电力电子教学虚拟仿真实验平台的搭建与研究
马勇++查国翔+王聪
摘 要： 针对电力电子课程课时短、概念多、知识面广、实践性强等特点，该文讨论了基于Matlab GUI与Simulink结合的电力电子虚拟仿真实验平台的构建。以直流?直流变流技术主界面为例，叙述了主界面的内容，原理分析界面的内容和功能，运行界面的基本特征，以及闭环仿真实例分析。电力电子教学可视化平台界面友好、操作简单，其应用有助于加深学生对基本理论、基本概念的理解，提高实验教学质量，推进实验教学改革。
关键词： 电力电子技术； MatlabGUI； 虚拟仿真平台； 教学可视化平台
中图分类号： TN99?34； TM743 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0063?03
Abstract： In view of the advantages of short class time， more concepts， wide knowledge scope and strong practice of the power electronic curriculum， the construction of power electronic virtual simulation platform based on Matlab GUI （graphical user interface） and Simulink is discussed. Taking the main interface of DC?DC converting technique as an example， contents of main interface， contents and functions of principle analysis interface， basic characteristics of running interface and closed?loop simulation instance are described. The interface of visualization platform for power electronic teaching is friendly and easy to operate. It is helpful to deepen students' understanding of basic concepts， improve the quality of experimental teaching. Its application can deepen students′ comprehension to the basic theory and concept of their courses， improve the experimental teaching quality， and promote the experimental teaching reform.
Keywords： power electronic technology； Matlab GUI； virtual simulation platform
电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术[1]。它是以高等数学、电路原理及模拟电子技术等课程为基础，同时也是自动控制原理，电机与拖动等专业课程的基础课，具有很强的实用性和综合性，是电气工程领域理论和实践相结合的专业核心课程之一，因此电力电子技术教学质量的好坏，将直接影响后续课程的学习[2?4]。电力电子课程概念多、知识面广、实践性强，这给老师讲课和学生理解带来很大的困惑，所以借助实验来加深学生对基本概念、基本理论和基本方法的理解很有必要。而传统电力电子实验教学受场地、器材、时间等诸多因素的影响，难以让学生达到基本的实验目标。虚拟仿真实验平台投入小，不受时间、地点的限制，具有一定的开放性，方便学生创新等优点。所以借助虚拟仿真平台来辅助课堂及实验教学会起到巨大的帮助作用[5?7]。本文借助Matlab/Simulink仿真环境，以及GUI（Graphical User Interface）设计友好的人机界面，通过GUI输入框中数值的不同，改变电路参数，即可在界面观察对应的波形变化。同时在界面中添加不同的入口画面，可以观察仿真原理图，以及该电路的原理分析。同时，在虚拟仿真平台中加入电路的闭环实例分析，加深学生对该电路的理解，提高学生的积极性和学习效率[8?9]。
1 电力电子虚拟仿真平台的建立
1.1 电力电子虚拟仿真平台结构
在设计GUI界面之前，首先需要确定虚拟仿真平台的结构。由于设计该平台的主要目的是为电力电子课程提供一个教学和实验的仿真平台，对电力电子课程中的一些常用电路进行动态仿真，帮助学生深刻理解电力电子课程中电路拓扑和电路实例。根据这些基本要求，并结合电力电子课程的特点，确定了虚拟仿真平台的结构框图，如图1所示。该平台包含了电力电子技术中常用电路，如整流电路、逆变电路、直流?直流变流技术、交流?交流变流技术及PWM控制技术5个基本模块。课程的其他内容可在虚拟仿真平台的基础上扩展，因此，该平台具有很强的通用性。
为了使每个模块设计更加简单，虚拟仿真平台采用了分层设计方法，将该平台分为若干个模块，每个模块包括一些子模块。图2给出了直流?直流变流技术模块的组成框图，它包括原理分析、运行界面和实例分析三个子模块，其他模块的设计思想同该模块基本相同。
1.2 Matlab图形用户界面设计
