VisSim軟件在自動化專業(yè)實驗教學中的應(yīng)用

宋春寧， 黃清寶， 林小峰， 宋紹劍

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

0 引言

VisSim是一套集成型軟件，可快速完成TI公司系列的DSP以及MSP430微控制器的系統(tǒng)原型機的開發(fā)測試工作;可為控制算法及指定的片內(nèi)外設(shè)生成標準ANSIC定點代碼，并進行仿真;支持TIF243、LF2407、F2808、F2812、F28335以及 MSP430微控制器的評估板。VisSim包含電機模塊，可用于基于交流感應(yīng)電機、無刷直流電機、步進電機等運動控制系統(tǒng)的模擬以及產(chǎn)品代碼的生成。該模塊包括了PID、3相PWM驅(qū)動、空間矢量波形發(fā)生器、Park和Clarke變換、V-H剖面圖、無傳感器磁通、轉(zhuǎn)子速度評估、正交解碼速度計算器［1］。VisSim是一套圖形化的原型建模軟件，能進行控制策略的開發(fā)與驗證，執(zhí)行脫機參數(shù)調(diào)整;用戶可在Windows的環(huán)境中執(zhí)行即時模擬、數(shù)據(jù)采集和控制工作，無需編輯復(fù)雜的代碼即可得到與真實回路硬件系統(tǒng)相匹配的結(jié)果。將非線性系統(tǒng)線性化;生成BODE圖，根軌跡圖，以及連續(xù)和離散系統(tǒng)的Nyquist分析;同時還提供極點布局控制設(shè)計。提供DSP、動態(tài)、電機、電力、液壓、化學、熱與渦輪機等模型資料庫［2-4］。和Matlab建模軟件相比，具有以下優(yōu)勢:①軟件生成代碼小，直接可下載到TI公司系列的DSP以及MSP430微控制器。② VisSim使用圖形化界面，用戶可非常簡單地創(chuàng)建、修改、以及維護系統(tǒng)模型。仿真內(nèi)核為線性、非線性、連續(xù)時間、離散時間、時變、SISO、MIMO，以及混合系統(tǒng)設(shè)計提供了快速精確的解決方案，可模擬線性、非線性、連續(xù)、離散系統(tǒng)、時變和混合系統(tǒng)。VisSim軟件不僅可用于電力電子技術(shù)、電機、自動控制原理、嵌入式控制器DSP的實驗教學，而且還可作為各們學科的仿真建模軟件［5-8］。

雖然VisSim軟件具有強大的功能，但是配套的實驗箱并不多見，在國外，VisSim軟件研發(fā)公司(Visual Soluctions)提供的風門控制實驗箱。TI公司提供了再生能源控制裝置。在臺灣，卓傑企業(yè)有限公司研制了VisSim通用型DSP控制器系統(tǒng)，采用dsp2407實現(xiàn)了的數(shù)字濾波、輸出信號控制，具有直流伺服馬達位置控制系統(tǒng)，交流伺服馬達驅(qū)動與位置控制系統(tǒng)，倒立擺系統(tǒng)控制，雙螺旋槳MIMO系統(tǒng)控制實驗。清云科技大學采用RT-DAC4和VisSim軟件構(gòu)建自動控制實驗教學。西南石油大學采用VisSim軟件進行“電力拖動自動控制系統(tǒng)”的仿真實驗，另外一些高校主要應(yīng)用VisSim軟件進行風力發(fā)電、電機控制建模的研究［9-10］。

目前，本校的電力電子技術(shù)、電機、自動控制原理的實驗，只能開設(shè)一些傳統(tǒng)的、驗證性和演示性的實驗。內(nèi)容單一、技術(shù)較落后，嚴重地影響學生的學習興趣和教學效果。而且由于實驗裝置局限性，不能進行建模和仿真，控制算法不能更改，更不能產(chǎn)生控制程序代碼。能夠進行原型機開發(fā)的實驗裝置比較昂貴，如德國dSPACE實時仿真系統(tǒng)十幾萬元，固高Matlab實時控制軟件10萬元左右，并且這些軟件產(chǎn)生的c代碼較大，閱讀性較差，且難以脫離開發(fā)環(huán)境。因此，我們采用VisSim軟件、數(shù)據(jù)采集卡、TMS320F2812開發(fā)板等開發(fā)了以下實驗。

1 基于數(shù)據(jù)采集卡的信號采集和顯示

采用研華數(shù)據(jù)采集卡PCL1710，采用VC++建立嵌入VisSim軟件的模塊:AD采集、DA轉(zhuǎn)換、IO控制、脈寬調(diào)制PWM等模塊。

