1、基于 LabVIEW 和 Matlab 的电力电子技术虚拟实验平台的设计开发 何慧 田卫华 沈阳工程学院自动化学院 摘 要： 设计了应用于电力电子技术仿真的虚拟实验平台, 采用 LabVIEW 和 Simulink 进行实验平台的开发, 通过仿真接口工具箱 SIT 实现两软件的无缝链接。该平台既有 LabVIEW 形象的图形显示效果, 又有 Simulink 强大的数据处理能力, 且操作简便, 效果直观可靠, 有利于学生更好的理解复杂的电路原理, 提高学习兴趣和自主创新能力。关键词： LabVIEW; Simulink; 虚拟实验平台; SIT; 电力电子技术; 作者简介：何慧 (1994-)
2、 , 女, 辽宁葫芦岛人。作者简介：田卫华 (1970-) , 女, 辽宁沈阳人, 副教授, 博士, 主要从事控制理论与控制工程方面的教学及科研工作。收稿日期：2017-09-04基金：2016 辽宁省教育厅教改项目 (637) Design and Developmentof Virtual Experiments Platform for Power Electronics Technology Based on LabVIEW and MatlabHE Hui TIAN Wei-hua School of Automation Engineering, Shenyang Institut
3、e of Engineering; Abstract： This paper states the design of a virtual experiment platform for power electronic technology.LabVIEW and Matlab Simulink are used to develop the experimental platform.The seamless connection of the two software is realized through the simulation interface toolbox SIT.So
4、the platform has both the graphical image function of LabVIEW image and powerful data processing capabilities of Simulink, which is intuitive, reliable and easy to operate.This virtual experiment platform is beneficial to the students to understand the complex circuit principle better, and help impr
5、oving learning interest and independent innovation ability.Keyword： LabVIEW; Simulink; virtual experiments platform; SIT; power electronics; Received： 2017-09-04电力电子技术是通过电力电子器件对电能进行控制和变换的一门技术, 作为各高等院校与电相关专业的基础课, 具有突出的地位和价值, 而安排与课程相关的实验为同学们更好地学习和研究提供了便利, 更易于学生了解电路工作过程和进行结果分析1。现有的实验教学仍使用传统的实验仪器, 实验内容也
6、局限于现有的实验设备, 限制因素过多, 学生实际操作机会少, 效果较差, 电力电子技术虚拟实验平台的使用可解决这一问题。通过使用最为普遍的计算机仿真试验环境, 开发的虚拟实验平台可最大化的模拟和再现真实的实验场景。在开发的基于 Lab VIEW 和 Matlab 的虚拟实验平台中, 学生可以通过文字、图像等众多方面的辅助工具进行模拟实验, 能较全面的认识实验设备、工作原理等, 实现对模拟结果的分析和研究, 并深入理解实验意义, 提高理论与实际结合的应用水平, 从而在一定程度上提高教学效率, 降低学生学习的难度, 激发学生的实验兴趣。1 虚拟实验平台的工作原理通过 SIT 来实现 Lab VIE
7、W 和 Matlab/Simulink 交互通信的原理如图 1 所示。图 1 交互通信原理 下载原图其中, 进行创建 Lab VIEW 用户接口并运行 Host VI 的是主计算机 (Host Computer) 2。Matlab/Simulink 应用程序、SIT server 和仿真模型由执行主机 (Execution Host) 运行启动。执行主机既可以是主计算机, 也可以是使用同一 TCP/IP 网络的电脑。打开 Matlab 软件 SIT 服务器就自行开启, 其默认端口可修改。若主计算机和执行主机不是同一电脑, 则必须都装有 SIT server 才能完成主机间的数据交换, 实现通信
8、3。混合仿真时, Host VI 通过中间网路协议 TCP/IP 向 SIT 服务器发送 Lab VIEW界面被调整过后的新参数值。服务器又将其传递到相控整流电路模型上, Simulink 里对应的模块对传送来的参数值进行刷新响应。随后, SIT Server 将时刻检测到的模型改变后的输出信号按原方式传回用户界面主程序并更新前面板的显示控件, 完成仿真过程。2 Lab VIEW 和 Matlab 混合仿真技术及实现2.1 仿真接口工具箱 SITMatlab 和 Lab VIEW 软件安装成功后, 并不能实现与 Lab VIEW 的自动链接通信, 需进行如下设置:1) 设置 Lab VIEW
