MultiSim仿真在輪機(jī)自動(dòng)化課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

賈小平

摘 要：針對(duì)航海類院校輪機(jī)自動(dòng)化課程特點(diǎn)，該文以較抽象和較難理解的AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器為例，探討如何通過MultiSim仿真，將輪機(jī)自動(dòng)化課程中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)以更直觀、更生動(dòng)的形式介紹給學(xué)生，從而達(dá)到更好的課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MultiSim仿真 輪機(jī)自動(dòng)化 教學(xué)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（c）-0158-02

偶然通過一次講座認(rèn)識(shí)了MultiSim仿真軟件，講座介紹了應(yīng)用該軟件輔助高職院校開展實(shí)踐訓(xùn)練取得較好效果的情況，受此啟發(fā)，何不將該仿真軟件應(yīng)用于輪機(jī)自動(dòng)化的課堂教學(xué)呢？我們知道，主機(jī)遙控系統(tǒng)和機(jī)艙監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)是現(xiàn)代化無人機(jī)艙的基礎(chǔ)，也是輪機(jī)自動(dòng)化的核心和難點(diǎn)，但在講述上面內(nèi)容時(shí)，一些電工電子的知識(shí)是不可回避的，比較典型的如觸發(fā)器、運(yùn)算放大器的應(yīng)用等，而高職類院校的學(xué)生通常對(duì)抽象的公式和理論推導(dǎo)不感興趣，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)輪機(jī)自動(dòng)化課程以前雖然會(huì)有電工電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程做鋪墊，但這些電工類基礎(chǔ)課程本身就比較抽象，而且往往以單個(gè)元件為背景展開論述，如果碰到一張綜合性的系統(tǒng)圖，同學(xué)們就難免對(duì)相關(guān)概念顯得茫然，但輪機(jī)自動(dòng)化是一門理論和實(shí)踐要求都比較高的課程，在強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力的同時(shí)必須有相關(guān)的理論知識(shí)作為指導(dǎo)，如果能在講課時(shí)輔以MultiSim仿真，則可起到事半功倍的效果，通過直觀的演示，讓同學(xué)們把所學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，更深入地理解輪機(jī)自動(dòng)化課程中那些抽象的電路，該文以船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器為例，介紹一下仿真方法。

1 電子調(diào)速器仿真方法

Multisim是美國國家儀器公司（National Instruments Corporation）推出的一個(gè)電子電路仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。Multisim能夠提供數(shù)千個(gè)虛擬元件供選用，同時(shí)元件庫可以聯(lián)網(wǎng)更新，以便包含生產(chǎn)廠商的最新產(chǎn)品，也可以自己建模、手動(dòng)添加元件，此外，該軟件還提供了20多種虛擬儀器儀表，可以測試和演示各種電子電路，在進(jìn)行仿真的同時(shí)，該軟件還可以存儲(chǔ)測試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元件清單以及存儲(chǔ)測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等[1]。

AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的電路原理如圖1所示，經(jīng)過分析我們知道，該電路分為基本電路和校正電路兩大部分[2]，其中基本電路主要用來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)規(guī)律，而校正電路則是為了使調(diào)速器能夠與螺旋槳特性相匹配。該電路核心部件是5個(gè)運(yùn)算放大器，在輪機(jī)自動(dòng)化這門課程中，關(guān)于運(yùn)算放大器的使用不外乎以下3種情況，即作為比較器、放大器和跟隨器，而這3種使用方法在該電路中都得到了體現(xiàn)，其中運(yùn)放器A1、A2作為放大器用于實(shí)現(xiàn)比例、積分運(yùn)算，運(yùn)放器A3作為電壓跟隨器構(gòu)成燃油限制選小器的一部分，運(yùn)放器A4、A5作為電壓比較器，根據(jù)調(diào)速器輸出UO的大小控制6個(gè)電子開關(guān)的通斷來改變A1、A2的反饋電阻，從而改變調(diào)速器的工作特性以便和螺旋槳的推進(jìn)特性相匹配，為了講解方便，將基本電路簡化，等效電路如圖2所示。該等效電路能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)際值之間的偏差按照PI調(diào)節(jié)規(guī)律輸出油量信號(hào)，相關(guān)的證明推導(dǎo)這里不再贅述，如果能通過Multisim仿真，演示該電路的開環(huán)響應(yīng)特性曲線，然后將該曲線與本課程前邊章節(jié)中介紹過的積分調(diào)節(jié)器開環(huán)輸出特性曲線相比較，該電路實(shí)際就是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，只不過這個(gè)調(diào)節(jié)器專門用于轉(zhuǎn)速的控制，所以就稱它為調(diào)速器。

