摘要：本論文通過MATLAB中GUIDE設(shè)計(jì)工具以及對(duì)各種控件進(jìn)行程序編寫，可以設(shè)計(jì)美觀、實(shí)用的菜單化和控件式的界面，進(jìn)而可以構(gòu)建出電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)包括登錄界面、電路選擇界面及仿真界面等，通過以上人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種典型電路電路的仿真。該平臺(tái)可以對(duì)各種電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過變化的波形來顯示，直觀反映參數(shù)變化對(duì)仿真結(jié)果的影響，學(xué)生們還可以根據(jù)實(shí)際需要自主搭建電路并實(shí)現(xiàn)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的仿真，可廣泛應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

關(guān)鍵詞： MATLAB;電力電子技術(shù);虛擬教學(xué)平臺(tái);圖形用戶界面

電力電子技術(shù)課程是電子類專業(yè)學(xué)生的入門基礎(chǔ)課程，對(duì)于學(xué)生們以后對(duì)于專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步地深入學(xué)習(xí)具有極其重要的作用。該課程的主要特點(diǎn)是電路波形復(fù)雜、計(jì)算繁鎖，并且與現(xiàn)實(shí)生活的實(shí)踐操作聯(lián)系緊密。如何能在有限的時(shí)間內(nèi)消化吸收最多的知識(shí)，讓學(xué)生們對(duì)課程內(nèi)容較好地應(yīng)用與掌握，并盡可能地培養(yǎng)學(xué)生們的自主創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生們的動(dòng)手操作能力，極大地提高學(xué)生們的求知欲，是急需解決的問題。因此，需要對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐操作等方面進(jìn)行改革，為了有效地解決教學(xué)中理論與實(shí)踐與脫節(jié)的問題，可以通過電力電子技術(shù)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面對(duì)多種電力電子電路的模擬仿真，這種虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，以圖形化顯示得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直觀反映改變參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，從而讓學(xué)生對(duì)新知識(shí)有一個(gè)全方面的掌握與理解，同時(shí)可以極大地縮減不必要的叫教學(xué)時(shí)間，不但擴(kuò)充了教學(xué)內(nèi)容，而且還擴(kuò)大了教學(xué)的質(zhì)量，而且還具有讓同學(xué)們可自主搭建電路并實(shí)現(xiàn)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的仿真。

面對(duì)新工科及新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力已成為高等教育界的共識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已成工程型課程發(fā)展必然趨勢(shì)。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)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(yīng)用擴(kuò)展方面受到約束。而MATLAB軟件彌補(bǔ)了Pspice軟件和Multisim軟件上的不足，在實(shí)際生活的工程運(yùn)用中具有系統(tǒng)運(yùn)行性能好，效益高等特點(diǎn)，已經(jīng)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(shí)驗(yàn)室研究、開發(fā)的首選工具。而且國(guó)內(nèi)早已將MATLAB軟件工具引入高等院校的日常學(xué)習(xí)中，如周淵深教授編寫的《電力電子技術(shù)與MATLAB仿真》一書中對(duì)MATLAB的研究應(yīng)用就取得了相當(dāng)大的成就，但凸現(xiàn)得進(jìn)步的同時(shí)也出現(xiàn)了一些不足，如操作難度高、專業(yè)應(yīng)用性過強(qiáng)等特點(diǎn)，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(shù)和算法，本文擬建立滿足地方高校學(xué)生需求的電力電子技術(shù)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)主體思路就是利用生成的界面函數(shù)文件調(diào)用電路模型函數(shù)文件，進(jìn)而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過Simulink的仿真，將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)（即任意開關(guān)器件和負(fù)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(tǒng)的用戶界面中。在整個(gè)虛擬仿真平臺(tái)包括登錄界面、演示平臺(tái)和操作平臺(tái)，演示平臺(tái)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(shí)驗(yàn)電路，操作平臺(tái)中學(xué)生可以自己搭建其他創(chuàng)新電力電子電路。

