关键词模拟仿真；电路设计；虚拟仪器
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1671-7597（2014）10-0089-01
对电子电路性能的规划和测试，以前往往采用两个方法，运用数学的方法根据公式进行计算或者将电路图制成电路板进行测试，但是这两种方法都太麻烦了，一是计算量大，二是电路板的设计过程中不可控因素太多，因此这两种方法都不能满足现在电子产品大规模集成化的需求。在计算机上进行电路的设计及仿真等各项指标的测试已经成为主流。在这样的大环境下，加拿大nteractiviImageTechnologies公司设计出了用于电子设计与仿真的软件Electronicsworkbench，而Multisim模块是最具特色的，其操作页面简单易学，分析功能强大，在菜单栏中提供了本软件所有的指令，深入电子线路设计者的内心。
1Multisim的组成及功能
加拿大InteractivelmageTechnologies公司在E1ectmnicSWorkbench的基础上推出专门用于电子电路设计与仿真的软件Multisim，包括VHDL/Verilog编辑/编译模块。根据自己的设计目的，在Multisim里画出完整的电子线路图，进行模拟、数字或者模数混合的电路仿真，对整体的电路图进行定性的分析。Multisim不需要学习计算机控制语言，也不需要编写电子电路图的程序，本身软件的环境就适合实验环境的要求。仿真分析是对电路估算的一种数学方法。每一个元件都是一个“数学模型”。
2Multisim的基本特点
1）直观的图形操作页面。整个软件犹如windos下的一个软件似的操作简单，易于上手。Muhisim基本界面由菜单栏、使用中的元件列表、系统工具栏、设计工具栏、元件工具栏、仪表工具栏、仿真开关、电路窗口、状态栏构成。与所有的Windows应用软件类似，菜单栏提供了本软件几乎所有的命令。在元件库中选取所需的元器件，直接拖到拖放到屏幕上，用鼠标进行连线，用于仿真的虚拟仪器相当多，操作页面与实物一样。
2）强大的元器件库。在用户界面的最左侧分为实际元件库和虚拟元件库，实际元件库里包含13个元件库，而虚拟元件库包含10个虚拟元件库，这些强大的元件库，足够电子线路设计者使用，为设计者既节省了时间和经费。按着逻辑分又包含l4个元器件箱，每个元器件箱又含有多个元件数据库。
3）强大的仿真功能。Multisim可以对数字电路、模拟电路、数模混合电路以及射频电路进行仿真，显示出仿真的结果，其中包括错误的信息和出错的原因。例如节点错误或者未找到、设计规则不对等错误提示。
4）强大的分析能力。Multisim提供了失真度分析、最坏情况分析、交流分析、直流工作点分析、射频分析等18种分析能力，提高了设计者的整体分析能力和电子自动化水平。
5）强大的虚拟仪器。虚拟仪器种类繁多，可以支持各种各样的电子线路的仿真实验。如逻辑分析仪、函数发生器、波特图示仪等，这些虚拟仪器的操作面板与实物相同，易于上手。
6）VHDL、Verilog及SPICE设计输人和仿真。Muhisim软件里包含SPICE、VHDL、Verilog等模型，实现了大规模可编程器件与普通电路的连接问题，控制仿真器之间的数据传输，提高了电子线路自动化的程度。
7）与电路板设计的无缝连接。Muhisim软件可以将已经完成的电子系统.net网络表文件和.plc元件文件输出到输出到UltiboardPCB进行电路板走线，最终输出PCB图形文件。
8）支持远程控制功能。Muhisim软件具有远程控制功能，可以进行交互式教学，实现一对多的实验教学，在网上实现设计、讨论和仿真。
3Multisim的仿真与分析
1）电子线路的输入。在Multisim的页面上，“Basic”里选取和放置元器件，“Source”里选择信号源、接地端，右侧仪器箱中选择虚拟仪器。按着电路图放置元件，用鼠标进行布线。双击修改需要设计参数的激励源、虚拟仪器等。
3）仿真分析。对电子电路检查后，点击虚拟电源开关，双击虚拟仪器，调整所用的数据，然后在虚拟显示仪器上便可以得出图像曲线和数据结果。
图1Multisim仿真图
4仿真过程中的问题及解决办法
1）元器件缺失。在布置电路图的过程中，设计者有时找不到仿真的元件，虽然Multisim大量的实际元件库和虚拟元件库，仍不能满足所有用户的需求，缺少一个元件都会影响仿真，提示仿真错误。因此提出了几个解决的办法：①用相近的元器件代替，但性能上会有差异。②自建元件，这个过程较为复杂，还需要设计者懂得SPICE语言。③利用元件编辑工具，对已有的相近元器件进行修改。④在EDAparts.corn网站中购买器件模型。
2）仿真提示错误。设计者在仿真电子线路时，有时会提示仿真失败。一般引起仿真失败的错误有以下几点：①节点错误：对照电路图分析，找出错误的节点，进行修正。②设计规则错误：设计的仿真图与设置的电气规则不同，根据实际情况进行修改。③提示“NoconvergenceinDcanalysis”：找到Miscellaneousoptions菜单，将ITL1改为500～1000之间的数。④提示“Timesteptoosmall”或者“NoconvergenceinTtransientanalysis”：找到Miscellaneousoptions菜单，将ITL4改为15～20之间的数。
5结论
本文对Multisim软件做了简略的介绍，作为电子仿真软件，功能强大、操作简单，易于修改电路图，对各种电路无论是数字电路还是模拟电路都能够进行设计与仿真。将Multisim与Ultiboard结合在一起，最终制成印刷电路板。同时也能解决高校经费不足，设备落后等情况，顺利地进行有关电工方面的教学。对于这样多样化的仿真软件是当今电子仿真软件的发展趋势。
参考文献
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[2]王子玲，刘福太，林洪文.丛瑜.基于仿真技术的电子线路课程教学优化[J].现代电子技术，2013（16）：41-42.
[3]吴冬妮.浅谈电子线路设计中仿真设计软件的应用[J].电源应用技术，2013（2）：16-17.
【关键词】单片机；Proteus；仿真
单片机是电气信息类专业一门重要的专业课，实践性非常强，又非常抽象，学生普遍反映比较难学。通常，要做一次课堂演示实验要准备计算机、仿真器或编程器、电源和实验电路板等设备。如果用仿真器做实验，稍有不慎，仿真头就可能从实验电路板中脱落而造成错误，甚至损坏设备。如果用编程器写芯片的方法来验证实验结果，那么就得多次在实验板与编程器之间拔、插芯片，很麻烦，效率低。即使勉强做，由于实验电路板上的器件较小，学生很难看清现象，教学效果不佳。伴随着计算机软件技术的飞速发展，出现了大量的软件仿真工具，本文介绍的Proteus软件可以在计算机上进行单片机及其器件的模拟仿真。
一、Proteus简介
Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。它是目前最好的仿真单片机及器件的工具。该软件的特点是：
1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
2.支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种芯片。
3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2、MPLAB等软件。
4.具有强大的原理图绘制功能。
二、Proteus仿真使用
下面以AT89S51为控制芯片的4位时钟为例，介绍怎样利用PROTEUS软件实现电路的硬件设计、软件调试与系统仿真、实现单片机电路的功能要求，完成对控制方案的验证。在单片机教学中利用以上过程可以让学生方便地进行电路与程序调试，发现程序和电路设计中遇到的问题，引起学生的思考，进而掌握解决这些问题的思路和方法，克服了老师反复讲解和演示弊端，实现了单片机的一体化教学。
1.电路原理图设计。运行Proteus软件进入其编辑环境，主界面如图1所示。
点击对象选择区的P命令即弹出元器件选择（PickDevices）对话框，调入所需元件仿真库。将电路中的所用到的元件从元器件库中调出来，放到绘图区并编辑其属性，接着进行合理的布局后，就可以进行连接了。与用Protel软件绘制原理图类似，Proteus软件也具有自动捕捉节点和自动布线的功能，连线时当标的指针靠近一个对象的引脚时，跟着鼠标的指针就会出现一个红色小框，点击鼠标左键就可画线了，需要拐弯时点击一下即可，在终点再点击确认一下就画出了一段导线，所有导线画完后，再点击工具栏的按钮，即可出现可用的终端。在对象选择器中的对象列表中，单击POWER，在预览窗口出现电源符号，在需要放置电源的地方单击，即可放置电源符号。放置接地符号（地线）的方法与放置电源类似，在对象选择列表中单击GROUND，然后在需要接地符号的地方单击，就可以了。添加完必要的电源和接地符号，原理图的绘制就完成了，4位时钟电路原理图如图2所示。
2.软件编程。程序的流程如图3所示，具体完成程序及生成代码的方法如下：
通过菜单点击“源代码添加/删除源文件”，弹出对话框，如图3所示。
在“代码生成工具”的下拉菜单中选择代码生成工具ASEM51，然后点击“新建”按钮，弹出选择文件对话框，输入4位时钟程序的文件名保存并打开文件即可在PROTEUS提供的文体编程器中编辑源程序。
程序编好后保存,再通过菜单“源代码全部编译”编译汇编源程序,生成目标代码文件。若编译失败，可对程序进行修改调试直至编译汇编成功，生成：4位时钟.Hex文件。
3.系统仿真
运行Proteus软件，打开之前所画电路图“4dpy.dsn”文件。双击AT89S51芯片，将生成的“4位时钟.hex”文件打开，按确定后返回Proteus软件界面。
单步执行程序，其仿真效果如图5所示。按开始按钮，4位时钟开始计时，程序运行符合要求。
【关键词】功率因数校正全桥变换器
随着开关电源的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源许多方面提出了更高的要求。开关电源因具有效率高、重量轻、体积小等显著特点，其应用十分广泛，尤其在高功率方向上已成为当下诸多研究领域的研究热门。
1功率因数PF和电流总畸变率THD
功率因数的定义，如下式：
由此可以得出：要想提高电源的功率因数，需要最大限度地抑制输入电流的波形畸变，与此同时还必须尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零。PF与输入电流总畸变率THD有关，它表征了设备输入电流谐波成分的大小，THD越大容易对电网造成污染。
2改善功率因数的主要方法
2.1多脉冲整流法
利用变压器对各次谐波电流进行移相，使奇次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。
2.2无源滤波器
在电路的整流器与电容间串联一个滤波电感，或在交流侧接入谐振滤波器，通过增大电流的导通角来提高功率因数。
2.3有源滤波器
在整流器和负载之间接入一个DC/DC转换器，应用电流反馈技术，使输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使接近正弦波且与交流输入电压同相位，从而使输入端的总谐波畸变THD小于5%。
2.3.1单级功率因数校正技术
单级功率因数校正技术的基本思想是把PFC级和DC/DC级组合在一起实现输入电流的整形和输出电压的快速调节。
2.3.2两级功率因数校正技术
两级式功率因数校正是由PFC变换器和DC/DC变换器级联而成，PFC级通常采用升压型变换器实现输入电流的整形，其输出电压为储能电容Cb的电压Vb（中间母线电压），一般稳定在400V左右，Vb通过后级DC/DC变换实现降压，得到所需要的直流输出电压。DC/DC变换器实现了对输出电压的快速稳定调节。PFC控制器能检测线电压波形，使线电流跟踪线电压以获得单位功率因数。两级PFC使输入电流总谐波畸变THD一般小于5%，功率因数可达到0.99或更高。
由于这一校正技术的每级电路可单独分析、设计和控制，所以具有良好的性能，因此这种电路特别适合做分布式电源系统的前置级。
3各部分电路设计
3.1输入整流与滤波电路
输入整流电路选择FairchildSemiconductor公司的整流桥GBPC35-06（600V，35A）。输入滤波电路选择EMI滤波器电路。
3.2前级PFC电路
前级PFC采用Boost型。主电路由串联在回路中的储能电感L1，开关管VT1及整流二极管VD1、滤波电容C1。
3.3DC/DC变换器的设计
DC/DC变换器采用全桥变换电路，它由两组双管正激式变换器电路组合而成的。
