论电力电子虚拟实验室的构建

摘要：虚拟实验是相对于实物实验来说的，当前随着计算机技术以及虚拟仪器的不断更替，各种各样的虚拟实验室被建立起来，电力电子虚拟实验室就是其中非常重要的一员。由于虚拟实验自身的虚拟性和可重复性，并且能够节约资本，这些特点使得虚拟实验成为传统实物实验的一个必要前提过程，是当前研究的热点课题。基于此，本文首先分析了电力电子虚拟实验室构建的意义，然后就电力电子虚拟实验室的实现原理进行了论述，最后给出了电子电力虚拟实验室的实现应用。

关键词：电力电子；虚拟实验；实验室；构建

虚拟实验是指在虚拟环境中所做的实验，在虚拟环境中没有向实物形态的实验设备和实验对象，因此虚拟实验的整个实验过程都主要是对虚拟物体进行的操作。当前虚拟实验室主要是依靠计算机软硬件设备与技术为支撑，通过软件开发工具设计特定的虚拟实验环境，从而实现了传统实物实验不可重复或者损坏实验环境的束缚，是当前实验发展的时代趋势。相对国外虚拟实验室发展来说，由于虚拟试验技术需要有效结合虚拟现实技术、虚拟仪器技术、CAI、多媒体计算机技术等关键技术，由于我国相关方面的理论引入和技术研发相对较晚，因此整体发展状况还处在初始阶段。再加上电力电子学科作为一门新兴高新技术发展科学，因此，做好电力电子虚拟实验室构建的研究工作具有重要的现实意义。

一、电力电子虚拟实验室的构建意义

（一）电力电子虚拟实验室具有重要的教学和科研意义

电力电子虚拟实验室是工科类教育教学和科学研发进行的工具，是培养我国电力电子高新科技人才现代教育技术的现实应用。拿教学来说，电力电子技术是指电力电子器件进行电能转换的技术，学生只有通过具体的实验验证和足够的综合实验设计才能够从实践中更深入的理解所学的理论知识和设计方法。

（二）电力电子虚拟实验室构建的优势

传统实物实验室具有设备投入大，实验环境要求高，因此需要耗费大量的人力物力和财力。而虚拟实验室是在虚拟环境中进行的，没有时间和空间的限制，并且实验本身具有很高的可重复性和能够实现内容的快速更新，很好地满足教学和科研实验的具体需求，有助于学生进行实验训练，有助于科研实验更好的进行完善。与此同时还能够省去大量的实物投入资金，因此进行电力电子虚拟实验室的开发与利用有着明显的优势。

二、电子电力虚拟实验室的设计方案

（一）电力电子虚拟实验室的功能設计

第一，学生应用与操作功能上的设计思路。学生通过学校电力电子虚拟实验室登录界面进行密码输入，通过服务器身份验证后，进入实验室功能操作界面。在实验室功能操作主页，有学生信息、具体实验、实验数据、作业与联系等模块导航。在具体的教学过程和学生作业过程中，学生可以通过界面导航清楚地找到具体实验的位置，在具体实验的设计和应用过程中，学生可以通过实验参数的具体要求进行设置，根据具体的实验要求进行电路图的连接，以此创设出仿真实验的环境，按照教学要求完成实验，最后把实验数据进行分析和存储，按照要求把实验报告上传至教师制定的目录中。即便不在实验室进行虚拟实验操作，学生也可以在自己的笔记本电脑上进行客户端的下载，在互联网连接的而状态下，进行实验。

第二，教师应用于操作功能上的设计思路。相对来说，教师电力电子虚拟实验室的设计界面与学生使用和操作上有共同之处，比如界面登录，实验设计和实验分析等等。不同的是教师在输入密码后，服务器通过识别，判定身份验证信息，并自动进入教师的登录界面，在登录界面比学生多的是教学管理模块功能，教师可以通过教学管理功能的实现对学生实验报告进行阅读，同时还能够在网上进行作业审批、问题解答等，同时处于教学实验内容更新的需要，可以随时随地的升级实验内容。在教学评估模块功能上教师可以通过对学生实验报告以及作业情况进行课节内容的总结，有助于教师进行教学反思，提高教学效果。

