基于网络的电力电子学虚拟实验室的研究.pdf
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1、基于网络的电力电子学虚拟实验室的研究 Research on Web Based Virtual Laboratory for Power Electronics 华中科技大学 张蓉 杨荫福 陈坚 Email: rrr_ 摘要 基于网络的电力电子学虚拟实验室是电力电子技术、测量技术和信息技术共同发展的产物。本文根据远 程电力电子实验室的特点及发展现状,讨论了实验室的基本结构,硬件组成及软件技术,最后给出一个基本原型的 具体实现。 Abstract:The Web based Visual Lab of Power Electronics (WVL-PE) is produced by powe
2、r electronics, measurement and information. According to the development and features of Web virtual Lab, the basic structure, hardware and software of WVL-PE is discussed in this article, and a basic prototype of WVL-PE is implemented at the end of this article. 关键词:电力电子学,虚拟实验室,网络实验 Keywords: Power
3、 Electronics, Virtual Laboratory ,Web Experiment 1 引言 远程、交互式学习是教育呈现出的一个非 常重要发展趋势。 互联网则是远程教育的理想 中介,它将不论是本地还是远程的分布式教育 资源提供给学生, 它的普及和标准的协议使得 数据通讯、前端图形化用户界面相当容易实 现。 在远程网络教育中 ,作为工程教育不可缺 少的重要组成实验,曾被看作是不切实 际,难以实现的。随着近十年互联网的进步, 网络技术 ,智能仪表如今打开了利用网络建立 远程实验室之门。 因为其方便易用, 新的教育 法随之出现,包括实验示范加强传统课堂教 学,实验模块作为常规课堂的家庭
4、作业,建立 视频教室 ,指导学生在独立终端上完成指定实 验,鼓励学生进行独立探索式实验。所有这些 特征很好地满足了现代的远程学习策略。建设 一个基于网络的虚拟实验室,一方面, 不仅能 够充分利用教育资源,而且具有高度的灵活 性, 有利于学生个性化学习, 建立创新型思维; 另一方面,可以避免大量基础设施的重复建 设,有利于改善办学条件和办学水平。因此研 究基于网络的虚拟实验技术,构建虚拟实验平 台意义重大。 电气工程学科的重要主干课程之一,电 力电子学 是一门综合电力技术、电子技术核 控制技术的交叉学科, 主要研究内容是如何利 用功率半导体开关器件对电能进行变换和控 制,其学科的特点决定了建立基
5、于网络虚拟电 力电子学实验室的难度,比如电力电子电路种 类繁多,拓扑多样,控制电路复杂,且理解电 力电子电路特性时常常要从微秒级、毫秒级和 秒级等不同时间尺度入手,实验参数较多,且 电压、电流和功率的等级差别较大等等,所以 尽管网络实验室早在上世纪90 年就发展起 来,而关于电力电子技术的网络实验室直到 2002 年才陆续有成果出现,且仍处于研究阶 段。 随着测量技术、 信息技术的持续发展,目 前国内外常见的虚拟实验室模式也由早期的 单纯计算机仿真演变为仿真与实际电路设计、 测试相结合的模式,基本分为以下三种模式。 1. 基于模型的虚拟实验室:通过电力电子模 型仿真得到电路波形,具有直观性强,
6、交互性 好,不受设备仪器的限制的特点。如巴西 Paulista州立大学 F. Gonealves的LEP2000 1,瑞 士ETH的J.W. Kolar等开发的交互式电力电子 学研究会( iPES)2,另外,通用仿真软件如 Pspice和MATLAB 也被广泛使用。但这类实验 室的缺点: 建立模型时忽略了很多因素,如模 型提取的准确性,参数变化和结构变化,测量 噪声,外部扰动等,所以实验结果仅能部分验 证电路原理,很难对控制效果做出正确的评 价。 2基于虚拟仪器的远程实验室:通过数据采 集卡或其他输入输出测量设备,将实际电路装 置与计算机连接, 用户可在客户端进行实验操 作,操作信息通过网络作