3.4前级PFC控制电路设计
前级PFC控制电路选用芯片UC3854A/B，其电路主要包括振荡频率的选取、峰值电流限制电路设计、电流调节器和电压调节器的设计等。
3.5DC/DC变换器控制电路设计
DC/DC变换器控制电路的脉宽调制控制芯片采用UC3875。通过对两个半桥开关电路的相位进行移相控制，实现半桥功率级的恒频PWM控制，借助开关器件的输出电容充放电，在输出电容放电结束的状态下完成零电压开通。其四个输出端分别驱动的A/B、C/D筛銮疟郏都能单独进行导通延时（即死区时间）的调节控制，在该死区时间里确保下一个导通管的输出电容放电完毕，为即将导通的开关管提供零电压开通条件。
4仿真结果
4.1PFC电路的仿真
按照如图1所示仿真电路采用Matlab软件进行仿真。
4.2DC-DC变换器仿真
DC-DC变换器仿真电路如图2所示。仿真参数设置为：输入电压：385V，输出电压：30V，变压器匝数比：45：6。
仿真结果表明，本文设计的直流开关电源开关管两端的电压具有输出电压稳定精度高、上下脉动的成分大大减小了、功率因数得到了提高，达到了预期设计的要求。
参考文献
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[7]赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
【关键词】电力系统；谐波；仿真分析
产生谐波的主要根源是电力电子设备，而它又是提高供电可靠性和传输正弦电压和电流给终端用户的非常有效的手段。因此，谐波成为一个长期而重要的研究方向，对电力系统工作者提出了新的挑战。
1电力系统中的谐波源
1.1谐波的定义
“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪奠定了良好的基础。傅利叶等提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有变流电力系统、工业、交流及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅利叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”，而现在供电系统谐波污染日趋严重。
1.2电力系统中主要的谐波源
所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。周期为T=2π/ω的非正弦电压u（ωt），在满足狄里赫利条件下，可分解为如下形式的傅里叶级数：
式中，频率为（n=2，3…）的项即为谐波项，通常也称之为高次谐波。电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在各种非线性元件。即使电力系统中电源的电压为正弦波，但由于非线性元件的存在，从而电网中总有谐波电流或电压。产生谐波的元件很多，包括荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、感应电动机、电焊机、变压器、电弧炉及晶闸管整流设备等，其中最为严重的是大型的晶闸管整流设备和大型电弧炉，它们产生的谐波电流特别突出。经统计表明，它们产生的谐波占总谐波量的近40%，是最大的谐波源。下面将对整流装置、电弧炉和电气化铁道的谐波进行简要的分析。
2电力系统谐波仿真
系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。仿真是系统分析研究的重要手段，它可以验证理论和设想、模拟实际系统运行过程、分析系统特性随参量的变化规律、描述系统的状态与特性，可以具有实验相同的作用，同时可以避免实际操作的复杂性，完成无法实验系统或过程的仿真模拟等。因此，实现对永磁同步伺服系统的仿真具有实际意义。
2.1仿真工具介绍
近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMp，ACSL，SIMNON，MATLAB/SimulinLk，Matrix刀SystemBuild，CSMP一C等。
Matlab是以复数矩阵作为基本编程单元的一种高级程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理于一身，并提供了实用的WindowS图形界面设计方法，使用户能设计出友好的图形界面。MATLAB语言在自动控制、航天工业、汽车工业、语音处理、信号分析、图像信号处理等各行业中都有极广泛的应用。Simulink是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境，利用它的SinLk、Souree、Linear、Nonlinear、Conneetors、Extra选用现成模块或创建自己的模块，对于某些没有模型而又不便创建模型的环节或控制算法可以采用M文件（s函数）来实现系统部分功能。模型建立后，可以启动仿真。仿真过程中所感兴趣的量可以使用Scope示波器来加以观察。Simulink中可以使用的电力系统仿真模块集（powerSystemsBloekset）提供了七大类上百种电气元件模型，包括开关元件和电机模型等，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真。它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后才能在Simulink下进行仿真分析。
2.2对无源滤波器进行仿真
在MATLAB/Simulink环境下，利用PSB模块库，在分析了无源滤波器的基础上，建立了仿真模型。本系统采用三相整流电路对电路系统注入谐波，分析比较仿真数据。
2.2.1无源滤波模块
该无源滤波模块由三个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成，主要针对整流器产生的特征谐波进行滤波，三个单调谐滤波器调谐在5、7、11特征谐波频率上。
2.2.2三相整流桥模块
利用该模块模拟电力系统中的整流装置产生的谐波源，并对其进行滤波仿真。
2.2.310KV电力系统仿真模块
这个电力系统的仿真模块，可以准确的输出三相正弦电压，提供电力系统谐波的频域分析，从而更加明了的看出滤波的效果。
2.3仿真结果分析
从仿真结果可以看出，利用无源滤波器对电力系统中的谐波源（三相整流电路）进行滤波，电力系统中的谐波电流有明显下降，电流波形与正弦波仍相差较远；在电路系统中加装有源电力滤波器，滤波前电力系统中含有大量的谐波电流，滤波后电流波形近似为正弦波，频域分析中的谐波含量几乎为零。可以看出有源电力滤波器比起无源滤波器有更强的滤波效果。
3结论
随着我国谐波治理工作的深入开展，谐波的发生，综合动态的谐波治理措施，电网的无功功率补偿问题，是当前电力系统面临的一大课题。要消除谐波污染，除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外，在设计、制造和使用非线性负载时，也要采取有力的抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。
参考文献：
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关键词：Proteus;嵌入式系统;实验;动态仿真
1概述
现代电子电路设计已经进入电子设计自动化时代，电路仿真是电子设计自动化中的一项重要技术，可以广泛应用于电子产品的分析、设计、检测、改造和技术革新等方面。嵌入式系统是以计算机体系结构、计算机软件以及其他相关电子技术为基础上发展而来的综合技术。嵌入式系统技术已经成为当下主流发展研究技术，对于具备一定嵌入式开发能力的人才在企业非常受欢迎。在当前高校普遍开设的嵌入式系统课程中，普遍采用的微处理器是8位的单片机8051，32位ARM7TDMI核的飞利浦NXPLPC系列和三星S3C44B0芯片。实验教学中往往以单片机作为学习嵌入式的基础铺垫，待基础掌握后将ARM7内核CPU作为升级版单片机引入，轻松过渡到ARM平台。
传统的嵌入式系统教学，课堂环节基本是在传统实验箱基础上辅助纯理论教学，由于硬件的限制，学生可自主实验和拓展项目较少，不利于创新学习。针对传统教学模式的不足，为此将Proteus软件引入到课堂教学、实验、毕业设计、创新设计中，能起到更好的学习效果。这种教学方案将传统理论教学可以实时的与实验相结合，不仅可以提高理论教师的实践能力同时对于学生而言，不会产生对理论的抵触心理，更多的实验自主能够更好的激发学生的学习创新兴趣。
2Proteus软件介绍
Proteus嵌入式系统仿真与开发平台是目前世界上最先进、最完整的嵌入式设计与仿真平台，由英国Labcenter公司开发的[1]。Proteus主要由ARES、ISIS两大模块构成，ARES主要用于印刷电路板（PCB）的设计及其电路仿真，ISIS主要用于原理图的设计并仿真。在Windows操作系统平台，可以对各种模拟器件和集成电路进行仿真、分析（SPICE）。
Proteus软件和其它EDA工具软件一样提供仿真功能，但是它还能从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，实现了真正意义上的从概念到产品的完整设计。能够同时提供将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三大功能的软件目前只有Proteus软件;在编译方面，它也支持IAR、Keil和MatLAB等多种编译。
3Proteus软件在实验教学中的优越性
教师在实际教学中通过Proteus和Keil搭建虚拟实验平台，同时引入仿真平台，辅以硬件实验的验证，可以使得学生更好的由理论过渡到实践，对于产品的电子系统能够有更全面的理解和掌握[2]。毕业生在自己的毕业论文设计中可以采用Proteus软件为辅助手段;学生可以采用Proteus软件为辅助手段，进行大学生科技创新活动，或参加市级以及全国各类电子设计竞赛活动。下面是利用Proteus软件进行仿真和硬件验证的流程图：（图1）
针对Proteus软件以上多种优点，建立一个Proteus实验室，它的出现为电类专业的实验教学带来了前有未有的新思维和解决之道。Proteus实验室可以为教学创造一个更加优质的平台，在现有资源的基础上，实验室具有如下的优点：
3.1功能多样化Proteus软件除了提供仿真电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验外，同时还可以对嵌入式系统实验仿真，提供嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）仿真实验功能是它区别其它软件的最大特点，因此，Proteus软件是一个多功能的实验平台。它的多样化功能解决了教师教学过程中可能出现硬件设备不齐全问题。
3.2资源开放由于其硬件是基于网络平台的，如一个单位内的局域网、或企业网、或校园网（或单机板，基于一台PC）或Internet用户。因此解决了学生受传统实验室的时间、空间、及实验内容的限制问题，可以发挥自身的学习热情来学习，更好的解放由传统硬件带来的思维限制，提高创新能力，同时也可以最大发挥设备的利用率。
3.3内置资源先进Proteus实验室主要由其Proteus仿真软件实现，软件内部包括万种以上元器件及多达30多个元件库，多种现实存在的虚拟仪器仪表，丰富的测试信号源，先进的混合仿真系统（SPICE电路仿真器+数字仿真器+MCU仿真器）。基于上述强大的内置配备，可以保证实验室的先进性。另外，软件提供用户自己制作器件模型，英国Labcenter公司也能够为用户制作，此外，软件跟硬件相比升级更为方便，几乎无成本，可以保持软件库中的器件的实时先进性，保证了实验室的先进性。
3.4实验创新化Proteus仿真软件内置的丰富资源是进行创新型实验研究的基础。软件库中提供了仪器仪表、信号源、元器件、器件模型，教师利用软件设计相应的教学内容或者进行创新实验的研究，学生除了完成实验内容外可以自己研究感兴趣的内容，由于丰富的软件库中器件，不受到传统硬件的束缚，可以更好的放开思维，展开实验仿真学习，对于提高学生的自主学习，培养创新能力有重大的意义。
3.5易管理、易维护由于其核心为Proteus仿真软件，在实验过程中不会产生损耗问题，软件的管理、维护也仅仅是帐户的管理、软件的安装及更新，设备的管理工作量得到了降低，可以将更多的时间精力投入到实验创新研究中。
3.6低投入、高回报
