Matlab和LabVIEW在电力电子虚拟实验中的应用

王 慧，王 毅，付 超

(华北电力大学电力与电子工程学院，河北保定 071003)

目前，国内很多高校对仿真技术和Flash技术在电力电子教学中的应用进行了探索和实践。很多高校教师将Matlab/Simulink应用于电力电子教学，采用递进式实验教学方法和仿真实验，提高了学生分析和理解问题的能力，取得了良好的教学效果［1-4］。还有的学校基于Flash技术使用Delphi和VB，开发制作了形象生动和使用灵活的教学软件［5］。如果在实验教学中让学生自己动手搭建Matlab/Simulink仿真模型模拟真实的电路，并且编制前台界面虚拟真实的仪器，学习效果将会更好。但采用Delphi和VB等软件编制前台界面的方法却相对困难，学生不易在短时间内掌握。

我校电力工程系通过教育部高等学校“专业综合改革试点”及“国家大学生校外实践教育基地建设工作”项目，开展了基于Matlab/Simulink和Lab-VIEW混合仿真技术的虚拟实验方法的探索。该方法能减少实验室设备投入经费，突破实验时间和空间限制，为后期学习和科研奠定良好的基础。

1 基于混合仿真技术的虚拟实验方法

LabVIEW是美国国家仪器公司NI推出的一种通用的编程系统，它使用图形化语言编写程序，基本上不写文本代码，取而代之的是程序框图，因为程序外观和操作方式与示波器和万用表等相似，常被称为虚拟仪器VI。它使用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念，用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。在LabVIEW和Matlab/Simulink混合编程方面，NI公司和Math-Works公司合作开发了仿真接口工具包SIT(Simulation Interface Toolkit)。我们可以使用该工具包轻松建立自定义的VI界面，实现与Matlab/Simulink模型的交互。

综上所述，基于Matlab/Simulink和LabVIEW混合仿真技术的虚拟实验方法，选择LabVIEW编制前台界面虚拟真实的仪器，可以实现仿真模型创建的简单化和精确化，确保控制界面的美观性和友好性。使用该软件编制VI界面更充分体现了虚拟实验的思想，让学生入门比较容易，能够消除非计算机专业学生对编程的抵触情绪。更重要的是，采用该软件能轻易实现远程控制、WEB发布以及硬件在环仿真等功能，能扩展和提高该实验方法的应用范围和层次。

2 Matlab和Labview混合仿真

2.1 混合仿真结构框架

Matlab和LabVIEW混合仿真框架如图1所示。该框架的基本构成是:① Model DLL是Matlab/Simulink中搭建的仿真模型，经过Microsoft Visual C++编译后生成动态链接库DLL(Dynamic Link library)类型的模型;②Driver VI是直接操控Model DLL的虚拟仪器程序;③Host VI是上位机中与Driver VI进行交互的的虚拟仪器程序，它实现了对Model DLL的间接操控;④SIT Server是通过TCP/IP协议在Driver VI和Host VI之间传递数据的服务程序;⑤Host Computer是运行Host VI程序的上位机;⑥Execution Host是运行Model DLL和Driver VI的下位机，下位机可以和上位机为同一台PC。

图1 Matlab和LabVIEW混合仿真框架

当上位机运行Host VI程序时，程序将Model DLL和Driver VI部署至下位机，SIT启动下位机的SIT Server，与此同时，Driver VI对 Model DLL 进行初始化。当上位机Host VI前面板控件值发生改变时数据传递过程如图2所示。

图2 数据传递过程

2.2 Matlab仿真模型的建立

LabVIEW SIT安装成功后，Matlab/Simulink库中将出现NI SIT Blocks包。以搭建单相整流电路为例，其仿真模型如图3所示。学生在搭建模型时将可能的输出量以Out端子的方式呈现，并拖入SignalProbe模块探测模型中的信号。SignalProbe模块必须放置在模型层次的最上方并且不能改变名称，其它模块也不能以此命名。

图3 单相整流器仿真模型

Matlab/Simulink模型完成后需将其编译成C语言代码并生成DLL文件。现以Matlab R2008A为例，其过程为:点击Simulation菜单中子菜单项Configuration Parameters，先在Solver配置页中设置Stop time为 inf，设置 Type为 Fixed-step，后在 Real-Time Workshop配置页中设置 System target file为 nidll.tlc，最后点击Build按钮将模型编译成DLL文件。