1.1 基本PI調(diào)速回路仿真

首先打開Multisim10仿真軟件，按照基本PI調(diào)速回路等效圖搭建仿真電路[3]，因?yàn)樵韴D僅標(biāo)明了元件的類別，并沒有具體的型號(hào)和參數(shù)，比如只標(biāo)明運(yùn)算放大器、電阻等，但沒有運(yùn)放器的型號(hào)和電阻的阻值等信息，而這些信息對(duì)于電路能否正常工作卻至關(guān)重要，這樣在仿真時(shí)我們就應(yīng)該根據(jù)所需要的功能隨時(shí)修改這些參數(shù)直至滿意為止，在這里，運(yùn)放器我們選擇Burr-Brown公司的OPA743NA，步驟如下：單擊菜單“Place”->“Component”出現(xiàn)放置元件的窗口，點(diǎn)擊“Group”下拉菜單選擇“Analog”，然后在“Family”列表中選擇“OPAMP（運(yùn)算放大器）”，最后在“Component”列表中找到“OPA743NA”并雙擊，然后在主窗體的合適位置單擊完成一次元件放置，如果雙擊放置好的元件則會(huì)彈出相應(yīng)的設(shè)置窗口，可以查看或修改標(biāo)簽、顯示、數(shù)值、針腳等屬性，甚至可以通過該窗口進(jìn)行元件的故障設(shè)置。按照類似的方法為該運(yùn)放器放置正負(fù)6 V的電源及其他元件，由基本PI調(diào)速回路等效圖可知，運(yùn)放器A1的反向輸入端接的是設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)測轉(zhuǎn)速之間的偏差，為了便于觀察仿真結(jié)果，這里我們直接放置兩個(gè)正負(fù)2 V的電源來模擬階躍的偏差信號(hào)，然后在“instruments”工具條上單擊“Oscilloscope”按鈕在合適的位置放置一個(gè)示波器來顯示仿真曲線，該示波器有AB兩個(gè)通道，一個(gè)通道接輸入的偏差信號(hào)，另一個(gè)通道接輸出信號(hào)UO，所有的元件放置好以后就需要接線了，Multisim仿真軟件中為元件接線是非常方便的，只需在線路的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別單擊，仿真軟件會(huì)為我們自動(dòng)連接，仿真電路完成后如圖3所示，單擊選中7號(hào)線，右鍵菜單，點(diǎn)擊“圖塊顏色”，出現(xiàn)調(diào)色板窗口，把7號(hào)線改為藍(lán)色，這樣在示波器窗口才能更好地區(qū)別輸入、輸出信號(hào)。

準(zhǔn)備工作完成后單擊“Simulation”工具條上的“Run/resume simulation”按鈕或按F5鍵開始運(yùn)行仿真，雙擊示波器打開仿真屏幕，默認(rèn)底色為黑色，我們可以通過單擊“Reverse（反向）”按鈕將背景改為白色，這樣看起來更清爽，此時(shí)我們可以通過單擊J1、J2開關(guān)來控制階躍信號(hào)的輸入，同時(shí)通過仿真示波器的屏幕觀察結(jié)果，圖4為仿真開始后180 ms至280 ms之間的一段截圖，由圖可知，基本PI調(diào)速回路的偏差輸入（A通道）的初始值為4.325 μV，近似等于0 V，該電路的輸出Uo的初始值為-5.794 V，在仿真開始后約206 ms時(shí)輸入信號(hào)階躍為正2 V，則Uo立刻有一個(gè)比例輸出，然后隨著時(shí)間的推移，在比例輸出的基礎(chǔ)上再附加一個(gè)積分輸出，這時(shí)引導(dǎo)同學(xué)們回想前邊介紹過的PI調(diào)節(jié)器開環(huán)響應(yīng)特性曲線（如圖5所示），通過比較讓同學(xué)們認(rèn)同AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的基本電路確實(shí)是具有比例、積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器。

