聯(lián)合仿真在智能電器教學(xué)中的應(yīng)用

湯龍飛, 許志紅

(福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,福州 350116)

0 引 言

智能電器是建設(shè)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從電器的種類分主要包括：智能斷路器、智能接觸器、智能電機(jī)軟啟動器、智能繼電器及智能開關(guān)柜等其他組合電器[1]。在技術(shù)層面上，智能電器融合了傳統(tǒng)電器與現(xiàn)代傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計算機(jī)接口及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多個學(xué)科[2]。“智能電器”課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程，實驗在教學(xué)中占有重要的位置，通過實驗可以直觀的展示各種電器的智能控制方案，對其控制過程及控制原理進(jìn)行分析，從而對抽象的理論知識進(jìn)行具體化、形象化，便于學(xué)生理解，同時也提高了學(xué)生的動手能力[3]。但實驗往往受種種客觀條件的限制，如：設(shè)備、場地、時間等，因此在實際的實驗教學(xué)中往往只能設(shè)計固定的幾種實驗方案，且大部分方案的硬件電路采用設(shè)計好的模塊，學(xué)生僅需選擇需要的模塊進(jìn)行拼接，這種按部就班的程序化操作難以激起學(xué)生的興趣，且在這種實驗?zāi)Ｊ较拢瑢W(xué)生無法充分驗證自己的新的控制思路，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。“智能電器”這類綜合性的專業(yè)應(yīng)用課程，其課堂教學(xué)往往只能以講解理論知識為主，枯燥乏味，課堂實踐內(nèi)容涉及較少。而仿真技術(shù)的使用在一定程度上彌補(bǔ)了實驗的客觀條件限制，不僅可以構(gòu)建專門的虛擬實驗課程，部分替代實驗教學(xué)，同時也可以隨時穿插在課堂教學(xué)中進(jìn)行，改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，及時加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解，提高理論知識的實際應(yīng)用能力[5]。

智能電器在結(jié)構(gòu)上主要包括智能控制器及電器本體兩部分，在智能控制器中通常又存在數(shù)字控制電路及模擬控制電路，因此實現(xiàn)智能電器數(shù)字控制電路、模擬控制電路及電器本體之間的一體化仿真，是一項較為困難的任務(wù)。本文以接觸器的智能控制為例，介紹了一種智能電器的聯(lián)合仿真方法，實現(xiàn)了智能接觸器的數(shù)字控制電路、模擬控制電路及接觸器本體的一體化仿真，仿真界面友好、直觀，交互性強(qiáng)，便于學(xué)生充分理解智能電器的控制原理及動態(tài)運行過程，同時模擬控制電路及數(shù)字控制程序可以方便地進(jìn)行任意修改，便于學(xué)生探索新的智能控制方案，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，聯(lián)合仿真方法不僅可以成為“智能電器”課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充，進(jìn)行講練結(jié)合，同時也可以作為實驗教學(xué)的輔助手段，應(yīng)用到課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)中。

1 聯(lián)合仿真的原理及特點

一個完整的電氣控制系統(tǒng)往往包括數(shù)字控制電路及模擬控制電路部分，這兩部分間通過反饋環(huán)節(jié)相互作用，決定著控制系統(tǒng)的整體運行效果。傳統(tǒng)的仿真平臺不能準(zhǔn)確地將數(shù)字電路部分及模擬電路部分進(jìn)行綜合仿真，可能與實際控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大誤差，進(jìn)而影響控制系統(tǒng)的設(shè)計效率。因此，在設(shè)計這些系統(tǒng)時需要采用有效的方法，將數(shù)字電路部分及模擬電路部分聯(lián)合起來，實現(xiàn)一體化的綜合性分析，方能準(zhǔn)確地設(shè)計完整的電氣控制系統(tǒng)。本文采用具有全新聯(lián)合仿真能力的Multisim和LabVIEW軟件來構(gòu)建實時聯(lián)動仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)模擬電路部分與數(shù)字電路部分的逐點閉環(huán)仿真[6]，聯(lián)合仿真需要的軟件有：LabVIEW、LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊、Multisim。

