MultiSim仿真在轮机自动化课程教学中的应用研究

1、    multisim仿真在轮机自动化课程教学中的应用研究    贾小平摘 要：针对航海类院校轮机自动化课程特点，该文以较抽象和较难理解的autochief-iii型电子调速器为例，探讨如何通过multisim仿真，将轮机自动化课程中的教学重点和难点以更直观、更生动的形式介绍给学生，从而达到更好的课堂教学效果。关键词：multisim仿真 轮机自动化 教学：g420 ：a ：1674-098x（2014）09（c）-0158-02偶然通过一次讲座认识了multisim仿真软件，讲座介绍了应用该软件辅助高职院校开展实践训练取得较好效果的情况，受此启发，何

2、不将该仿真软件应用于轮机自动化的课堂教学呢？我们知道，主机遥控系统和机舱监视报警系统是现代化无人机舱的基础，也是轮机自动化的核心和难点，但在讲述上面内容时，一些电工电子的知识是不可回避的，比较典型的如触发器、运算放大器的应用等，而高职类院校的学生通常对抽象的公式和理论推导不感兴趣，同学们在学习轮机自动化课程以前虽然会有电工电子技术等专业基础课程做铺垫，但这些电工类基础课程本身就比较抽象，而且往往以单个元件为背景展开论述，如果碰到一张综合性的系统图，同学们就难免对相关概念显得茫然，但轮机自动化是一门理论和实践要求都比较高的课程，在强调实践能力的同时必须有相关的理论知识作为指导，如果能在讲课时辅以

3、multisim仿真，则可起到事半功倍的效果，通过直观的演示，让同学们把所学知识有机地结合在一起，更深入地理解轮机自动化课程中那些抽象的电路，该文以船舶主机遥控系统中的autochief-iii型电子调速器为例，介绍一下仿真方法。1 电子调速器仿真方法multisim是美国国家仪器公司（national instruments corporation）推出的一个电子电路仿真软件，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。multisim能够提供数千个虚拟元件供选用，同时元件库可以联网更新，以便包含生产厂商的最新产品，也可以自己建模、手动添加元件，此外，该软件还提供了20多种虚拟仪器仪表，可以测试

4、和演示各种电子电路，在进行仿真的同时，该软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元件清单以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等1。autochief-iii型电子调速器的电路原理如图1所示，经过分析我们知道，该电路分为基本电路和校正电路两大部分2，其中基本电路主要用来实现pi调节规律，而校正电路则是为了使调速器能够与螺旋桨特性相匹配。该电路核心部件是5个运算放大器，在轮机自动化这门课程中，关于运算放大器的使用不外乎以下3种情况，即作为比较器、放大器和跟随器，而这3种使用方法在该电路中都得到了体现，其中运放器a1、a2作为放大器用于实现比例、积分运算，运放器a3作为电压跟随

5、器构成燃油限制选小器的一部分，运放器a4、a5作为电压比较器，根据调速器输出uo的大小控制6个电子开关的通断来改变a1、a2的反馈电阻，从而改变调速器的工作特性以便和螺旋桨的推进特性相匹配，为了讲解方便，将基本电路简化，等效电路如图2所示。该等效电路能够根据转速设定值和实际值之间的偏差按照pi调节规律输出油量信号，相关的证明推导这里不再赘述，如果能通过multisim仿真，演示该电路的开环响应特性曲线，然后将该曲线与本课程前边章节中介绍过的积分调节器开环输出特性曲线相比较，该电路实际就是一个pi调节器，只不过这个调节器专门用于转速的控制，所以就称它为调速器。1.1 基本pi调速回路仿真首先打开

6、multisim10仿真软件，按照基本pi调速回路等效图搭建仿真电路3，因为原理图仅标明了元件的类别，并没有具体的型号和参数，比如只标明运算放大器、电阻等，但没有运放器的型号和电阻的阻值等信息，而这些信息对于电路能否正常工作却至关重要，这样在仿真时我们就应该根据所需要的功能随时修改这些参数直至满意为止，在这里，运放器我们选择burr-brown公司的opa743na，步骤如下：单击菜单“place”->“component”出现放置元件的窗口，点击“group”下拉菜单选择“analog”，然后在“family”列表中选择“opamp（运算放大器）”，最后在“component”列表中找