9、时, 先打开软件, 新建一个空白 VI;打开工具/选项/VI 服务器4;选择 TCP/IP, 在机器访问列表中输入本机 IP 或者 localhost。2) 设置 Matlab 时, 打开软件, 输入 edit matlabrc 命令, 在打开的.m 文件末尾添加如图 2 所示命令并保存。此时打开 Matlab, 若命令窗口出现:SIT:Added paths for Simulation Interface Toolkit Version 2012Starting the SIT Server on port 6011SIT Server started 则表示 SIT 已自动运行5。此时在
10、 Lab VIEW 的工具菜单中添加一个新的“SIT Connection Manager”管理器选项;Simulink 库文件中增加“NI SIT Blocks”选项, 其中“signal Probe”为 Lab VIEW 和 Matlab 不可或缺的链接模块。图 2 添加命令示意图 下载原图在进行软件安装时, 为保证正常通讯, 需注意以下几点:1) 将软件全部安装在同一盘符中, 如安装在 C 盘。2) 各软件操作系统版本应一致 (同为 32 位或 64 位操作系统) , 并且与 PC 支持操作系统相匹配, 否则无法完成通信连接。3) 软件安装顺序为 Matlab/Simulink、LabV
11、IEW、SIT。SIT 一定要最后安装, 否则会提示通信不成功等错误。2.2 Simulink 模型搭建以三相桥相控整流电路带电感性负载为例进行模型搭建方法和界面设计过程说明。按照图 3 所示原理结构进行 Simulink 模型的搭建。在模块库中选取交流电源、通用桥、同步六脉冲触发器、Powergui (电力图形用户界面) 等功能模块放到模型窗口中并进行连线, 最后根据工程实际需要设置模块内部参数。搭建好的模型如图 4 所示。图 3 电感性负载电路原理 下载原图模型中, SIT Out1 和 Signal Probe 为 NI SIT Blocks 工具包中的模块, Signal Probe
12、为 Lab VIEW 与 Matlab 之间的链接模块, SIT Out1 为波形输出探针 (即使输出量以 Out 端子的方式表示) 。因为要在用户 Lab VIEW 构建的界面中显示 Simulink 模型中相控整流电路的输入电压、二次侧电流、负载电压、负载电流, 以及晶闸管承受的电压、流过晶闸管的电流 6 个波形图结果, 所以放置 6 个探针在数据输出端口, 以将仿真数据传递到 Lab VIEW 软件的 SIT Connection Manager 中, 保证后续变量映射的成功链接, 实现混合仿真。在所有模型器件搭建完成后, 最后添加 NI SIT Blocks 工具包中的 Signal
13、Probe 模块, 以探测仿真模型中的信号, 控制仿真运行状态。Signal Probe 模块必须在模型最顶层插入且不能修改名称, 其他模块也不能以此命名6。图 4 三相全控整流电路带电感性负载模型 下载原图本例中, 与 Lab VIEW 界面匹配的控制输入量为晶闸管的控制角 、电动势 E、内阻 R、平波电抗器 Ld、三相电源的峰值和频率。模型中 Firing Angle 模块的输入值对应晶闸管的控制角 。因通用桥没有输出测量端, 因此在Measurement 项选择需测量的电压电流量后, 添加 Multimeter 模块 (多路测量模块, 也称万用表) , 选择对应的测量点就可以输出 uv
14、T1、iv T1 波形。模型建好后, 打开仿真-参数配置菜单, 进行具体参数设置。其中 Simulation time (仿真时间) 的 Stop time 为 inf;Solver options (仿真算法) 的类型Type 选择固定步长, 步长大小可根据模型具体情况来定, 该文中步长设为10s。2.3 混合仿真的链接首先, 使用绘图编辑软件制作出三相桥相控整流电路带电感性负载电路的原理图。然后, 打开 Lab VIEW 软件新建一个 VI 文件, 进入虚拟仪器 VI 程序设计环境, 该环境包括一个前面板窗口、一个程序框图窗口。前面板是用户的操作界面, 通过旋钮、布尔开关、滑动杆等输入控件
15、和波形图表、文本显示等指示器进行创建, 完成数据的提供和获取生成的数据等功能。程序框图窗口通过调用函数选板和工具选板进行图形化源代码程序的编写, 根据程序框图的运行逻辑决定 VI 的运行方式并控制前面板器件的工作状态和功能实现7。因为采用混合仿真时, 通过电路模型的调用可以实现程序框图的自动生成, 所以只需要编写前面板。Lab VIEW 创建的用户图形界面主要包括电路模型原理图、系统需控制的输入参数和图像显示三部分。该平台操作界面进行功能设计的逻辑思路是通过操作界面手动调整电压幅值、电压频率、负载及触发角等, 使二次侧电流、负载电压、负载电流等电气量随之变化, 并在图表中直观地显示出影响, 为
