GUI软件在电力电子课程教学上的应用

(天津市仪表无线电工业学校，天津 300350)

1.研究意义

电力电子技术是电气自动化专业的一门重要的专业课。该课程是一门理论性极强的课程、概念及其抽象、计算相当复杂，造成中职学生难以理解和掌握。在理论教学过程中，一般都是采用波形与相位分析的方法解释电路的工作原理，在绘制电路图及波形图上通常需要花费大量时间，由于波形绘制精度难以保证，教学效果一般。学生在理解和掌握过程中，由于电子电路结构多样，负载分析复杂，波形难以掌握，大大降低了学习本门课程的兴趣。

传统的电力电子实验平台具有很多局限性，首先，由于接线复杂，学生开始对实验还不能完全掌握，难以应对复杂的接线，只能根据实验报告给出的线路连接，不能很好的根据理论进行参数的修改，达不到做实验的目的。其次，实验设备由于错误操作导致设备损坏、设备老化造成干扰等，都会造成通过实验得出的结果与理论分析得出的结果不符，造成学生难以理解实验，不能从实验中得到结论，达不到教学的目的。更重要的一点是，整个实验过程都是在高电压下进行，危险性较大。

基于上述存在的问题，提出基于GUI软件教学的方法，设计了一系列基于MATLAB GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。该平台通过电脑实验或者演示的方法，很好的解决电力电子技术理论教学概念难以理解的问题与实验教学中接线复杂、危险等困难。MATLAB是国内外高校学和使用的科学与工程计算软件，开发这样的一系列基于MATLAB GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台，对于中职院校在电力电子技术教学中有很大的帮助。

2.研究内容

针对中职院校学生的特点，结合教学的实际情况，根据自己多年的教学经验，设计基于MATLAB GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。

2.1 开设实验项目的研究

针对中职院校电力电子技术这门课的授课计划，设计GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。根据电力电子技术这门课知识点的要求，既能满足教师在教学工程中对知识点的讲解，又能满足学有余力的学生进行课外补充对电力电子技术的掌握。该仿真平台包括电力电子电路中最基本的整流电路、逆变电路、直流-直流变流电路、交流-交流变流电路、PWM控制技术以及软开关技术等6大部分。针对每一部分，都有详细的仿真电路，比如整流电路部分，包括单相半波可控整流电路、单相全控桥式整流电路、三相半波可控整流电路、三相全控桥式整流电路等。

2.2 GUI设计

MATLAB具有强大的计算能力并且具有多功能的工具箱，是教育教学以及科研的得力助手之一。MATLAB GUI(Graphic User Interface)具有界面设计开发功能，能够以图像的形式展示计算结果。简单地说，GUI就是以图形形式组成需要的界面，在界面之下是用MATLAB语言编写的程序，用户仅仅需要点击鼠标就可以完成需要的功能。

一般情况地，在MATLAB软件中，GUI的建立有两种方法。方法一是，直接利用句柄函数编写产生GUI。该方法采用uicontrol、uibuttongroup、uimenu、uipanel、uicontextmenu等函数直接编写界面，优点是代码效率高，缺点是需要配置GUI图形位置等，上手难度大。方法二是直接通过GUIDE编辑界面来建立GUI。该方法简单，可以直接拖拽GUI界面上的相关图形就可以建立GUI界面，编程语言少，代码简单，上手迅速。GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台就是采用方法二建构的。

首先，打开MATLAB的GUIDE编辑器，建立GUI基本界面，通过工具栏拖拽的方式建立GUI按扭。其次，建立GUI按扭之后，双击各个按钮，自动生成对应的m文件，此时的m文件代码只有框架，需要添加仿真需要的代码。再次，在m文件中添加相关的电力电子课程的教学仿真程序。最后，编译程序，生成需要的文件。在很多情况下，电脑上不一定有MATLAB软件，还需要把可执行程序与MATLAB组件运行环境一起打包，这样就可以只需要安装MATLAB组件运行环境就可以直接运行GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。在教学中，电脑上一般情况下都装有MATLAB软件，这样就可以直接生成可执行程序，利用电脑自带的MATLAB软件环境就可以直接运行GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。

根据电力电子技术授课需求，设计的GUI界面简洁明了、布局合理、操作简单，侧重对电力电子知识的理解和掌握，即使没有MATLAB相关知识，也能很好的使用GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。

3.电路仿真设计

基于MATLAB GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台给电力电子技术的教学工作带来了极大的便利，生动形象的仿真界面让学生直接观察到电路运行情况，实时获得电路的波形，方便学生理解和掌握，同时，仿真平台不需要维修费用，大大减少了实验设备的投资和维修费用。该仿真平台包括电力电子电路中最基本的整流电路、逆变电路、直流-直流变流电路、交流-交流变流电路、PWM控制技术以及软开关技术等6大部分，每一部分都可以直接用到教学中，大大的方便了教师教学，也提高了学生理解和掌握的程度。