1.2 校正電路仿真

校正電路的主要部件為2個(gè)運(yùn)算放大器和6個(gè)電子開關(guān)，該電路能夠根據(jù)直接反饋回來的油量信號(hào)Uo與可變電阻P1、P2調(diào)定的轉(zhuǎn)折電壓UP1、UP2的比較結(jié)果來決定電子開關(guān)的通斷，從而改變基本調(diào)速回路的反饋電阻，也就改變了運(yùn)放器A1、A2的放大系數(shù)，使得AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的輸出特性為三段折線，從而近似地匹配螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速三次方之間的指數(shù)關(guān)系。

只要給同學(xué)們講清楚校正電路的作用，對(duì)于該電路的原理分析就非常簡單了，其中電子開關(guān)和邏輯門電路沒什么好解釋的，只要把校正電路中的運(yùn)算放大器A4，A5是如何作為比較器工作的給同學(xué)們講明白就可以了，我們知道，運(yùn)算放大器不接反饋或者接正反饋，都是當(dāng)作比較器來用的，對(duì)此我們可以非常方便地通過Multisim10仿真來給同學(xué)們演示，具體方法與基本PI調(diào)速回路的仿真類似，這里不再贅述。

2 結(jié)語

通過前面的介紹我們可以看出，在輪機(jī)自動(dòng)化的課堂教學(xué)中引入Multisim仿真可以更直觀地對(duì)抽象控制系統(tǒng)進(jìn)行講解，通過仿真軟件搭建和課本上一模一樣的控制回路，讓同學(xué)們看到實(shí)實(shí)在在的仿真運(yùn)行效果，從而提高課堂效率，使授課更有說服力，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解要點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為能力和素質(zhì)，同時(shí)，仿真軟件的引入和使用也為學(xué)生拓展了知識(shí)、開闊了思路，為今后的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔霞，魏魯原.Multisim10.0在電子技術(shù)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（6）：42-43.

[2] 初忠.輪機(jī)自動(dòng)化[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：182-184.

[3] 顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，等.基于Multisim的電路原理課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（5）：59-62.endprint

摘 要：針對(duì)航海類院校輪機(jī)自動(dòng)化課程特點(diǎn)，該文以較抽象和較難理解的AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器為例，探討如何通過MultiSim仿真，將輪機(jī)自動(dòng)化課程中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)以更直觀、更生動(dòng)的形式介紹給學(xué)生，從而達(dá)到更好的課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MultiSim仿真 輪機(jī)自動(dòng)化 教學(xué)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（c）-0158-02