2.3 LabVIEW图形界面的设计

在上例中，学生如果需要观察交流侧电压幅值变化对直流电压和电流的影响，可以首先在Host VI中放置Knob控件和Chart控件。Knob控件用于调节交流电压幅值，Chart控件用于显示直流电压和电流波形。然后点击Tool菜单中子菜单项SIT Connection Manager，如果下位机和上位机同为本地PC，在Model and Host配置页中设置Execution Host为Driver VI on Localhost，如果进行硬件在环仿真等实验，下位机为远程实时仿真平台则设置为Real-Time Target，设置Current Model DLL为Matlab中编译生成的DLL文件。在Mapping配置页中设置Host VI控件与模型信号/参数的映射关系，最后执行Host VI程序，学生可以通过调节交流侧电压幅值观察直流侧电压和电流波形。图4所示的是上位机VI用户界面显示交流侧电压幅值从150V变为250V时，直流侧电压和电流变化曲线。

图4 上位机VI用户界面

Host VI程序部署在上位机，Model DLL程序部署在下位机，至于Driver VI和SIT Server的数据传递过程对学生则是透明的，他们完全不用编写任何程序而只需配置两者之间的映射关系。这种方法的优点是操作方便、性能良好和易学易懂。另外，Lab-VIEW具备 WEB发布功能，利用 Web Publishing Tool可以把VI的前面板嵌入到Web页面中，只要服务器端的应用程序载入内存，客户端便可以通过浏览器对远程的VI进行监控，学生在客户端就可以进行虚拟实验［6］。

3 应用效果

我们在国家大学生创新性实验计划项目中使用了虚拟实验的方法，实验小组成员实现了Matlab/Simulink和LabVIEW的混合仿真。图5为学生制作的三相桥式全控整流电路VI用户界面，他们在界面上修改电压幅值、频率、电阻及触发角等参数，直流侧ud和id等电气量将随之变化。

图5 三相桥式全控整流电路VI用户界面

学生搭建的电路模型包括了常见的整流、逆变、直流斩波和交流调压等基本变换电路。他们籍此熟悉常见电力电子拓扑结构，能熟练地对电力电子电路换流的物理过程、波形特性和电参数之间的数量关系进行分析，掌握了用仿真技术来分析电力电子问题的技能。学生通过LabVIEW SIT可以将Model DLL和Driver VI部署至下位机，下位机为本地PC则为模型添加了交互式的界面，可在线式的修改模型参数。将下位机作为远程实时仿真平台，学生可进行硬件在环仿真研究，学习使用面向仪器系统的PCI扩展PX I(PCI eXtensions for Instrumentation)和紧凑型可重配置输入/输出系统 CRIO(Compact Reconfigurable Input/Output)等设备的使用方法，为后续更高层次的实验研究作铺垫［7］。

4 结语

本文阐述的基于Matlab/Simulink和LabVIEW混合仿真技术的虚拟实验方法，让学生搭建Matlab/Simulink仿真模型模拟真实的电路，使他们加深对各种电力电子电路工作原理的理解，编制LabVIEW的控制界面虚拟真实的仪器，使其感受到完成交互式仿真系统的成就感。实践证明该实验方法效果良好，不仅提高了学生的动手实践能力，并且为后期学习和科研奠定了良好的基础。

［1］张宝生，王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用［J］.南京:电气电子教学学报，2004，26(3):102-104

［2］葛瑜，王武.电力电子技术递阶式实验教学研究［J］.北京:实验技术与管理.2011，28(5):156-159.

［3］王晓刚，王佳庆.Matlab/Simulink在电力电子交互式教学中的应用［J］.南京:电气电子教学学报，2004，26(5):104-106.

［4］王晓刚，王佳庆，林婷.“电力电子技术”教学改革的探索［J］.南京:电气电子教学学报，2007，29(2):13-15.

［5］王莉，龚春英，谢少军.基于Flash MX电力电子技术教学软件开发［J］.南京:电气电子教学学报，2007，29(4):60-62.

［6］李继容，何湘初.用LabVIEW Web服务器发布网页的两种方法［J］.上海:仪表技术，2003，5:13-15.

［7］付超，王丹，王毅，等.基于NI-PXI的分布式发电数模混合仿真系统［J］.西安:电力电子技术，2012，46(2):57-59.