基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建

•实验室建设与管理•

实验科学与技术

Experiment Science and Technolog^^VoL. 16 No. 3

Jun. 2018

基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验

仿真平台的设计与构建

宗哲英'，张旭'，郝永强2,王帅'，张春慧1

(1.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特010018; 2.河海大学能源与电气学院，江苏南京210000)

摘要电力电子技术课程具有实用性强、理论与实践并重的特点，为解决教学中理论与实践脱节的现象，该文利用

MATLAB图形用户界面GUIDE,设计了一种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，实现对多种电力电子电路的仿真。实践表明，该平台可以对电路参数进行设置和修改， 以图形化显示实验结果，直观反映参数改变对仿真结果的影响，且具有学生自主创建器件库的功能，可自主搭建电路并实 现综合创新实验的仿真。

关键词电力电子技术；图形用户界面；虚拟仿真平台；人机交互界面中图分类号 TP311

文献标志码 A

doi： 10. 3969/j. issn. 1672 -4550. 2018. 03. 037

Design and Realization of Virtual Experimental Platform of Power

Electronics Technology Based on MATLAB GUI

ZONG Zheying1 , ZHANG Xu

1 , HAO Yongqiang2, WANG Shuai1, and ZHANG Chunhui1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018 , China；

2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210000, China)

Abstract The course of power electronics technolog^^ has the characteristics of strong practicability, equal importance on theory

and practice. In this paper, a virtual experimental platform for pow，er electronics technology is established in order to get better teach­ing effect. The platform based on MATLAB GUIDE (graphical user interface development environment) has three interactive inter­face ,including login interface, circuit select interface and simulation interface. Through the above human - machine interaction inter­face ,it can realize circuit simulation and parameter setting, display the results using graphics. Students not only can analyze the in­fluence of parameter variation, but also create device library and circuit through the platform.

Key words pow，er electronics technology; GUI; virtual simulation platform; interactive interface

电力电子技术[l-3]是电气类专业重要的专业

基础课程，该课程主要在介绍电力电子器件特性 的基础上，研究如何实现对不同形式的电能进行 变换和控制。该课程实用性很强，具有理论与实 践并重的特点。由于电力电子器件具有非线性的 特性，使得学生在学习过程中对电力电子电路的 分析较为困难，需加重实践比重，以增强对相关 问题的理解。但受实践教学学时要求和实验设备 更新的限制，要在实验室完成所有实验项目并不 现实，因此在教学实践中会出现理论与实践相脱

收稿日期：2017-04-14;修改日期：2017-05-22

节的现象。因此，设计一个电力电子虚拟实验仿 真平台，补充和完善该课程的实践教学环节，提 高学习兴趣，改善教学效果，是必要且可 行的[4-10]。

要构建电力电子技术虚拟实验仿真平台，电 力电子电路的计算机仿真方法是它的基础。美国 MathWorks公司出品的商业数学软件MATLAB是当 今科研领域最常用的应用软件之一，它在提供强 大的计算功能的同时，还大力发展了图形用户界 面功能。GUI[11 12] (graphical user interface 图形用

基金项目：内蒙古农业大学实验教学仪器设备研制与标本制作项目（JDSYSJS201302)。

作者简介：宗哲英（1975-),男，硕士，副教授，主要从事电力电子与电力传动等方面的教学与科研。

通信作者：张春慧（1979-)，女，硕士，副教授，主要从事控制理论与控制工程等方面的教学与科研工作。Email:

zhchunhui1979@ 126. com

第16卷第3期宗哲英，等：基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建

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户界面）是MATLAB的一个工具集，其图形化的界 面极大的简化了设计过程中界面的布局操作，方

便使用者执行交互式的任务。本文利用MATLAB GUI,设计开发了一种包括登录界面、电路选择界 面和仿真界面，可用于课堂教学演示、辅助实验 教学的电力电子技术虚拟实验仿真平台。1

虚拟实验平台总体设计

册、用户账号信息加密和修改密码等功能[5]，如 图3所示。

本文设计的电力电子虚拟实验仿真平台是在 MATLAB的语言环境平台上开发的，在设计中采 取从上到下层层递进分析的思路。首先确定整个 实验系统的框架结构，然后将每个实验项目作为 本结构框架下的子实验系统，最后确定统一的接 口。在代码的实现上，通过编写所需功能模块的 回调函数以达到预期的功能，之后对程序进行修 改与调试。如图1所示，为GUI程序运行流程图。

