聯合仿真在智能電器教學中的應用

湯龍飛, 許志紅

(福州大學 電氣工程與自動化學院,福州 350116)

0 引 言

智能電器是建設現代化電力系統的基礎，從電器的種類分主要包括：智能斷路器、智能接觸器、智能電機軟啟動器、智能繼電器及智能開關柜等其他組合電器[1]。在技術層面上，智能電器融合了傳統電器與現代傳感技術、電力電子技術、數字控制技術、計算機接口及網絡技術等多個學科[2]。“智能電器”課程是一門應用性很強的專業核心課程，實驗在教學中占有重要的位置，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行分析，從而對抽象的理論知識進行具體化、形象化，便于學生理解，同時也提高了學生的動手能力[3]。但實驗往往受種種客觀條件的限制，如：設備、場地、時間等，因此在實際的實驗教學中往往只能設計固定的幾種實驗方案，且大部分方案的硬件電路采用設計好的模塊，學生僅需選擇需要的模塊進行拼接，這種按部就班的程序化操作難以激起學生的興趣，且在這種實驗模式下，學生無法充分驗證自己的新的控制思路，不利于創新能力的培養[4]。“智能電器”這類綜合性的專業應用課程，其課堂教學往往只能以講解理論知識為主，枯燥乏味，課堂實踐內容涉及較少。而仿真技術的使用在一定程度上彌補了實驗的客觀條件限制，不僅可以構建專門的虛擬實驗課程，部分替代實驗教學，同時也可以隨時穿插在課堂教學中進行，改進教學方法和教學手段，及時加深學生對專業理論知識的理解，提高理論知識的實際應用能力[5]。

智能電器在結構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字控制電路及模擬控制電路，因此實現智能電器數字控制電路、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。本文以接觸器的智能控制為例，介紹了一種智能電器的聯合仿真方法，實現了智能接觸器的數字控制電路、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，便于學生充分理解智能電器的控制原理及動態運行過程，同時模擬控制電路及數字控制程序可以方便地進行任意修改，便于學生探索新的智能控制方案，提高學生的創新能力。因此，聯合仿真方法不僅可以成為“智能電器”課堂教學的有效補充，進行講練結合，同時也可以作為實驗教學的輔助手段，應用到課程設計、生產實習、畢業設計等實踐環節中。

1 聯合仿真的原理及特點

一個完整的電氣控制系統往往包括數字控制電路及模擬控制電路部分，這兩部分間通過反饋環節相互作用，決定著控制系統的整體運行效果。傳統的仿真平臺不能準確地將數字電路部分及模擬電路部分進行綜合仿真，可能與實際控制系統產生較大誤差，進而影響控制系統的設計效率。因此，在設計這些系統時需要采用有效的方法，將數字電路部分及模擬電路部分聯合起來，實現一體化的綜合性分析，方能準確地設計完整的電氣控制系統。本文采用具有全新聯合仿真能力的Multisim和LabVIEW軟件來構建實時聯動仿真系統，實現電氣控制系統模擬電路部分與數字電路部分的逐點閉環仿真[6]，聯合仿真需要的軟件有：LabVIEW、LabVIEW控制設計與仿真模塊、Multisim。

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

LabVIEW控制設計與仿真模塊主要包括：PID設計、模糊邏輯設計、仿真設計、控制設計及系統識別5大部分，可用于仿真動態系統，采用經典或狀態空間法來設計繁復的控制器[10]，并將控制系統部署至實時硬件，實現快速控制原型和硬件在環(HIL)應用，功能強大且復雜[11]。在智能電器的聯合仿真中主要應用其仿真設計這一小部分功能。

Multisim是業界一流的SPICE仿真標準環境，包含多達22 000個元器件的器件庫，用戶可從器件列表中進行選擇，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，來創建完整的SPICE仿真電路[12]；包含20種行業標準的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、網絡分析儀，等)，配合LabVIEW不斷擴展的自定義仿真分析庫，用戶還可以在Multisim中創建自己的LabVIEW分析儀器[13]。

