0 引言

整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電能變為直流電能供給直流用電設備，整流電路的應用十分廣泛。在整流電路的設計過程中，需要對設計電路及有關參數選擇是否合理、效果好壞進行驗證。如果通過實驗來驗證，需要經過反復多次的元件安裝、調試、重新設計等步驟，這樣使得設計耗資大，效率低，周期長。現代計算機仿真技術為電力電子電路的設計和分析提供了嶄新的方法，可以使復雜的電力電子電路、系統的分析和設計變得更加容易和有效。Matlab是一種計算機仿真軟件，它是以矩陣為基礎的交互式程序計算語言。Simulink是基于框圖的仿真平臺，它掛接在Matlab環境上，以Matlab的強大計算功能為基礎，用直觀的模塊框圖進行仿真和計算。其中的電力系統(Power System)工具箱是專用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統和電力系統仿真用的模型庫。它具有豐富的器件模型和齊全的分析功能，且操作方便。隨著對仿真和程序設計通用性及可視化需求的日益增加，Matlab的圖形用戶界面(GUI)應用也越來越廣泛，功能越來越強大。以Matlab 7．1為設計平臺，利用Simulink中的Power System工具箱來搭建整流電路仿真模型，并通過Matlab GUI設計整流電路的分析界面。

1 整流電路仿真模型
整流電路又稱交一直流變流器，在整流的同時還對直流電壓電流進行調整，以符合用電設備的要求。按不同的分類方式，整流電路的種類非常多，其中單相橋式全控整流電路和三相橋式全控整流電路最為典型。以單相橋式全控整流電路為例，說明其仿真模型的建立。
1．1 單相橋式全控整流電路構成
單相橋式全控整流電路(純電阻負載)如圖1所示，電路由交流電源u1、整流變壓器T、晶閘管VT1～VT4、負載電阻R以及觸發電路組成。在變壓器次級電壓u2的正半周觸發晶閘管VT1和VT3；在u2的負半周觸發晶閘管VT2和VT4，則負載上可以得到方向不變的直流電，改變晶閘管的控制角可以調節輸出直流電壓和電路的大小。

1．2 單相橋式全控整流電路模型建立
根據單相橋式全控整流電路原理圖，在Simulink的Power System工具箱里提取交流電源、晶閘管、RLC串聯電路、脈沖發生器、變壓器、示波器等元器件。在Simulink操作平臺上連接這些模塊，構成單相橋式全控整流電路模型，如圖2所示。

1．3 模型參數設置
雙擊仿真模型中的各個模塊彈出參數設置對話框，就可進行參數設置。在整流電路中，改變晶閘管觸發角α，輸出直流電壓和電流的大小就得到改變。因此觸發角α的設置是電路參數中的重要一項。晶閘管的觸發采用脈沖觸發器(Pulse Generator)產生，脈沖發生器的脈沖周期Td必須和交流電源u2同步，晶閘管的控制角α以脈沖的延遲時間t來表示，t=αTd／360°。其中，Td=1／f，f為交流電源頻率。仿真算法選擇ODE23TB算法，當電路帶阻感性負載時，應保證觸發脈沖具有足夠的寬度。

2 整流電路GUI界面開發
整流電路仿真模型參數的選擇十分關鍵，它直接影響到仿真結果和仿真質量，從而進一步影響到整流電路的設計。為了滿足整流電路更高的性能指標，在仿真過程中，就需要不斷地修改和設置參數而花費大量時間。另外，還需要反復地打開示波器察看仿真結果，不僅過程繁瑣，且效率很低。因此，本文借助Matlab GUI建立了一個整流電路仿真界面，通過此界面，用戶可以很方便地在中文名稱環境下來設置參數，選擇模型等，仿真結果也會直接在界面上顯示出來，不僅方便快捷，且大大提高了仿真效率。