图1 GUI程序运行流程

该平台在满足电力电子技术课程理论和实验 教学要求及课程设计、毕业设计要求的基础上，

还可以辅助本科生自己进行综合实验设计。如图2 所示，设计出的本文虚拟实验仿真平台的总体 框架。

图2虚拟实验平台的总体框架

2

界面设计

2.1登录界面设计

用户登录界面包括用户注册、修改密码、退 出3个选项菜单，可完成老用户登录、新用户注

图3登录界面窗口

为标明该虚拟实验系统的制作和版权单位， GUI界面的左上角以内蒙古农业大学的校徽作为本 平台的LOGO。相应的MATLAB程序如下：

javaFrame =get(h01)ject,’JavaFrame’）； javaFrame. setFigureIcon ( javax. swing. ImageIcon (’iconl. jpg’”;2. 2

实验电路界面设计。

1)实验电路选择窗口的设计。

实验电路选择界面包括基本实验电路演示平 台和综合创新实验操作平台两部分。基本实验电 路演示平台包括整流电路、斩波电路、逆变电路 和调压电路及其典型子电路系统，涵盖了电力电

子技术课程的主要教学内容。此界面起过渡作用， 以方便实验电路的选择，如图4所示。

图4实验电路选择窗口

2)

演示平台功能简介。

基本实验电路演示平台界面里每个实验均包 括实验目的、实验原理、实验电路的计算机仿真、 实验结果波形显示及相关计算等。利用演示实验 环节，可以快速、清晰地完成对电路工作过程模 拟及分析，此部分是虚拟实验的主要内容。

3) 综合创新实验操作平台简介。

操作平台也是虚拟实验仿真系统的重要组成

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实验科学与技术2018年6月

之一，可满足学生自己动手设计电路的需求。操 作平台需预先建立空白的Simulink设计界面、电力 电子元器件库和常用的模块库。单击图4的“操 作平台入口”按钮，会自动弹出自建的电力电子 元器件库和空白的Simulink设计界面，如图5和图 6所示。学生可根据需要自行设计实验并进行仿真 研究。

其中，左边电路原理区和输入参数区属控制 部分，右边属显示部分。控制部分可实现将原理 图通过选项菜单选择导入，并能够根据电路实际 要求设置输入参数。显示部分可以显示电路的各 相关波形。

2)仿真电路界面功能的实现。下面介绍界面主要功能的实现。①

可显示电路原理图，分别由“imread”和“image” 电路原理区：单击选项菜单“原理图”

图5电力电子元件库

图6 Simulink设计界面

2.3仿真电路界面

1)仿真电路界面简介。

以单相交流调压电路为例进行介绍。

单击演示平台上调压电路的单相交流调压电路按 钮，进入单相交流调压电路仿真平台，如图7所示。

图7单相交流调压电路仿真平台界面

函数实现读取和显示电路原理图的功能。MATLAB 语言相关程序如下：

axes( handles, axesl)；I = imread( ‘ dxjlty. jpg，）；image(I);axis off②

电路参数设置区：电压、电阻、电感和

相角的传递，是由get函数读取GUI界面数值，利 用参数同名传递到相应的mdl模型中。仿真时间的 设置可通过打开“Simulink模型”进行修改，利用 open_system ()打开相应的模型。此菜单功能除了 可以修改仿真时间外，还可通过直接修改相关模 块来搭建其他类似电路，并对其工作波形进行 观测。

③

波形显示区：GUI界面参数通过函数递到单相交流调压电路电路mdl模型中，模型在后 台进行仿真后的结果，会通过sim、simset函数和 plot显示在GUI界面上。

④

菜单区：选项菜单有电路原理图、实验

理、Simulink模型、启动仿真及退出和返回上一级 菜单，可通过菜单编辑器实现对选项菜单的编辑。3

应用与测试

本虚拟实验平台提供了演示实验和操作实验 两种实验类型，下面分别举例介绍两种实验的测 试及实现。3. 1

演示实验

以单相交流调压电路为例，按2. 3节所述操作 步骤进入演示电路仿真平台，通过选项菜单导入 电路原理图，根据要求在参数设置区对参数进行 设置，即可在波形显示区观测到仿真波形，如图8 所示，为触发角a =45°时的晶闸管电流、电压及