采用LabVIEW及Multisim構建的聯合仿真系統原理如圖1所示。首先利用Multisim豐富的元件庫構建完整的模擬控制電路，之后利用LabVIEW的圖形化、數據流編程環境構建數字控制程序，最后利用LabVIEW控制設計與仿真模塊構建LabVIEW與Multisim間數據的傳輸通道；兩個獨立的仿真軟件同時進行非線性時域仿真，并在每個仿真步長結束時交互仿真數據，更新仿真狀態，之后進入下一個仿真步長，依次循環仿真。因此，聯合仿真系統實現了LabVIEW與Multisim間的逐點閉環仿真，做到了兩個仿真軟件之間的實時聯動，可以充分驗證模擬電路和數字電路的相互作用，為完整的電氣系統仿真提供有效的解決方案。

2 聯合仿真關鍵步驟構建

聯合仿真構建過程中最關鍵的步驟即實現LabVIEW與Multisim間的聯合，充分結合兩個軟件在仿真領域的應用優勢，構建逐點閉環仿真系統。

圖1 聯合仿真系統原理

在Multisim中構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，才能實現與LabVIEW仿真引擎之間的數據收發，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中的仿真數據；輸出接口則在每個仿真步長中將Multisim中的仿真數據輸出到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”窗口會根據接口的數量及輸入/輸出屬性不斷更新，這個預覽是之后映射到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建后，保存，方便后續LabVIEW的調用。

圖3 Multisim design VI preview

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

之后需添加仿真掛起(Halt Simulation)函數，同時在VI的前面板上創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負責管理

圖4 控制設計與仿真循環

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建圖5所示聯合仿真的基本結構，Multisim Design VI會生成接線端，接線端的形式與Multisim環境中的Multisim Design VI preview一致，具有相對應的輸入與輸出。該Multisim Design VI完全融入LabVIEW開發環境，同時能夠在每個仿真步長中與Multisim進行數據交換，是實現聯合仿真的橋梁。

圖5 聯合仿真基本結構

3 聯合仿真在智能電器中的應用實例

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，當動靜鐵心閉合后，僅需施加一較低的直流低壓即可實現接觸器的可靠保持[14]。該控制原理使交流接觸器的激磁方式從交流轉向直流，實現其節能、無聲運行，相較于電流閉環控制方案，該控制原理簡單易行，便于學生理解[15]。因此，本文以該控制方案為例，構建智能接觸器的聯合仿真系統，從而深入、直觀地展示、剖析接觸器的智能控制過程，更好地進行智能電器的實驗教學及課堂教學。

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為核心的數字控制電路及以線圈驅動電路為核心的模擬控制電路，因此可采用聯合仿真技術對該控制器進行數模混合仿真。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，故要實現智能接觸器整體仿真，尚需構建接觸器本體模型，該步驟可采用LabVIEW靈活的圖形化語言來實現。

在LabVIEW中構建圖6所示接觸器動態模型，其主要子模型包括：電壓平衡子模型、電磁吸力子模型、機械運動子模型、動態電感子模型及反求電流子模型。電壓平衡子模型根據輸入的線圈電壓ucoil、線圈電流icoil結合線圈電阻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輸入的磁鏈ψ，結合鐵心端面積S，線圈匝數N及空氣磁導率μ0，來計算電磁吸力Fx；機械運動子模型根據電磁吸力Fx及彈簧反力Ff，配合接觸器可動部分質量m，經積分算子1/S的運算得到動鐵心速度v及動鐵心位移x；動態電感子模型主要根據磁鏈ψ及線圈電流icoil，來計算接觸器的動態電感L；反求電流子模型主要根據磁鏈ψ及動鐵心位移x插值，來反求線圈電流icoil。