LabVIEW是一種通用的程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：LabVIEW使用的是圖形化的編程語言(G語言)，以數(shù)據(jù)流的形式來編寫框圖程序，框圖程序中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了函數(shù)的執(zhí)行順序[7]；其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序[8]；LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，并且以G語言的直觀形式實現(xiàn)框圖編程，可以快速、方便地構(gòu)建各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及虛擬儀器設(shè)備，提高了工作效率[9]。

LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊主要包括：PID設(shè)計、模糊邏輯設(shè)計、仿真設(shè)計、控制設(shè)計及系統(tǒng)識別5大部分，可用于仿真動態(tài)系統(tǒng)，采用經(jīng)典或狀態(tài)空間法來設(shè)計繁復(fù)的控制器[10]，并將控制系統(tǒng)部署至實時硬件，實現(xiàn)快速控制原型和硬件在環(huán)(HIL)應(yīng)用，功能強(qiáng)大且復(fù)雜[11]。在智能電器的聯(lián)合仿真中主要應(yīng)用其仿真設(shè)計這一小部分功能。

Multisim是業(yè)界一流的SPICE仿真標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，包含多達(dá)22 000個元器件的器件庫，用戶可從器件列表中進(jìn)行選擇，包括各種最新的放大器、二極管、三極管、激勵源及各種常見的集成芯片等，來創(chuàng)建完整的SPICE仿真電路[12]；包含20種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE分析(如：交流分析、傅立葉分析、噪聲分析，等)以及22種直觀的測量儀器(如：示波器、萬用表、邏輯分析器、網(wǎng)絡(luò)分析儀，等)，配合LabVIEW不斷擴(kuò)展的自定義仿真分析庫，用戶還可以在Multisim中創(chuàng)建自己的LabVIEW分析儀器[13]。

采用LabVIEW及Multisim構(gòu)建的聯(lián)合仿真系統(tǒng)原理如圖1所示。首先利用Multisim豐富的元件庫構(gòu)建完整的模擬控制電路，之后利用LabVIEW的圖形化、數(shù)據(jù)流編程環(huán)境構(gòu)建數(shù)字控制程序，最后利用LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊構(gòu)建LabVIEW與Multisim間數(shù)據(jù)的傳輸通道；兩個獨立的仿真軟件同時進(jìn)行非線性時域仿真，并在每個仿真步長結(jié)束時交互仿真數(shù)據(jù)，更新仿真狀態(tài)，之后進(jìn)入下一個仿真步長，依次循環(huán)仿真。因此，聯(lián)合仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了LabVIEW與Multisim間的逐點閉環(huán)仿真，做到了兩個仿真軟件之間的實時聯(lián)動，可以充分驗證模擬電路和數(shù)字電路的相互作用，為完整的電氣系統(tǒng)仿真提供有效的解決方案。

2 聯(lián)合仿真關(guān)鍵步驟構(gòu)建

聯(lián)合仿真構(gòu)建過程中最關(guān)鍵的步驟即實現(xiàn)LabVIEW與Multisim間的聯(lián)合，充分結(jié)合兩個軟件在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，構(gòu)建逐點閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

圖1 聯(lián)合仿真系統(tǒng)原理

在Multisim中構(gòu)建完成任意的模擬控制電路后，需要在電路圖中添加LabVIEW交互接口，才能實現(xiàn)與LabVIEW仿真引擎之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，交互接口如圖2所示。分為輸入接口及輸出接口，輸入接口在每個仿真步長中接收從LabVIEW輸入到Multisim中的仿真數(shù)據(jù)；輸出接口則在每個仿真步長中將Multisim中的仿真數(shù)據(jù)輸出到LabVIEW中。

圖2 LabVIEW交互接口

在添加交互接口過程中，圖3所示的“Multisim design VI preview”窗口會根據(jù)接口的數(shù)量及輸入/輸出屬性不斷更新，這個預(yù)覽是之后映射到LabVIEW中用作與Multisim電路交互的虛擬儀器(VI)。在Multisim中，完成模擬電路及交互接口的構(gòu)建后，保存，方便后續(xù)LabVIEW的調(diào)用。