以信號采集和顯示為例，圖1是采集卡、VisSim軟件構(gòu)成的信號采集和顯示框圖。

圖1 信號采集和顯示

A/D10為外部信號發(fā)生器所給的方波，圖2是由外部所給的信號采集的方波，而D/A0是由VisSim傳給外部的示波器波形。

圖2 方波信號采集測試

2 自控原理建模與控制

自動原理可開展BODE圖、根軌跡圖，以及連續(xù)和離散系統(tǒng)的Nyquist分析，極點布局控制設(shè)計，PID控制器等實驗。

由于實驗室條件所限，大多數(shù)的控制器設(shè)計開發(fā)要進行為半實物仿真。原因是:①控制對象的實物比較昂貴或無法進行多次實驗，為了驗證控制器設(shè)計的可行性，則采用控制器的半實物仿真。② 工業(yè)過程控制中，在實物環(huán)境下不能輕易調(diào)整控制器，只能離線調(diào)整，根據(jù)數(shù)學模型驗證控制算法。采用VisSim軟件及研制的實驗箱可以開展半實物仿真，利用VisSim軟件建立被控對象模型，設(shè)計控制算法，優(yōu)化控制算法參數(shù)，以達到滿意控制效果。

圖3 是VisSim半實物仿真框圖

以設(shè)計一個控制器為例，欲將狀態(tài)x1(t)、x2(t)追蹤xd1(t)、xd2(t)。其狀態(tài)方程如下:

圖4 控制器設(shè)計仿真

3 基于DSP嵌入式系統(tǒng)的帆板模糊控制

圖5是基于DSP嵌入式系統(tǒng)VisSim實驗箱的結(jié)構(gòu)框圖，主要由以下部分構(gòu)成:① TMS320F2812開發(fā)板［11］;② dsp仿真器;③ 12位 DA板;④ 數(shù)字量光電隔離輸出;⑤模擬信號調(diào)理電路;⑥ 數(shù)字量光電隔離輸入;⑦ 智能模塊IPM;⑧ 編碼器輸入;⑨ LED狀態(tài)指示;⑩帆板、12 V直流電機風扇。

圖5 基于DSP嵌入式系統(tǒng)Vissim實驗箱

帆板控制原理:電扇吹動帆板旋轉(zhuǎn)一定的角度，編碼器將產(chǎn)生具有一定頻率、相差90°的脈沖的信號(旋轉(zhuǎn)角度的大小決定正負號)。實驗箱上的正交編碼脈沖(QEP)電路將對編碼器產(chǎn)生的信號進行脈沖計數(shù)［12］，經(jīng)過標度變換可以得到精確的帆板旋轉(zhuǎn)角度。將設(shè)定值和旋轉(zhuǎn)角度作為輸入，運用模糊控制算法計算PWM控制量，控制IPM智能模塊，實現(xiàn)對風扇轉(zhuǎn)速進行控制。

在VisSim中所使用的模糊控制功能模塊的建模是通過VC++編譯所完成的。該模塊以帆板旋轉(zhuǎn)的角度設(shè)定值和實際值作為輸入，PWM控制量作為輸出。完成包括誤差和誤差變化率的計算，量化處理、查表和解模糊化的響應(yīng)過程得到控制量的功能［13-16］。所完成的模糊控制功能模塊如圖6所示。所建立的VisSim程序中的旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)角度計算模塊和PWM信號的計算與輸出模塊，如圖7和8所示。程序中將帆板角度設(shè)定值和實際值、PWM輸出值以圖形的形式顯示，方便用戶的觀察與控制。

圖6 模糊控制器功能模塊

圖7 PWM信號的計算與輸出模塊

圖8 模糊控制結(jié)果

從圖8可以看出，模糊控制幾乎沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，且穩(wěn)定時間也較短。體現(xiàn)了模糊控制系統(tǒng)對于動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4 教學實施及效果

我們編寫VisSim軟件配套實驗指導(dǎo)書，實驗裝置可開出6個基本實驗內(nèi)容和3個綜合設(shè)計內(nèi)容，學生通過學習使用VisSim軟件，借助于VisSim軟件平臺進行，并在相應(yīng)的實驗裝置得以實施。實驗3人一組，實驗前學生根據(jù)實驗內(nèi)容先做預(yù)習報告，預(yù)習報告經(jīng)任課老師批改，才允許學生做實驗。實驗前由實驗教師簡要介紹本次實驗的內(nèi)容與要求，示范儀器設(shè)備的使用和操作方法。學生做實驗，實驗中遇到問題由實驗教師或任課教師只作少量提示，鼓勵學生自行找到解決辦法。通過VisSim軟件對被控制對象的建模，設(shè)計控制算法，觀察仿真輸出波形，可靈活調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)建模、控制算法優(yōu)化設(shè)計。因此，學生不但可以清楚地理解原理，而且能培養(yǎng)他們獨立思考和自學的能力，仿真驗證的參數(shù)可進行實際系統(tǒng)調(diào)試，可起到事半功倍的效果。VisSim實驗裝置有助于培養(yǎng)學生的建模、控制算法設(shè)計與綜合應(yīng)用的能力，提高設(shè)計控制算法水平和實驗技能，增強他們分析問題能力，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新研究能力。

5 結(jié)語

VisSim軟件不僅可以采用自身定義的模塊進行建模，而且可以嵌入 C++、Matlab、Mathcad、Maple建立的模塊，采用VisSim軟件不僅可開展電力電子技術(shù)、電機控制、自動控制原理、嵌入式控制器dsp的實驗，而且將數(shù)學建模與這些課程有機結(jié)合在一起，使數(shù)據(jù)采集、控制策略、數(shù)字控制相結(jié)合，有效提高學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

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