偶然通過一次講座認(rèn)識(shí)了MultiSim仿真軟件，講座介紹了應(yīng)用該軟件輔助高職院校開展實(shí)踐訓(xùn)練取得較好效果的情況，受此啟發(fā)，何不將該仿真軟件應(yīng)用于輪機(jī)自動(dòng)化的課堂教學(xué)呢？我們知道，主機(jī)遙控系統(tǒng)和機(jī)艙監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)是現(xiàn)代化無人機(jī)艙的基礎(chǔ)，也是輪機(jī)自動(dòng)化的核心和難點(diǎn)，但在講述上面內(nèi)容時(shí)，一些電工電子的知識(shí)是不可回避的，比較典型的如觸發(fā)器、運(yùn)算放大器的應(yīng)用等，而高職類院校的學(xué)生通常對(duì)抽象的公式和理論推導(dǎo)不感興趣，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)輪機(jī)自動(dòng)化課程以前雖然會(huì)有電工電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程做鋪墊，但這些電工類基礎(chǔ)課程本身就比較抽象，而且往往以單個(gè)元件為背景展開論述，如果碰到一張綜合性的系統(tǒng)圖，同學(xué)們就難免對(duì)相關(guān)概念顯得茫然，但輪機(jī)自動(dòng)化是一門理論和實(shí)踐要求都比較高的課程，在強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力的同時(shí)必須有相關(guān)的理論知識(shí)作為指導(dǎo)，如果能在講課時(shí)輔以MultiSim仿真，則可起到事半功倍的效果，通過直觀的演示，讓同學(xué)們把所學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，更深入地理解輪機(jī)自動(dòng)化課程中那些抽象的電路，該文以船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器為例，介紹一下仿真方法。

1 電子調(diào)速器仿真方法

Multisim是美國國家儀器公司（National Instruments Corporation）推出的一個(gè)電子電路仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。Multisim能夠提供數(shù)千個(gè)虛擬元件供選用，同時(shí)元件庫可以聯(lián)網(wǎng)更新，以便包含生產(chǎn)廠商的最新產(chǎn)品，也可以自己建模、手動(dòng)添加元件，此外，該軟件還提供了20多種虛擬儀器儀表，可以測試和演示各種電子電路，在進(jìn)行仿真的同時(shí)，該軟件還可以存儲(chǔ)測試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元件清單以及存儲(chǔ)測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等[1]。

AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的電路原理如圖1所示，經(jīng)過分析我們知道，該電路分為基本電路和校正電路兩大部分[2]，其中基本電路主要用來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)規(guī)律，而校正電路則是為了使調(diào)速器能夠與螺旋槳特性相匹配。該電路核心部件是5個(gè)運(yùn)算放大器，在輪機(jī)自動(dòng)化這門課程中，關(guān)于運(yùn)算放大器的使用不外乎以下3種情況，即作為比較器、放大器和跟隨器，而這3種使用方法在該電路中都得到了體現(xiàn)，其中運(yùn)放器A1、A2作為放大器用于實(shí)現(xiàn)比例、積分運(yùn)算，運(yùn)放器A3作為電壓跟隨器構(gòu)成燃油限制選小器的一部分，運(yùn)放器A4、A5作為電壓比較器，根據(jù)調(diào)速器輸出UO的大小控制6個(gè)電子開關(guān)的通斷來改變A1、A2的反饋電阻，從而改變調(diào)速器的工作特性以便和螺旋槳的推進(jìn)特性相匹配，為了講解方便，將基本電路簡化，等效電路如圖2所示。該等效電路能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)際值之間的偏差按照PI調(diào)節(jié)規(guī)律輸出油量信號(hào)，相關(guān)的證明推導(dǎo)這里不再贅述，如果能通過Multisim仿真，演示該電路的開環(huán)響應(yīng)特性曲線，然后將該曲線與本課程前邊章節(jié)中介紹過的積分調(diào)節(jié)器開環(huán)輸出特性曲線相比較，該電路實(shí)際就是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，只不過這個(gè)調(diào)節(jié)器專門用于轉(zhuǎn)速的控制，所以就稱它為調(diào)速器。