圖3 Multisim design VI preview

要在LabVIEW和Multisim之間傳送數(shù)據(jù)，在LabVIEW中必須首先放置控制與仿真循環(huán)(Control & Simulation Loop)，該結(jié)構(gòu)在LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊中，如圖4所示。可以在其配置面板中對仿真初始時間、結(jié)束時間、求解算法、仿真步長等參數(shù)進(jìn)行直接設(shè)置，或通過外部輸入控件進(jìn)行設(shè)置，仿真設(shè)計面板中的其他子VI均需要這些仿真參數(shù)的支持才能運行，因此這些子VI只能放入控制與仿真循環(huán)中運行。

之后需添加仿真掛起(Halt Simulation)函數(shù)，同時在VI的前面板上創(chuàng)建一個布爾控件來控制程序的掛起，停止仿真VI的運行。Multisim Design VI負(fù)責(zé)管理

圖4 控制設(shè)計與仿真循環(huán)

LabVIEW和Multisim仿真引擎間的通信，將其放置到程序框圖中會自動彈出：選擇一個Multisim設(shè)計(Select a Multisim Design )對話框，在對話框中瀏覽并選擇之前保存的Multisim文件。

通過以上配置即可快速構(gòu)建圖5所示聯(lián)合仿真的基本結(jié)構(gòu)，Multisim Design VI會生成接線端，接線端的形式與Multisim環(huán)境中的Multisim Design VI preview一致，具有相對應(yīng)的輸入與輸出。該Multisim Design VI完全融入LabVIEW開發(fā)環(huán)境，同時能夠在每個仿真步長中與Multisim進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是實現(xiàn)聯(lián)合仿真的橋梁。

圖5 聯(lián)合仿真基本結(jié)構(gòu)

3 聯(lián)合仿真在智能電器中的應(yīng)用實例

智能接觸器是重要的智能電器之一，交流接觸器的高壓直流起動、低壓直流保持是常用的接觸器智能控制方案，其主要控制原理為：在起動過程中施加一高壓直流，使接觸器克服彈簧反力而迅速起動，當(dāng)動靜鐵心閉合后，僅需施加一較低的直流低壓即可實現(xiàn)接觸器的可靠保持[14]。該控制原理使交流接觸器的激磁方式從交流轉(zhuǎn)向直流，實現(xiàn)其節(jié)能、無聲運行，相較于電流閉環(huán)控制方案，該控制原理簡單易行，便于學(xué)生理解[15]。因此，本文以該控制方案為例，構(gòu)建智能接觸器的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，從而深入、直觀地展示、剖析接觸器的智能控制過程，更好地進(jìn)行智能電器的實驗教學(xué)及課堂教學(xué)。

3.1 接觸器建模

智能接觸器主要包括智能控制器及接觸器本體兩部分，在智能控制器中包含著以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制電路及以線圈驅(qū)動電路為核心的模擬控制電路，因此可采用聯(lián)合仿真技術(shù)對該控制器進(jìn)行數(shù)模混合仿真。但目前的SPICE仿真軟件中通常缺少電器本體(如：繼電器、接觸器、斷路器，等)的精確模型，故要實現(xiàn)智能接觸器整體仿真，尚需構(gòu)建接觸器本體模型，該步驟可采用LabVIEW靈活的圖形化語言來實現(xiàn)。

在LabVIEW中構(gòu)建圖6所示接觸器動態(tài)模型，其主要子模型包括：電壓平衡子模型、電磁吸力子模型、機(jī)械運動子模型、動態(tài)電感子模型及反求電流子模型。電壓平衡子模型根據(jù)輸入的線圈電壓ucoil、線圈電流icoil結(jié)合線圈電阻Rcoil，通過積分算子1/S的運算，得到磁鏈ψ；電磁吸力子模型根據(jù)輸入的磁鏈ψ，結(jié)合鐵心端面積S，線圈匝數(shù)N及空氣磁導(dǎo)率μ0，來計算電磁吸力Fx；機(jī)械運動子模型根據(jù)電磁吸力Fx及彈簧反力Ff，配合接觸器可動部分質(zhì)量m，經(jīng)積分算子1/S的運算得到動鐵心速度v及動鐵心位移x；動態(tài)電感子模型主要根據(jù)磁鏈ψ及線圈電流icoil，來計算接觸器的動態(tài)電感L；反求電流子模型主要根據(jù)磁鏈ψ及動鐵心位移x插值，來反求線圈電流icoil。

