基于MATLAB的電力電子技術(shù)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件能夠提供一個(gè)友好的交互式人機(jī)界面，全面的展示知識(shí)內(nèi)涵。MATLAB語(yǔ)言作為一種高級(jí)矩陣語(yǔ)言，不但在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算方面具有強(qiáng)大的功能，而且在計(jì)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(shì)。利用MATLAB GUI，即圖形用戶界面，可以提供給用戶一個(gè)可以方便地和計(jì)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(shí)踐性、工程性和綜合性的特點(diǎn)，而且波形分析和試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)對(duì)于實(shí)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(dòng)態(tài)變化。在電力電子的實(shí)際試驗(yàn)中用的都是功率器件，費(fèi)用高、費(fèi)時(shí)，而且危險(xiǎn)性大。在MATLAB具有專門的仿真工具和電力系統(tǒng)模塊庫(kù)。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(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行仿真成了一個(gè)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(jì)算的結(jié)果可視化。MATLAB 6.1具有一個(gè)電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset)。這是一個(gè)基于圖形編程的電路仿真軟件，使用時(shí)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(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的成倍提高，用圖形來(lái)表示模型的想法應(yīng)運(yùn)而生?？梢暬５乃枷胫饾u引起人們?cè)絹?lái)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(jiǎn)明的特點(diǎn)。用圖形來(lái)表示模型，可以直觀地反映出模型信息、模型的特性和信號(hào)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?yàn)楣β书_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(shí)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)建模過(guò)程更接近實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)程序的交互方式，是用戶與計(jì)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(jì)算機(jī)和應(yīng)用程序。用戶以某種方式激活這些圖形對(duì)象(如圖形窗口、菜單、控件、文本)，會(huì)引起動(dòng)作或發(fā)生變化。

MATLAB為圖形用戶界面的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)向?qū)?，該向?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(jì)向?qū)АATLAB的整個(gè)GUI設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2。

圖2 GUI的設(shè)計(jì)過(guò)程

根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)好控件布局，MATLAB可以直接生成.m文件。在建立控件時(shí)，主要就是編寫控件的回調(diào)函數(shù)callback。對(duì)不同的事件(event)有不同類型的回調(diào)程序，每一類圖形對(duì)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(gè)簡(jiǎn)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(gè)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(dòng)勢(shì)負(fù)載可控整流電路等各項(xiàng)按鈕。通過(guò)uincontrol(‘propertyNamel’，‘pushbuttonl’，‘propertyName2’，‘pushbutton2’，…)很容易的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)建立一個(gè)對(duì)象中，可以用get和set函數(shù)來(lái)改變屬性值，get函數(shù)可以返回某些對(duì)象屬性的當(dāng)前值，set函數(shù)改變句柄圖形對(duì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真軟件的設(shè)計(jì)

本課件采用MATLAB編程語(yǔ)言，按照電力電子技術(shù)課程內(nèi)容可以設(shè)計(jì)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(shí)際整流電路的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)中各種電路的動(dòng)態(tài)仿真，便于理解和掌握。

2.2 應(yīng)用實(shí)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(guò)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(jiǎn)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(xiàng)的值，運(yùn)行并通過(guò)示波器來(lái)顯示各個(gè)量的變化，以便比較和研究。在仿真環(huán)境中，用戶通過(guò)簡(jiǎn)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(shí)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(shí)的負(fù)載電壓仿真波形。通過(guò)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(shí)的負(fù)載電壓仿真波形

圖6 阻感負(fù)載時(shí)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(shí)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(duì)電力電子技術(shù)中基本的整流電路進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，給電力電子技術(shù)試驗(yàn)和教學(xué)帶來(lái)了方便，而且對(duì)學(xué)生熟悉和應(yīng)用MATLAB也起到積極作用。