Matlab为用户提供了强大的集成图形用户界面开发环境（GUIDE），用户可以方便地设计图形用户界面，开发自己的用户程序[10]。图形用户界面（GUI）是由窗口、菜单、文字说明、标签等控件构成。用户通过提供的控件，如按钮、滑块、列表框等可以设计出易于理解的人机界面。一个图形用户界面必须包括控件（Component）、图形窗口（Graphics）和回调函数（Callback）三个部分，利用GUIDE创建GUI是常用方法之一。使用GUIDE创建GUI的基本步骤如下：
（1） 选择控件类型。根据预期的界面设计，选择控件类型。电力电子教学虚拟仿真平台中使用的控件主要包括按钮、输入框、标签、坐标轴及面板等。
（2） 设置控件属性。控件的基本属性包括字符（String）、标签（Tag）、字体大小（FontSize）、前景色（ForegroundColor）等。通过设置控件属性，实现预期的功能指标。
（3） 编写回调函数。确定整个界面布局之后，需要编写控件的回调函数。鼠标右键单击控件，选择“查看回调”→“callback”，编写回调函数。
在界面设计中用到的主要函数如下：
get_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′）；
%获取电路输入电压幅值
set_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′，a）；
%设置输入电压幅值
options = simset（′SrcWorkspace′，′current′）；
%指定模型从当前空间运行，获取编辑框中输入电压幅值参数
sim（′boostdianlu′，[]，options）；
%使用sim（）函数使仿真模型从当前GUI函数空间进行仿真
plot（tout，yout）； %将输出波形绘制到当前坐标轴对象上
1.3 Simulink仿真模型
Simulink是Matlab的一个功能组件，为用户提供建模和仿真的工作平台。Simulink的SimPowerStems仿真工具箱提供电机与拖动、电力系统与自动化以及电力电子等仿真模块，几乎涵盖所有电力电子电路的仿真模块。按照电力电子电路的基本原理，利用工具箱提供的模块可以进行仿真电路的搭建[11]。以“升压斩波闭环仿真电路”为例，说明建立仿真模型的基本步骤：
（1） 调用功能模块。根据升压斩波电路原理图，确定所需功能模块，找到它们所在模块库。
（2） 创建并保存模型。建好模型后，使用Save命令保存，以便下次使用时直接调用。
（3） 连接模块并设置参数。将各个功能模块按照布局进行连接，并设置每个模块的参数。
（4） 运行仿真并显示结果。
2 电力电子仿真平台实例
根据图1所示的虚拟仿真平台结构框图和图2所示的直流?直流变流技术模块结构框图，采用GUIDE设计各基本模块和子模块的图形用户界面，编写各控件对应的回调函数，响应用户操作。该GUI界面由主界面、原理分析界面、运行界面以及仿真模型四个部分组成。
2.1 直流?直流变流技术主界面
主界面是访问该节的第一个用户界面，如图3所示。直流?直流变流技术主界面由标题和功能选择按钮组成。在主界面中列出了包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等常用的六大类基本斩波电路。每一类电路中有三个按钮，对应三个入口，分别是“原理分析”、“运行界面”以及“实例分析”。用户点击其中任意一个按钮，即可进入对应的功能界面。
2.2 升压斩波电路原理分析界面
以升压斩波电路为例，当点击“原理分析”按钮后，通过按钮对应的回调函数，就可跳转到升压斩波电路的原理分析界面，如图4所示。原理分析界面由三部分构成，分别是电路原理图、原理分析文字说明以及主界面按钮。学生通过原理分析界面巩固所学内容，进一步加深对升压斩波电路基本原理的理解，提高理论知识的学习效果。当点击“主界面”按钮时即可返回图3所示的直流?直流变流技术的主界面。
2.3 升压斩波电路运行界面
当点击升压斩波电路“运行界面”按钮后，跳转到对应的运行界面，如图5所示。运行界面由参数设置栏，波形栏以及菜单栏三部分组成。在参数栏设置需要改变的参数，分别为电压E、电容R、电感L、电阻R。在输入框中输入对应的数值可改变仿真电路的参数[12]。波形栏共有三个坐标轴，分别显示输出电压，电感电压以及开关信号波形。菜单栏包括仿真按钮和主界面按钮两部分。点击“仿真”按钮进行电路仿真，点击“主界面”按钮返回图3对应的直流?直流变流技术的主界面。
通过输入框改变仿真电路参数，不用在仿真模型中双击元件改变，提高了仿真效率，同时该界面可直观地观察电路参数的改变而引起的波形的变化。
2.4 实例分析电路
当点击“实例分析”按钮后，打开以升压斩波电路为基础的闭环仿真电路图。“运行界面”只是针对课本中开环升压斩波电路进行操作，而在实际工程中，几乎所有的电路均使用闭环模型，由于闭环仿真电路在课堂中不作讲述重点，学生对闭环设计无从下手，不能将所学知识应用于实际工程。因此，在虚拟仿真平台添加“实例分析”入口，有助于学生从工程的角度理解闭环仿真电路的设计方法，以及闭环参数改变对电路的影响。
3 结 语
在电力电子教学过程中，针对课程课时短、概念多、知识面广、实践性强等特点，电力电子教学虚拟仿真平台可以达到辅助教学的目的。通过Matlab GUI，设计友好的人机交互界面，搭建电力电子技术虚拟仿真平台。对于一個基本电路，其“原理分析”界面巩固所学理论知识、“运行界面”分析参数改变引起的波形变化、“实例分析”界面理解闭环电路设计思想。学生不仅学习基本电路拓扑，巩固课堂所学知识，而且真正学会该电路在工程实际中的使用方法。
参考文献
[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2] 刘桂英，粟时平.“电力电子技术”的Matlab/Simulink教学仿真实践[J].电气电子教学学报，2011（1）：87?89.