7、用到实验设备,设备 将真实数据回送给用户,同时用户也可以用网 络视频或用户界面,观察实际设备运行情况。 特点是可实现实验设备共享,利用率高,反映 真实实验情况等。如瑞士 BIT 大学 I.Gustavsson的远程电路理论实验室 3,巴西里 约热内卢联邦大学的Fermandes 的 ELEPOT-rLab 4 ,浙江大学的电工电子网络实 验室 NETLAB 5 。这类实验室的缺点:以检测 为主,很难验证复杂的控制算法。由于系统涉 及服务器、客户端、控制器和实验设备等,结 构比较复杂,成本较高,实时性要求比较高。 3 基于设计与测试的柔性实验室:将模型仿 真与实际电路相结合 ,先通过模型仿真完成
8、初 步设计,利用开发平台将控制器算法转换为代 码并自动下载到硬件平台,与实际对象连接, 利用测试软件进行各种试验,检验控制方案的 实际控制效果,随时修改控制参数,直到得到 满意的结果为止, 称为快速控制原型设计;然 后将实际控制器与被控对象的模型相连,对系 统进行故障和极限环境下的测试,称为硬件在 回路的仿真。另外,还可实现图形化管理、虚 拟仪表、变量、参数的可视化管理等功能。 如丹麦奥尔堡大学R.Teodorescu 的柔性驱动系 统实验室 6,清华大学的电力驱动系统实时控 制虚拟实验平台。这类实验室特点:在线仿真 体现实际系统的动态特性,控制算法可灵活多 样,满足实时系统需求,是一种较为理
9、想的网 络实验室模式,缺点就是构建成本较高。 上述研究发现: 网络实验室已从发展早期 的数字仿真实验发展到注重与实际系统相结 合的半物理或物理实验;从单纯的变量检测到 参数调整、算法控制,电路拓扑组态,从简单 的演示实验、验证性实验到综合性实验、研究 性实验,其最终目标是使用户得到与在真实实 验室相同的实验技术锻炼,而成本和实用性是 制约网络实验室发展的两个主要因素。 2 电力电子虚拟实验室系统设计 为了降低网络实验室的构建成本,实现 电力电子电路设计 ,特别是控制算法的设计的 实用性,本文采用基于MATLAB和 DSP的集 成化虚拟实验室系统构建方案。 本课题研究目的就是建立集成化电力电 子
10、学虚拟实验室的体系平台,实现基本功能: 本地/ 远程数据显示 / 存储/ 打印/ 分析的数据 处理功能;本地 / 远程实验选择和测试功能; 同步/ 异步实验,可组态实验,协同实验等。 2.1 远程电力电子虚拟实验室基本结构 远程实验室系统基本由服务器、下位机、 实验平台、客户端和网络5 部分组成,设计关 键是服务器如何及时可靠地响应客户端用户 的实验请求,并顺利完成实验。 系统采用双 C/S 结构,即远程客户端 / 服 务器+服务器/ 下位机 ,如图 1 所示下位机和服 务器处于同一局域网之中,采用自定义协议进 行串口通讯 ,远程客户端和服务器采用TCP/IP 协议完成通讯。 图 1 虚拟实验
11、室拓扑结构 图 2 客户端/服务器程序流程 a) 客户端程序流程, b)服务器程序流程 大量的客户端通过网络访问系统的服务 器,服务器处理所有的请求,根据用户的请求 向下位机发送实验信息,并存储所有和实验、 用户有关的数据到动态数据库,下位机负责向 底层实验装置的实验电路控制器发送命令,下 位机同时配置数据采集卡,负责底层实验装置 的实验数据的采集和上传。实验装置由不同的 实验模块组成,每一个实验模块都采用基于 DSP的数字控制,方便实现通信和控制功能。 本地实验室系统采用模块化设计,分计算 机系统和实验装置两部分,计算机系统包括 PC机、信号采集、 DSP开发板、信号调理及保 护驱动。实验装
12、置由不同的实验电路模块组 成,每一个实验电路模块都采用基于DSP的数 字控制,方便实现通信和控制算法的实现。本 地实验室系统结构框图如图3 所示。 图 3 本地实验室系统结构框图 2.2 集成化设计思想 本实验平台是将仿真工具和技术嵌入到实 际系统中,参与实时调节、监控和辅助决策的 集成化设计, 实现从建模仿真到实物搭建、电 路测试等一系列实验流程。 图 4 MATLAB 基本设计流程 这里采用国际上广泛应用的最优秀的科 技应用软件 MATLAB,它以其强大的科学计算 与可视化功能 ,简单易用的开放式可扩充环境 以及多达 30 多个面向不同领域的扩展工具箱 支持,成为许多现代工程技术学科领域计
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- 基于 网络 电力 电子学 虚拟 实验室 研究
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