1.1 基本PI調(diào)速回路仿真

首先打開Multisim10仿真軟件，按照基本PI調(diào)速回路等效圖搭建仿真電路[3]，因?yàn)樵韴D僅標(biāo)明了元件的類別，并沒有具體的型號(hào)和參數(shù)，比如只標(biāo)明運(yùn)算放大器、電阻等，但沒有運(yùn)放器的型號(hào)和電阻的阻值等信息，而這些信息對(duì)于電路能否正常工作卻至關(guān)重要，這樣在仿真時(shí)我們就應(yīng)該根據(jù)所需要的功能隨時(shí)修改這些參數(shù)直至滿意為止，在這里，運(yùn)放器我們選擇Burr-Brown公司的OPA743NA，步驟如下：單擊菜單“Place”->“Component”出現(xiàn)放置元件的窗口，點(diǎn)擊“Group”下拉菜單選擇“Analog”，然后在“Family”列表中選擇“OPAMP（運(yùn)算放大器）”，最后在“Component”列表中找到“OPA743NA”并雙擊，然后在主窗體的合適位置單擊完成一次元件放置，如果雙擊放置好的元件則會(huì)彈出相應(yīng)的設(shè)置窗口，可以查看或修改標(biāo)簽、顯示、數(shù)值、針腳等屬性，甚至可以通過該窗口進(jìn)行元件的故障設(shè)置。按照類似的方法為該運(yùn)放器放置正負(fù)6 V的電源及其他元件，由基本PI調(diào)速回路等效圖可知，運(yùn)放器A1的反向輸入端接的是設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)測轉(zhuǎn)速之間的偏差，為了便于觀察仿真結(jié)果，這里我們直接放置兩個(gè)正負(fù)2 V的電源來模擬階躍的偏差信號(hào)，然后在“instruments”工具條上單擊“Oscilloscope”按鈕在合適的位置放置一個(gè)示波器來顯示仿真曲線，該示波器有AB兩個(gè)通道，一個(gè)通道接輸入的偏差信號(hào)，另一個(gè)通道接輸出信號(hào)UO，所有的元件放置好以后就需要接線了，Multisim仿真軟件中為元件接線是非常方便的，只需在線路的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別單擊，仿真軟件會(huì)為我們自動(dòng)連接，仿真電路完成后如圖3所示，單擊選中7號(hào)線，右鍵菜單，點(diǎn)擊“圖塊顏色”，出現(xiàn)調(diào)色板窗口，把7號(hào)線改為藍(lán)色，這樣在示波器窗口才能更好地區(qū)別輸入、輸出信號(hào)。

準(zhǔn)備工作完成后單擊“Simulation”工具條上的“Run/resume simulation”按鈕或按F5鍵開始運(yùn)行仿真，雙擊示波器打開仿真屏幕，默認(rèn)底色為黑色，我們可以通過單擊“Reverse（反向）”按鈕將背景改為白色，這樣看起來更清爽，此時(shí)我們可以通過單擊J1、J2開關(guān)來控制階躍信號(hào)的輸入，同時(shí)通過仿真示波器的屏幕觀察結(jié)果，圖4為仿真開始后180 ms至280 ms之間的一段截圖，由圖可知，基本PI調(diào)速回路的偏差輸入（A通道）的初始值為4.325 μV，近似等于0 V，該電路的輸出Uo的初始值為-5.794 V，在仿真開始后約206 ms時(shí)輸入信號(hào)階躍為正2 V，則Uo立刻有一個(gè)比例輸出，然后隨著時(shí)間的推移，在比例輸出的基礎(chǔ)上再附加一個(gè)積分輸出，這時(shí)引導(dǎo)同學(xué)們回想前邊介紹過的PI調(diào)節(jié)器開環(huán)響應(yīng)特性曲線（如圖5所示），通過比較讓同學(xué)們認(rèn)同AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的基本電路確實(shí)是具有比例、積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器。

1.2 校正電路仿真

校正電路的主要部件為2個(gè)運(yùn)算放大器和6個(gè)電子開關(guān)，該電路能夠根據(jù)直接反饋回來的油量信號(hào)Uo與可變電阻P1、P2調(diào)定的轉(zhuǎn)折電壓UP1、UP2的比較結(jié)果來決定電子開關(guān)的通斷，從而改變基本調(diào)速回路的反饋電阻，也就改變了運(yùn)放器A1、A2的放大系數(shù)，使得AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的輸出特性為三段折線，從而近似地匹配螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速三次方之間的指數(shù)關(guān)系。