圖6 接觸器動態(tài)模型

接觸器動態(tài)模型具體的建模原理及建模過程見參考文獻(xiàn)[16-17]，該接觸器動態(tài)模型在輸入的線圈電壓激勵下，可以迭代出整個動態(tài)運動過程，并輸出對應(yīng)的機(jī)械參量及電磁參量曲線。為了降低教學(xué)應(yīng)用的難度，該接觸器模型在LabVIEW中封裝成子VI的形式，直接供學(xué)生調(diào)用即可，將教學(xué)的重點放在智能控制器的設(shè)計與仿真中，使學(xué)生理解智能控制的實現(xiàn)過程。

3.2 模擬控制電路的構(gòu)建

根據(jù)聯(lián)合仿真的構(gòu)建步驟，首先要在Multisim中構(gòu)建模擬控制電路，如圖7所示。圖中u1為交流電源，可設(shè)置電壓有效值、頻率及初始相角等參數(shù)；D1、D2、D3、D4為整流二極管，組成全橋整流電路；C1為輸入濾波電容，其CAP節(jié)點用于接收LabVIEW輸入的電容值，配置濾波電容；L1為可變電感，其Lcoil節(jié)點用于接收LabVIEW中接觸器動態(tài)模型輸入的動態(tài)電感值，模擬接觸器運動過程中的“機(jī)電耦合”效應(yīng)[16]；R1為可變電阻，其Rcoil節(jié)點用于接收LabVIEW輸入的電阻值，配置線圈電阻；S1、S2分別為高壓MOSFET開關(guān)及低壓MOSFET開關(guān)，SH及SL節(jié)點用于接收LabVIEW輸入的開關(guān)驅(qū)動信號，來控制開關(guān)的通斷(圖中開關(guān)采用的是通用MOSFET模型，該模型不需要采用懸浮驅(qū)動方式，即可進(jìn)行仿真驅(qū)動，與實際驅(qū)動電路稍有不同，為了更貼近實際控制電路,也可在Multisim中選擇實際的開關(guān)模型，并配合IR公司的專用MOSFET驅(qū)動芯片模型或采用隔離光耦模型進(jìn)行驅(qū)動)；U2為低壓保持電源，W1為可設(shè)置限流值的穩(wěn)壓片，D5為高壓二極管，防止起動高壓串入保持低壓回路；D6為續(xù)流二極管，D7為穩(wěn)壓二極管，D6、D7共同組成接觸器的線圈消磁回路；XCP1、XCP2、XCP3、XCP4為電流探針，檢測支路中的電流，節(jié)點IH、IL、Icoil、ID分別將檢測到的高壓支路電流、低壓支路電流、線圈電流及消磁支路電流送入到LabVIEW中；Ucoil節(jié)點將線圈電壓值送入LabVIEW中，為接觸器動態(tài)模型提供電壓激勵。

圖7 聯(lián)合仿真模擬控制電路

3.3 數(shù)字控制程序的構(gòu)建

在實際電路中接觸器的數(shù)字控制是通過單片機(jī)控制模擬電路中開關(guān)管的通斷時序來實現(xiàn)的，在聯(lián)合仿真中該時序控制可用LabVIEW實現(xiàn)，數(shù)字控制程序如圖8所示。圖7的模擬控制電路映射到LabVIEW編程環(huán)境中，并產(chǎn)生與定義一致的輸入/輸出接口；添加輸入控件來配置輸入濾波電容，創(chuàng)建局部變量來更新線圈電阻及磁路電感；時序控制程序通過設(shè)置的起動時刻、保持時刻及分?jǐn)鄷r刻與當(dāng)前仿真時間比較來產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號SH及SL；構(gòu)建顯示控件來儲存電路的輸出數(shù)據(jù)，其線圈電壓數(shù)據(jù)為接觸器的動態(tài)模型提供激勵；添加波形圖表控制來構(gòu)建波形顯示程序；在LabVIEW的程序框圖中完成程序構(gòu)建后，可以對前面板的各種輸入及顯示控件進(jìn)行布局調(diào)整，得到圖9所示簡潔、直觀的聯(lián)合仿真前面板，可以對整個聯(lián)合仿真過程進(jìn)行設(shè)置及波形顯示。