16、后续的结果分析服务。前面板空白处右键从控件选板里选择 6 个数值输入控件, 分别命名为控制角 () 、平波电抗器参数值 L (H) 、直流电源内阻值 R () 、直流电源电动势E (V) 、三相电源频率、三相电源峰值。其中数值输入控件是控制器, 可以直接调整 Simulink 仿真模型中的晶闸管控制角 、平波电抗器电感、内阻值、电动势、交流电源峰值频率等参数, 操作较 Simulink 更简便。同样选择六个图形-波形图表组成指示器模块。波形图表是指示器, 具有显示相控整流电路的输入电压、二次侧电流、负载电压、负载电流、以及晶闸管承受的电压、流过晶闸管的电流图的功能。Lab Vl EW 前面板界
17、面设计完成后, 需进行输入控件、显示控件与 Simulink 中相控整流电路模型的映射关系链接, 进行如下操作就可实现交互通信。单击菜单栏中的工具, 选择 SIT Connection Manager (即 SIT 连接管理器) , 该对话框通过创建 Host VI 的框图代码来建立 Host VI 和模型之间的映射8。在 Current Model 单选框中指定之前搭建的 Simulink 仿真模型文件, 此时Mappings 选项卡被激活。在 Mappings 选项卡页, Current Mappings 框中的Lable 一列显示 Lab Vl EW 前面板中已搭建好的输入控件 Cont
18、rol (每个Control 控件只与一个参数相对应) 和指示器 Indicate。Mapped Parameter/Signal 一列为空白, 此时需要与 Simulink 仿真文件中可配置的参数相链接。双击 Lable 中的一项, 弹出 Simulink 仿真模型可进行链接操作的参数列表, 选择对应的参数建立映射。当用户界面输入控件, 指示器与模型参数的映射关系实现一一对应后, 便完成了 Lab Vl EW 和 Matlab/Simulink 的无缝连接。最终映射关系如图 5 所示。图 5 映射关系 下载原图点击 Mappings 页面下方的 OK 按钮, 程序代码自动在程序框图面板生成,
19、 生成的程序框图如图 6 所示。无缝链接建立完成, 在运行时通过操作用户界面就能控制相控整流电路仿真模型的运行。图 6 操作界面程序 下载原图3 模型运行仿真结果运行及仿真时, 需先打开 Matlab 软件使系统处于 Matlab 运行环境, 以实现SIT Sever 的自行启动。之后再启动 Lab VIEW 工程文件进行混合仿真。通过 Lab VIEW 与 Matlab 的混合编程实现了相控整流电路的仿真, 仿真波形图与 Simulink 仿真示波器显示结果相同。以三相桥相控整流电路带电感性负载电路为例进行仿真功能说明。图 7 表示的是电路在三相电源峰值 100 V、频率 50 Hz、控制角
20、 60、负载电阻 2、电感 0.02 H 参数下的仿真结果。图 7 电感性负载仿真界面 下载原图另外, Lab VIEW 强大的图形显示处理功能, 可以为今后的工作带来极大的便利。如图形工具选板还可以对波形图进行显示调整, 满足不同情况的需要。如选择波形缩放工具, 可完成不同模式的图像调整, 数字显示可以跟随仿真随时显示波形图的对应值, 或是通过创建游标的方式, 与曲线关联后显示指定点的数值, 方便数据的读取9。导出简化图像功能支持结果波形图的 Word 生成, 方便实验人员后续电子档实验报告的编写。该文仅以三相桥式相控整流电路电感性负载为例进行说明, 还可进行逆变电路、DC-DC 变化电路、
21、AC-AC 变换电路的设计仿真。基于 LabVIEW 和 Matlab 的电力电子技术虚拟实验平台总体上可以实现登录、密码修改、选择电路仿真实验类型、电路的混合仿真等功能。4 结语所述的电力电子技术虚拟实验平台采用 LabVIEW 和 Matlab 混合编程的方式, 通过 SIT (仿真接口工具包) 进行两软件的通信即无缝连接, 使实验室更趋向于软件化和网络化, 不仅可操作性强而且结果显示直观。参考文献1王晓刚, 王佳庆.Matlab/Simulink 在电力电子交互式教学中的应用J.电气电子教学学报, 2004, 26 (5) :104-106. 2岂兴明, 周建兴, 矫津毅.LabVIEW
22、 8.2 中文版入门与典型实例M.北京:人民邮电出版社, 2010. 3王慧, 王毅, 付超.Matlab 和 LabVIEW 在电力电子虚拟实验中的应用J.电气电子教学学报, 2004, 36 (2) :112-114. 4曲丽蓉, 胡蓉, 范寿康.LabVIEW、Matlab 及其混合编程技术M.北京:机械工业出版社, 2011. 5黄世奎, 彭宇宁, 谢树平.LabVIEW 与 Matlab/Simulink 混合编程方法及应用J.实验室研究与探索, 2009, 28 (7) :67-71. 6张策, 刘莉, 赵文静, 等.电动汽车交流充电桩对供电系统谐波的影响J.沈阳工程学院学报:自然
23、科学版, 2017, 13 (3) :234-239. 7赵莉华, 张亚超, 金阳.基于 LabVIEW 和 Matlab 虚拟实验室的实现J.实验室研究与探索, 2014, 33 (4) :62-67. 8赵月飞, 冯长江, 余建华.电工电子网上虚拟实验室的建设与应用J.实验室研究与探索, 2003 (4) :95-97. 9曹更彦, 李银国.基于 Matlab/Simulink 和 LabVIEW 的发动机仿真J.电子测试, 2008 (8) :57-66. 10柴敬安, 廖克俭, 潘德辉.LabVIEW 和 Matlab 混合编程方法的研究与实现J.计算机测量与控制, 2008, 16 (5) :737-740.