只要給同學(xué)們講清楚校正電路的作用，對(duì)于該電路的原理分析就非常簡單了，其中電子開關(guān)和邏輯門電路沒什么好解釋的，只要把校正電路中的運(yùn)算放大器A4，A5是如何作為比較器工作的給同學(xué)們講明白就可以了，我們知道，運(yùn)算放大器不接反饋或者接正反饋，都是當(dāng)作比較器來用的，對(duì)此我們可以非常方便地通過Multisim10仿真來給同學(xué)們演示，具體方法與基本PI調(diào)速回路的仿真類似，這里不再贅述。

2 結(jié)語

通過前面的介紹我們可以看出，在輪機(jī)自動(dòng)化的課堂教學(xué)中引入Multisim仿真可以更直觀地對(duì)抽象控制系統(tǒng)進(jìn)行講解，通過仿真軟件搭建和課本上一模一樣的控制回路，讓同學(xué)們看到實(shí)實(shí)在在的仿真運(yùn)行效果，從而提高課堂效率，使授課更有說服力，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解要點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為能力和素質(zhì)，同時(shí)，仿真軟件的引入和使用也為學(xué)生拓展了知識(shí)、開闊了思路，為今后的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔霞，魏魯原.Multisim10.0在電子技術(shù)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（6）：42-43.

[2] 初忠.輪機(jī)自動(dòng)化[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：182-184.

[3] 顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，等.基于Multisim的電路原理課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（5）：59-62.endprint

摘 要：針對(duì)航海類院校輪機(jī)自動(dòng)化課程特點(diǎn)，該文以較抽象和較難理解的AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器為例，探討如何通過MultiSim仿真，將輪機(jī)自動(dòng)化課程中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)以更直觀、更生動(dòng)的形式介紹給學(xué)生，從而達(dá)到更好的課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MultiSim仿真 輪機(jī)自動(dòng)化 教學(xué)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（c）-0158-02

偶然通過一次講座認(rèn)識(shí)了MultiSim仿真軟件，講座介紹了應(yīng)用該軟件輔助高職院校開展實(shí)踐訓(xùn)練取得較好效果的情況，受此啟發(fā)，何不將該仿真軟件應(yīng)用于輪機(jī)自動(dòng)化的課堂教學(xué)呢？我們知道，主機(jī)遙控系統(tǒng)和機(jī)艙監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)是現(xiàn)代化無人機(jī)艙的基礎(chǔ)，也是輪機(jī)自動(dòng)化的核心和難點(diǎn)，但在講述上面內(nèi)容時(shí)，一些電工電子的知識(shí)是不可回避的，比較典型的如觸發(fā)器、運(yùn)算放大器的應(yīng)用等，而高職類院校的學(xué)生通常對(duì)抽象的公式和理論推導(dǎo)不感興趣，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)輪機(jī)自動(dòng)化課程以前雖然會(huì)有電工電子技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程做鋪墊，但這些電工類基礎(chǔ)課程本身就比較抽象，而且往往以單個(gè)元件為背景展開論述，如果碰到一張綜合性的系統(tǒng)圖，同學(xué)們就難免對(duì)相關(guān)概念顯得茫然，但輪機(jī)自動(dòng)化是一門理論和實(shí)踐要求都比較高的課程，在強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力的同時(shí)必須有相關(guān)的理論知識(shí)作為指導(dǎo)，如果能在講課時(shí)輔以MultiSim仿真，則可起到事半功倍的效果，通過直觀的演示，讓同學(xué)們把所學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，更深入地理解輪機(jī)自動(dòng)化課程中那些抽象的電路，該文以船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)中的AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器為例，介紹一下仿真方法。

1 電子調(diào)速器仿真方法

Multisim是美國國家儀器公司（National Instruments Corporation）推出的一個(gè)電子電路仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。Multisim能夠提供數(shù)千個(gè)虛擬元件供選用，同時(shí)元件庫可以聯(lián)網(wǎng)更新，以便包含生產(chǎn)廠商的最新產(chǎn)品，也可以自己建模、手動(dòng)添加元件，此外，該軟件還提供了20多種虛擬儀器儀表，可以測試和演示各種電子電路，在進(jìn)行仿真的同時(shí)，該軟件還可以存儲(chǔ)測試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元件清單以及存儲(chǔ)測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等[1]。

AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的電路原理如圖1所示，經(jīng)過分析我們知道，該電路分為基本電路和校正電路兩大部分[2]，其中基本電路主要用來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)規(guī)律，而校正電路則是為了使調(diào)速器能夠與螺旋槳特性相匹配。該電路核心部件是5個(gè)運(yùn)算放大器，在輪機(jī)自動(dòng)化這門課程中，關(guān)于運(yùn)算放大器的使用不外乎以下3種情況，即作為比較器、放大器和跟隨器，而這3種使用方法在該電路中都得到了體現(xiàn)，其中運(yùn)放器A1、A2作為放大器用于實(shí)現(xiàn)比例、積分運(yùn)算，運(yùn)放器A3作為電壓跟隨器構(gòu)成燃油限制選小器的一部分，運(yùn)放器A4、A5作為電壓比較器，根據(jù)調(diào)速器輸出UO的大小控制6個(gè)電子開關(guān)的通斷來改變A1、A2的反饋電阻，從而改變調(diào)速器的工作特性以便和螺旋槳的推進(jìn)特性相匹配，為了講解方便，將基本電路簡化，等效電路如圖2所示。該等效電路能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)際值之間的偏差按照PI調(diào)節(jié)規(guī)律輸出油量信號(hào)，相關(guān)的證明推導(dǎo)這里不再贅述，如果能通過Multisim仿真，演示該電路的開環(huán)響應(yīng)特性曲線，然后將該曲線與本課程前邊章節(jié)中介紹過的積分調(diào)節(jié)器開環(huán)輸出特性曲線相比較，該電路實(shí)際就是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，只不過這個(gè)調(diào)節(jié)器專門用于轉(zhuǎn)速的控制，所以就稱它為調(diào)速器。

1.1 基本PI調(diào)速回路仿真

首先打開Multisim10仿真軟件，按照基本PI調(diào)速回路等效圖搭建仿真電路[3]，因?yàn)樵韴D僅標(biāo)明了元件的類別，并沒有具體的型號(hào)和參數(shù)，比如只標(biāo)明運(yùn)算放大器、電阻等，但沒有運(yùn)放器的型號(hào)和電阻的阻值等信息，而這些信息對(duì)于電路能否正常工作卻至關(guān)重要，這樣在仿真時(shí)我們就應(yīng)該根據(jù)所需要的功能隨時(shí)修改這些參數(shù)直至滿意為止，在這里，運(yùn)放器我們選擇Burr-Brown公司的OPA743NA，步驟如下：單擊菜單“Place”->“Component”出現(xiàn)放置元件的窗口，點(diǎn)擊“Group”下拉菜單選擇“Analog”，然后在“Family”列表中選擇“OPAMP（運(yùn)算放大器）”，最后在“Component”列表中找到“OPA743NA”并雙擊，然后在主窗體的合適位置單擊完成一次元件放置，如果雙擊放置好的元件則會(huì)彈出相應(yīng)的設(shè)置窗口，可以查看或修改標(biāo)簽、顯示、數(shù)值、針腳等屬性，甚至可以通過該窗口進(jìn)行元件的故障設(shè)置。按照類似的方法為該運(yùn)放器放置正負(fù)6 V的電源及其他元件，由基本PI調(diào)速回路等效圖可知，運(yùn)放器A1的反向輸入端接的是設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)測轉(zhuǎn)速之間的偏差，為了便于觀察仿真結(jié)果，這里我們直接放置兩個(gè)正負(fù)2 V的電源來模擬階躍的偏差信號(hào)，然后在“instruments”工具條上單擊“Oscilloscope”按鈕在合適的位置放置一個(gè)示波器來顯示仿真曲線，該示波器有AB兩個(gè)通道，一個(gè)通道接輸入的偏差信號(hào)，另一個(gè)通道接輸出信號(hào)UO，所有的元件放置好以后就需要接線了，Multisim仿真軟件中為元件接線是非常方便的，只需在線路的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別單擊，仿真軟件會(huì)為我們自動(dòng)連接，仿真電路完成后如圖3所示，單擊選中7號(hào)線，右鍵菜單，點(diǎn)擊“圖塊顏色”，出現(xiàn)調(diào)色板窗口，把7號(hào)線改為藍(lán)色，這樣在示波器窗口才能更好地區(qū)別輸入、輸出信號(hào)。