7、到“opa743na”并双击，然后在主窗体的合适位置单击完成一次元件放置，如果双击放置好的元件则会弹出相应的设置窗口，可以查看或修改标签、显示、数值、针脚等属性，甚至可以通过该窗口进行元件的故障设置。按照类似的方法为该运放器放置正负6 v的电源及其他元件，由基本pi调速回路等效图可知，运放器a1的反向输入端接的是设定转速和实测转速之间的偏差，为了便于观察仿真结果，这里我们直接放置两个正负2 v的电源来模拟阶跃的偏差信号，然后在“instruments”工具条上单击“oscilloscope”按钮在合适的位置放置一个示波器来显示仿真曲线，该示波器有ab两个通道，一个通道接输入的偏差信号，另一个通

8、道接输出信号uo，所有的元件放置好以后就需要接线了，multisim仿真软件中为元件接线是非常方便的，只需在线路的起点和终点分别单击，仿真软件会为我们自动连接，仿真电路完成后如图3所示，单击选中7号线，右键菜单，点击“图块颜色”，出现调色板窗口，把7号线改为蓝色，这样在示波器窗口才能更好地区别输入、输出信号。准备工作完成后单击“simulation”工具条上的“run/resume simulation”按钮或按f5键开始运行仿真，双击示波器打开仿真屏幕，默认底色为黑色，我们可以通过单击“reverse（反向）”按钮将背景改为白色，这样看起来更清爽，此时我们可以通过单击j1、j2开关来控制阶跃

9、信号的输入，同时通过仿真示波器的屏幕观察结果，图4为仿真开始后180 ms至280 ms之间的一段截图，由图可知，基本pi调速回路的偏差输入（a通道）的初始值为4.325 v，近似等于0 v，该电路的输出uo的初始值为-5.794 v，在仿真开始后约206 ms时输入信号阶跃为正2 v，则uo立刻有一个比例输出，然后随着时间的推移，在比例输出的基础上再附加一个积分输出，这时引导同学们回想前边介绍过的pi调节器开环响应特性曲线（如图5所示），通过比较让同学们认同autochief-iii型电子调速器的基本电路确实是具有比例、积分调节规律的调节器。1.2 校正电路仿真校正电路的主要部件为2个运算放

10、大器和6个电子开关，该电路能够根据直接反馈回来的油量信号uo与可变电阻p1、p2调定的转折电压up1、up2的比较结果来决定电子开关的通断，从而改变基本调速回路的反馈电阻，也就改变了运放器a1、a2的放大系数，使得autochief-iii型电子调速器的输出特性为三段折线，从而近似地匹配螺旋桨功率与转速三次方之间的指数关系。只要给同学们讲清楚校正电路的作用，对于该电路的原理分析就非常简单了，其中电子开关和逻辑门电路没什么好解释的，只要把校正电路中的运算放大器a4，a5是如何作为比较器工作的给同学们讲明白就可以了，我们知道，运算放大器不接反馈或者接正反馈，都是当作比较器来用的，对此我们可以非常方

11、便地通过multisim10仿真来给同学们演示，具体方法与基本pi调速回路的仿真类似，这里不再赘述。2 结语通过前面的介绍我们可以看出，在轮机自动化的课堂教学中引入multisim仿真可以更直观地对抽象控制系统进行讲解，通过仿真软件搭建和课本上一模一样的控制回路，让同学们看到实实在在的仿真运行效果，从而提高课堂效率，使授课更有说服力，同时引导学生更深入地理解要点、难点知识，进而转化为能力和素质，同时，仿真软件的引入和使用也为学生拓展了知识、开阔了思路，为今后的职业生涯打下坚实的基础。参考文献1 崔霞，魏鲁原.multisim10.0在电子技术实习中的应用j.实验科学与技术，2010，8（6）：

12、42-43.2 初忠.轮机自动化m.大连：大连海事大学出版社，2006：182-184.3 颜芳，宋焱翼，谢礼莹，等.基于multisim的电路原理课程仿真实验设计j.实验技术与管理，2013，30（5）：59-62.endprint摘 要：针对航海类院校轮机自动化课程特点，该文以较抽象和较难理解的autochief-iii型电子调速器为例，探讨如何通过multisim仿真，将轮机自动化课程中的教学重点和难点以更直观、更生动的形式介绍给学生，从而达到更好的课堂教学效果。关键词：multisim仿真 轮机自动化 教学：g420 ：a ：1674-098x（2014）09（c）-0158-02偶然