[3] 王春凤，李旭春，薛文轩，等.电力电子技术实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2011（9）：127?129.
[4] 夏小虎，张春鹏，冯敏亮.“电力电子技术”课程可视化实践教学改革与探索[J].中国电力教育，2011（12）：146?147.
[5] 杨蕊，王晓燕，杨婷.基于Multisim虚拟仿真技术的电工电子实验室建设[J].实验技术与管理，2015（10）：129?131.
[6] 朱高中.基于Multisim仿真软件在高频实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2012（11）：106?108.
[7] 尚丽，淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索，2010（6）：66?71.
[8] 杜世民，杨润萍.基于Matlab GUI的“信号与系统”教学仿真平台开发[J].实验技术与管理，2012（3）：87?90.
[9] 牛天林，樊波，张强，等.Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索，2015（2）：84?87.
[10] 王巧花，叶平，黄民.基于Matlab的图形用户界面（GUI）设计[J].煤矿机械，2005（3）：60?62.
[11] 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101?104.
[12] 谢晖.Matlab GUI与Simulink之间参数互调方法探讨[J].贵州师范学院学报，2013（6）：21?24.
摘 要： 针对电力电子课程课时短、概念多、知识面广、实践性强等特点，该文讨论了基于Matlab GUI与Simulink结合的电力电子虚拟仿真实验平台的构建。以直流?直流变流技术主界面为例，叙述了主界面的内容，原理分析界面的内容和功能，运行界面的基本特征，以及闭环仿真实例分析。电力电子教学可视化平台界面友好、操作简单，其应用有助于加深学生对基本理论、基本概念的理解，提高实验教学质量，推进实验教学改革。
关键词： 电力电子技术； MatlabGUI； 虚拟仿真平台； 教学可视化平台
中图分类号： TN99?34； TM743 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0063?03
Abstract： In view of the advantages of short class time， more concepts， wide knowledge scope and strong practice of the power electronic curriculum， the construction of power electronic virtual simulation platform based on Matlab GUI （graphical user interface） and Simulink is discussed. Taking the main interface of DC?DC converting technique as an example， contents of main interface， contents and functions of principle analysis interface， basic characteristics of running interface and closed?loop simulation instance are described. The interface of visualization platform for power electronic teaching is friendly and easy to operate. It is helpful to deepen students' understanding of basic concepts， improve the quality of experimental teaching. Its application can deepen students′ comprehension to the basic theory and concept of their courses， improve the experimental teaching quality， and promote the experimental teaching reform.
