王建暉， 吳宇深， 張 立， 劉嘉睿， 張春良， 岳 夏

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006；2.廣州市城市建設職業(yè)學校，廣州 510320）

0 引 言

虛擬仿真教學是現(xiàn)代高校專業(yè)教學中的重要環(huán)節(jié)［1］，現(xiàn)代控制理論、智能控制等課程往往會結合虛擬仿真軟件進行專業(yè)教學。目前在自動化專業(yè)方向教學中，課程實驗環(huán)節(jié)中也普遍結合了虛擬仿真實驗，例如運動控制系統(tǒng)課程［2-4］。運動控制系統(tǒng)課程有著十分重要的教學意義，所以其實驗環(huán)節(jié)的開展方式也決定了教學的質量［5-6］。但往往課程實驗理論性較強，實驗過程難度較大［7］，且根據(jù)過往的課程實驗環(huán)節(jié)安排，使用電動機控制實驗臺進行實驗，則在實驗過程中無法直接觀測系統(tǒng)輸出特性的動態(tài)過程，且不利于實驗中對系統(tǒng)進行擴展。而利用Matkab 進行虛擬仿真實驗，往往是搭建Simulink仿真模型，然后通過修改不同模塊的參數(shù)再進行仿真實驗，最后通過示波器（Scope）或者畫圖觀測實驗效果。但是實驗時間的限制、學生自身理解不到位及其他原因，往往使得實驗效果不理想，從而造成學生的學習效果不好。因此，重視運動控制系統(tǒng)課程實驗環(huán)節(jié)，對實驗方式進行創(chuàng)新是十分有必要的。

本文，建立Simulink與GUI可視化界面相結合的實驗系統(tǒng)，將實驗參數(shù)調(diào)節(jié)功能、電動機輸出特性波形顯示設計在GUI人機交互界面上。通過上述設計，且經(jīng)過具體的實踐教學研究，學生可以在GUI 人機交互界面上直觀觀測電動機輸出特性的動態(tài)過程，并且可以實現(xiàn)在實驗過程中進行電動機系統(tǒng)相關參數(shù)的快速調(diào)試的目標，同時還可以對系統(tǒng)進行模塊擴展。整個虛擬仿真實驗系統(tǒng)有助于降低課程實驗難度，學生也能更好地通過仿真實驗理解運動控制系統(tǒng)課程內(nèi)容。

1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主要包括轉速外環(huán)ASR［8］、電流內(nèi)環(huán)ACR［9］、邏輯控制器DLC 以及晶閘管裝置VF、VR，如圖1 所示。DLC 是本次系統(tǒng)設計的關鍵部分，可使系統(tǒng)實現(xiàn)無環(huán)流［10］。

圖1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)結構圖

當電動機M 需要正轉運行時，觸發(fā)脈沖GTF 工作，晶閘管VF導通，輸入正向電壓，電動機正轉；反轉運行時，觸發(fā)脈沖GTR工作，晶閘管VR 導通，輸入反向電壓，電動機反轉［11］。DLC的組成如圖2 所示。

圖2 邏輯控制器的組成

（1）電平檢測器。該檢測器是將控制系統(tǒng)中輸入的連續(xù)信號U*T和U*I轉化為離散信號“1”或“0”，以供邏輯判斷電路使用［12］。Simulink中，采用DPZ模塊和DPT模塊來實現(xiàn)。

（2）邏輯判斷電路。電平檢測器輸出信號的變化經(jīng)過邏輯判斷電路，發(fā)出邏輯變換指令，進而改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)［13］。結合DLC 的邏輯指令切換條件，且邏輯判斷電路正常工作時兩路輸出互斥，可以得到邏輯判斷電路的真值表，如表1 所示。

表1 邏輯判斷電路真值表

（3）延時電路。由于主電路的電流是連續(xù)的，且電平檢測器設有一定的閾值，當發(fā)出“零電流”信號時，電動機電流可能并不為零。同時由于晶閘管的關閉特性，需要過一段時間才能完全關閉，因此需要封鎖延時以及開放延時才能保證系統(tǒng)不會出現(xiàn)環(huán)流［14］。

（4）聯(lián)鎖保護電路。在DLC正常運行時，兩個輸入經(jīng)過電平檢測器、邏輯判斷和延時電路后的兩個輸出總是互斥的。如果發(fā)生異常，則輸出端口Uf和Ur會同時為“0”，導致正組晶閘管VF 和反組晶閘管VR同時工作，損壞系統(tǒng)［14］。為了防止系統(tǒng)出錯，需要設置聯(lián)鎖保護電路，其輸入與輸出之間的關系式為：

同時列出如表2 所示的聯(lián)鎖電路真值表，其中電路輸出Ublf和Ublr不會同時為0。

表2 聯(lián)鎖保護電路真值表

2 系統(tǒng)虛擬仿真模型搭建

在Simulink中搭建如圖1 系統(tǒng)結構圖的虛擬仿真模型，如圖3 所示。圖中ASR、ACR、DLC 等各模塊的模型搭建與圖1 的系統(tǒng)結構圖相互對應。

圖3 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

（1）搭建轉速調(diào)節(jié)器ASR 模型。根據(jù)轉速外環(huán)控制“無靜差、抗擾性好”的設計要求，應按照“典型Ⅱ型系統(tǒng)”設計轉速外環(huán)，故轉速調(diào)節(jié)器ASR 采用比例積分調(diào)節(jié)器［15-16］，結合電動機參數(shù)，得出相關P和I參數(shù)，搭建ASR仿真模型，如圖4 所示。

