VisSim软件在自动化专业实验教学中的应用

宋春宁， 黄清宝， 林小峰， 宋绍剑

(广西大学电气工程学院，广西南宁530004)

0 引言

VisSim是一套集成型软件，可快速完成TI公司系列的DSP以及MSP430微控制器的系统原型机的开发测试工作;可为控制算法及指定的片内外设生成标准ANSIC定点代码，并进行仿真;支持TIF243、LF2407、F2808、F2812、F28335以及 MSP430微控制器的评估板。VisSim包含电机模块，可用于基于交流感应电机、无刷直流电机、步进电机等运动控制系统的模拟以及产品代码的生成。该模块包括了PID、3相PWM驱动、空间矢量波形发生器、Park和Clarke变换、V-H剖面图、无传感器磁通、转子速度评估、正交解码速度计算器［1］。VisSim是一套图形化的原型建模软件，能进行控制策略的开发与验证，执行脱机参数调整;用户可在Windows的环境中执行即时模拟、数据采集和控制工作，无需编辑复杂的代码即可得到与真实回路硬件系统相匹配的结果。将非线性系统线性化;生成BODE图，根轨迹图，以及连续和离散系统的Nyquist分析;同时还提供极点布局控制设计。提供DSP、动态、电机、电力、液压、化学、热与涡轮机等模型资料库［2-4］。和Matlab建模软件相比，具有以下优势:①软件生成代码小，直接可下载到TI公司系列的DSP以及MSP430微控制器。② VisSim使用图形化界面，用户可非常简单地创建、修改、以及维护系统模型。仿真内核为线性、非线性、连续时间、离散时间、时变、SISO、MIMO，以及混合系统设计提供了快速精确的解决方案，可模拟线性、非线性、连续、离散系统、时变和混合系统。VisSim软件不仅可用于电力电子技术、电机、自动控制原理、嵌入式控制器DSP的实验教学，而且还可作为各们学科的仿真建模软件［5-8］。

虽然VisSim软件具有强大的功能，但是配套的实验箱并不多见，在国外，VisSim软件研发公司(Visual Soluctions)提供的风门控制实验箱。TI公司提供了再生能源控制装置。在台湾，卓傑企业有限公司研制了VisSim通用型DSP控制器系统，采用dsp2407实现了的数字滤波、输出信号控制，具有直流伺服马达位置控制系统，交流伺服马达驱动与位置控制系统，倒立摆系统控制，双螺旋桨MIMO系统控制实验。清云科技大学采用RT-DAC4和VisSim软件构建自动控制实验教学。西南石油大学采用VisSim软件进行“电力拖动自动控制系统”的仿真实验，另外一些高校主要应用VisSim软件进行风力发电、电机控制建模的研究［9-10］。

目前，本校的电力电子技术、电机、自动控制原理的实验，只能开设一些传统的、验证性和演示性的实验。内容单一、技术较落后，严重地影响学生的学习兴趣和教学效果。而且由于实验装置局限性，不能进行建模和仿真，控制算法不能更改，更不能产生控制程序代码。能够进行原型机开发的实验装置比较昂贵，如德国dSPACE实时仿真系统十几万元，固高Matlab实时控制软件10万元左右，并且这些软件产生的c代码较大，阅读性较差，且难以脱离开发环境。因此，我们采用VisSim软件、数据采集卡、TMS320F2812开发板等开发了以下实验。

1 基于数据采集卡的信号采集和显示

采用研华数据采集卡PCL1710，采用VC++建立嵌入VisSim软件的模块:AD采集、DA转换、IO控制、脉宽调制PWM等模块。

以信号采集和显示为例，图1是采集卡、VisSim软件构成的信号采集和显示框图。

图1 信号采集和显示

A/D10为外部信号发生器所给的方波，图2是由外部所给的信号采集的方波，而D/A0是由VisSim传给外部的示波器波形。

图2 方波信号采集测试

2 自控原理建模与控制

自动原理可开展BODE图、根轨迹图，以及连续和离散系统的Nyquist分析，极点布局控制设计，PID控制器等实验。

由于实验室条件所限，大多数的控制器设计开发要进行为半实物仿真。原因是:①控制对象的实物比较昂贵或无法进行多次实验，为了验证控制器设计的可行性，则采用控制器的半实物仿真。② 工业过程控制中，在实物环境下不能轻易调整控制器，只能离线调整，根据数学模型验证控制算法。采用VisSim软件及研制的实验箱可以开展半实物仿真，利用VisSim软件建立被控对象模型，设计控制算法，优化控制算法参数，以达到满意控制效果。