Keywords： power electronic technology； Matlab GUI； virtual simulation platform
电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术[1]。它是以高等数学、电路原理及模拟电子技术等课程为基础，同时也是自动控制原理，电机与拖动等专业课程的基础课，具有很强的实用性和综合性，是电气工程领域理论和实践相结合的专业核心课程之一，因此电力电子技术教学质量的好坏，将直接影响后续课程的学习[2?4]。电力电子课程概念多、知识面广、实践性强，这给老师讲课和学生理解带来很大的困惑，所以借助实验来加深学生对基本概念、基本理论和基本方法的理解很有必要。而传统电力电子实验教学受场地、器材、时间等诸多因素的影响，难以让学生达到基本的实验目标。虚拟仿真实验平台投入小，不受时间、地点的限制，具有一定的开放性，方便学生创新等优点。所以借助虚拟仿真平台来辅助课堂及实验教学会起到巨大的帮助作用[5?7]。本文借助Matlab/Simulink仿真环境，以及GUI（Graphical User Interface）设计友好的人机界面，通过GUI输入框中数值的不同，改变电路参数，即可在界面观察对应的波形变化。同时在界面中添加不同的入口画面，可以观察仿真原理图，以及该电路的原理分析。同时，在虚拟仿真平台中加入电路的闭环实例分析，加深学生对该电路的理解，提高学生的积极性和学习效率[8?9]。
1 电力电子虚拟仿真平台的建立
1.1 电力电子虚拟仿真平台结构
在设计GUI界面之前，首先需要确定虚拟仿真平台的结构。由于设计该平台的主要目的是为电力电子课程提供一个教学和实验的仿真平台，对电力电子课程中的一些常用电路进行动态仿真，帮助学生深刻理解电力电子课程中电路拓扑和电路实例。根据这些基本要求，并结合电力电子课程的特点，确定了虚拟仿真平台的结构框图，如图1所示。该平台包含了电力电子技术中常用电路，如整流电路、逆变电路、直流?直流变流技术、交流?交流变流技术及PWM控制技术5个基本模块。课程的其他内容可在虚拟仿真平台的基础上扩展，因此，该平台具有很强的通用性。
为了使每个模块设计更加简单，虚拟仿真平台采用了分层设计方法，将该平台分为若干个模块，每个模块包括一些子模块。图2给出了直流?直流变流技术模块的组成框图，它包括原理分析、运行界面和实例分析三个子模块，其他模块的设计思想同该模块基本相同。
1.2 Matlab图形用户界面设计
Matlab为用户提供了强大的集成图形用户界面开发环境（GUIDE），用户可以方便地设计图形用户界面，开发自己的用户程序[10]。图形用户界面（GUI）是由窗口、菜单、文字说明、标签等控件构成。用户通过提供的控件，如按钮、滑块、列表框等可以设计出易于理解的人机界面。一个图形用户界面必须包括控件（Component）、图形窗口（Graphics）和回调函数（Callback）三个部分，利用GUIDE创建GUI是常用方法之一。使用GUIDE创建GUI的基本步骤如下：
（1） 选择控件类型。根据预期的界面设计，选择控件类型。电力电子教学虚拟仿真平台中使用的控件主要包括按钮、输入框、标签、坐标轴及面板等。
（2） 设置控件属性。控件的基本属性包括字符（String）、标签（Tag）、字体大小（FontSize）、前景色（ForegroundColor）等。通过设置控件属性，实现预期的功能指标。
（3） 编写回调函数。确定整个界面布局之后，需要编写控件的回调函数。鼠标右键单击控件，选择“查看回调”→“callback”，编写回调函数。
在界面设计中用到的主要函数如下：
get_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′）；
%获取电路输入电压幅值
set_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′，a）；
%设置输入电压幅值
options = simset（′SrcWorkspace′，′current′）；
%指定模型从当前空间运行，获取编辑框中输入电压幅值参数
sim（′boostdianlu′，[]，options）；
%使用sim（）函数使仿真模型从当前GUI函数空间进行仿真
plot（tout，yout）； %将输出波形绘制到当前坐标轴对象上
1.3 Simulink仿真模型
Simulink是Matlab的一个功能组件，为用户提供建模和仿真的工作平台。Simulink的SimPowerStems仿真工具箱提供电机与拖动、电力系统与自动化以及电力电子等仿真模块，几乎涵盖所有电力电子电路的仿真模块。按照电力电子电路的基本原理，利用工具箱提供的模块可以进行仿真电路的搭建[11]。以“升压斩波闭环仿真电路”为例，说明建立仿真模型的基本步骤：