根据电力电子技术课程演示的方便，在GUI主界面上包括原理图、实验波形、电路的相关参数以及可以显示其他波形的按钮、显示仿真图的按钮。其中，实验波形包括晶闸管两端电压波形、负载两端电压波形、流过负载的电流波形等三个波形。电路的相关参数包括晶闸管的控制角、负载大小以及输入的电压三部分，该部分可以根据需要，自行设置，仿真的波形根据控制角、负载以及电压的变化而变化。

图1 控制角为30°，电阻为15欧，电压为220伏时的仿真波形

点击右下角的scope按钮即可出现电源电压相对应的波形。该波形是输入电压的波形，电压值是220V，频率为50Hz。仿真结果如图2所示。

图2 电源电压波形

图3 晶闸管对应的脉冲信号、电流波形以及电压波形

点击右下角的显示仿真图按钮，即可出现MATLAB中的单向全控整流电路仿真图。仿真如图4所示。

图4 仿真图

GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台的任何参数都是可以修改的，一是方便教师在教学过程中演示，增加课堂的趣味性，二是方便学生课下自学，能非常方便的了解参数的变化对系统的影响。在教学过程中，教师非常方便的通过修改参数的方式进行演示，本文不再一一展示。

4.使用效果

把GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台应用到电力电子课程教学上，经过多个教学周期证明，收到良好的效果，主要表现在以下四个方面：

其一，与板书比较。在板书教学时代，教师使用板书进行公式、定理的推导，原理图在板书的时候浪费大量的时间，并且由于精度的问题，也会产生一定的误差，对于电力电子电路这一类电路的运行效果，只能通过教师口头讲解或者看教材的示意图，然后学生通过自己的想象来理解运行效果，这种“一支笔、一本书”的教学方法很难取得良好的效果。把GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台应用到电力电子课程教学上后，帮助教师方便地使用演示系统，可以随时使用人机界面对算法和仿真结果以图形的方式展示给学生，课堂不在是单一的“老师讲、学生听”的模式，学生对所学习的知识印象更加深刻，教师也能方便的进行教学。

其二，与PPT比较。传统的PPT教学课件只是对教材知识的罗列，不能很好的展示公式推导和仿真过程，对于电力电子电路这一类电路的运行效果，只能通过图片的形式去学习，学生不能从根本上理解这些图形是怎么通过公式推导出来的，也不能很好的理解公式中的参数如何影响运行结果的。PPT教学课件能在一定程度上帮助教师授课，学生对知识的理解存在一定的困难，教学效果一般。GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台收录了所有的电力电子电路的原理图，并能很方便的修改参数，通过动态的方式去展示。GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台比传统的PPT教学课件收录了更加丰富的电路，还能通过随意修改参数展示不同的仿真效果，提供实时的电路仿真曲线更有说服力，增强了学生的学习兴趣，提高了学生对电力电子知识的接受程度，使学生在有限的时间内掌握电力电子这门课程的核心技术和方法。

其三，GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台提供的“任意设置参数”功能是本文的创新点。在之前的教学中，修改电力电子电路中的任意一个参数，都需要大量的计算和公式推导才能得出最后的波形图，这种费时费力的计算方法不仅效率不高，对学生身心也是一种负担，更有甚者会产生厌学情绪。GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台提供的“任意设置参数”功能，只需要在人机界面上对应修改其中的参数就可以，修改完参数后学生就可以立即看到修改后的参数对仿真图形的影响，有利于学生对参数的认识，有利于学生对算法的理解。并且GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台没有计算和公式推导过程，减轻了学生学习负担，有利于增强学生的信心，为学生对电力电子课程的学习提供了便利。

其四，GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台方便学生自学。自学都是学生自己看课本，遇到不会的上课听老师讲，这种自学方法效率低下，也不能很好的掌握自己需要掌握的知识。GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台与其他教学方法相比，打破了传统“老师讲、学生听”的教学方法，教师和学生以本系统为基础，双向交流，学生也可以设置参数得到自己想学习的内容，很多知识都可以利用GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台进行学习。

5.总结

通过分析电力电子技术传统理论教学方法和实验教学存在的局限性，提出基于GUI软件教学的优势，设计了一系列基于MATLAB GUI软件仿真的电力电子课程的教学仿真平台。一方面方便了教师在上课过程中教授电力电子技术相关知识，另一方面也方便了学生更生动的了解和掌握电力电子技术新知识，基于MATLAB GUI软件仿真的电力电子课程的教学软件取得良好的教学效果。