嚴(yán)孟奎 劉大明

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)

1 引言

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)為工具,利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)[1]。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、電力工業(yè)、軍事訓(xùn)練等各個(gè)行業(yè)。利用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有很高的效費(fèi)比,一直受到各國(guó)的重視。

在艦船消磁工作中,消磁電源起著非常重要的作用。由于消磁電流比較大,在使用消磁電源裝置時(shí)必須非常仔細(xì)。消磁電源裝置操控人員在上崗前都應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的訓(xùn)練,熟練掌握消磁電源的各種操作,以避免造成裝置的損壞。由于消磁電源的功率高,在訓(xùn)練中誤操作很容易造成裝置的損壞。為了減少損失和浪費(fèi),開發(fā)這套虛擬消磁電源控制系統(tǒng)具有重大意義。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用一個(gè)振幅逐漸衰減到零的交變磁場(chǎng)作用在鐵磁材料上,當(dāng)沒有其他恒定磁場(chǎng)作用時(shí),則可以對(duì)其起到退磁作用。如果在交變衰減磁場(chǎng)作用于鐵磁材料時(shí),還有恒定磁場(chǎng)作用,則該鐵磁材料在該恒定磁場(chǎng)作用的方向上得到很強(qiáng)的磁化,即無磁滯磁化[2]。綜合消磁法就是利用退磁原理和無磁滯磁化原理對(duì)艦船消磁的[3]。

消磁電源分為消磁主電源和副電源兩部分。消磁主電源向消磁工作線圈的供電。綜合消磁時(shí)主電源向消磁工作線圈提供正負(fù)交替、逐漸衰減的間歇脈沖電流。通過主電源產(chǎn)生的電流產(chǎn)生振幅逐漸衰減的交變磁場(chǎng),從而對(duì)艦船進(jìn)行退磁。其典型輸出電流波形如圖1所示。電流衰減的方式一般有等幅衰減和等比衰減。消磁副電源系統(tǒng)用來為補(bǔ)償消磁區(qū)地磁的補(bǔ)償線圈供電[4],輸出為直流電流。通過補(bǔ)償線圈的電流,可以產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)來補(bǔ)償消磁區(qū)的固有的恒定磁場(chǎng)。

圖1 消磁主電源輸出波形示意圖

按照工作方式,主電源和副電源都有本地手動(dòng)控制、本地程序控制和遠(yuǎn)方程序控制三種控制方式。本地手動(dòng)控制為在電源控制臺(tái)上通過調(diào)節(jié)旋鈕和按鈕手動(dòng)地控制消磁電流大小和方向。本地程序控制是通過電源控制臺(tái)上的觸摸屏來設(shè)置各種控制參數(shù),通過PLC來控制消磁電源的電流輸出。遠(yuǎn)方程序控制則是在監(jiān)控臺(tái)的計(jì)算機(jī)上設(shè)置各種控制參數(shù),然后通過網(wǎng)絡(luò)傳給電源控制器,進(jìn)而控制電源的電流輸出。

本模擬控制系統(tǒng)根據(jù)消磁電源工作方式以及訓(xùn)練需要設(shè)計(jì)了三個(gè)大模塊:主電源控制模塊、副電源控制模塊和監(jiān)控臺(tái)模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

主電源和副電源模塊又分別分成本地手動(dòng)控制和本地程序控制兩個(gè)子模塊。在監(jiān)控臺(tái)模塊中實(shí)現(xiàn)主電源和副電源的遠(yuǎn)方程序控制功能。

各個(gè)模塊之間以監(jiān)控臺(tái)為中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

各模塊之間采用以太網(wǎng)TCP協(xié)議進(jìn)行通信。主電源和副電源控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),把各種運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給監(jiān)控臺(tái)以便對(duì)操作人員的操作進(jìn)行評(píng)估和指導(dǎo)。主副電源選擇遠(yuǎn)方程序控制時(shí),則由監(jiān)控臺(tái)向主副電源發(fā)送控制參數(shù)。

3 編程語(yǔ)言選擇

本課題編程語(yǔ)言選擇可視化編程語(yǔ)言Visual Basic 6.0(VB)。VB的可視化編程方便編寫本課題的模擬窗口,比較生動(dòng)、直觀,開發(fā)速度快。利用VB可以開發(fā)出具有良好交互功能、良好的兼容性和擴(kuò)展性的應(yīng)用程序[5]。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所包含的三個(gè)大模塊—主電源控制系統(tǒng),副電源控制系統(tǒng)和監(jiān)控臺(tái)系統(tǒng)可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 主電源控制系統(tǒng)

如圖4所示,為主電源控制系統(tǒng)程序流程圖。進(jìn)入系統(tǒng)后,先選擇控制方式,然后系統(tǒng)和監(jiān)控臺(tái)進(jìn)行連接(此時(shí),控制臺(tái)程序應(yīng)該已經(jīng)運(yùn)行),將控制方式告知監(jiān)控臺(tái)。若選擇的是遠(yuǎn)方程序控制,則主電源控制系統(tǒng)等待監(jiān)控臺(tái)傳來的參數(shù)指令。

