基于Matlab GUI的電力電子技術教學平臺設計

安 樹 閆英敏 劉正春

中國人民解放軍軍械工程學院 河北石家莊 050003

基于Matlab GUI的電力電子技術教學平臺設計

安 樹 閆英敏 劉正春

中國人民解放軍軍械工程學院 河北石家莊 050003

根據電力電子技術課程波形多、理論與實踐并重的特點，利用Matlab語言的圖形用戶界面(GUI)功能，設計開發了一套交互式電力電子技術教學平臺輔助軟件，該軟件界面友好，開放性強，可修改實驗參數，圖形化顯示實驗結果，可用于課堂教學和實驗教學。

電力電子技術；GUI；教學平臺

電力電子技術是電氣工程及其自動化等專業的重要專業基礎課，也是實用性、工程性和綜合性很強的課程。課程內容以電力電子器件和四大類變流電路為主線，通過分析各類電力電子器件的通斷情況來理解整流、逆變、斬波、調壓等典型電路的工作原理，從而得出電路在不同負載作用下各點的電流、電壓波形。因此，本課程涉及電力電子技術各種裝置的分析與大量的計算、電能變換的波形分析、測量與繪制等，這些工作特別適合應用Matlab來完成[1]。

Matlab是當今科研領域最常用的應用軟件之一，是一種簡易的、可擴展的系統開發環境和平臺。Matlab在提供強大計算功能的同時，還大力發展了圖形用戶界面(GUI)功能。利用Matlab提供的GUI設計工具或編寫程序，可以設計出美觀、方便的菜單化和控件式的人機交互界面。我們采用Matlab圖形用戶界面開發環境GUIDE設計開發了一套應用于電力電子技術輔助教學的仿真軟件。

1 仿真平臺的設計

仿真平臺分為兩大模塊：電力電子器件模塊和電力電子電路模塊，電力電子器件模塊分設具體元器件，電力電子電路模塊分四大變流電路，各變流電路又分設具體的變流電路。仿真平臺的總體框架如圖1所示，軟件相應的流程圖如圖2所示。通過主界面的選項框或者菜單可進入電力電子器件界面來觀察元器件的特性以及參數設置，進入電力電子電路界面可設置電路相關參數進行虛擬實驗，得出仿真波形和實驗結論，加深對變流電路工作原理的理解。

圖1 仿真平臺的整體框架

圖2 軟件的流程圖

2 仿真平臺的實現

2.1 主界面

2.1.1 主界面功能簡介

主界面如圖3所示，主要由GUIDE工具箱中的菜單、按鈕、坐標軸、靜態文本框、菜單欄和組合框等控件實現。

圖3 主界面

菜單欄包括“實驗平臺”“快捷查詢”兩項，每項主菜單下設子菜單，方便仿真平臺各界面之間的相互轉換以及與Matlab軟件中Simulink工具箱的鏈接。

選擇組合框中的“電力電子器件”或“電力電子電路”，界面的右側和下方會出現器件或電路的模型框圖和簡介，可通過主界面了解這兩大模塊的概況。單擊“進入電力電子器件界面”或“進入電力電子電路界面”按鈕可進入相應的界面。

2.1.2 主界面功能的實現

對控件的屬性進行設置，包括控件的背景色、前景色、Tag值、String值、Value值等。屬性設置完成后，需要編寫相應控件的程序代碼來實現其功能。

(1)電力電子器件和電力電子電路介紹的轉變。此功能主要是通過對一個組合框內2個單選按鈕的選擇來實現的。主要代碼如下：

由get(hObject,'tag')語句判斷用戶選擇了哪個按鈕，通過switch…case…end語句使坐標軸的圖像發生相應的改變，“imread”函數用于讀取圖像，顯示圖像用“image”函數，set語句組使靜態文本框內的模型簡介內容發生改變。

(2)進入電力電子器件界面和電力電子電路界面。進入電力電子器件界面和電力電子電路界面的代碼類似，都是通過關閉主界面close(f gure(mainplat))，再打開相應的界面f gure( )實現的。

2.2 電力電子器件界面

電力電子器件界面如圖4所示，選擇列表框內的電力電子器件模型，“模型及特性展示區”和“實物展示區”會顯示所選擇的器件的特性和實物圖片，“模型簡介區”同時對此器件的功能、特性進行文字介紹。利用val=get(handles.listbox1,'value')語句，可獲得列表框中電力電子器件所對應的“value”值，再通過switch…case函數選擇相應的語句實現相應的功能。例如：單擊電力場效應管MOSFET，此時“value”值為4，程序會執行case 4后面的代碼，通過axes( )語句在特定的坐標軸上顯示相應的圖片。

圖4 電力電子器件界面

“返回主界面”“退出系統”和“器件參數設置”3個按鈕實現相應的功能。

2.3 電力電子電路界面

2.3.1 電力電子電路界面簡介

用戶單擊主界面上的“進入電力電子電路界面”，便可進入主界面(如圖5所示)，用戶在此可選擇想要仿真的電路模型。例如當選擇直流—直流變流電路中的降壓斬波電路，單擊“進入”按鈕時，會跳轉至降壓斬波電路界面(如圖6所示)。此電路界面可劃分為4個區域，左上方為“電路原理區”，左下方為“電路參數設置區”，中間為“仿真結果顯示區”，右側為“功能按鈕區”。