负载电流、电压的波形。

ge

第16卷第3期宗哲英，等：基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建• 149 •

③电路图搭建说明：此处电路搭建类似于演 示平台中的电路仿真搭建，唯一不同之处在于参 数的设置。操作实验下参数直接修改即可，而演 示实验中需要参数传递到GUI界面程序中，与之 相比，操作平台更随意。

2)电路仿真。

设置元件属性并仿真，如图11所示，为触发 图8单相交流调压电路仿真波形

此外，还可以通过“Simulink模型”直接进入

系统模型界面，单击菜单选项下的“Simulink模 型”，系统将在后台运行程序及模型，也可实现此 功能，十分方便。电路及波形如图9所示，与GUI 界面的波形显示完全相同。

图9单相交流调压电路仿真模型与波形

3.2操作实验

操作实验是学生自己搭建电路，并可设置器 件参数和属性的平台。该平台在演示实验的基础 上，为学生提供了打破原有实验的限制自己设计 实验的机会。在设计和实验过程中，可提高学生 的动手能力，培养学生思考问题及解决问题的

能力。

1)搭建电路图（以单相半波可控整流电路为例）。

①选取并拖放元器件：搭建单相半波可控整 流电路需要的基本元件交流电源1台、脉冲电源 1台、晶闸管1个和电阻1个。②器件间连线及相关参数设置如图10所示。

图10器件连线

角a =0。时的仿真曲线。

图11仿真结果

从仿真结果不难看出实验结果的正确性。通 过此实验我们可观察到，触发角发生改变时，直 流输出电压、负载电压波形均会发生相应的变化,

当触发角a = 180°时，平均电压为0。

电力电子技术课程的理论计算比较繁琐，利 用上述虚拟系统进行仿真，会准确、快速地获得 工作波形，直观、便捷，节省了大量传统方法绘 制工作波形的时间。利用该操作平台可对复杂的 电路、电力电子变流系统进行建模仿真。4

结束语

本文所述的电力电子虚拟实验仿真平台是对 传统实验教学的一个必要、有益的补充，既能节 省教学的经济成本，也使实验在时间、空间上得 到有效的延长。在理论教学的课堂上，利用虚拟

实验平台进行实验验证，既加深学生对课程内容 的理解，又能解决课程内容与传统实验脱节的问 题。本实验平台的操作实验为学生提供了一个创 新的平台，充分调动学生主动性和创造性的同时, 又培养学生分析、设计和调试系统的能力。因此, 本虚拟实验平台具有通用性高、交互性能好、灵 活性强的特点，有较大的应用和推广价值。

(下转第182页）

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2)桌面终端云能耗分析。

目前市场上的虚拟桌面终端客户机的平均功 耗不超过30 W,按每台瘦客户机每天开机8 h、全 年80%的使用率来计算，某学院实验室中心机房 采购80台瘦客户机，全年的能耗为：

80 x30 x8 X365 x80% =5 606 kW 根据规划，实际配置的服务器数量为2台，每 台服务器满载功耗700 W,闲时功耗70 W, 2台服 务器全年的能耗为：

2 x (700 X8 X365 X80% +70 x 16 X365) =4 090 kW

桌面终端云总能耗为：

5 606 +4 090 =9 696 kW

根据上述计算，桌面终端云的建设，将为学 校节省能耗高达46 368 kW,节省比例为82%,按 每度电0. 6元计算全年可节约电费近2. 7万元。4

结束语

通过两种模式的对比，在耗电量、使用成本、 设备合理使用年限、管理成本、使用时间、开放性 及支持终端等方面，虚拟桌面模式有一定的优势。 对智慧云实验室管理模式的探索、研究和应用，对 提高实验室管理水平和资源综合利用率，促进计算 机实验室的各类实验课程教学改革，培养实践创新 人才具有积极的作用。将云计算技术深入到实验教 学的各个方面，在实用性、开放性、能耗成本等方 面有特定的优势，实践表明该模式对同类高校实验 室信息化管理改革具有一定的参考价值。

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