2．1 Matlab GUI的實現方法
Matlab可視化界面的設計方法一般有2種：一是直接通過Matlab的腳本文件來實現GUI；另一種是通過Matlab圖形用戶界面開發環境GUIDE來實現圖形界面。Matlab軟件GUIDE為用戶提供了一個方便高效的集成環境，所有GUI支持的用戶控件都集成在這個環境中，并提供界面外觀、屬性和行為響應方式的設置方法。一般而言，由于界面中的控件對象屬性、行為，既可以在界面中實現，也可以在生成的M文件中用m語言代碼在相應的代碼段中實現。因此，使用第2種方法實現圖形用戶界面雖然會給編程人員在修改和重新編輯界面時帶來一定的麻煩，但是，其設計過程較為直觀、簡單，開發周期短。在此，采用第2種方法來實現整流電路的仿真界面。
2．2 仿真界面的開發
整流電路仿真界面由選擇界面和主界面兩部分組成，選擇界面如圖3所示。在選擇界面中，把整流電路分為單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路和帶容性負載的三相不可控橋式整流電路3種。每種電路有相應的電路說明，點擊“電路說明”會彈出該電路的工作原理、特性等內容，點擊每種電路后的“進入”按鈕，即可進入相應電路的主界面。為了保持界面風格的一致性，三類整流電路的主界面設計相似，如點擊單相橋式全控整流電路的“電路說明”，彈出其電路說明圖如圖4所示，單擊“進入”，彈出其主界面圖如圖5所示。

電路仿真的主界面分為電路原理圖顯示區、參數設置區、波形顯示區、功能按鈕區以及相應的菜單區。
2．3 仿真主界面的實現
打開控件的各個屬性進行設置，包括控件的背景色、前景色、Tag值、String值、Value值等。編寫相應控件的程序代碼，以實現相應的功能。
(1)電路原理圖的顯示。電路原理圖是用一個數軸顯示的，程序代碼為：

“imread”函數用于讀取電路原理圖圖片，顯示圖片用“image”函數，代碼“axis off”的作用是將數軸的坐標去掉。
(2)模型參數的設置。參數設置包括負載參數以及仿真時間、電源電壓和脈沖發生器的參數設置。設置參數后，點擊“仿真”按鈕，仿真波形在顯示窗口動態顯示出來，如同示波器一樣。
電阻值的設置先用“get”函數來讀取電阻值文本框中的數值，再用“set_param”函數將讀取的數值寫入Simulink電阻模塊中。
仿真時間的設置既可用滑動條又可用編輯文本框。移動滑動條上的滑塊位置就可改變滑動條提供的數值，文本框中的參數也會隨之改變，反之亦然。文本框和滑動條之間的數據傳遞用語句：


電源電壓和脈沖發生器參數的設置采用調用模塊封裝界面的方法來實現，利用“open_system”函數，打開模塊參數進行設置。
(3)仿真波形在主界面的顯示。在Simulink模型中，把要顯示的波形數據導入workspace當中，再利用plot(tout，yout)命令畫出圖形，顯示在主界面上。為了在界面指定的坐標軸中輸出圖形，只要在plot命令執行前添加axes(h_axes)代碼即可。
(4)輔助功能的實現。為了優化仿真界面的功能，系統設有一些輔助功能，如柵格開關，顯示其他圖形、返回和退出等。
“柵格開關”是對顯示區域的柵格控制，柵格的開與關分別對應“grid on”的選中與否。相關代碼為：

單擊“顯示其他波形”，即可進入其他波形顯示界面，如圖6所示。能顯示晶閘管的電壓、電流波形和觸發脈沖的波形，這樣既可節省仿真主界面的空間，又可加強仿真界面的層次感。

(5)菜單的實現。菜單的實現采用的是GUI的uimenu菜單設計，包括“文件”、“負載類型”、“其他”三項。其中“文件”和“其他”菜單的下拉菜單的功能是對界面功能的同一表現，“負載類型”的下拉菜單包括電阻負載和阻感負載，界面的關閉和打開分別用到delete和figure函數。即如果選擇阻感負載，系統會關閉純電阻負載變流電路的仿真界面figure(bisheshiyan4)，打開阻感負載的仿真界面figure(danxiangzugan)。
由主界面仿真圖來看，從對各項參數的設置到仿真運行再到結果顯示整個過程操作方便，加上輔助工具的使用，使仿真結果一目了然，對比清晰。如果對仿真結果不滿意，可以重新設置參數繼續進行仿真。仿真結束后，可以選擇“退出”按鈕退出當前界面。界面友好，操作簡單。

3 結語
計算機仿真技術是研究電力電子技術的有效手段，它可以輔助工程設計、分析和研究，也可以輔助教學。本文利用仿真軟件Matlab的Simulink和Power System工具箱對應用廣泛的整流電路進行建模，并利用Matlab GUI功能建立了整流電路的仿真界面，該界面集參數設置、電路說明、模型修改、模型查看、仿真操作、結果顯示和結果顯示輔助工具等為一體，大大減化了仿真操作流程，極大提高仿真測試效率。整流電路仿真界面既為實際系統的元件參數選擇提供幫助，也為其他變流電路系統界面的開發提供參考。