（2）搭建電流內(nèi)環(huán)子系統(tǒng)模型。首先搭建ACR仿真模型、邏輯控制器DLC仿真模型以及選取同步六脈沖發(fā)生器，再連接各個模塊，最后得到電流內(nèi)環(huán)子系統(tǒng)仿真模型，如圖5 所示。

圖5 電流內(nèi)環(huán)子系統(tǒng)仿真模型

（3）搭建同步六脈沖發(fā)生器模型。采用Powerlib_extras工具箱的“同步六脈沖發(fā)生器”提供三相整流電路的觸發(fā)脈沖［17］，實驗系統(tǒng)設計中對同步六脈沖發(fā)生器進行封裝，如圖6 所示。

圖6 同步六脈沖發(fā)生器仿真模型

（4）搭建電流調(diào)節(jié)器ACR 模型?？紤]到電動機電流要快速跟隨給定的需求，電流調(diào)節(jié)器ACR也采用PI調(diào)節(jié)器，其仿真模型如圖7 所示。

圖7 ACR調(diào)節(jié)器仿真模型

（5）搭建邏輯控制器DLC 模型。由邏輯控制器DLC的結構組成，可以搭建出在Simulink中的DLC仿真模型與封裝，如圖8 所示。

圖8 邏輯控制器DLC仿真模型

為驗證邏輯控制器DLC 設計的合理性，搭建圖9所示測試電路，對DLC進行性能測試。

圖9 邏輯控制器DLC測試電路

經(jīng)過仿真實驗驗證，得到DLC輸入輸出波形如圖10 所示，符合設計要求。

圖10 DLC輸入及輸出波形圖

通過輸入UT、UI與輸出Ublf、Ublf波形圖的對應關系可以得出，當且僅當UI=1 時，輸出Ublf和Ublr才會跟隨UT的極性，滿足DLC的設計要求。

（6）系統(tǒng)電動機輸出特性分析。按照步驟，完成上述系統(tǒng)虛擬仿真模型搭建后，設置ASR的比例調(diào)節(jié)器KPn參數(shù)為5，積分調(diào)節(jié)器Kin參數(shù)設置為80，ACR的比例調(diào)節(jié)器Kpi參數(shù)設置為5，積分調(diào)節(jié)器Kii參數(shù)設置為5，并記錄系統(tǒng)電動機輸出特性波形，如圖11 所示。

圖11 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)下電動機特性分析

由圖11 可以看出，當輸入給定正脈沖時，電動機的電樞電流在最開始上升到允許的最大電流后，維持穩(wěn)定在其附近，同時電動機的轉速以線性的形式快速增長。當轉速超調(diào)之后，電樞電流開始下降，最終維持在負載電流附近，直流電動機到達轉速的穩(wěn)態(tài)值。當輸入給定負脈沖后，反向最大電樞電流開始快速建立，并維持在該值附近，實現(xiàn)直流電動機的正向快速制動。而當電動機的轉速到達0 時，電樞電流繼續(xù)保持著最大反向值，實現(xiàn)電動機的反向起動。

3 GUI實驗系統(tǒng)搭建

基于上述Simulink 系統(tǒng)仿真模型，設計一個人機交互界面，將Simulink 文件和GUI 結合起來，使得邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的實驗變得方便、直觀，同時也可以方便DLC、三相整流等環(huán)節(jié)的實驗測試。

在該GUI 人機交互主界面中，可以選擇“單閉環(huán)系統(tǒng)”“雙閉環(huán)系統(tǒng)”“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”進行實驗，如圖12 所示。

圖12 GUI人機交互主界面

首先，選擇“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”，通過該實驗系統(tǒng)，選擇“DLC測試—開始仿真”，可以在GUI界面中觀察邏輯控制器DLC的測試結果，如圖13 所示。

圖13 DLC的測試結果

然后再分別選擇“單閉環(huán)系統(tǒng)”“雙閉環(huán)系統(tǒng)”“邏輯無環(huán)流系統(tǒng)”，通過該實驗系統(tǒng)，可以在GUI界面中設置仿真時間、給定電壓、電壓周期等實驗初始條件，然后通過調(diào)節(jié)轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器中的P和I參數(shù)，得到輸入電壓、電動機轉速，電樞電流等電動機特性的波形圖，如圖14 所示。

圖14 GUI實驗系統(tǒng)仿真實驗

4 結 語

經(jīng)過具體的教學實驗研究，Simulink 與GUI 界面相結合的虛擬仿真實驗系統(tǒng)能方便學生在實驗過程中更好地觀測電動機起動過程中電動機轉速、電樞電流等輸出特性的動態(tài)性能以及在穩(wěn)態(tài)過程中電動機轉速、電樞電流等輸出特性的穩(wěn)態(tài)性能，也能方便學生在實驗環(huán)節(jié)中進行實驗參數(shù)快速調(diào)節(jié)，幫助學生了解不同實驗參數(shù)對電動機輸出特性的影響。同時GUI 可視化界面能更好地呈現(xiàn)電動機輸出特性的波形圖，加深學生對實驗過程的印象。對比利用電動機控制實驗臺進行實驗的實驗方式，該Simulink/GUI 人機交互界面實驗系統(tǒng)能大大縮短實驗過程中參數(shù)調(diào)試時間，提高實驗效率，同時還能使控制系統(tǒng)的可擴展性增強。此外，通過Simulink/GUI 人機交互界面，該實驗系統(tǒng)還能方便授課教師在“運動控制系統(tǒng)”課程上進行電動機控制實驗演示，可以取得更好的課程教學效果。