圖8 聯(lián)合仿真數(shù)字控制程序

圖9 聯(lián)合仿真前面板

3.4 仿真波形分析

聯(lián)合仿真波形如圖10所示，可以通過前面板的波形顯示窗口方便地導(dǎo)出：t0時刻高壓驅(qū)動SH置高電平(增益50)，S1導(dǎo)通，整流濾波后的直流高壓施加在線圈兩端，線圈電流icoil快速上升，電磁吸力Fx快速增大并大于彈簧反力Ff，動鐵心速度v逐漸增大；至t1時刻動靜鐵心閉合，動鐵心位移x(增益100)達(dá)到最大值，同時icoil在運動反電勢的影響下，被迫下跌到最低點；t2時刻SH置低電平，SL置高電平(增益50)，S1關(guān)閉，S2打開，接觸器高壓起動過程結(jié)束，開始轉(zhuǎn)入低壓保持過程，在t1～t2時段內(nèi)，線圈電流icoil等于高壓支路電流iH。

圖10 聯(lián)合仿真波形

S1關(guān)閉，S2打開后，由于線圈的阻感特性，線圈電流通過消磁回路連續(xù)衰減，消磁支路電流為iD,線圈電壓ucoil約為負(fù)的D7管壓降(本文設(shè)置為-50 V)，此時低壓保持回路工作于恒流輸出模式(該模式可防止從低壓回路抽出過大的電流，導(dǎo)致低壓回路不穩(wěn)定)，低壓支路電流iL輸出最大值(本文設(shè)置為1 A)，試圖彌補(bǔ)線圈電流的衰減，電流關(guān)系為：icoil=iD+iL；隨著負(fù)壓消磁回路的作用，線圈電流快速衰減，至t3時刻低壓保持回路能夠提供全部的線圈電流，iD衰減為0，電流關(guān)系為：icoil=iL，低壓回路退出恒流模式，ucoil為恒定低壓(本文設(shè)置為20 V)，iL逐漸下降，至t4時刻iL恒定，完全轉(zhuǎn)入恒壓保持狀態(tài)，完成起動到保持的切換過程。在t5時刻開始分?jǐn)噙^程，SL置低電平，S2關(guān)閉，線圈電流在消磁回路的負(fù)壓作用下衰減，至t6時刻Fx小于Ff，動鐵心開始回彈，至t7時刻分?jǐn)嘟Y(jié)束。

在以上仿真過程中可以靈活修改時序控制過程及模擬控制電路的器件參數(shù)，便于學(xué)生探索相關(guān)控制規(guī)律及新的控制思路。

4 結(jié) 語

本文以接觸器的智能控制為例介紹了一種智能電器的聯(lián)合仿真方法，將接觸器本體在LabVIEW中封裝成子VI的形式，降低了智能電器聯(lián)合仿真的教學(xué)應(yīng)用難度，之后利用Multisim豐富的元件庫構(gòu)建電器智能控制器的模擬控制電路，利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)流編程環(huán)境構(gòu)建電器智能控制器的數(shù)字控制程序，實現(xiàn)智能電器模擬控制電路及數(shù)字控制程序之間逐點閉環(huán)的聯(lián)合仿真，仿真界面友好、直觀，交互性強(qiáng)，便于學(xué)生充分理解智能電器的控制原理及動態(tài)運行過程，因此聯(lián)合仿真方法可以成為智能電器實驗教學(xué)及課堂教學(xué)的有效輔助手段。