（1） 调用功能模块。根据升压斩波电路原理图，确定所需功能模块，找到它们所在模块库。
（2） 创建并保存模型。建好模型后，使用Save命令保存，以便下次使用时直接调用。
（3） 连接模块并设置参数。将各个功能模块按照布局进行连接，并设置每个模块的参数。
（4） 运行仿真并显示结果。
2 电力电子仿真平台实例
根据图1所示的虚拟仿真平台结构框图和图2所示的直流?直流变流技术模块结构框图，采用GUIDE设计各基本模块和子模块的图形用户界面，编写各控件对应的回调函数，响应用户操作。该GUI界面由主界面、原理分析界面、运行界面以及仿真模型四个部分组成。
2.1 直流?直流变流技术主界面
主界面是访问该节的第一个用户界面，如图3所示。直流?直流变流技术主界面由标题和功能选择按钮组成。在主界面中列出了包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等常用的六大类基本斩波电路。每一类电路中有三个按钮，对应三个入口，分别是“原理分析”、“运行界面”以及“实例分析”。用户点击其中任意一个按钮，即可进入对应的功能界面。
2.2 升压斩波电路原理分析界面
以升压斩波电路为例，当点击“原理分析”按钮后，通过按钮对应的回调函数，就可跳转到升压斩波电路的原理分析界面，如图4所示。原理分析界面由三部分构成，分别是电路原理图、原理分析文字说明以及主界面按钮。学生通过原理分析界面巩固所学内容，进一步加深对升压斩波电路基本原理的理解，提高理论知识的学习效果。当点击“主界面”按钮时即可返回图3所示的直流?直流变流技术的主界面。
2.3 升压斩波电路运行界面
当点击升压斩波电路“运行界面”按钮后，跳转到对应的运行界面，如图5所示。运行界面由参数设置栏，波形栏以及菜单栏三部分组成。在参数栏设置需要改变的参数，分别为电压E、电容R、电感L、电阻R。在输入框中输入对应的数值可改变仿真电路的参数[12]。波形栏共有三个坐标轴，分别显示输出电压，电感电压以及开关信号波形。菜单栏包括仿真按钮和主界面按钮两部分。点击“仿真”按钮进行电路仿真，点击“主界面”按钮返回图3对应的直流?直流变流技术的主界面。
通过输入框改变仿真电路参数，不用在仿真模型中双击元件改变，提高了仿真效率，同时该界面可直观地观察电路参数的改变而引起的波形的变化。
2.4 实例分析电路
当点击“实例分析”按钮后，打开以升压斩波电路为基础的闭环仿真电路图。“运行界面”只是针对课本中开环升压斩波电路进行操作，而在实际工程中，几乎所有的电路均使用闭环模型，由于闭环仿真电路在课堂中不作讲述重点，学生对闭环设计无从下手，不能将所学知识应用于实际工程。因此，在虚拟仿真平台添加“实例分析”入口，有助于学生从工程的角度理解闭环仿真电路的设计方法，以及闭环参数改变对电路的影响。
3 结 语
在电力电子教学过程中，针对课程课时短、概念多、知识面广、实践性强等特点，电力电子教学虚拟仿真平台可以达到辅助教学的目的。通过Matlab GUI，设计友好的人机交互界面，搭建电力电子技术虚拟仿真平台。对于一個基本电路，其“原理分析”界面巩固所学理论知识、“运行界面”分析参数改变引起的波形变化、“实例分析”界面理解闭环电路设计思想。学生不仅学习基本电路拓扑，巩固课堂所学知识，而且真正学会该电路在工程实际中的使用方法。
参考文献
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[4] 夏小虎，张春鹏，冯敏亮.“电力电子技术”课程可视化实践教学改革与探索[J].中国电力教育，2011（12）：146?147.
[5] 杨蕊，王晓燕，杨婷.基于Multisim虚拟仿真技术的电工电子实验室建设[J].实验技术与管理，2015（10）：129?131.
[6] 朱高中.基于Multisim仿真软件在高频实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2012（11）：106?108.
[7] 尚丽，淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索，2010（6）：66?71.
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[9] 牛天林，樊波，张强，等.Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索，2015（2）：84?87.
[10] 王巧花，叶平，黄民.基于Matlab的图形用户界面（GUI）设计[J].煤矿机械，2005（3）：60?62.
[11] 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101?104.
[12] 谢晖.Matlab GUI与Simulink之间参数互调方法探讨[J].贵州师范学院学报，2013（6）：21?24.
