数控编程系统HPAC-MWorks.Sysplorer联合仿真

HPAC是华中科技大学数控中心的IEC61131-3编程系统，可将工控标准模型化代码编译下载到H842、H812等系列国产总线型PAC控制器上，满足工业现场在逻辑、运动、安全、HMI、信息化等方面的综合控制需求。

MWorks.Sysplorer是同元软控完全自主研发的系统仿真验证软件，可用Modelica语言对机械、电气、液压、控制、热、磁等多领域物理系统进行建模仿真计算。

IEC61131-3和Modelica分别是工控领域和工程学领域的国际标准，可以说没有IEC61131-3控制不了的设备，没有Modelica构建不了的物理系统，两者的有效结合可为工学带来巨大变革。

本文利用HPAC调用MWorks.Sysplorer的远程函数接口（用MWorks.Sysplorer模拟铁芯磁通量变化产生感应电流的物理过程，通过HPAC控制电源参数并获得MWorks.Sysplorer计算的感应电流），实现了二者的联合仿真。

方案

1.目的

验证HPAC和MWorks.Sysplorer的联合仿真技术方案：在MWorks.Sysplorer中搭建仿真模型，在HPAC中通过外部函数控制仿真模型的部分参数并可以获取到MWorks.Sysplorer仿真运行的结果，通过实验验证该方案的可行性和稳定性。

2.思路

借鉴电磁转换的案例，在MWorks.Sysplorer中电压源模型采用正弦信号源。在HPAC中采用RBUF_READ和RBUF_WRITE功能块来进行数据的读取和写入。在MWorks.Sysplorer中此正弦信号源的参数（频率、相位和振幅）通过RBUF_READ获取HPAC数据，并将仿真结果数据通过RBUF_WRITE功能块写入到HPAC中。在HPAC中正好相反，是将此正弦信号源的参数（频率、相位和振幅）通过RBUF_WRITE写入到MWorks.Sysplorer中，并将仿真结果数据通过RBUF_READ功能块读取到HPAC中。

HPAC → MWorks.Sysplorer		MWorks.Sysplorer→  HPAC
参数	地址	参数	地址
正弦信号频率	10	信号电源电压	97
正弦信号相位	11	电磁仿真后感应电压	98
正弦信号振幅	12	电磁仿真后感应电流	99

本方案引用标准模型库中的电磁模型SaturatedInductor，该模型所采用的电磁转换原理可在MWorks.Sysplorer中左侧模型浏览器查阅，即找到“Modelica.Magnetic.FluxTubes.Examples.SaturatedInductor”并选中，右击 “→” 查看文档，本案例在原有模型基础上进行删减，右侧只留一个恒定磁阻。

3.效果

在HPAC中将正弦信号的频率、相位和振幅传输给MWorks.Sysplorer，MWorks.Sys-plorer根据接收到的信息产生相应的正弦信号，并以此作为电源参数进行电磁仿真。此时，可以在HPAC中看到电磁转换后的感应电压、感应电流等。

当在HPAC中更改参数值时，由这些参数所确定的正弦交变电流幅值/频率也随之发生变化（即电动势u1、闭合电路中的电流i1、铁芯线圈磁通量发生变化），从而引起右侧线圈的磁通量Φ发生变化，产生感应电动势，并在右侧电路中产生感应电流i2。例如，在HPAC中将频率由1Hz改到2Hz，我们可以在MWorks.Sysplorer中看到电源信号频率随之改变，导致磁通量变化，从而引起感应电压和感应电流频率改变。

本方案整体运行流程如下：

过程

本方案分为HPAC工程和MWorks.Sysplorer工程两部分。首先，在HPAC工程中增加关于MWorks.Sysplorer仿真源参数，添加三个输入变量（如图中1框所示）和三个输出变量（如图中2框所示），在main_fbd中分别为电源的频率、相位和振幅；接着，将三个参数分别对应RBUF_WRITE的地址10、11、12中；增加三个从MWorks.Sysplorer读取的变量电源电压、线圈感应电压和线圈感应电流，分别对应RBUF_READ的地址97、98、99。

其次MWorks.Sysplorer工程在《HZPAC-MWorks.Sysplorer(Windows)数据交互》文档中的案例基础上补充修改。（MWorks.Sysplorer建模步骤参考工具→帮助→建模）

该文档介绍了关于ExternFunc包下ReadRbuf、WriteRbuf、ReadN、WriteN函数的作用及使用方法。其中，ReadRbuf函数用于从内存中一次读取数组，ReadN函数用于读取数组单个元素，WriteRbuf函数用于写入数组到内存中，WriteN函数用于数组单个元素的写入。文档中的案例模型直接打开“TestExternFuncUseDll”，文本视图显示如下：