圖5 電力電子電路界面

圖6 降壓斬波電路界面

2.3.2 電力電子電路界面功能實現

為了保持軟件界面的統一性，各電路仿真界面風格基本一致，以降壓斬波電路界面為例說明界面主要功能的實現。

(1)電路原理區。電路原理區顯示所選擇電路的原理圖，方便用戶理解此電路的工作原理和構成。主要由“imread”和“image”函數讀取和顯示坐標軸上的電路原理圖片實現此功能。

(2)電路參數設置區。由電力電子電路界面轉至降壓斬波電路界面，此時參數設置區有默認的最佳參數設置，點擊“仿真”按鈕，參數就會傳遞到降壓斬波電路mdl模型中，在后臺開始仿真，仿真波形和計算結果顯示在仿真結果區。若改變參數，仿真結果也會發生相應的變化。

電阻、電源電壓、電感、反電動勢值的傳遞：用“get”函數讀取電阻值、電源電壓值、電感值、反電動勢值文本框中的數值，“set_param”函數將讀取的數值寫入相應的mdl模型中。

仿真時間的設置通過滑動條或編輯文本框來實現。滑動條主要用于為程序提供數值，這個數值被限制在一定的范圍內，用戶可以通過鼠標或鍵盤移動滑動條滑塊的位置來改變滑動條提供的數值。編輯文本框支持用戶通過鍵盤輸入數值，用于為程序運行提供輸入參數。

滑動條的回調函數代碼為：set(handles. edit2,'String',get(handles.Sli,'Value')) 。此代碼可以把滑動條上滑塊的位置轉換為數值顯示在文本框中。

編輯文本框的回調函數先用if語句判斷輸入到文本框的數據是否在滑動條的范圍內，如果不在此范圍內，輸入無效；如果合理，將文本框中的數值傳遞到滑動條上，即OldT=get(handles.Sli,'Value');set(h Object,'String',OldT)。從而實現了滑動條和文本框的數據傳遞。再將仿真時間寫入仿真模型中，需編寫如下語句：tendvalue=get(handles.edit2,'String')；從而修改了模型中的仿真時間。

考慮到脈沖發生器需要設置的參數不止一個，故采用調用模塊封裝界面的方法來實現，利用“open_ system”語句打開模塊參數設置界面。

(3)仿真結果顯示區。設置電路中各參數之后，單擊“仿真”按鈕，仿真波形就會顯示在指定的數軸上，計算結果顯示在動態文本框中。其程序調用的過程為：GUI界面參數通過函數set_param傳遞到降壓斬波電路mdl模型中，模型在后臺進行仿真后的結果用函數evalin存入Matlab的workspace中，再利用plot(tout,yout)命令畫出圖形，顯示在GUI界面上。

(4)功能按鈕區。“返回上一界面”“返回主界面”“其他波形”以及“仿真結論”按鈕的功能主要由figure函數打開相應的界面來實現的。直接調用questdlg對話框實現“退出程序”按鈕功能，這些功能按鈕都是Push Button控件。

3 結束語

應用Matlab圖形用戶界面的開發環境GUIDE設計開發出一套電力電子技術輔助教學軟件，該軟件平臺集原理說明、參數設置、模型查看、仿真操作、波形顯示等為一體，界面友好、功能完善。使用此軟件既可使學生易于理解和掌握電力電子技術的理論知識和分析方法，也為學生進行開發性、設計性實驗提供有力支撐。教學實踐證明，所開發的電力電子技術輔助教學軟件極大地提升了教學質量，有助于培養學生的動手實踐能力以及分析問題和解決問題的能力。

[1] 王兆安,劉進軍.電力電子技術:第5版[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 陳垚光,毛濤濤,王正林,等.精通MATLAB GUI設計:第1版[M].北京:電子工業出版社,2008.

[3] 李京秀,陳白生.基于Matlab圖形用戶界面 GUI的電路仿真實驗的制作[J].電氣電子教學學報,2004,26(4):99-101.

[4] 金波.基于Matlab的“信號與系統”實驗演示系統[J].實驗技術與管理,2010,27(12):104-107.

[5] 唐賢倫,羅萍,嚴冬.在電力電子技術課程教學中展開Matlab仿真訓練[J].中國電力教育,2009,10:67-68.

Design of instructional platform for power electronic technique based on Matlab GUI

An shu, Yan Yingmin, Liu Zhengchun
Ordnance engineering college, Shijiazhuang, 050003, China

According to power electronic technique course having the features of many waveform and equally important experience and theory, a interactive auxiliary software of instructional platform for power electronic technique is designed based on matlab GUI in this paper. The courseware interface is friendly and open, which has many merits of modif able experimental parameters. It can be used on academic and experimental instruction.

power electronic technique; GUI; instructional platform

2011-10-16

安樹，碩士，講師。閆英敏，博士，副教授，主任。劉正春，碩士，講師。