13、通过一次讲座认识了multisim仿真软件，讲座介绍了应用该软件辅助高职院校开展实践训练取得较好效果的情况，受此启发，何不将该仿真软件应用于轮机自动化的课堂教学呢？我们知道，主机遥控系统和机舱监视报警系统是现代化无人机舱的基础，也是轮机自动化的核心和难点，但在讲述上面内容时，一些电工电子的知识是不可回避的，比较典型的如触发器、运算放大器的应用等，而高职类院校的学生通常对抽象的公式和理论推导不感兴趣，同学们在学习轮机自动化课程以前虽然会有电工电子技术等专业基础课程做铺垫，但这些电工类基础课程本身就比较抽象，而且往往以单个元件为背景展开论述，如果碰到一张综合性的系统图，同学们就难免对相关概念显得茫

14、然，但轮机自动化是一门理论和实践要求都比较高的课程，在强调实践能力的同时必须有相关的理论知识作为指导，如果能在讲课时辅以multisim仿真，则可起到事半功倍的效果，通过直观的演示，让同学们把所学知识有机地结合在一起，更深入地理解轮机自动化课程中那些抽象的电路，该文以船舶主机遥控系统中的autochief-iii型电子调速器为例，介绍一下仿真方法。1 电子调速器仿真方法multisim是美国国家仪器公司（national instruments corporation）推出的一个电子电路仿真软件，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。multisim能够提供数千个虚拟元件供选用，同时元件库可

15、以联网更新，以便包含生产厂商的最新产品，也可以自己建模、手动添加元件，此外，该软件还提供了20多种虚拟仪器仪表，可以测试和演示各种电子电路，在进行仿真的同时，该软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元件清单以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等1。autochief-iii型电子调速器的电路原理如图1所示，经过分析我们知道，该电路分为基本电路和校正电路两大部分2，其中基本电路主要用来实现pi调节规律，而校正电路则是为了使调速器能够与螺旋桨特性相匹配。该电路核心部件是5个运算放大器，在轮机自动化这门课程中，关于运算放大器的使用不外乎以下3种情况，即作为比较器、放大器和跟随

16、器，而这3种使用方法在该电路中都得到了体现，其中运放器a1、a2作为放大器用于实现比例、积分运算，运放器a3作为电压跟随器构成燃油限制选小器的一部分，运放器a4、a5作为电压比较器，根据调速器输出uo的大小控制6个电子开关的通断来改变a1、a2的反馈电阻，从而改变调速器的工作特性以便和螺旋桨的推进特性相匹配，为了讲解方便，将基本电路简化，等效电路如图2所示。该等效电路能够根据转速设定值和实际值之间的偏差按照pi调节规律输出油量信号，相关的证明推导这里不再赘述，如果能通过multisim仿真，演示该电路的开环响应特性曲线，然后将该曲线与本课程前边章节中介绍过的积分调节器开环输出特性曲线相比较，该

17、电路实际就是一个pi调节器，只不过这个调节器专门用于转速的控制，所以就称它为调速器。1.1 基本pi调速回路仿真首先打开multisim10仿真软件，按照基本pi调速回路等效图搭建仿真电路3，因为原理图仅标明了元件的类别，并没有具体的型号和参数，比如只标明运算放大器、电阻等，但没有运放器的型号和电阻的阻值等信息，而这些信息对于电路能否正常工作却至关重要，这样在仿真时我们就应该根据所需要的功能随时修改这些参数直至满意为止，在这里，运放器我们选择burr-brown公司的opa743na，步骤如下：单击菜单“place”->“component”出现放置元件的窗口，点击“group”下拉菜单

18、选择“analog”，然后在“family”列表中选择“opamp（运算放大器）”，最后在“component”列表中找到“opa743na”并双击，然后在主窗体的合适位置单击完成一次元件放置，如果双击放置好的元件则会弹出相应的设置窗口，可以查看或修改标签、显示、数值、针脚等属性，甚至可以通过该窗口进行元件的故障设置。按照类似的方法为该运放器放置正负6 v的电源及其他元件，由基本pi调速回路等效图可知，运放器a1的反向输入端接的是设定转速和实测转速之间的偏差，为了便于观察仿真结果，这里我们直接放置两个正负2 v的电源来模拟阶跃的偏差信号，然后在“instruments”工具条上单击“oscil