将Proteus实验室与传统实验室对比，投入低，回报高。教师只需建立相应的计算机网络平台（也可使用已有的计算机网络平台），外加购买一套Proteus网络板软件，部分实验验证板即可。几乎不会产生维护费用，此外，建立这样的实验室还可以被嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）、微机原理与接口技术课程学习用到，做到资源利用的最大化。
4Proteus软件的应用实例
由于液晶显示器的低功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，已经被广泛应用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中[3]。在LCD显示电路的硬件电路中，我们通常使用LPC2106芯片和LM016L显示模块。LPC2106由一个支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线组成。LM016L液晶模块通过指令编程来完成读写操作、屏幕和光标控制。LCD显示电路电子电路图如下图所示：
<D：＼123456＼中小企业管理与科技・下旬刊201511＼1-297＼245-2.jpg>
图2LCD电子电路图
我们可以看到，虽然在这个电路中，电路并不复杂，但是LPC2106这个芯片是双电源芯片，CPU操作电压范围为1.65V～1.95V（1.8V±8.3%），I/O电压范围为3.0V～3.6V（3.3V±10%），这两个小伏电压范围比较难调整，学生在实验过程很容易就会出现电压过大，烧坏芯片的事故。除此之外，学生还很有可能出现电路连接等错误，在实际操作中，这会很大程度地影响教学。所以，我们可以采用用Proteus软件来仿真电路这一方案。
下面是基于ARM7的LCD显示电路仿真，介绍电路的设计和使用Proteus进行仿真与实现的过程。首先运用Keil编译C语言，连接生成Hex文件，使用PROTEUS7.8SP2仿真，选用ARM7LPC2106芯片和LM016L，将Hex文件导入，然后进行软件仿真调试[4]。其电路原理图如下图所示：
<D：＼123456＼中小企业管理与科技・下旬刊201511＼1-297＼245-3.jpg>
图3系统电路图
设计的最终效果是使得字符串从左往右逐个依次出现在屏幕上，同时逐渐右移，直至全部消失。然后再从右向左逐个依次出现，待移到最左端后消失。如此循环往复。其设计效果如以下图所示：
<D：＼123456＼中小企业管理与科技・下旬刊201511＼1-297＼245-4-1.jpg><D：＼123456＼中小企业管理与科技・下旬刊201511＼1-297＼245-4-2.jpg><D：＼123456＼中小企业管理与科技・下旬刊201511＼1-297＼245-4-3.jpg>
图4设计效果显示框图
在这个实验中，学生可以通过Proteus模拟ARM7芯片设计，将理论与实际相结合，应用现有的仿真工具和嵌入式软件开发平台，合理规范地设计实现一个小型LCD显示电路功能。同时，提供KeilC51uVision2软件的调试功能。
如果电路出现结果与实验目的有所偏差，可以利用软件调试系统全速、单步、设置断点等，对各个变量、寄存器状态进行实时观察。只需利用仿真软件在计算机平台上进行各种仿真调试工作即可，能够不动用电烙铁试验板就能知道结果的方法，大大提高了电路设计的效率和可操作性，将解析法在近似处理中带来的较大误差有效的避免，还可以与实物试制和调试相互补充，通过理论与实践相结合的教学，大大提高教学效率，更好的达到教学目的，也能提高学生自主的学习兴趣，培养学生自己的探究研究问题能力，提高创新意识。
5结语
采用Proteus仿真软件作为嵌入式系统实验教学平台，不仅帮助工科类学院学生更快地掌握业内主流电子设计工具，综合最新的电子设计技术，提升学生的实践动手能力，还使得学生在校期间，比较灵活地将不同学科的电子设计知识融会贯通，为学生提供更多的实践与应用平台，拉近了学习与就业的距离。实践证明，这种教学方法在教学效率、成本预算、后期维护方面优势明显，具有较高的推广价值。
参考文献：
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关键词：消防系统；Simulink；VC++
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2014）19-4530-05
WaterFireFightingSystemSimulationBasedonSimulink
DIXiang，WANGChun-ping
（ZhengzhouFireDetachment，Zhengzhou450000，China）
Abstract：ThispaperpresentsanapproachtointegratesimulationmodelwithVisualC++easilybytranslatingsimulationmodeltoembeddedC++code.ThentheadvantagesofSimulinkandVisualC++arefullyusedbythisapproach.Accordingtoarealexamplethedevelopmentstepsandrealizationofwaterfirefightingsystembasedonthisapproachisdiscussedindetail.
Keywords：FireFightingSystem；Simulink；VC++
1概述
目前市场对消防系统的需求越来越高，对系统的处理速度要求也是越来越快，因此，消防系统的开发面临着快速发展和设计全面之间的矛盾。如何同时进行系统的设计、实施、测试和生产，对于消防系统的发展至关重要。本系统开发软件中使用Matlab语言创建一个新的图形化建模工具，消除了程序代码造成的效率低下和复杂的编程，可以便捷地创建一个系统模型（例如，面向对象的系统模型，控制器模型），通过控制算法仿真观察到该仿真模型的性能；而且，如果设计的控制算法不理想，可以快速修改设计和重复本次实验，直到找到一个完美的控制方案。至于控制算法的具体实现不需要手动开发，通过建立在RTW工具Simulink_RTW仿真软件可以进行开发。RTW工具可以把仿真模型转换成C/C++代码，这就可以在Matlab环境下独立运行并且读取到内存中，从而大大减少了软件工程师的工作负载。Simulink仿真软件是一个著名的图形化建模与仿真工具，其便捷及灵活的建模功能可以仿真电子、电路、控制工程、信号处理等领域的问题，广泛应用于控制系统设计和仿真。该文提出的水灭火仿真系统综合以上所示各种特点，只需要在工作站终端上运行，利用电力系统工作原理形象仿真灭火系统。
2运行环境和仿真理论
2.1运行环境
水灭火仿真系统的运行原理与电力系统的原理类似，电力系统的仿真技术是一项非常成熟的技术，因此，可以利用电力系统的工作原理仿真消防系统的运行环境。系统的运行软件环境包括：
1）MATLAB7.0软件
2）Simulink6.2软件
3）RTW6.2软件
4）VC++6.0
2.2仿真理论
对于水灭火系统的仿真，我们基于以下几点前提条件：
1）假设水灭火系统中灭火的水是理想的流体，因此可以采用伯努利方程的动力学分析。
2）水灭火系统中因高度差产生的水压力可以忽略不计。
3）所有灭火的出水管道具有相同的剖面，各支管的剖面是相通的，消防栓也相同的大小。
4）忽略管道弯曲造成的误差，根据伯努利工程：
[P+ρV22+ρ?g?h=C]（1）
我们能够得出下面两组结论：
1）任何测量点的水压力等于消防泵的压力。
2）与消防泵相连的任意剖面，其流量与剖面的面积成正比，图1表示消防系统的示意图：
图1灭火系统仿真结构图
假设出水管道1的出口压力为0.7MPA，其最大的流量为350立方米每小时。管道2的参数与1相同。因此，根据以上两种管道的参数，我们可以得出一下结论：
1）根据上述条件，每个消防栓的气压为0.7MPA。
2）每个消防栓的水流量为140立方米每小时
在动力系统中，根据欧姆定律和电压电流关系式：
[I1+I2+I3+…=I]（2）
[U1=U2=U3=…=U]（3）
根据动力系统相关定律，假设电路的电压为0.7伏特，那么经过每个电阻的电流为140安。如果要利用电力系统仿真实时的水灭火系统，就需要有两套电力仿真系统。因为电路的电流与电路的电阻是密切相关的。如果我们需要形象的观察消防栓的水压，那么消防栓就必须认作是一个电压源。如果要观察通过消防栓的水流量，那么消防栓可以认为是一个电流源。
图2电路仿真系统结构图
3仿真模型
假设出水管作为电压源或者电流源，以电路的开发模拟消防栓的开关，如图3所示：
图3电路仿真设备图
在图4中，以电阻表示灭火仿真系统中的消防栓：
图4消防栓仿真示意图
灭火仿真系统中的喷水管可以认为是电力系统中的电线，消防阀门可以开关表示，如图5表示：
图5电路系统仿真示意图
在仿真系统中，喷水压力计以电压表表示，以电流表表示水的流动值，如下图所示：
图6电压电流仿真示意图
4利用Simulink软件生成C++代码
为了实现以上仿真性能，我们创建两个电力仿真系统结构，通过程序调试后，Simulink软件便可以将目标信号的参数设为仿真模型中的全局变量，模型就可以自动生成的仿真系统的可执行代码，并在线调试模型参数和信号情况。根据上述思路，我们做了以下仿真试验：
选择Simulink模型，设置好信号和电压参数等。
图7信号参数设置
如图7所示，将信号量设置为全局变量。那么Simulink软件可以自动生成代码，并分为两个部分：一个是模型代码；另一个是接口代码（运行时间接口）。为了管理仿真系统的项目开发，Simulink软件将源代码切成许多代码文件，通过VC软件可以打开的文件和编译，在仿真系统中所有的安装源文件可以复制。
5将代码植入模型
根据VC软件实现模型代码的集成相对简单，将所有仿真系统的计算模块文件应该都添加到VC程序中。因此，我们完成以下步骤：
图8仿真模型的接口函数
1）在VC程序源文件中可以设置头文件编译的默认选项，这样的设置必须是手动设置。具体的操作方法如下：
首先，选择项目VC菜单->选择“设置项对话框”；其次，在类别选择―预编译头文件里选择C/C++中的etr_main.cpp文件，如图9：
图9仿真系统参数设置
2）在预定义的SXF.h文件中定义MODEL=**，RT，NUMST=2，TID01EQ=1，NCSTATES=4，MT=0，USE_RTMODEL；
3）为了在VC调用过程模拟代码接口功能，必须定义全局变量。在VC程序类头文件中添加下面应用程序的代码。
externvoidsxf_initialize（boolean_TfirstTime）；
externvoidsxf_terminate（void）；
externvoidrt_oneStep（）；
这个代码是涵盖所有仿真功能。仿真软件一般包括人机界面、数据采集模块、仿真计算模块和数据处理模块。灭火系统流程图的仿真结构如图10所示。
图10仿真系统架构图
6模块的实现
6.1人机接口模块的实现
人机接口模块是VC程序的主线程，主要目标是完成实时变量显示，参数调整，参数控制和程序操作控制和其他同步功能。系统变量参数与实时显示包括消防泵的压力、消防泵流量、消防栓的压力、消防栓的通量、阀门和管道状况。考虑到设计更友好的人机交互界面，消防泵、阀门、消息框、功能按钮的设计一定要充分利用面向对象的封装性和继承性。
6.2仿真计算模块
仿真模型计算模块完成计算，也是整个系统的核心。为满足实时仿真的要求，Simulink仿真模型采用同步控制仿真的设计思路，每2毫秒调用函数模型代码接口rt_OneStep，以确保整个仿真正常运行。
6.3数据处理模块的实现
数据数据处理模块的目的是为完成仿真实时记录和节省时间。为了满足真正的时间数据记录，仿真程序使用一个多线程技术。一方面数据支持鼠标设备相应的属性，另一方面通过系统编辑框显示每个设备的属性。因此，通过性能的设备，计算消防系统灭火管可以工作的数量和良好率。
最终的仿真平台构建通过仿真软件的RTW实现如图11所示。
图11水灭火仿真系统工作流程图
7总结
本文详细介绍了利用Visualc++和simulink软件的水灭火仿真系统的开发实例，首次利用simulink仿真软件可视化功能建模仿真系统，并利用RTW工具包将翻译仿真软件模型编译成嵌入式的C++代码。最后，在VisualC++编程环境下，仿真模型自定义成一个实时的仿真系统，并且在VisualC++环境中调试成功。本仿真系统的开发优化了灭火系统的仿真模型，简化了开发难度。
参考文献：
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[3]MathworksCompany.WritingS-FunctionsVersion6[M/CD].U.S.PP：32-34.