（二）电子电力虚拟实验室的平台的选择

由于虚拟实验室需要依靠软硬件技术，因此在电力电子虚拟实验室平台选择上应该选择开发工作量小和避免低水平状态下进行重复建设，提高软件工具的运作效率。具体来说，有通常的电力电子虚拟实验室平台技术应用上，应该根据现有编程技术软件的应有特点和所需要达到的实验室构建要求相匹配，比如，VB开发工具，VB控件能够更方面的进行功能设计，并满足各式各样的功能实现的任务和起到相应的作用。VC++有着更为便捷的绘图功能和较为成熟和广泛应用的数据库技术。还比如MATLAB，它具有强大的计算能力，能够在复杂的电路计算分析中更胜一筹，和LATLAB相比，PSPICE则在电力电子电路仿真上有着更为专业的影响力，数据准确度较高。LabVIEW是近些年兴起的编程语言，因其广阔的市场潜力，被称为G语言，主要优势集中在控制和现实控件库方面，劣势也较为明显，在时间和绘图功能实现上操作较为复杂。当前，无论从哪个角度选择搭配这些软件工具，都需要根据具体实际情况进行选择。本文以LabVIEW为软件开发平台，以MATLAB为计算引擎，把电力电子虚拟实验室建立在基于LabVIEW和MATLAB混合编程基础之上。充分利用LabVIEW在数据通信、图形化用户操作界面，与MATLAB计算引擎一样有着较为丰富的接口，方便其他编程语言的优势借用。

三、电子电力虚拟实验室的实现与应用

基于LabVIEW的虚拟实验室整个系统大体可以分为应用程序服务器端和用户端两个部分，其中服务器端是系统的核心部分，通过服务器端实验模块和实验仪器的管理和调度，根据用户端的具体要求进行数据分析和调度，用户端和服务器端通过互联网进行数据信息传递和接受。LabVIEW模块化的编程思想，使得系统在应用过程中显示出了极高的灵活性和可重复性，同时在进行新的具体实验扩展的过程中，直接加入主控程序下属的分类集就可以，便于教师进行实验内容的更新。具体的功能实现过程，在互联网连接的状态下，根据用户端的操作要求，服务器端通过互联网接受命令请求，然后通过互联网传输到用户端，把所传递的环境和数据生成传送到用户端相应其具体要求，然后用户端可以根据需要进行各种具体实验的操作，在最后实验数据分析和总结过程中，通过互联网的信息无障碍传递和信息反馈，有服务器端生成实验数据报告发送到用户客户端手中，从而实现了实验的全过程。

当然在具体的设计过程中，需要注意以下几点原则设计：

第一，软件界面的设计原则。无论哪种软件，在设计上一定要注意用户的使用体验，即讲求应用效果的可操作性。因为软件的交互界面是用户唯一能够真实接触到的系统部分，其功能使用感受直接决定了用户对于软件好用与否的判断。因此，在电力电子虚拟实验室系统设计中，一定要从用户的心理和水平角度进行考虑，比如在虚拟实验操作过程中，从真实仪器操作体验角度入手，使用户能够在计算机的操作中比如鼠标和键盘操作来模拟真实仪器的操作。由此，在设计上，要讲求整体设计风格一致性，遵循统一的标准进行界面文字、图像、窗口等的设计，整齐规划。同时，遵循对比原则，以柔和的背景色彩最为合适，此外在实验仪器和实验用品上进行分裂放置，便于用户查找和使用。

第二，仿真计算模块的设计实现。犯这个很计算模块主要包括模型参数、仿真参数设置以及仿真结果显示三个方面，在Simulink环境下进行仿真模型搭建下，通过三個步骤的实现，最后以.mdl文件格式保存。具体来说，首先建立一个新文件，在具体操作页面菜单栏选择File，鼠标左键点击NEW，并在弹出的菜单中选择MODEL，再出现的空白平台上进行电力电子电路的绘制。其次，在电力电子电路元器件模块设计过程中，从MATLAB下找到模型库，并根据具体要求把适合的模块进行放置到平台上，通过电路原理图连接起这些组成部分，用鼠标左键拖住元器件移动到制定位置。在电力电子虚拟实验模块仿真参数模型设计中，首要明确数据模型参数的意义，即确保仿真能够在具体的实验过程中更加准确。在模型仿真设计应用上，通过模型参数的服务器主程序的想用和处理，在菜单栏中选择Simulation中可以看到实验具体的开始时间和终止时间、包括仿真类别，从而有效的降低了项目开发过程中容易出现误差的情况。

参考文献：

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[3]赵莉华，张亚超，金阳，梁勇，任泽生.基于LabVIEW和Matlab虚拟实验室的实现[J].实验室研究与探索，2014，33（04）：6264+67.

作者简介：钱国华（1962），男，汉族，江苏常熟人，双学士，讲师，研究方向：电力电子，电力传动实验及管理。