準(zhǔn)備工作完成后單擊“Simulation”工具條上的“Run/resume simulation”按鈕或按F5鍵開始運(yùn)行仿真，雙擊示波器打開仿真屏幕，默認(rèn)底色為黑色，我們可以通過單擊“Reverse（反向）”按鈕將背景改為白色，這樣看起來更清爽，此時(shí)我們可以通過單擊J1、J2開關(guān)來控制階躍信號(hào)的輸入，同時(shí)通過仿真示波器的屏幕觀察結(jié)果，圖4為仿真開始后180 ms至280 ms之間的一段截圖，由圖可知，基本PI調(diào)速回路的偏差輸入（A通道）的初始值為4.325 μV，近似等于0 V，該電路的輸出Uo的初始值為-5.794 V，在仿真開始后約206 ms時(shí)輸入信號(hào)階躍為正2 V，則Uo立刻有一個(gè)比例輸出，然后隨著時(shí)間的推移，在比例輸出的基礎(chǔ)上再附加一個(gè)積分輸出，這時(shí)引導(dǎo)同學(xué)們回想前邊介紹過的PI調(diào)節(jié)器開環(huán)響應(yīng)特性曲線（如圖5所示），通過比較讓同學(xué)們認(rèn)同AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的基本電路確實(shí)是具有比例、積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器。

1.2 校正電路仿真

校正電路的主要部件為2個(gè)運(yùn)算放大器和6個(gè)電子開關(guān)，該電路能夠根據(jù)直接反饋回來的油量信號(hào)Uo與可變電阻P1、P2調(diào)定的轉(zhuǎn)折電壓UP1、UP2的比較結(jié)果來決定電子開關(guān)的通斷，從而改變基本調(diào)速回路的反饋電阻，也就改變了運(yùn)放器A1、A2的放大系數(shù)，使得AUTOCHIEF-III型電子調(diào)速器的輸出特性為三段折線，從而近似地匹配螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速三次方之間的指數(shù)關(guān)系。

只要給同學(xué)們講清楚校正電路的作用，對(duì)于該電路的原理分析就非常簡單了，其中電子開關(guān)和邏輯門電路沒什么好解釋的，只要把校正電路中的運(yùn)算放大器A4，A5是如何作為比較器工作的給同學(xué)們講明白就可以了，我們知道，運(yùn)算放大器不接反饋或者接正反饋，都是當(dāng)作比較器來用的，對(duì)此我們可以非常方便地通過Multisim10仿真來給同學(xué)們演示，具體方法與基本PI調(diào)速回路的仿真類似，這里不再贅述。

2 結(jié)語

通過前面的介紹我們可以看出，在輪機(jī)自動(dòng)化的課堂教學(xué)中引入Multisim仿真可以更直觀地對(duì)抽象控制系統(tǒng)進(jìn)行講解，通過仿真軟件搭建和課本上一模一樣的控制回路，讓同學(xué)們看到實(shí)實(shí)在在的仿真運(yùn)行效果，從而提高課堂效率，使授課更有說服力，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解要點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為能力和素質(zhì)，同時(shí)，仿真軟件的引入和使用也為學(xué)生拓展了知識(shí)、開闊了思路，為今后的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔霞，魏魯原.Multisim10.0在電子技術(shù)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（6）：42-43.

[2] 初忠.輪機(jī)自動(dòng)化[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：182-184.

[3] 顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，等.基于Multisim的電路原理課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（5）：59-62.endprint