西省高等學校教學改革研究課題（項目編號：JXJG-16-17-11）、2018年江西省教育科學規劃課題（項目編號：18YB239）階段性研究成果。

閆昭賢，九江學院電子A1641班學生;張波，女，講師，碩士，長期從事電力電子技術課程教學和相關研究。