【关键词】电路仿真；软件；特点
电路级仿真分析由电子元器件构成的电路的性能，包括数字电路的逻辑仿真和模拟电路的交直流分析、时域和频域分析等。电路级仿真必须有包含PSPICE参数的元器件模型库的支持，仿真信号和输出数据代替了实际电路调试中的信号源和示波器。电路仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。电路仿真技术使工程师在实际电子系统产生之前，就有可能全面地了解电路的各种特性。现在电路仿真也广泛用于各类学校的电子专业教学。
商品化的电路仿真软件种类比较多，软件性能特点各不相同，应用的便利性也有差别。根据工程和教学的需要选择合适的电路仿真软件可大大提高工作效率和教学效果。
一、电路仿真技术的功能特点
电路仿真是经过广泛实践，被证明是相当有效的分析技术，被越来越多的电子设计者采用。电路仿真技术可以在下面几个方面发挥作用：
1.验证电子电路设计
采用电路仿真技术对不同的电路设计方案快速地进行模拟分析，保证设计思想正确。在电路形式确定以后，对电路的元件参数进行灵敏度分析和容差分析，优化电路参数，保证设计质量。电路设计采用仿真技术，能极大的减少人工劳动，缩短设计周期，降低设计成本。如滤波器设计中有大量的复杂分析。用人工计算全部数据的话，要耗费大量的时间。采用电路仿真软件可以在几分钟内得到结果，而且误差可保持在工程规范的范围内。
与传统的电路测量方法相比，计算机仿真可预测某特定电路参数的变化过程和最终结果，使人们对电路性能的变化规律有深入的了解。例如，元件参数的误差会给产品性能带来多大的影响？哪个元件的误差会给电路性能产生最大的作用？采用电路仿真技术中的蒙特卡洛分析能快速得出结论。应用最坏情况分析，设计人员可方便地测试各种极端情况，观察极限条件下电路的反应。灵敏性分析使用户能够确定由于设计或元器件参数更改引起的电路性能参数（诸如周期、增益或上升时间）的变化比例。
在常规测量有困难，特别是在实际系统中具有破坏性的实验研究中，电路仿真技术尤其有优势。如某些电子设计涉及高电压和大电流，不正确的设计参数可能造成电子元件损坏，使设计进程受阻。电路仿真用于数字电路同样具有高效率、高精度的特点。在搭建电路之前使用仿真技术，可避免各种致命的损坏，增加成功率。
作为一种模拟技术，仿真虽然还不能完全取代真实电路的实际测量。但由仿真产生的各种参数在设计中有决定性的意义，也为实物试验提供了数据基础。
2.电子专业的辅助教学
电子学是一门实验性很强的学科，电子学原理的学习最好和实验同步进行，以加深感性认识。实验需要测量仪器和电子元件。受到客观条件限制时，用电路仿真验证理论分析结论不失为一个有效的方法。电路仿真能记录分析中的全部数据，可以方便地重现各种电学过程，特别是一些瞬息即逝的现象。如振荡电路的起振过程，一般只有1毫秒左右。在没有存储功能的示波器上无法观察到这一过程。而使用仿真可记录电路起振的全过程；再如用电路仿真软件可构建各种运算电路，随时验证运算放大器的电路理论，比搭建实验电路更为简便快捷。绘制的电路图和产生的仿真曲线可被复制到文档中，使你的实验报告看起来更有说服力。
学习电子电路，不仅要掌握基本原理和计算方法，还要注重电路的设计、分析和研发能力的培养。通常实验室不可能提供世界上各厂家的最新器件。而电路仿真可以采用新器件的模型加以模拟和分析。应用电路仿真技术还可设计验证、测试、设计和创新等不同形式的训练，培养学生多方面的能力。
3.学习电子工程测量技术
测量是电子技术的基本技能之一。电子测量有两个方面的要求：掌握电子仪器的操作方法和数据的采集分析。表1列出了部分电子测量项目和电路仿真分析的对应关系。
在电子测量中，要用到多种信号发生器：如高频信号发生器、低频信号发生器和函数发生器等。这些仪器产生的信号在电路仿真软件中都能实现：如瞬态源可产生函数发生器的各种信号，非线性受控源可产生调幅波等。通过设置仿真源的信号参数，能深入理解各种波形的电学意义。
在仿真软件的图线界面中，根据对测量结果的期待，选择波形的显示参数，相当于调节电子仪器的各个旋钮。电路仿真产生的波形图线比示波器荧屏有更大的幅面和更精确的坐标。软件的图线测量工具可对信号曲线实施多种测量，如周期信号的幅值、频率、周期、相位及脉冲信号的上升时间，信号的过冲幅度等。测量工具是完全图形化的，具有很强的交互性，能自动计算各项参数。
波形计算器对波形进行数学计算。波形计算器使用各种数学符号及函数，计算信号的如平均值，微分积分等数据。在大多数软件中，利用波形计算器，可以交互地构建复杂的函数表达式，产生新的波形。部分仿真软件的测量结果可以被直接标注到图表中。
运用某些软件（如Multisim）中的虚拟仪器，对掌握真实仪器的性能和操作很有帮助。
二、电路仿真软件的基本性能
随着微机技术的发展，基于Windows的EDA软件水平不断提高，现在有很多不同软件公司生产PC版的电路仿真产品。这些产品有不同技术档次和应用定位。一些以印制电路板设计为主要应用的软件也有内嵌仿真组件，如ORCAD的PSPICE、Protel的Simulate等。专门用于电路仿真产品品牌比较多，如Multisim、TINA、ICAP/4、Circuitmaker和Micro-CAP等。通常这些软件都是基于电路仿真语言PSPICE。
各种电路仿真软件的界面和功能各有特点，数据的显示和处理方式也不尽相同。可以从下列四个方面来评价电路仿真软件的实用价值。
1.仿真项目的数量和性能
仿真项目的多少是电路仿真软件的主要指标。各种电路仿真软件基本的分析功能包括静态工作点分析、瞬态分析、直流扫描和交流小信号分析等4项。还可能有的分析功能有：傅里叶分析、参数分析、温度分析、蒙特卡罗分析、噪声分析、传输函数分析、直流和交流灵敏度分析、失真度分析、极点和零点分析等。仿真功能比较少的软件如SIMextrix只有6项，而TINA有多达20项。Protel、Orcad、P-CAD等软件的仿真功能在10项左右。专业化的电路仿真软件有更多的仿真功能，对电子设计和教学的各种需求考虑得比较周到。如TINA的符号分析、Pspice和ICAP/4的元件参数变量和最优化分析、Multisim的网络分析和数字电路仿真、CircuitMaker的错误设置等都是比较有特色的功能。
PSPICE语言长于分析模拟电路，对数字电路的处理不很理想。各种软件的解决方法也不一样：如Protel对数字元件采用DigitalSimCode描述，并用乔治亚大学的XSPICE处理数字仿真。Multisim采用基于VHDL、Verilog或C代码描述的模拟和数字器件协同模型。对于纯数字电路的分析和仿真，最好采用基于VHDL等硬件描述语言的仿真软件，如Altera公司的可编程逻辑器件开发软件MAX+plusII等。
2.仿真元器件的数量和精度
软件元件库中仿真元件的数量和精度决定了仿真的适用性和精确度。电路仿真软件的元件库有数千到1、2万个不等的仿真元件，但软件内含的元件模型总是落后于器件的开发和应用。因此，除了软件本身的器件库之外，器件制造商的网站是元器件模型的重要来源。设计者可根据最新器件的外部参数自定义元件模型，构建自己的元件库。对于教学工作者来说，软件的元件模型库完全可以满足常规教学所需。
电路仿真软件的元件分类方式有两种：按元器件类型如电源、二极管、74系列等分成若干个大类；或按元件制造厂商分类。大多数仿真软件有电路图形符号的预览，便于取用。各电路仿真软件对元件的PSPICE模型都作了简化。如PSPICE的电阻模型有一阶、二阶和指数等三个温度系数。多数软件只定义了前两个温度参数，只有TINA定义了电阻的三个温度参数，而Protel的电阻未定义温度系数；又如双极型晶体管有40个PSPICE模型参数，Multisim规定了全部的参数、TINA也有32个，Protel只有22个。所以对仿真精度要求比较高的设计要采用高精度的元件模型，或根据实际元件修正模型参数。查阅和修改组件模型的方法各个软件的处理各有不同。有的在元件属性框中即可修改元件模型参数，而有的要打开专门的模型参数文件或界面才能修改。
3.数据显示和处理能力
运行仿真后会得到大量的电路数据。仿真数据的显示方式有列表和图线两种。如计算直流静态工作点后，Protel将节点电压、支路电流、元件消耗功能和电源端等效电阻等数据以列表显示；Pspice和Micro-CAP可将电压、电流和功率标示在电路图中。瞬态分析、直流扫描、交流小信号分析一般以图线显示结果。图线可以被打印或保存为特定格式的文件；部分软件可将波形保存为通用的PWL（以时间—电学量数对组表示的）格式文件，或导出到Excel中。也可以复制图线，把它粘贴到Windows的“画图”中，处理后保存为图片文件；或直接把图线粘贴到Word、PowerPoint、Autherware等软件的文档中。
各电路仿真软件对波形图线的处理能力不同。但一般都有如下数据处理功能：
（1）波形测量：显示为不同类型的坐标刻度（线性、对数、幅度、分贝等）；测出图线的有效值、方均根值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、周期等。
（2）图线计算：对图线进行加、减、乘、除、微分、积分等运算。或将图线变量作为数学函数的自变量，得到新的数学变量。
（3）修饰图线：使图线更美观、更容易被理解。可更改图线的粗细、颜色、式样和标记；添加测量数据点标志和数据标签；改变图线的背景色、坐标的式样和颜色等。有些软件允许在图线画面中输入说明性的文字，甚至可以是中文文本。
4.虚拟仪器和教育功能
形象化的虚拟仪器是电路仿真软件的一个特色。最典型的例子是Multisim，该软件的虚拟仪器无论界面的外观还是内在的功能，都达到了同类软件的最高水平。其它备有虚拟仪器的软件有TINA和EDISON等。
虚拟仪器可以帮助学习者了解电子仪器的作用，深入理解电子测量的方法和技术要领。掌握电子仪器的各种操作方法，特别是各种控制按钮、旋钮的功能。Multisim和TINA虚拟仪器的功能实际上已超过了PSPICE本身，比较典型的是网络分析仪和逻辑分析仪。网络分析仪是分析射频组件和射频网络参数的专用仪器；而Multisim的逻辑分析仪具有真正的数字电路分析能力，符合实际数字系统分析的技术要求。部分软件还有虚拟的机电元件，如灯泡、按钮、继电器、接触器等电气元件，调用这些元件可构建机电控制电路。软件元件库中的数学和模拟控制器件可用以分析自动控制原理。