图3 是VisSim半实物仿真框图

以设计一个控制器为例，欲将状态x1(t)、x2(t)追踪xd1(t)、xd2(t)。其状态方程如下:

图4 控制器设计仿真

3 基于DSP嵌入式系统的帆板模糊控制

图5是基于DSP嵌入式系统VisSim实验箱的结构框图，主要由以下部分构成:① TMS320F2812开发板［11］;② dsp仿真器;③ 12位 DA板;④ 数字量光电隔离输出;⑤模拟信号调理电路;⑥ 数字量光电隔离输入;⑦ 智能模块IPM;⑧ 编码器输入;⑨ LED状态指示;⑩帆板、12 V直流电机风扇。

图5 基于DSP嵌入式系统Vissim实验箱

帆板控制原理:电扇吹动帆板旋转一定的角度，编码器将产生具有一定频率、相差90°的脉冲的信号(旋转角度的大小决定正负号)。实验箱上的正交编码脉冲(QEP)电路将对编码器产生的信号进行脉冲计数［12］，经过标度变换可以得到精确的帆板旋转角度。将设定值和旋转角度作为输入，运用模糊控制算法计算PWM控制量，控制IPM智能模块，实现对风扇转速进行控制。

在VisSim中所使用的模糊控制功能模块的建模是通过VC++编译所完成的。该模块以帆板旋转的角度设定值和实际值作为输入，PWM控制量作为输出。完成包括误差和误差变化率的计算，量化处理、查表和解模糊化的响应过程得到控制量的功能［13-16］。所完成的模糊控制功能模块如图6所示。所建立的VisSim程序中的旋转编码器旋转角度计算模块和PWM信号的计算与输出模块，如图7和8所示。程序中将帆板角度设定值和实际值、PWM输出值以图形的形式显示，方便用户的观察与控制。

图6 模糊控制器功能模块

图7 PWM信号的计算与输出模块

图8 模糊控制结果

从图8可以看出，模糊控制几乎没有出现超调现象，且稳定时间也较短。体现了模糊控制系统对于动态系统的优越性。

4 教学实施及效果

我们编写VisSim软件配套实验指导书，实验装置可开出6个基本实验内容和3个综合设计内容，学生通过学习使用VisSim软件，借助于VisSim软件平台进行，并在相应的实验装置得以实施。实验3人一组，实验前学生根据实验内容先做预习报告，预习报告经任课老师批改，才允许学生做实验。实验前由实验教师简要介绍本次实验的内容与要求，示范仪器设备的使用和操作方法。学生做实验，实验中遇到问题由实验教师或任课教师只作少量提示，鼓励学生自行找到解决办法。通过VisSim软件对被控制对象的建模，设计控制算法，观察仿真输出波形，可灵活调整参数实现建模、控制算法优化设计。因此，学生不但可以清楚地理解原理，而且能培养他们独立思考和自学的能力，仿真验证的参数可进行实际系统调试，可起到事半功倍的效果。VisSim实验装置有助于培养学生的建模、控制算法设计与综合应用的能力，提高设计控制算法水平和实验技能，增强他们分析问题能力，培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力和创新研究能力。

5 结语

VisSim软件不仅可以采用自身定义的模块进行建模，而且可以嵌入 C++、Matlab、Mathcad、Maple建立的模块，采用VisSim软件不仅可开展电力电子技术、电机控制、自动控制原理、嵌入式控制器dsp的实验，而且将数学建模与这些课程有机结合在一起，使数据采集、控制策略、数字控制相结合，有效提高学生的综合素质和创新能力。

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