本方案在上述案例中补充电磁仿真部分：打开MWorks.Sysplorer中的电磁转换案例，在 Modelica  >  Magnetic  >  FluxTubes > Examples > SaturatedInductor 打开模型案例，切换到图形视图，将图形全选并复制。

打开模型TestExternFuncUseDll，切换到图形视图，将上述复制的图形粘贴。

将模型右侧删减，只用一个磁阻形成闭合回路，删减后模型如下：

切换到文本视图，保存后单击检查，在输出框中看到模型中存在的错误位置和类型，将所需内容导入该模型中。

例如，提示在模型文本的13行存在组件引用pi查找不到的错误，在模型浏览器中搜索pi，用import将其导入模型中，保存后再次检查确认错误消除。

原电磁仿真案例中所采用的是正弦电压源，为实现由外部函数传输的功能，将原案例中的正弦电压源替换为信号电源SignalVoltage，该信号电源可以调用正弦信号，正弦信号的参数可通过外部函数传输来的变量进行控制。

具体方法如下：

打开MWorks.Sysplorer中的电磁转换案例，将其中正弦电源切换为

“Modelica.Electrical.Analog.Sources.SignalVoltage”信号电源，便于输入信号的设定。

菜单栏建模→快速新建→block新建一个正弦信号发生器sineSig，填写模型、描述等，插入到文件夹的根目录。

将Modelica.Blocks.Sources.Sine的图形或文本全部内容复制进sineSig中，利用已有的框架进行编辑。

将模型TestExternFuncUseDll中关于读数据的部分复制到sineSig中，并添加读取外部函数部分，从外部函数读取电压源信号的频率、相位和振幅。

信号源输出y(x)函数中，将从外部读取的三个变量频率、相位和振幅readfreqHz、readphase和readamplitude替代原等式中的freqHz、phase和amplitude，从而实现外部函数读取的变量控制仿真电源信号。

打开模型TestExternFunUseDll，并切换到编辑→图形视图，从左侧用户模型窗口中将刚建立的电源信号sineSig鼠标左键按下并拖入图形视图，并将其输出与SignalVoltage的输入连接，检查模型，消除提示的错误。

线圈感应电流与电压在模型组件的coil下，将这两个数据传输到HPAC中。在模型中以下位置分别给地址97、98和99写入SignalVoltage.v、coil.v和coil.i参数值，也可将仿真完成后的其他参数传输给一个地址。在MWorks.Sysplorer模型的文本视图中参数回传部分编写如下：

在仿真→仿真设置→模式中选择实时同步仿真，在常规中设置仿真开始时间、结束时间、步长。

测试

在HPAC中点击构建→连接→传输→运行，接着在MWorks.Sysplorer中点击仿真→仿真（参考工具→帮助→仿真，如下图1框所示），点击曲线按钮（如下图2框所示），并在左侧仿真浏览器中选择SignalVoltage下的v（如下图3框所示）；再单击曲线按钮，弹出新的曲线窗口，在模型浏览器中选择coil.v和coil.i（如下图4、5框所示），即可观测由电源电压、电源电压频率变化引起的磁通变化而产生的感应电压、感应电流变化曲线。

如图，横坐标在67s左右时，HPAC端频率从1Hz变为2Hz，后续的电源电压、感应电压、感应电流的幅值、频率等也随之发生变化。

在HPAC中RBUF_READ对应的97、98、99地址的输出分别双击可观测变量曲线。在RBUF_WRITE对应的地址10的变量频率freqHz的值由原来的1Hz修改为2Hz后，可观测到电源电压、感应电压和感应电流的频率幅值等也随之改变。

基于模型的开发（MBD）或V流程是汽车电控等复杂控制软件的常规流程，具体包括以下几个步骤：

1.将复杂控制问题转换为可视化的控制模型，通过模型在环（MIL）测试；

2.将模型生成C语言的控制系统软件并下载到控制器中，通过软件在环（SIL）测试；

3.在试验台架上将控制器组成控制系统驱动实际被控对象，通过硬件在环（HIL）测试；

4.控制系统加固和产品化完成产品集成测试。

经研究，HPAC和MWorks.Sysplorer可以构建一套完整的、普遍适用的工业MBD环境。本案例详细介绍了模型在环（MIL）测试的整个过程。在后续的研究中，还可以通过HPAC将开发好的控制模型直接生成控制代码并下载到控制器主站IPC上，通过网络通信与MWorks.Sysplorer进行联合仿真，从而实现软件在环（SIL）测试。最终，IPC通过EtherCAT带上其他的数字模拟脉冲形成的控制系统，驱动试验台架，这就实现了硬件在环（HIL）测试。

综上所述，基于HPAC和MWorks.Sysplorer实现的联合仿真为复杂控制系统的MBD开发提供了国产化解决方案。

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* 本篇文章由华中科技大学数控中心王晓宇老师团队供稿，特此鸣谢。