圖4 主電源控制系統(tǒng)程序流程圖

主電源產(chǎn)生的是圖1所示波形的電流。使用本地程序控制和遠(yuǎn)方程序控制時(shí),為了實(shí)現(xiàn)波形方向和幅值的自動(dòng)變化,使用一個(gè)定時(shí)器控件 Timer1。例如設(shè)置圖1中電流的初始幅值為I0,每次衰減10%,間隔時(shí)間為t0,電流非零時(shí)持續(xù)時(shí)間為t1。初始時(shí)應(yīng)設(shè)置Timer1.Interval=t1.另外設(shè)置一個(gè)變量tstate來表示電流輸出的狀態(tài),tstate=1時(shí)幅值為0,tstate=2時(shí)幅值非零。初始化時(shí)設(shè)tstate=2。設(shè)drct來表示電流方向,初始值為-1。用I來表示電流輸出,Im為電流輸出幅值,初始化為I0。drct=1時(shí),輸出為I=Im*drct,為正;drct=-1時(shí),I為負(fù)。則Timer1控件的 Time事件響應(yīng)函數(shù)代碼如下(代碼中單引號(hào)“'”后面的表示注釋):

Private Sub Timer1_Timer()

'上一個(gè)波形幅值非零,則輸出零電流

If tstate=2 Then

I=0

tstate=1

'上一個(gè)波形幅值為零,則輸出比上一個(gè)非零電流幅值減少10%,方向相反的電流

Else

Im=Im*0.1'等比衰減------------(*)

I=Im*drct

drct=drct*(-1)

tstate=2

End If End Sub

以上為等比衰減的情況。如果選擇的是等幅衰減,幅值每次減少的同樣大小。等幅衰減的代碼和上面基本相同,只需把(*)處的代碼換成等幅衰減的代碼:

Im=Im-constDec

If Im＜0 Then

Im=Im+constDec

End If

此處的constDec為自行設(shè)置的衰減值。此處的if語(yǔ)句是為了保證當(dāng)幅值衰減到足夠小的時(shí)候停止衰減。

4.2 副電源控制系統(tǒng)

副電源控制系統(tǒng)的工作流程和主電源控制系統(tǒng)一樣,程序流程圖同圖4。由于副電源控制系統(tǒng)輸出的電流為直流補(bǔ)償電流,故設(shè)置好參數(shù)即可,不需要定時(shí)器控件。

4.3 監(jiān)控臺(tái)

監(jiān)控臺(tái)除了監(jiān)控主電源和副電源控制系統(tǒng)的操作以及運(yùn)行狀態(tài)以外,還負(fù)責(zé)主電源和副電源控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)方程序控制。其程序流程圖如圖5所示。

監(jiān)控臺(tái)應(yīng)該在主電源和副電源控制系統(tǒng)啟動(dòng)前先啟動(dòng),然后監(jiān)聽端口。等待主副電源控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)到來,判斷其選擇的控制方式。如果是選擇的遠(yuǎn)方程序控制方式,則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置并發(fā)送給主副電源控制系統(tǒng),同時(shí)應(yīng)記錄下參數(shù)設(shè)置的操作。如果選擇的不是遠(yuǎn)方程序控制,則繼續(xù)監(jiān)聽主副電源控制系統(tǒng)的操作和運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)運(yùn)行過程中的各種操作和運(yùn)行狀態(tài)都由監(jiān)控臺(tái)程序記錄下來,以便對(duì)操作人員進(jìn)行指導(dǎo)和考核。

圖5 監(jiān)控臺(tái)程序流程圖

圖6為主電源控制系統(tǒng)主界面。

圖6 主電源主界面

在這個(gè)界面上可以選擇控制方式以及進(jìn)行手動(dòng)控制。

圖7為主電源程控界面。

圖7 主電源程控主界面

圖8為副電源程控主界面。在主、副電源的程控界面上有各種設(shè)置按鈕。通過這些按鈕可進(jìn)入到相應(yīng)的設(shè)置界面進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置。

圖8 副電源程控主界面

圖9為副電源的主界面。圖中的電動(dòng)控制即手動(dòng)控制。

圖9 副電源主界面

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是在 Windows環(huán)境下,使用 Visual Basic 6.0為平臺(tái)編寫,它形象直觀,界面友好,操作方便。系統(tǒng)基本和真實(shí)情況相似,使用時(shí)如身臨其境,效果較好,能大大提高培訓(xùn)效果,降低培訓(xùn)學(xué)習(xí)成本。為了更好地模擬出真實(shí)的操作環(huán)境,下一步可以用PLC設(shè)計(jì)一個(gè)和真實(shí)的電源控制系統(tǒng)一樣的箱體。這樣能更加形象地進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)工作。

[1]吳重光.仿真技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:3

[2]肖昌漢.鐵磁學(xué)[M].武漢:海軍工程大學(xué),2005

[3]張國(guó)友.艦船消磁系統(tǒng)原理與設(shè)備[M].武漢:海軍工程大學(xué),2004

[4]海軍工程大學(xué)電磁環(huán)境與防護(hù)工程系.艦船消磁控制系統(tǒng)[M].武漢:海軍工程大學(xué),2007

[5]劉彬彬,高春艷,孫秀梅,等.Visual Basic從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008