基于MATLAB的電力電子技術(shù)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)軟件技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。計算機(jī)教學(xué)軟件能夠提供一個友好的交互式人機(jī)界面，全面的展示知識內(nèi)涵。MATLAB語言作為一種高級矩陣語言，不但在數(shù)值計算和符號計算方面具有強(qiáng)大的功能，而且在計算結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)可視化方面也有其他類似軟件難以匹敵的優(yōu)勢。利用MATLAB GUI，即圖形用戶界面，可以提供給用戶一個可以方便地和計算機(jī)進(jìn)行信息交流的環(huán)境。

電力電子技術(shù)本身具有實踐性、工程性和綜合性的特點，而且波形分析和試驗驗證環(huán)節(jié)對于實際應(yīng)用尤其重要。只靠手工的繪制圖不僅效率不高，而且不能很好的顯示出波形的動態(tài)變化。在電力電子的實際試驗中用的都是功率器件，費用高、費時，而且危險性大。在MATLAB具有專門的仿真工具和電力系統(tǒng)模塊庫。因此，如何利用MATLAB軟件的圖形用戶界面技術(shù)和仿真技術(shù)對電力電子技術(shù)進(jìn)行仿真成了一個重要的研究方面。

1.1 電力系統(tǒng)工具箱(Power System)

MATLAB的圖形處理系統(tǒng)為用戶提供了非常豐富的函數(shù)，用以將工程計算的結(jié)果可視化。MATLAB 6.1具有一個電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset)。這是一個基于圖形編程的電路仿真軟件，使用時不需自己編程，只需將被仿真的電路畫在工作窗口中便可進(jìn)行仿真研究，如圖1。

圖1 電力系統(tǒng)工具箱

隨著計算機(jī)運行速度的成倍提高，用圖形來表示模型的想法應(yīng)運而生。可視化建模的思想逐漸引起人們越來越多的重視。圖形方式信息表達(dá)與其它方式相比具有直觀、簡明的特點。用圖形來表示模型，可以直觀地反映出模型信息、模型的特性和信號的連接與傳遞關(guān)系，便于分析維護(hù)。

通常仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用不普及，主要是因為功率開關(guān)元件的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，使仿真模型的建立非常困難。MATLAB電力系統(tǒng)工具箱為我們提供了各種開關(guān)元件的通用模型，使用時只需設(shè)定參數(shù)即可。而且更改參數(shù)非常方便。該工具箱MATLAB中的控制系統(tǒng)工具箱有所不同，用戶不需自己編程且不需推導(dǎo)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)建模過程更接近實際電路設(shè)計過程，且使用方便，可信度極高。

1.2 MATLAB圖形用戶界面(GUI)

用戶界面是用戶與計算機(jī)和計算機(jī)程序的交互方式，是用戶與計算機(jī)進(jìn)行信息交流的方式。用戶界面設(shè)定了如何操作計算機(jī)和應(yīng)用程序。用戶以某種方式激活這些圖形對象(如圖形窗口、菜單、控件、文本)，會引起動作或發(fā)生變化。

MATLAB為圖形用戶界面的設(shè)計提供了一個功能強(qiáng)大的設(shè)計向?qū)В撓驅(qū)б彩且詧D形用戶界面的形式提供給用戶的，從MATLAB的File菜單下選擇New GUI命令，彈出GUI控制面板設(shè)計向?qū)АATLAB的整個GUI設(shè)計過程如圖2。

圖2 GUI的設(shè)計過程

根據(jù)需求分析，設(shè)計好控件布局，MATLAB可以直接生成.m文件。在建立控件時，主要就是編寫控件的回調(diào)函數(shù)callback。對不同的事件(event)有不同類型的回調(diào)程序，每一類圖形對象包括的事

件種類也不同的。回調(diào)程序編輯器可以編寫每一類事件的回調(diào)程序。

一個簡單的命令：窗口句柄=figure(屬性1，屬性值1，屬性2，屬性值2，…)就可以建立起一個窗口。其中屬性包括該窗口的Color、InverHard copy、MenuBar、Name、NumberTitle、Position、U nits、Visible、UserData等等。在主窗體中，按照用戶需求，設(shè)置了單相可控整流電路、三相可控整流電路和電動勢負(fù)載可控整流電路等各項按鈕。通過uincontrol(‘propertyNamel’，‘pushbuttonl’，‘propertyName2’，‘pushbutton2’，…)很容易的實現(xiàn)。當(dāng)建立一個對象中，可以用get和set函數(shù)來改變屬性值，get函數(shù)可以返回某些對象屬性的當(dāng)前值，set函數(shù)改變句柄圖形對象屬性，如：

get(handle，‘PropertyName’)

set(handle，‘PropertyName’，value)

2 電力電子技術(shù)教學(xué)仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 仿真軟件的設(shè)計

本課件采用MATLAB編程語言，按照電力電子技術(shù)課程內(nèi)容可以設(shè)計出相應(yīng)的CAI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即電力電子技術(shù)教學(xué)仿真軟件主界面如圖3。

圖3 電力電子技術(shù)教學(xué)軟件主界面

本軟件主要是按照實際整流電路的要求來實現(xiàn)電力電子技術(shù)中各種電路的動態(tài)仿真，便于理解和掌握。

2.2 應(yīng)用實例

在MATLAB中提供了Simulink和Power Sys term Blockset工具箱，擁有一種很方便的建模環(huán)境，用戶不用直接編寫程序，而是通過交互命令方式建立、修改和調(diào)試模型，給電力電子技術(shù)中的各種電路的仿真提供了有利的條件，簡化了仿真建模。例如圖4為三相半波可控整流電路的仿真電路。

在仿真電路圖4中，雙擊模塊，從而得到負(fù)載的屬性設(shè)置，改變各項的值，運行并通過示波器來顯示各個量的變化，以便比較和研究。在仿真環(huán)境中，用戶通過簡單的鼠標(biāo)操作就可建立起直觀的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，有機(jī)地將理論研究和工程實踐結(jié)合在一起。

圖4 三相半波可控整流電路

圖5和圖6為不同負(fù)載時的負(fù)載電壓仿真波形。通過仿真波形的比較，大大提高了理論分析的可視性。

圖5 電阻負(fù)載時的負(fù)載電壓仿真波形

圖6 阻感負(fù)載時的負(fù)載電壓仿真波形

3 結(jié)論

本文基于MATLAB的GUI技術(shù)和Simulink仿真工具，實現(xiàn)了電力電子技術(shù)教學(xué)軟件的主要功能，包含了《電力電子技術(shù)》課程大部分的教學(xué)內(nèi)容，針對電力電子技術(shù)中基本的整流電路進(jìn)行了動態(tài)仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，給電力電子技術(shù)試驗和教學(xué)帶來了方便，而且對學(xué)生熟悉和應(yīng)用MATLAB也起到積極作用。