圖6 接觸器動態模型

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

3.2 模擬控制電路的構建

根據聯合仿真的構建步驟，首先要在Multisim中構建模擬控制電路，如圖7所示。圖中u1為交流電源，可設置電壓有效值、頻率及初始相角等參數；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節點用于接收LabVIEW中接觸器動態模型輸入的動態電感值，模擬接觸器運動過程中的“機電耦合”效應[16]；R1為可變電阻，其Rcoil節點用于接收LabVIEW輸入的電阻值，配置線圈電阻；S1、S2分別為高壓MOSFET開關及低壓MOSFET開關，SH及SL節點用于接收LabVIEW輸入的開關驅動信號，來控制開關的通斷(圖中開關采用的是通用MOSFET模型，該模型不需要采用懸浮驅動方式，即可進行仿真驅動，與實際驅動電路稍有不同，為了更貼近實際控制電路,也可在Multisim中選擇實際的開關模型，并配合IR公司的專用MOSFET驅動芯片模型或采用隔離光耦模型進行驅動)；U2為低壓保持電源，W1為可設置限流值的穩壓片，D5為高壓二極管，防止起動高壓串入保持低壓回路；D6為續流二極管，D7為穩壓二極管，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節點將線圈電壓值送入LabVIEW中，為接觸器動態模型提供電壓激勵。

圖7 聯合仿真模擬控制電路

3.3 數字控制程序的構建

在實際電路中接觸器的數字控制是通過單片機控制模擬電路中開關管的通斷時序來實現的，在聯合仿真中該時序控制可用LabVIEW實現，數字控制程序如圖8所示。圖7的模擬控制電路映射到LabVIEW編程環境中，并產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置的起動時刻、保持時刻及分斷時刻與當前仿真時間比較來產生開關驅動信號SH及SL；構建顯示控件來儲存電路的輸出數據，其線圈電壓數據為接觸器的動態模型提供激勵；添加波形圖表控制來構建波形顯示程序；在LabVIEW的程序框圖中完成程序構建后，可以對前面板的各種輸入及顯示控件進行布局調整，得到圖9所示簡潔、直觀的聯合仿真前面板，可以對整個聯合仿真過程進行設置及波形顯示。

圖8 聯合仿真數字控制程序

圖9 聯合仿真前面板

3.4 仿真波形分析

聯合仿真波形如圖10所示，可以通過前面板的波形顯示窗口方便地導出：t0時刻高壓驅動SH置高電平(增益50)，S1導通，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關閉，S2打開，接觸器高壓起動過程結束，開始轉入低壓保持過程，在t1～t2時段內，線圈電流icoil等于高壓支路電流iH。

圖10 聯合仿真波形

S1關閉，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衰減，消磁支路電流為iD,線圈電壓ucoil約為負的D7管壓降(本文設置為-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，導致低壓回路不穩定)，低壓支路電流iL輸出最大值(本文設置為1 A)，試圖彌補線圈電流的衰減，電流關系為：icoil=iD+iL；隨著負壓消磁回路的作用，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，電流關系為：icoil=iL，低壓回路退出恒流模式，ucoil為恒定低壓(本文設置為20 V)，iL逐漸下降，至t4時刻iL恒定，完全轉入恒壓保持狀態，完成起動到保持的切換過程。在t5時刻開始分斷過程，SL置低電平，S2關閉，線圈電流在消磁回路的負壓作用下衰減，至t6時刻Fx小于Ff，動鐵心開始回彈，至t7時刻分斷結束。

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，便于學生探索相關控制規律及新的控制思路。

4 結 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，降低了智能電器聯合仿真的教學應用難度，之后利用Multisim豐富的元件庫構建電器智能控制器的模擬控制電路，利用LabVIEW強大的數據流編程環境構建電器智能控制器的數字控制程序，實現智能電器模擬控制電路及數字控制程序之間逐點閉環的聯合仿真，仿真界面友好、直觀，交互性強，便于學生充分理解智能電器的控制原理及動態運行過程，因此聯合仿真方法可以成為智能電器實驗教學及課堂教學的有效輔助手段。