使用MATLAB中的Simulink對(duì)電力電子電路進(jìn)行仿真研究，根據(jù)各種電力變換電路的原理建立仿真模型，然后再對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成對(duì)模型仿真，對(duì)電力電子電路的工作狀況進(jìn)行研究。在完成電力電路的仿真模型構(gòu)建之后，還需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，依次點(diǎn)擊Simlink模型中Simulation、Configuration、Parameters，打開參數(shù)設(shè)置窗口，即可進(jìn)行電路元件的參數(shù)設(shè)置。

設(shè)計(jì)開發(fā)的GUI是由窗口、按鈕、靜態(tài)文本、可編輯文本、坐標(biāo)區(qū)、面板等界面控件所構(gòu)成為一體的用戶界面，用戶通過對(duì)界面控件進(jìn)行編碼最終形成計(jì)算、繪圖、顯示等功能為一體的用戶界面。本文將采用GUIDE構(gòu)建出虛擬仿真平臺(tái)，該平臺(tái)既能在其GUI界面中編寫仿真程序，又能以人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)方式將仿真的圖形化結(jié)果在仿真界面上實(shí)時(shí)顯示出來。

3.3.1登錄界面設(shè)計(jì)

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

3.3.2虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

主界面是由GUIDE工具箱中按鈕、坐標(biāo)軸、靜態(tài)文本框、菜單欄和組合框等控件組合形成的。在仿真系統(tǒng)的主界面中，靜態(tài)文本框主要起提示作用，單選按鈕是用于進(jìn)出系統(tǒng)，坐標(biāo)區(qū)用于嵌入圖片，組合框起選項(xiàng)作用。組合框中有“電力電子器件”“電力電子電路”兩個(gè)選項(xiàng)，通過點(diǎn)擊組合框中的選項(xiàng)按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)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(shí)驗(yàn)、DC-DC實(shí)驗(yàn)、AC-AC實(shí)驗(yàn)、DC-AC實(shí)驗(yàn)、綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、關(guān)閉仿真等六個(gè)子菜單。

3.4基于MATLAB的電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的運(yùn)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(gè)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(diào)壓電路，四個(gè)面板代表電力電子中的四類電路。每個(gè)小面板上的都有若干個(gè)歸屬于該類電路的子電路，可以通過點(diǎn)擊小面板上子電路的按鈕達(dá)到所需變換功能。

選擇子電路按鈕完畢后再點(diǎn)擊“演示平臺(tái)入口”按鈕就會(huì)在新出現(xiàn)的界面中顯示出相應(yīng)電路。整個(gè)界面主要由電路原理圖、參數(shù)設(shè)置區(qū)、仿真波形顯示區(qū)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(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)需要可以隨時(shí)進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也可以通過手動(dòng)調(diào)整各種控制參數(shù)進(jìn)而實(shí)時(shí)觀看仿真結(jié)果，從基本控制電路到綜合應(yīng)用典型實(shí)例，可以清晰地知道不同仿真參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，進(jìn)而讓學(xué)習(xí)者由淺入深地進(jìn)行動(dòng)態(tài)的交互式學(xué)習(xí)。通過對(duì)各種電力電子電路的仿真，在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)之前就能對(duì)電路的性能以及工作狀態(tài)有著較為深刻的認(rèn)知，通過各種電路實(shí)時(shí)波形展示，不僅將復(fù)雜晦澀的電路知識(shí)轉(zhuǎn)換為生動(dòng)形象簡(jiǎn)潔明了的波形變換，而且還增加了教學(xué)的趣味性，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。

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本文系2016年江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題（項(xiàng)目編號(hào)：JXJG-16-17-11）、2018年江西省教育科學(xué)規(guī)劃課題（項(xiàng)目編號(hào)：18YB239）階段性研究成果。

閆昭賢，九江學(xué)院電子A1641班學(xué)生;張波，女，講師，碩士，長(zhǎng)期從事電力電子技術(shù)課程教學(xué)和相關(guān)研究。