为适应教育单位对电路原理教学的需求，有的软件设置了教育功能。主要是允许使用者对元器件设置一些隐藏的错误，以提高训练学生提高分析问题和解决问题的能力。如Mulisim和TINA可对组件设置开路、短路和漏电阻三项参数；而Altium公司的另一个电路仿真产品CircuitMaker可以对组件和电路做更多的教学设置，并且可加上密码，以防止应用者修改组件属性。
表2是10个有代表性的电路仿真软件主要参数的统计。表中安装容量是指软件安装后在硬盘中所占用的空间，有些软件安装后包括PCB设计组件，如Altium；电源种类数的多少和软件对电源的分类有关，如有的软件将同一电源分别放在多个目录下，有的软件将5种瞬态分析源放在一个图标中；Pspice正式版的仿真元件数为1.6万个。
三、怎样选择电路仿真软件？
在电子工程的生产设计或电子学专业教学中，对电路仿真软件可能有不同的要求，应从软件功能特点和工作实际需要两个方面来考虑。
1.考虑生产和教学对电路仿真软件的需求
首先要考虑软件的实际生产能力，用此软件能完成什么样的工作？该软件的模型库能否满足设计需要；软件有哪些电路仿真功能；电路图有哪些输出格式，是否和企业现有的PCB设计软件兼容；软件的价格及提供哪些售后服务等等。如果本单位的产品比较复杂，就要考虑从电路设计、分析、优化，系统仿真、甚至机电系统设计在内的全面解决方案。
2.评估电路仿真软件的性能
各公司的软件产品有不同的销售定位，电路仿真软件的功能、扩展性和价格相差很大。
同一软件有不同的版本，以不同的功能和价格适应不同的业务需求。一般的教学单位只要学习电路仿真的相关原理，不必强求软件的高性能。使用学生版或教育版的软件完全可以应对日常教学所需。而作为电子生产企业，则要采用企业版或加强版的软件，还要考虑产品的设计、生产和管理等一系列问题，对软件的维护和技术支持也有一定的要求。所以应尽量采用大公司的产品。如ICAP/4、Orcad等；如果对电路设计和仿真有更高的综合性要求，可以考虑美国Synopsys公司的Saber。Saber适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、控制系统以及数据采样系统等等。
3.根据教学需要选择适用的软件
在教学中，要求电路仿真软件能清晰地展示电路图、信号图线和各种电路数据。Multisim在所有电路仿真软件中，它的仿真元器件、仿真分析类型和虚拟仪器都是最全的，是各级学校电路教学的理想仿真工具。Multisim的缺点是电路图画面只能放大到200%，电路线条比较细，投影到大屏幕上不太清晰。比较适合于职业技术学校的电路仿真软件是TINA6.0简体中文版，该软件不但菜单和对话框是简体中文，所有的帮助也都是用中文写成，学生比较容易理解和接受。Altium的电路图和仿真图线界面的显示质量比较好，适合教师用于教学幻灯演示和制作各种文档中的插图。Altium也很适合用于印制电路板设计的教学。ICAP/4的优点是可以把仿真得到的电路波形插入电路图中，即可以显示电路中任何一点的波形。Orcad的Pspice在电路中显示仿真得到的节点电压、支路电流和元件消耗功率等数据，非常直观；MicroCAP有最强大的参数扫描功能，可时设置多达20个参数进行扫描分析。如果是电子学的初学者，则可以用有3D界面的电路仿真软件Edison，该软件界面生动直观，和实物形象相当接近，有助于认识和理解电路。
4.专用电路仿真软件
除了通常的电路仿真软件外，还有一些专门针对某一类设计应用的软件如：Intusoft公司的电源仿真设计软件PowerSupplyDesigner和磁性元件（设计分析变压器和电感器）的设计软件MagneticsDesigner；芬兰APLAC公司用于射频电路设计和仿真的软件APLAC；以及美国Ansoft公司的系列产品等。很多的半导体器件生产商为了推广它们的产品，也开发了专门的电路设计和仿真软件。如Altera公司的可编程逻辑器件设计软件Max+PlusII；TI公司的开关电源专用设计软件SWIFTDesigner；Linear公司的电路仿真和开关电源设计软件SwicherCAD等。
最后要说明的是，现在电路仿真软件的发展方向已不再局限在电子学范围内。电路仿真技术在增强数模混合信号的仿真能力的同时，正在向电力电子、电光学、甚至是电机工程、机电工程等领域扩展，为工程实际和教学带来更多的方便。
本文提到的软件试用版，可以从各自生产商的官方网站上下载。
参考文献
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关键词：Multisim；单管放大电路；仿真分析；放大电路
中图分类号：TN7；TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2017）05-0-02
0引言
模拟电子技术是电子、通信类专业的一门专业基础课。通过这门课的学习，使学生掌握电子电路的基本理论与基本实验技能，并初步具有电子电路的设计和创新能力。随着科技的发展，电子电路分析和设计方法实现了现代化和自动化，在教学中适当引用计算机辅助工具实现硬件设计软件化，让实验变得简单、方便，同时可帮助学生快速理解理论知识。使用Multisim软件不仅可以快速设计电路，还可与理论设计进行比较，为电路的进一步调试提供便利，极大地缩短了产品的研发周期。
本文以典型的单管放大电路为例，具体介绍了利用Multisim设计单管放大电路，并对其进行静态和动态分析，得到放大电路的静态工作点，分析静态工作点的影响因素；在动态分析的基础上得到了电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及带宽。
1Multisim仿真软件功能及特点
学习电子技术，不仅要熟练掌握电子器件以及电路的基本原理、参数计算方法，更重要的是对电路的分析、应用以及开发。Multisim是一款在业内广泛采用的电子电路仿真与设计软件，其功能强大，能最大化满足使用者的需求，其拥有的专业功能可以轻松处理较为复杂的电路设计。它包含电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入，具有丰富的仿真分析能力，元件库中提供了大量仿真模型，确保了仿真结果的准确性、真实性和实用性，并集成了多种虚拟仪表，包含大量设计实例、课程设计和研究项目，使得实验更加简便快捷。
2单管共射放大电路设计
根据NPN型晶体管的特性，设计一个输入电阻为Ri、输出电阻为Ro、电压放大倍数为Au的共射放大电路，电路设计具体过程如下：
（1）晶体管是放大的核心元件，输入信号为正弦波电压Ui。在输入回路中，加入基极电源VBB使晶体管基极与集电极之间的电压UBE大于开启电压UON，并与基极电阻Rb同时决定基极电流IB；在输出回路中，应该让集电结反向偏置，使晶体管处在放大状态，所以集电极电源VCC应该足够高，这里取12V，基本共射放大电路如图1所示。
（2）在实际电路中，通常用一个直流电源代替基极电源和集电极电源，为了设置合适的静态工作点，在输入回路中增加一个电阻Rb1，得到如图2所示的直接耦合共射放大电路。
（3）加入输入信号时，图1的Rb和图2的Rb1上均有电压损失，减小了基极与发射极之间的电压差值，影响了电路的放大能力。由于电容有“隔直通交”的作用，在输入端加入大电容C1，使输入信号可以无损失地加在基极与发射极之间，在输出端加入电容C2，连接放大电路与负载。为了稳定静态工作点，并增大放大电路的交流电压增益，在发射极端增加一个电阻Re和一个电容Ce并联电路，具体电路如图3所示。
3静态工作点分析
为保证放大电路不失真地对已知小信号进行放大，设置合m的静态工作点非常必要。将输入信号置零，使直流电源单独作用时，将基极电流、集电极电流、晶体管b-e间电压和管压降称为静态工作点Q，通常记为IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在图3所示的阻容耦合共射放大电路中，已知Vcc=12V，Rb1=5kΩ，Rb2=15kΩ，Re=2.3kΩ，Rc=5.1kΩ，RL=5.1kΩ；晶体管的β=50，rbe=1.5kΩ，UBEQ=0.7V，分别取C1、C3、Ce为30μF、10μF、50μF。根据晶体管特性以及回路方程，估算静态工作点。因为（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以：
（1）
（2）
（3）
（4）
然后通过Multisim的仿真功能与菜单栏Simulate选项中AnalysisandSimulation中的DCOperatingPointAnalysis直接测出b、c、e的节点电压和Rc的支路电流。静态工作点分析如图4所示，其中V（b）=2.98V，UCEQ=V（c）-V（b）=6.80V-2.35V=4.45V，I（Rc1）=1.01mA，由此可以看出仿真结果与理论估计值接近。
通过公式（1）～（4）可知，静态工作点与Rb2的取值有关，Rb2越小，静态工作点越高。将Rb2换成最大阻值为100kΩ的滑动变阻器。改变Rb2，采用直流仿真方法测出四组不同阻值下的静态工作点，数据结果见表1所列，可以看出随着Q点的增高，IEQ越大。
4动态参数分析
在电路的交流通路中，用h参数等效模型代替晶体管得到交流等效电路，这样的分析方式称为h参数等效模型分析。电容对交流信号短路，晶体管用h参数模型代替，画出图3的交流等效电路图如图5所示。电路的放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro称之为动态参数，根据电路的回路方程，可以得到动态参数的表达式：
（5）
（6）
（7）
在输入输出端接入万用表，设置为交流电压档，测得输入端电压为14.142mV记作Ui，输出端电压为1.173V记作Uo，根据公式（5）计算得到放大增益Au为83.57，输入输出电压如图6所示。也可以放入双踪示波器，A通道连接输入端，B通道连接输出端，打开仿真开关，得到图7所示的输入、输出波形，可以看出输入输出波形有180°的相位差，并且输入波形被放大了81.5倍，与理论值相差甚微。
