基于MATLAB的电力电子技术虚拟教学实验系统的设计

摘要：本论文通过MATLAB中GUIDE設计工具以及对各种控件进行程序编写，可以设计美观、实用的菜单化和控件式的界面，进而可以构建出电力电子技术虚拟实验仿真平台。该平台包括登录界面、电路选择界面及仿真界面等，通过以上人机交互界面，实现对各种典型电路电路的仿真。该平台可以对各种电路参数进行设置和修改，实验结果通过变化的波形来显示，直观反映参数变化对仿真结果的影响，学生们还可以根据实际需要自主搭建电路并实现综合创新实验的仿真，可广泛应用于教学实验中。

关键词： MATLAB;电力电子技术;虚拟教学平台;图形用户界面

电力电子技术课程是电子类专业学生的入门基础课程，对于学生们以后对于专业领域进一步地深入学习具有极其重要的作用。该课程的主要特点是电路波形复杂、计算繁锁，并且与现实生活的实践操作联系紧密。如何能在有限的时间内消化吸收最多的知识，让学生们对课程内容较好地应用与掌握，并尽可能地培养学生们的自主创新能力，增强学生们的动手操作能力，极大地提高学生们的求知欲，是急需解决的问题。因此，需要对课程的教学内容、教学方法、实践操作等方面进行改革，为了有效地解决教学中理论与实践与脱节的问题，可以通过电力电子技术虚拟教学实验系统，实现人机交互界面对多种电力电子电路的模拟仿真，这种虚拟实验系统可以对电路参数进行设置和修改，以图形化显示得到实验结果，直观反映改变参数对仿真结果的影响，从而让学生对新知识有一个全方面的掌握与理解，同时可以极大地缩减不必要的叫教学时间，不但扩充了教学内容，而且还扩大了教学的质量，而且还具有让同学们可自主搭建电路并实现综合创新实验的仿真。

面对新工科及新经济的发展，培养学生创新能力已成为高等教育界的共识。随着计算机和信息技术的高速发展，虚拟教学系统的设计已成工程型课程发展必然趋势。目前，虚拟实验室使用较为广泛的几类仿真软件有Pspice软件、Multisim软件以及MATLAB软件。由于电力电子电路中的某些器件具有特异性和非线性，Pspice软件、Multisim软件仿真使用较为困难，其应用扩展方面受到约束。而MATLAB软件弥补了Pspice软件和Multisim软件上的不足，在实际生活的工程运用中具有系统运行性能好，效益高等特点，已经被广泛地投入使用，所以将MATLAB软件作为电力电子仿真模拟实验室研究、开发的首选工具。而且国内早已将MATLAB软件工具引入高等院校的日常学习中，如周渊深教授编写的《电力电子技术与MATLAB仿真》一书中对MATLAB的研究应用就取得了相当大的成就，但凸现得进步的同时也出现了一些不足，如操作难度高、专业应用性过强等特点，不太具备普及性。为了更高效的利用该软件，不断革新控制技术和算法，本文拟建立满足地方高校学生需求的电力电子技术虚拟教学实验平台。

虚拟仿真平台设计主体思路就是利用生成的界面函数文件调用电路模型函数文件，进而进行仿真实验。通过Simulink的仿真，将仿真结果数据（即任意开关器件和负载电压和电流波形）传递到工作空间，并通过绘图显示在系统的用户界面中。在整个虚拟仿真平台包括登录界面、演示平台和操作平台，演示平台里面包含整流电路、逆变电路、斩波电路、交流变流电路和综合实验电路，操作平台中学生可以自己搭建其他创新电力电子电路。

使用MATLAB中的Simulink对电力电子电路进行仿真研究，根据各种电力变换电路的原理建立仿真模型，然后再对模型参数进行设置，完成对模型仿真，对电力电子电路的工作状况进行研究。在完成电力电路的仿真模型构建之后，还需要进行参数设置，依次点击Simlink模型中Simulation、Configuration、Parameters，打开参数设置窗口，即可进行电路元件的参数设置。

设计开发的GUI是由窗口、按钮、静态文本、可编辑文本、坐标区、面板等界面控件所构成为一体的用户界面，用户通过对界面控件进行编码最终形成计算、绘图、显示等功能为一体的用户界面。本文将采用GUIDE构建出虚拟仿真平台，该平台既能在其GUI界面中编写仿真程序，又能以人机交互的动态方式将仿真的图形化结果在仿真界面上实时显示出来。

3.3.1登录界面设计

用户登录界面如图3-1所示包括用户注册、修改密码、退出三个选项菜单，可完成老用户登录、新用户注册、修改密码等功能。

3.3.2虚拟实验系统主界面设计

主界面是由GUIDE工具箱中按钮、坐标轴、静态文本框、菜单栏和组合框等控件组合形成的。在仿真系统的主界面中，静态文本框主要起提示作用，单选按钮是用于进出系统，坐标区用于嵌入图片，组合框起选项作用。组合框中有“电力电子器件”“电力电子电路”两个选项，通过点击组合框中的选项按钮，即可进入相应子界面。电力电子电路界面如图3-2所示，在电力电子电路主界面的菜单栏中有AC-DC实验、DC-DC实验、AC-AC实验、DC-AC实验、综合应用实验、关闭仿真等六个子菜单。

3.4基于MATLAB的电力电子技术虚拟实验仿真平台的运行

电力电子变换电路的主界面如图3-3所示，在电力电子变换电路主界面中有四个小面板，从左至右小面板的面板名分别为整流电路、斩波电路、逆变电路以及调压电路，四个面板代表电力电子中的四类电路。每个小面板上的都有若干个归属于该类电路的子电路，可以通过点击小面板上子电路的按钮达到所需变换功能。

选择子电路按钮完毕后再点击“演示平台入口”按钮就会在新出现的界面中显示出相应电路。整个界面主要由电路原理图、参数设置区、仿真波形显示区以及按钮四大部分组成。取单相全控桥整流电路为例，单相全控桥式整流电路如图3-4所示。

该虚拟教学实验平台可以通过计算机联网进行虚拟实验，根据需要可以随时进入到虚拟实验环境，也可以通过手动调整各种控制参数进而实时观看仿真结果，从基本控制电路到综合应用典型实例，可以清晰地知道不同仿真参数对仿真结果的影响，进而让学习者由浅入深地进行动态的交互式学习。通过对各种电力电子电路的仿真，在进行实际实验之前就能对电路的性能以及工作状态有着较为深刻的认知，通过各种电路实时波形展示，不仅将复杂晦涩的电路知识转换为生动形象简洁明了的波形变换，而且还增加了教学的趣味性，提高学生们的学习热情。

参考文献：

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[3]刘立平，史辉.高职“电力电子技术”课程虚拟实验教学探索与研究[J].中国电力教育.2010，（12）：126-127.

[4]汤赐，浅介.《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心的建设工作[J].教育界.2015（22）：77-77.

本文系2016年江西省高等学校教学改革研究课题（项目编号：JXJG-16-17-11）、2018年江西省教育科学规划课题（项目编号：18YB239）阶段性研究成果。

闫昭贤，九江学院电子A1641班学生;张波，女，讲师，硕士，长期从事电力电子技术课程教学和相关研究。