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基于MATLAB的《电力电子技术》虚拟实验仿真平台

2014/7/29    来源:百度文库    作者:刘艳      
关键字:电力电子技术  虚拟实验  MATLAB/SIMULINK  
文章介绍了《电力电子技术》是一门实践性较强的专业基础课,为改善该门课的实验条件和教学效果,本文提出了一种基于MATLAB/SIMULINK的虚拟实验的设计思想,开发出相应的仿真平台。该仿真软件既可用于教师的课堂教学和实验模拟,又可作为学生自学的辅助工具。

    《电力电子技术》是电气工程及其自动化专业、自动化专业和其它相关专业的主干基础课程之一,它主要研究采用功率半导体器件进行功率变换、控制以及大功率电路开关技术及其应用,是一门实践性很强的课程,在教学过程中常需借助大量的波形来分析各种能量转换过程,过去,主讲教师在课堂教学活动组织过程中,常常将大量的时间花费在画图上,影响了教学进度,学生也常感到教学内容枯燥无味,教学效果不佳。后来,有些教师在课前就将有关波形图制成幻灯片,留更多时间给学生们进行讲解,情况有所改善,但同学们普遍感到只看静止不变的波形,对其动态响应过程不是很了解,仍感到所学内容非常抽象,另外,目前许多普通高校中,受到经费、学时的限制,专业课实验设备很难满足教学要求,大部介学生没有动手实践的机会,难以激发学生的学习的兴趣,这也严重影响了该门课程的教学效果。

    针对上述普遍存在的问题,本文基于MATLAB设计了一套虚拟实验仿真平台,它由操作实验、演示实验和虚拟实验网络版三个独立部分组成,可用于《电力电子技术》课程的课堂教学演示、实验辅助教学、也可作为学生课后自学的辅助工具,该仿真平台整体设计采用WINDOWS风格,方便了用户使用和操作、也易于扩展。

1 虚拟实验的总体结构设计

    在《电力电子技术》课程的教学活动中,波形的测试和分析是核心,也是同学们最难于理解和掌握的部分,本文设计如图1所示的虚拟实验环境,使得各种复杂的能量转换过程比较直观地呈现在学生面前,以求在该门课程的教与学的效果上能有重大的突破。

 图1 系统结构图

图1 系统结构图

    操作平台和演示平台相互独立,演示平台主要用于教师课堂演示;操作平台是教师对演示平台所示教学内容进行详细分析的环境,也是学生亲手实践的虚拟环境,在此环境中还可对学生进行实验课程的考核。为提高学生自主安排实验的灵活性,用MATLAB Web Server配置服务器,用MATLAB Web Server语言进行编程架构了该虚拟环境网络版雏形。

2 虚拟实验各模块功能与实现

2.1演示实验

    演示实验是虚拟实验的主要部分之一,它包括了实验内容的讲解、实验电路的计算机仿真、实验结果的实时显示等,利用演示实验环节,教师可以方便、快捷地完成变流装置能量转换过程的分析,仿真电路是已达建好的,教师在上课时只需点击鼠标就可以完成实验结果的显示,利用鼠标和键盘可以对系统的参数进行修改,能方便地观测到同一系统不同参数对输出结果的影响。同时,实验结果的显示可以以两种方式进行,第一,用MATLAB提供的虚拟示波器观测输出波形,其优点是直观,过渡过程可视;第二,将输出结果按矩阵形式显示,其优点是有利于以后的数据分析,可操作性好,演示实验的实现方法是,利用Guide创建图形用户界面,利用SIMULINK进行实验电路的计算机仿真,利用SIMULINK中的模块实现输出结果的显示。

2.2操作实验

    作为虚拟实验室的一个重要组成部分,操作实验为教师、同学提供了一个自己动手,用计算机模拟实验过程、分析实验结果的平台,为了使用者的操作方便,将其界面设计成为WINDOWS风格,使用者可以用鼠标拖动微机上的虚拟实验仪器,按照实验要求、组装成为一个完整的实验系统。同时,可以在这个系统上完成整个实验,包括实验参数的改变,数据采集以及实验结果的模拟、分析等等。操作实验的实现方法是,利用MATLAB/SIMULINK搭建实验平台,其操作方法类似于SIMULINK的操作,为了方便使用者,将电力电子技术实验中常常用到的模块挑选出来,创建了一个新的库文件,模块的添加和删除操作十分方便。

2.3虚拟实验网络版

    充分利用校园网的资源,将虚拟实验教学系统移植到校园网上,提高学生自主安排实验的灵活性是本实验设计的目标之一,但是,目前为止基于MATLAB网络虚拟实验室在应用方面还有一些限制,比如,现在仅能在局域网中运行,要求服务器和客户端必须使用WINDOWS 2000系统等等,尽管如此,由于它昀应用前景十分看好,本文对它的实现进行了初探。它的实现方法是,利用MATLAB Web Server配置服务器,并应用MATLAB Web Server语言进行编程。

3 操作实例

    在MATLAB的主命令窗口中键入启动命令,弹出如图2所示的界面,学生和教师都可以点击“操作平台入口”按钮进入操作实验环节,“进入”按钮仅教师有使用权限,按下后,将出现图3所示的登陆界面,明确身份后,教师方可进入演示实验环境,这样做的目的是要保证学生在实验课考核中确实是独立自主完成的。

责任编辑:吴星星
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