在输入端并联一个电压表，串联一个电流表，测得输入端电压和电流，通过计算得出输入端电阻Ri为1kΩ；在输出端采用同样的方式得到输出电阻Ro为5kΩ，电表均设置为交流档（即AC档）。由以上分析可知理论计算数值与仿真结果基本一致。
用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线，共射放大电路幅频如图8所示。由图可知中频电压增益为39.834dB，根据频带宽度的测量原理，移动测试指针，使幅度值下降3dB，找到半功率点，低端频率fL约为134.4Hz，高端l率fH约为1.425MHz，同时计算出放大器的频带宽度fW=fH-fL≈1.4MHz。
5结语
利用Multisim仿真软件对单管共射放大电路进行设计和仿真，对电路的静态工作点和动态参数进行详细分析，理论与仿真结果基本相同。在仿真过程中充分利用Multisim的多种仿真方式，快速得到仿真结果，先仿真后制作增加了设计成功率，提高了实验效率。作为教学辅助工具，该设计方法对其他电子电路的设计有一定的参考价值与不可估量的作用。
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把matlab/simulink仿真技术用于机电一体化系统课程教学研究，设计了课程中的一个典型案例来阐述simulink混合仿真技术的关键步骤和过程，使学生能把课程各知识点由易到难、由元部件到系统串联起来。结果表明，matlab/sim-ulink的跨物理平台、开放的混合建模仿真技术，适用于多学科相结合的机电一体化系统课程的教学研究，有助于学生对课程的理解，降低了教学成本。
关键词:
simulink;仿真建模;机电一体化系统;教学研究
“工业4．0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法，其包涵了智能工厂、智能生产、智能物流这三大主题。中国制造2025是国家实施制造强国战略的行动纲领，而智能制造又是引领中国制造走向高端的切入点。因此，这对与“智能制造”相关的高校课程教学改革既是一个机遇和方向，也是一个挑战，其中对机电一体化系统设计课程教学改革是不可忽视的。机电一体化系统是一门综合性、应用型很强的课程，它涉及的知识面广泛，包括了机械部分、电气部分、系统控制部分等，是智能制造中不可或缺的部分，对培养机电专业人才具有重要作用。目前，购买庞大的机电实验设备是一种不错的理论联系实践的教学方法，但资金投入较大，这对大多数高校是一个不小的负担。而仿真的引入能够弥补这方面的缺陷，又能提高学生对理论知识的理解。目前国际上科学运算与计算机仿真领域首选的计算机语言是matlab，与之配套的simulink仿真技术，并且它涵盖了数值计算与分析、信号处理、图像处理、通信、控制系统设计、测试测量等众多领域，为不同的物理系统混合仿真提供了新的有效的解决方案。因此，把matlab/simulink引入机电一体化系统设计教学改革，并选取合适的案例进行教学，是一种非常不错的解决方法。
1案例选取
机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称，是一门面向应用的技术，代表了机械产品的柔性化和智能化发展方向，因此，案例的选取也体现这一点。机电一体化系统设计为机械制造及自动化、机械电子工程等机械专业方向的必修专业主干课程，并且要求学生在学习本门课程之前需要进行《机械原理》《机械设计》《电路》《电力电子技术》《电机传动控制》《测试技术》《控制工程基础》《微机原理》《电气控制技术》等先修课程的学习。所以，把matlab/simulink仿真引入多学科融合的、理论与实践相结合的机电一体化系统是教学课程改革中的一个关键点，需要从课程中合理地选取案例，使之既能反映各部分知识点又能反映它们之间的系统联系。从不同的角度进行选取，在机电一体化系统设计这门课程中满足条件的案例是有很多的，其中电机控制作为机电一体化系统设计一直以来是一个重要的知识点。本文选取直流电机闭环调速控制作为案例进行分析，涉及《电路》《电力电子技术》《电机传动控制》《测试技术》《控制工程基础》《电气控制技术》等基础课程，包含有单相交流电、三相交流电、AC－DC整流、电桥、晶闸管特性、直流电机机械特性、开环控制、闭环控制等知识点。并且，用matlab/simulink仿真技术把这些知识点从简单到难串联起来，开放建模系统，这将有助于学生从系统的角度学习掌握机电一体化知识。
2案例仿真研究过程
在引入matlab/simulink的机电一体化系统设计课程仿真教学设计中，仿真思路是先从元器件的性能开始，然后简单开环控制，最后到闭环控制。这样使学生不仅能弄清楚各个元器件，还能分析整个系统。下面就是机电一体化系统设计课程中典型案例的matlab/simulink仿真建模设计的关键步骤。
2．1元器件选取在机电一体化系统设计的直流电机控制仿真典型案例中，所涉及的元器件模块有ACVoltageSource、Scope、Sum、Step、Constant、ParallelRLCBranch、DCMachine、CurrentMeasure-ment、VoltageMeasurement、MeanValue、Powergui、PIDControl-ler、Display、Synchronization6－PulseGenerator、Thyristor、Univer-salBridge、PulseGenerator、Terminator等主要模块。
2．2主要部件测试分析为了使学生不仅能学到系统知识，还需要让学生知道各个元器件的知识点，因此有必要设计元器件主要模块的分析模型。下面设计三相交流电、单相交流电整流、三相交流电整流、晶闸管原理模块、桥式整流模块，并进行必要说明，起到从元器件到简单系统的过渡作用。首先，是使用matlab/simulink搭建的三相交流电电源波形仿真模型及其Scope输出的仿真波形图。当电源参数调整、负载电阻调整的时候，波形图是符合欧姆定律发生变化的。如电源的频率设置为50Hz时，根据公式T=1/f，得出周期为0．02s。让学生充分理解这点，对后面对晶闸管触发角改变得到不同输出电压的理解，显得非常的重要。而且，这些参数均能让学生调整并显示出来，便于学生发现问题思考问题。其次，在了解三相交流电的电源波形及其负载特性之后，应该为案例中AC-DC整流关键部件搭建一个性能仿真平台，即晶闸管性能仿真模型。模型中AC峰值设置为220V，调整晶闸管的触发方波，可以从Scope示波中观测形图。从波形图来看，正好说明了晶闸管正常工作时的4个特性，即①当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。②当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。④若要使已经导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流下降接近于零的某一数值一下。让学生了解这点，是至关重要的，它为后续的电桥整流、调压等提供基础。最后一个较关键的部件就是直流电机模型仿真，建立直流电机的性能仿真模型。从输出的Scope波形图来看，仿真输出与直流电机转速、电流、电磁转矩以及励磁电流的理论公式推导输出是相符合的，这就加深了学生对直流电机公式的理解和熟悉。认识和理解直流电机的机械特性，为后续的直流电机调速控制起到至关重要的作用。
2．3开环控制测试分析在对直流电机闭环调速控制分析前，应该让学生了解直流电机的开环调速控制，搭建三相交流的simulink的DCMachine开环仿真模型。在这个simulink中有几个关键点需要学生弄清楚，如三相交流的自然换相点、晶闸管门极控制的触发顺序、脉冲触发时间的改变如何影响电压电路的输出量、直流电机负载的改变是如何影响电机输出速度和输出力矩、逐一修改每个参数对输出波形图影响的定性和定量分析等关键点，只有当学生在仿真学习中带着问题把它弄清楚后，才能很好地对DCMachine进行闭环控制。
2．4闭环控制测试分析在对DCMachine进行了开环控制分析后，就可以搭建闭环控制模型了，如图1所示。这里的关键点是对系统传递函数的理解、控制策略的分析。为了简单、调试方便，图1只是使用了比例控制，在实际的控制学习中，还可以增加控制策略，如PI、PD、PID等等，这些在仿真模型中都可以让学生自行简单修改模型和设置参数，思考修改参数后Scope输出波形的变化情况，反复修改直到输出满足控制要求。在这个过程中，让学生学会思考问题解决问题，学会思考如何把理想的数学模型。应用到控制中解决问题;让学生学会如何把控制器的输出数值线性变化进行控制具体的物理变量，如图1中的晶闸管触发角α的变化。学生在应用simulink调试的过程中，遇到某个物理量、某个环节的数据等不太清楚时，可以方便建立Scope示波器观测其变化规律和具体数值，如图1中的Scope、Scope2、Scope3都起到这个作用。图2是给定值为100、比例P为15、以及使用饱和截断saturation等，得出波形图。
3仿真结果与教学效果分析
本教学设计的案例是在使用比例控制、负载为轻载等条件下得到仿真波形，如图2所示，从输出的结果来看，符合控制要求。当然，这是可以让学生修改simulink模型，使用其他控制策略、使用不同电机、修改不同负载如重载荷或者交变载荷等情况，也就是说利用simulink的开放性多物理平台建模仿真技术，能让学生思考问题解决问题中理解和掌握知识。本案例已经在我校机电专业两个班的教学中作了一下尝试，学生反映效果不错，能够起到串联以前基础课的重要知识点，能从系统的角度分析问题和解决问题。
4结语
这个典型的案例是由元器件及关键部件仿真—开环仿真—闭环仿真这条路线进行组织分析的，串联了机电一体化系统设计的电力电子器件、AC－DC整流、电机机械特性及拖动性能、机械工程控制基础中的控制策略等知识点，涉及到电气方程、机械方程、控制函数等应用，属于机电一体化系统设计课程中一个重要的案例。该案例在使用simulink的建模中是开放性的设计，可以让学生自行修改参数和模型，也可以让学生很方便地搭建Scope，测试任何他想要观测的环节参数，反复修改及观测，直到控制满足设定要求。既使学生把基础课程中学到的知识点加强理解和系统巩固起来，同时又锻炼学生在遇到问题时，思考问题解决问题的能力。本案例是机电一体化系统设计课程教学改革中一个小小的尝试和探索，降低课程仿真教学成本，对matlab/simulink开放性、混合型的建模思想引入课程仿真教学起到一个抛砖引玉的作用。