19、loscope”按钮在合适的位置放置一个示波器来显示仿真曲线，该示波器有ab两个通道，一个通道接输入的偏差信号，另一个通道接输出信号uo，所有的元件放置好以后就需要接线了，multisim仿真软件中为元件接线是非常方便的，只需在线路的起点和终点分别单击，仿真软件会为我们自动连接，仿真电路完成后如图3所示，单击选中7号线，右键菜单，点击“图块颜色”，出现调色板窗口，把7号线改为蓝色，这样在示波器窗口才能更好地区别输入、输出信号。准备工作完成后单击“simulation”工具条上的“run/resume simulation”按钮或按f5键开始运行仿真，双击示波器打开仿真屏幕，默认底色为黑色，我们

20、可以通过单击“reverse（反向）”按钮将背景改为白色，这样看起来更清爽，此时我们可以通过单击j1、j2开关来控制阶跃信号的输入，同时通过仿真示波器的屏幕观察结果，图4为仿真开始后180 ms至280 ms之间的一段截图，由图可知，基本pi调速回路的偏差输入（a通道）的初始值为4.325 v，近似等于0 v，该电路的输出uo的初始值为-5.794 v，在仿真开始后约206 ms时输入信号阶跃为正2 v，则uo立刻有一个比例输出，然后随着时间的推移，在比例输出的基础上再附加一个积分输出，这时引导同学们回想前边介绍过的pi调节器开环响应特性曲线（如图5所示），通过比较让同学们认同autochie

21、f-iii型电子调速器的基本电路确实是具有比例、积分调节规律的调节器。1.2 校正电路仿真校正电路的主要部件为2个运算放大器和6个电子开关，该电路能够根据直接反馈回来的油量信号uo与可变电阻p1、p2调定的转折电压up1、up2的比较结果来决定电子开关的通断，从而改变基本调速回路的反馈电阻，也就改变了运放器a1、a2的放大系数，使得autochief-iii型电子调速器的输出特性为三段折线，从而近似地匹配螺旋桨功率与转速三次方之间的指数关系。只要给同学们讲清楚校正电路的作用，对于该电路的原理分析就非常简单了，其中电子开关和逻辑门电路没什么好解释的，只要把校正电路中的运算放大器a4，a5是如何作

22、为比较器工作的给同学们讲明白就可以了，我们知道，运算放大器不接反馈或者接正反馈，都是当作比较器来用的，对此我们可以非常方便地通过multisim10仿真来给同学们演示，具体方法与基本pi调速回路的仿真类似，这里不再赘述。2 结语通过前面的介绍我们可以看出，在轮机自动化的课堂教学中引入multisim仿真可以更直观地对抽象控制系统进行讲解，通过仿真软件搭建和课本上一模一样的控制回路，让同学们看到实实在在的仿真运行效果，从而提高课堂效率，使授课更有说服力，同时引导学生更深入地理解要点、难点知识，进而转化为能力和素质，同时，仿真软件的引入和使用也为学生拓展了知识、开阔了思路，为今后的职业生涯打下坚实

23、的基础。参考文献1 崔霞，魏鲁原.multisim10.0在电子技术实习中的应用j.实验科学与技术，2010，8（6）：42-43.2 初忠.轮机自动化m.大连：大连海事大学出版社，2006：182-184.3 颜芳，宋焱翼，谢礼莹，等.基于multisim的电路原理课程仿真实验设计j.实验技术与管理，2013，30（5）：59-62.endprint摘 要：针对航海类院校轮机自动化课程特点，该文以较抽象和较难理解的autochief-iii型电子调速器为例，探讨如何通过multisim仿真，将轮机自动化课程中的教学重点和难点以更直观、更生动的形式介绍给学生，从而达到更好的课堂教学效果。关键词

24、：multisim仿真 轮机自动化 教学：g420 ：a ：1674-098x（2014）09（c）-0158-02偶然通过一次讲座认识了multisim仿真软件，讲座介绍了应用该软件辅助高职院校开展实践训练取得较好效果的情况，受此启发，何不将该仿真软件应用于轮机自动化的课堂教学呢？我们知道，主机遥控系统和机舱监视报警系统是现代化无人机舱的基础，也是轮机自动化的核心和难点，但在讲述上面内容时，一些电工电子的知识是不可回避的，比较典型的如触发器、运算放大器的应用等，而高职类院校的学生通常对抽象的公式和理论推导不感兴趣，同学们在学习轮机自动化课程以前虽然会有电工电子技术等专业基础课程做铺垫，但这些