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[关键词]仿真技术电力类专业实训教学教学资源
高职电力类专业肩负着为电力系统培养高端技能型专门人才的重任。由于电力系统的发、输、变、配、用等关键环节的生产设备具有高电压、大容量、自动化程度高、连续运行、价格昂贵等特点，为了保证电力生产的连续性、安全性、可靠性，生产现场很难安排电力类专业学生的实训教学，而在校内建设发电厂或电网，投资巨大也不现实。近年来，随着仿真技术、计算机技术、多媒体教学技术的迅速发展，电力类高职院校结合电力生产、建设和发展情况，积极组织开发仿真实训教学项目，自编教材，培养师资，开展仿真实训教学，为电力系统培养了大批高端技能型专门人才。
一、仿真技术在高职电力类专业实训教学中应用的现状及存在问题
1.应用范围较小
根据全国13所电力类高职高专院校开展仿真实训教学项目的调查情况来看，仿真技术主要应用在变电站、火电机组仿真实训教学，仅有部分院校开展了继电保护仿真、单元机组集控运行仿真、热力过程自动化仿真和电子技术仿真实训教学。由此可见，仿真技术在高职电力类专业实训教学中的应用范围较小，尚未普及。
2.教学模式单一
目前，大部分院校的仿真实训均采用理实一体教学方式，教学模式单一。一般来说，教学模式是根据教学目标、教学内容、教学条件、教学对象而采取的教学活动方式。对于同一个仿真实训教学项目，由于仿真对象（如发电机组的容量大小、变电站的电压等级高低等）的不同、培养对象（高职学生或在职职工）的差异、仿真机组数的多少等因素，各院校制定的教学目标也不相同。因此，仿真实训应根据教学目标、教学内容、教学条件和教学对象的不同，由针对性地设计多样化的教学模式。
3.教学资源缺乏
仿真实训教学资源应主要包括课件、试题、试卷、案例、文献资料、图片、视频、动画、音频等素材和网络课程。目前，高职电力类专业仿真实训教学资源十分匮乏，多数院校仅有自编教材、部分课件、案例和操作规程等，没有完善的教学标准、通用教材、教学资源库和教学质量评价体系，尚未建成与职业技能考核接轨的试题库或试卷库，更没有建设网络课程。
此外，高职电力类专业仿真实训教学还存在仿真装置工位少、双师队伍建设等亟待解决的一些问题。
二、提高仿真技术在高职电力类专业实训教学应用效果的对策
1.积极开发仿真实训教学项目，扩大仿真技术在电力类专业实训教学中的应用范围
教育部《关于推进高等职业教育改革创新，引领职业教育科学发展的若干意见》（教职成[2011]12号）中指出，要“推进现代化教学手段和方法改革，开发虚拟流程、虚拟工艺、虚拟生产线等，提升实践教学和技能训练的效率和效果”[1]。随着电力系统向高电压、大容量、高度自动化和智能化方向的快速发展，超临界发电机组、特高压输电线路、智能化变电站、智能化配电系统、智能用电小区、智能电能表等高新技术及装备在电力系统得到广泛应用[2]。高职电力类专业教学要紧跟电力系统的技术进步，必须综合利用计算机技术、多媒体教学技术、计算机图形学和仿真技术，积极开发仿真实训教学设备，模拟实际的电力生产过程中的设备或系统及其运行、检修、故障状态，实现人机交互、师生互动的虚拟或真实的教学环境，为培养电力类专业高端技能型专门人才创造教学条件。
电力类高职院校要结合我国电力建设和发展的实际，在电力行业和电力职业技术教育领导机构的组织协调下，选取电力系统中典型的、通用的先进技术装备和系统，采取自主、联合开发及引进等多种方式开发新能源发电、智能变电站、智能输电网、智能配电网、智能微网、智能电网调度系统、智能电网通讯系统、智能营销系统、智能用电系统等仿真实训教学项目，逐步扩大仿真技术在电力类专业实训教学中的应用范围，提高实训教学的效率和效果，使学生尽快掌握电力生产新技术、新设备、新工艺、新方法，为电力系统输送具有“四新”知识和技能的高端技能型专门人才。
2.加强校校、校企合作，共同开发仿真实训教学资源
目前，各高职院校几乎都是单独进行仿真实训教学项目的开发、建设，仿真对象不同，仿真教学装置各异，没有统一的教学标准、教材和考核标准，仿真实训教学师资队伍相对薄弱。建议由电力行业和电力职业技术教育领导机构牵头搭建高职电力类专业仿真实训教学平台，加强校校、校企合作，联合开发、建设教学资源，制定统一的教学标准，编写通用教材，开发可共享的教学资源库和网络课程，制定统一的考核评价标准，建设仿真实训教学师资培训基地等，实现优势互补、资源共享。
3.深化仿真实训教学改革，努力提高仿真实训效果
高职电力类专业要深化仿真实训教学改革，积极探索在仿真环境下的基于工作过程的任务驱动、项目导向等新型教学模式，创设仿真工作的学习情景，推进“六步法”（资讯、决策、计划、实施、检查、评估）教学模式的应用，使学生在学习过程中，边学边做、做中学、学中做。积极探索情景体验教学的有效形式，使学生在对情景问题的探索中形成职业意识，提升职业能力和素养[3]。此外，高职电力类专业还要加强与电力企业之间的互动，选派教师深入企业生产一线进行实践锻炼，吸收企业专家参与仿真实训教学，利用仿真实训教学项目开展企业职工技能培训，安排学生到企业参观生产现场工作流程，这些做法都能有效地提高仿真实训教学效果。
课题项目：本文是中国机械工业教育协会2011年度职业教育重点研究课题（课题编号：ZJJX11ZZ005）《仿真技术在高职电力类专业实训教学中的应用研究》成果之一。
[参考文献]
[1]教育部.关于推进高等职业教育改革创新，引领职业教育科学发展的若干意见.教职成[2011]12号.
[2]刘景峰.高职电力类专业仿真实训教学项目的开发及应用[J].中国职业技术教育，2012，（5）.
关键词：模块化多电平换流器电磁暂态模型梯形积分理论诺顿等效电路
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9416（2016）10-0055-04
1引言
传统高压直流输电采用的是电压源变流器技术，由于这种多电平变流器控制复杂、制造和工程实践难度大，实际运行的装置多使用二极管箝位的二电平或三电平变流器，输出谐波含量较大，为保证电能质量满足要求，需配有较大容量的滤波器，损耗较高。通常，变流后输出电压的电平数量越多，谐波含量越少，若同时能以较低的开关频率实现，则损耗也能够控制在较低的水平。为此，2001年文献[1]中首次提出了MMC技术，这种基于串联半桥模块的技术，克服了高压输电电压高与电力电子器件耐压低之间的矛盾，也克服了变流过程中谐波大、损耗高的缺陷。当电压等级提高时，无需复杂的控制，只需要简单的增加SM的数量，就可以保证装置的可靠运行，是目前最具前景的高压直流输电技术。
实际工程中，MMC单个桥臂采用的SM数量已经超过400个，考虑到SM器件均压、驱动以及整个系统的保护，通过电路仿真详细的模型然后再使用计算机计算，时间长，以320kV单极运行直流输电为例，仅双端电源、输电线路换流器及其控制部分，在I74790k主频4.5GHz，16G/2.4GHz内存的计算机上，仿真步长40μs，对运行3s的直流线路进行故障仿真以验证保护是否正确动作，需要的机器时间5077s，更复杂的电力系统时，如多端MMC直流输电线路，仿真时长将达到数千小时[2]。修改一次参数都要重新仿真，降低工程设计效率。因此需要在满足MMC装置控制和运行特性的前提下，满足工程误差允许内，简化MMC仿真模型，降低仿真所需r间。
目前MMC简化模型有许多研究，最新研究主要分为三类，如图1所示。
（1）戴维南电路的等效模型，通过子模块电力电子电路的简化加速仿真速度，但每个SM的运行状态准确获取的难度较大[3][4]；（2）开关函数模型，忽略桥臂内SM的串联均压关系，将桥臂简化为一个开关器件，但该方法无法研究MMC故障时其内部模块的保护，是仿真速度非常快的方法；（3）平均值模型，与开关函数模型类似，同样忽略了内部SM连接方式，交流侧和直流侧分别用可控电流源和电压源代替，是仿真速度最快的方法，缺点与开关函数模型一样[5]。戴维南等效电路的模型比较符合需求，除了可以仿真MMC正常时的运行特性，也可以仿真故障时的保护特性，而开关函数模型和平均值模型主要用于研究MMC的谐波和功率输出特性。戴维南电路的等效模型应用较多，但子模块数量没减少，计算效率还有优化空间。
本文提出了一种状态空间离散电路分析方法，对上述模型进行改进：引入通断电阻，采用诺顿等效的方法进一步简化了戴维南等效后每个桥臂的模型，利用电磁暂态算法中的梯形积分原则，用等效历史电流源和并联电阻代替SM中的电容，基于离散状态空间分析将每个桥臂简化成等效离散诺顿电路，既保留了每个SM的状态空间特性，使得仿真过程每个SM的电气量均保存在计算结果中，又有效降低仿真电路中的节点数量，提高仿真速度。最后对MMC简化模型与详细建模的仿真进行对比。
2MMC离散化SM戴维南等效模型分析
MMC电路拓扑结构如图2所示，每个桥臂由N个子模块组成。
每个子模块的详细模型和4种开关状态，如图3。K1高速短路开关在SM非正常触发时起保护作用；K2晶闸管检测到故障电流时导通用于保护SM中的IGBT模块不损坏。
正常工作时，每个SM均由门级信号g1i和g2i控制（i表示SM的编号），交替导通，SM的电压VSMi等于电容电压Vci；还有一种特殊状态是MMC启动或者故障时，SM的两个门极信号均为关闭状态，此时VSMi取决于此时电流的流向，可能为图3（b）中的1或4，处于这种状态时，SM中的电容仅能通过二极管S1i充电，无法放电。
SM详细建模时，需要用理想可控开关、考虑VI特性的二极管以及缓冲电路模拟IGBT器件，能够真实的反映IGBT处于开关状态时的非线性特性，这在原型机验证时非常重要，但在工程应用时完全可以忽略IGBT的非线性对实际运行的影响。为了简化上述模型，本文使用开关电阻Ron和Roff代替IGBT模拟SM的工作状态，如图4（a）所示，图中R1i和R2i为第i个SM的开关电阻，当IGBT导通时值为Ron，截止时为Roff。
根据隐式梯形积分理论[6]，若时间步长为，则此时SM中的电容可以等效为图4（a）中电流源和电阻RC（）并联，上标h表示时间为时的历史值，图4（a）可等效为图4（b）的电压源和RC串联。则单个桥臂的电压为所有SM电压之和，即
则电路可继续简化，如图4（c）所示。
其中第i个SMi等效电阻为，
传统的戴维南等效法虽然能将MMC桥臂简化为电阻和电压源串联的3节点电路，但等效过程中忽略了每个SM的运行特性，因此只能用于研究MMC的谐波和功率输出特性，无法研究内部SM模块的均压或保护等问题。
3MMC桥臂诺顿等效模型及其算法实现
为了改进MMC桥臂传统戴维南等效分析方法，本文提出的诺顿等效电路降低了MMC每个桥臂的节点数量，从3节点降低为2节点，同时与该电路配合的算法还可以保留每个SM的输出状态。
3.1MMC桥臂诺顿等效模型
根据状态空间节点法[7]，任何一个线性电路的输入输出关系均可以用式（5）表示，
由式（7）可知，若yt表示某时刻线性电路中的输出电流，上式等右边第一项可表示为历史电流源，而第二项可以表示为恒阻抗与电压源的乘积。因此可将式（1）转换成诺顿电路的表现形式，
可得到MMC桥臂诺顿等效电路，如图5所示。
3.2MMC桥臂等效电路的算法
MMC每个桥臂等效为诺顿等效电路，但是每个桥臂的电压和电流在等效过程中均存储在仿真结果中，因此也就保存了每个SM的工作特性，相比传统戴维南简化电路无法获知每个SM特性而言，是重大的改进。由于采用开关电阻等效，仿真时长相比详细建模极大的减小，算法实现如下：
（1）利用式（8）将初始电压代入，根据开关的初始状态，计算出桥臂电流。
（2）根据触发信号状态，调整图4中每个SM的R1i和R2i值：当SM为导通状态，则R1i=Ron，R2i=Roff；当SM为截止状态，则R1i=Roff，R2i=Ron；当SM为启动或故障运行状态，若iarm大于零，且vSMi大于vCi，则等同于SM导通状态，若iarm和vSMi均小于零，则等同于SM截止状态，其余状态均视为R1i=R2i=Roff。
（3）计算图4中通过每个SM电容的电流和端电压：
（4）利用式（2）以及式（3）计算SM戴维南等效电路中的和。
（5）利用式（1）计算每个SM的电压和桥臂的总电压。
（6）利用式（8）-（10）计算MMC每个桥臂诺顿等效电路中的和桥臂电流。
（7）返回步骤1，将此次计算中得到的作为下次计算的初始电压，重复步骤2到7直到仿真结束。
4仿真验证
为了验证本文所提方法的有效性，在EMTP软件中搭建了MMC单极运行的详细建模和诺顿等效仿真模型，两端对称配置，仿真模型如图6所示，以送端为例。即400kV电源经主断路器与YD11降压变压器连接，在于与MMC主电路之间设置涌流抑制断路器BK2限制启动时的充电电流，与其并联的电阻设置为1000Ω，待稳定后合上断路器BK2短接限流电阻。送端MMC经70km直流电缆输送到受端，并在受端电源处设置三相对地短路故障。总仿真时长为3s，运行1.5后发生故障，持续0.2s。
基于诺顿等效的模型在176s后得到运行结果，相比详细建模提高了29倍，送端MMC上下桥臂电容电压在装置启动时和故障时的仿真对比如图7所示。
等效模型在两种工况下的波形与详细模型基本一致，能够正确的反映每个SM的电容运行状态。
篇幅限制，波形比较不全部罗列，上述仿真结果已经能够满足工程对MMC仿真快速性和准确性的要求。大幅度提高了MMC的仿真速度，仿真结果误差小。
5结语
本文基于诺顿等效电路，提出和实现了一种MMC电磁暂态建模方法，算法实现简单易于实现。仿真算法所需的节点数相比传统的戴维南等效建模方法更少，在仿真速度上相比SM详细建模建立的MMC模型提高了29倍，同时还解决了传统的戴维南等效建模方法无法正确反映各SM工作状态的难题，仿真结果准确。本文所提出的模型更具有工程实用意义，为实际中MMC的运行、保护整定和参数设定提供了研究平台，为MMC的推广应用奠定了良好基础。
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收稿日期：2016-09-05
【关键词】城市轨道交通；供电系统；仿真
1.引言
城市轨道交通供电系统一般由外部电源、主变电所（或电源开闭所）、中压环网、牵引供电系统、动力照明供电系统、杂散电流防护系统和电力监控系统组成。针对城市轨道交通供电系统仿真分析，目前国内外均有成熟的计算理论和应用软件。本文介绍了城市轨道交通供电系统仿真计算的方法和常用软件，并对各软件的市场应用进行了分析。
2.仿真分析步骤
（1）基础数据获取
基础数据包含如下各种数据[1]：
线路数据：线路长度、车站数量、站间距、坡度、曲线、曲线半径等；
机车数据：启动曲线、制动曲线、速度曲线、时间曲线等；
行车数据：发车对数、编组、负载、运行交路、时间等；
供电系统数据：主所进线短路容量、牵引网额定电压、空载电压、接触网和走行轨单位阻抗等。
（2）牵引计算
牵引计算主要是对列车运行过程进行模拟，计算出不同工况下系统所需要的电能和参数。它是整个设计过程的重点及难点，计算所需基础数据较多、计算方式极其复杂、误差对最后结果影响较大。
（3）供电计算
供电计算是根据牵引计算结果，计算各种工况下系统的电流、电压、容量等，从而作为交流、直流供电系统的设计提供依据。交流系统供电计算已经十分成熟，而直流系统供电计算的发展也趋于完善。现在越来越多的软件将牵引计算和供电计算集成在一起，包括列车运行和牵引供电模型在内的综合仿真软件是发展的趋势。
根据上述计算的结果，可以再进行短路及保护整定计算和设备参数选型，从而完成供电系统的设计。最后根据现场试验反馈，可对计算结果进行确认和核对，必要的时候再做出调整。
3.牵引计算方法
牵引供电计算的基本方法主要有三种[2]：
（1）平均运量法：该方法根据系统中各种电气参数的平均值和有效值进行计算。这种方法广泛的应用于供电臂平均电流、有效电流、平均电压损失和电能损失的计算。它能比较准确的计算出系统的平均负荷，但在计算瞬时值和极值时，结果误差较大、实时性也比较差。
（2）概率统计法：该方法建立在概率论的基础上，利用统计学的原理研究牵引负荷的规律性。城市轨道交通的牵引负荷，就某一时刻某一具体的列车而言，其可能处于取流、惰性或静止的情况，其状态是一个随机变量。但对于全线几十辆列车而言，它们不可能都处于相同的一种状态。概率统计法可以考虑各种复杂情况和各种随机因素，输出信息丰富而全面，获得了较为普遍的应用。
（3）列车运行图法：该方法利用列车运行图和由牵引计算得到的列车电流、功率变化曲线，根据某个时间线路上所有列车的工况建立数学模型，从而确定供电区段内的电气参数和负荷变化规律。该方法能最直接地描述牵引负荷的变化特征，特别是瞬时特征，结果最接近真实情况，但这种方法也最为复杂，随着计算机的不断发展和运用，利用运行图进行牵引供电计算无论从原理还是从今后发展方向考虑，都将得到广泛的应用。
4.仿真分析软件
针对城市轨道交通供电系统仿真分析的软件，绝大多数软件是将交流与直流分开进行。其中交流系统发展成熟，应用软件较多，较著名的有西门子公司的NETOMAC软件。比较成熟的直流牵引供电系统仿真分析软件有德国ELBAS公司的SINANET、德国IFB公司OpenPowerNet、美国Carnegie-Mellon大学的EMM；国内的一些设计院和科研所也自行研发了各自的仿真分析设计软件，此外，部分软件可以做到交直流系统统一仿真计算。其中在国内应用最多的商用软件是SINANET、OpenPowerNet和DCTPS。
（1）SINANET
德国ELBAS公司的牵引供电仿真系统主要包括WEBANET和SINANET，其中WEBANET针对交流牵引供电系统开发。SINANET可以对直流牵引供电系统进行真实有效的动态模拟仿真，其主要功能有：列车的运行仿真和牵引供电设施运行的动态仿真；牵引变电所运营时牵引负荷功率的动态需求；列车运行时受电弓上工作电压的动态分布；牵引供电网络中各电气参数的动态仿真。
（2）OpenPowerNet
OpenPowerNet软件是由德国IFB公司开发的用于轨道交通电气化系统仿真软件，该软件和瑞士Opentrack铁路科技公司网络化轨道交通软件Opentrack构成了轨道交通高密度运营及电气化仿真一体化解决方案。其中Opentrack负责高密度运输网络化运营仿真，包括基础设施、车辆动力学及牵引计算、信号控制以及时刻表设计与模拟分析，OpenPowernet负责在该运营规划和条件下开展网络化牵引供电仿真计算与分析。其在供电系统仿真分析方面的主要功能有[3]：列车牵引分析、列车供电和电流曲线、列车受电弓电压、电气设备的供电和电流特性、接触线电压特性、短路电流等级、接触电压评估的轨对地电位、接触网系统的电流分配、预计的沿线电磁磁场、列车和馈电段的电力和能耗等。OpenPowerNet在国内设计研究院有一定的应用，其软件功能和仿真计算结果不如SINANET准备，且不能进行交流系统仿真，但价格低于SINANET。
（3）DCTPS
西南交通大学研究开发了“城市轨道交通牵引供电仿真分析软件DCTPS”，包含三个模块：改进的列车运行模拟系统，在该系统中主要完成多质点列车运行仿真器的建立；多导体直流牵引供电仿真模块，在该模块中主要进行直流牵引系统稳态短路计算和列车视为电流源或功率源的直流牵引供电仿真；城轨交直流统一的牵引供电仿真系统，在该模块中主要进行交直流统一的牵引供电计算和基于蒙特卡洛模拟的城轨概率潮流。该套软件目前在广州地铁设计研究院、中铁五院参与的部分项目中已有应用。该软件主要特点是用户界面友好、能进行交直流统一仿真，其结果的收敛特性较交直流分开仿真更好[4]。同时该软件可以根据用户需要进行部分功能的定制，相对国外软件价格也更便宜，更适合国内地铁工程的行情。
（4）总结
综上所述，SINANET功能强大，计算结果准确，已成为多家设计院牵引计算的首选。DCTPS可定制程度高，界面友好，能够进行交直流统一仿真，且价格较低，应用也越来越广泛。OpenPowerNet在与Opentrack配合使用的情况下，也可以作为轨道交通牵引供电系统仿真软件的较好选择。
5.结语
由于城市轨道交通供电系统中牵引网一般采用直流系统，所以其仿真分析相比传统电力系统的仿真具有一定的特殊性。随着计算理论和计算机技术的发展，基于运行图法的交直流统一仿真系统将会是一个重要的发展方向。
参考文献：
[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.381
[2]万庆祝，陈建业，王赞基.电气化铁道系统计算机仿真的研究进展[J].机车电传动，2006，（03）.