25、电工类基础课程本身就比较抽象，而且往往以单个元件为背景展开论述，如果碰到一张综合性的系统图，同学们就难免对相关概念显得茫然，但轮机自动化是一门理论和实践要求都比较高的课程，在强调实践能力的同时必须有相关的理论知识作为指导，如果能在讲课时辅以multisim仿真，则可起到事半功倍的效果，通过直观的演示，让同学们把所学知识有机地结合在一起，更深入地理解轮机自动化课程中那些抽象的电路，该文以船舶主机遥控系统中的autochief-iii型电子调速器为例，介绍一下仿真方法。1 电子调速器仿真方法multisim是美国国家仪器公司（national instruments corporation）推出的

26、一个电子电路仿真软件，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。multisim能够提供数千个虚拟元件供选用，同时元件库可以联网更新，以便包含生产厂商的最新产品，也可以自己建模、手动添加元件，此外，该软件还提供了20多种虚拟仪器仪表，可以测试和演示各种电子电路，在进行仿真的同时，该软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元件清单以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等1。autochief-iii型电子调速器的电路原理如图1所示，经过分析我们知道，该电路分为基本电路和校正电路两大部分2，其中基本电路主要用来实现pi调节规律，而校正电路则是为了使调速器能够与螺旋桨特性相匹配。该

27、电路核心部件是5个运算放大器，在轮机自动化这门课程中，关于运算放大器的使用不外乎以下3种情况，即作为比较器、放大器和跟随器，而这3种使用方法在该电路中都得到了体现，其中运放器a1、a2作为放大器用于实现比例、积分运算，运放器a3作为电压跟随器构成燃油限制选小器的一部分，运放器a4、a5作为电压比较器，根据调速器输出uo的大小控制6个电子开关的通断来改变a1、a2的反馈电阻，从而改变调速器的工作特性以便和螺旋桨的推进特性相匹配，为了讲解方便，将基本电路简化，等效电路如图2所示。该等效电路能够根据转速设定值和实际值之间的偏差按照pi调节规律输出油量信号，相关的证明推导这里不再赘述，如果能通过mul

28、tisim仿真，演示该电路的开环响应特性曲线，然后将该曲线与本课程前边章节中介绍过的积分调节器开环输出特性曲线相比较，该电路实际就是一个pi调节器，只不过这个调节器专门用于转速的控制，所以就称它为调速器。1.1 基本pi调速回路仿真首先打开multisim10仿真软件，按照基本pi调速回路等效图搭建仿真电路3，因为原理图仅标明了元件的类别，并没有具体的型号和参数，比如只标明运算放大器、电阻等，但没有运放器的型号和电阻的阻值等信息，而这些信息对于电路能否正常工作却至关重要，这样在仿真时我们就应该根据所需要的功能随时修改这些参数直至满意为止，在这里，运放器我们选择burr-brown公司的opa7

29、43na，步骤如下：单击菜单“place”->“component”出现放置元件的窗口，点击“group”下拉菜单选择“analog”，然后在“family”列表中选择“opamp（运算放大器）”，最后在“component”列表中找到“opa743na”并双击，然后在主窗体的合适位置单击完成一次元件放置，如果双击放置好的元件则会弹出相应的设置窗口，可以查看或修改标签、显示、数值、针脚等属性，甚至可以通过该窗口进行元件的故障设置。按照类似的方法为该运放器放置正负6 v的电源及其他元件，由基本pi调速回路等效图可知，运放器a1的反向输入端接的是设定转速和实测转速之间的偏差，为了便于观察仿真

30、结果，这里我们直接放置两个正负2 v的电源来模拟阶跃的偏差信号，然后在“instruments”工具条上单击“oscilloscope”按钮在合适的位置放置一个示波器来显示仿真曲线，该示波器有ab两个通道，一个通道接输入的偏差信号，另一个通道接输出信号uo，所有的元件放置好以后就需要接线了，multisim仿真软件中为元件接线是非常方便的，只需在线路的起点和终点分别单击，仿真软件会为我们自动连接，仿真电路完成后如图3所示，单击选中7号线，右键菜单，点击“图块颜色”，出现调色板窗口，把7号线改为蓝色，这样在示波器窗口才能更好地区别输入、输出信号。准备工作完成后单击“simulation”工具条上的“run/resume simulation”按钮或按f5键开始运行仿真，双击示波器打开仿真屏幕，默认底色为黑色，我们可以通过单击“reverse（反向）”按钮将背景改为白色，这样看起来更清爽，此时我们可以通过单击j1、j2开关来控制阶跃信号的输入，同时通过仿真示波器