（中国人民解放军96630部队 北京 102206）
摘要：本文以液压舵机电控系统为仿真对象，设计相应的液压控制部分，建立电控系统故障模拟训练平台。通过构建各控制环节的单元模块，利用人机交互界面改变模块内部电路的连接关系，模拟电路中元件短路、断路、老化等故障，提高判断故障点及类型；通过故障软件仿真部分，输出故障注入前后的关键节点电压、支路电流理论波形，指导训练人员实际测试过程；
关键词：液压控制人机交互故障仿真
一、研制模拟平台的初步意义
随着计算机技术和微电子技术的广泛使用，大型装备的功能逐渐强大和完善，内部结构也日益复杂。各种装备的电控系统对信号的接收、处理、发送以及装备的运作起到决定性的作用，是系统的重要组成部分，其可靠性对于整个系统发挥效能具有关键的意义。为确保电控系统安全可靠的运行，减小运行期间的故障发生率，对其进行定期的测试、检修和维护是非常必要的。此外，当系统在运行过程中出现突发故障时，及时定位故障位置，采取应急措施，不仅可以挽回大量的经济损失，最重要的是可以避免不必要的人员伤亡。这就对使用人员、维护人员的专业能力、协同能力提出了更高的要求。为此，采用以模拟仿真技术为核心的训练及装备维护系统，能够以较低的代价，取得较好的训练效果，适应了时代发展趋势。
二、研制模拟平台的用途
当前，各种电控系统的复杂程度越来越高，提高相关人员的维护、检修能力面临两个难点。首先，电控系统涉及到的学科越来越广，其中，信号处理、电子技术、自控理论、机电装置等作为基础学科，其重要性不言而喻。这些学科相对独立，体系完整，内容丰厚，任何一门学科的掌握、应用都是十分困难的。其次，“系统”概念的建立是掌握电控系统的另一关键。围绕一个整体目标，才能将系统分解为多个模块，进一步综合利用多学科理论，分析各模块的参数、性能对系统指标的影响。可见，相关人员专业能力的提高，需经过一个“分解—综合”的过程。
针对这种特点，并考虑到通用性，选择液压驱动舵机为控制平台，建立系统控制框图，分析各单元模块功能，提高相关人员利用控制理论基本原理分析系统瞬态、稳态特性的能力；给出各单元模块功能电路，分析电路参数与模块功能，提高相关人员电子技术、信号处理等专业能力。
具体实现上，采用主控计算机与嵌入式控制器的主从模式，设计基于人机交互的故障注入平台框架。编制软件，模拟功能模块正常、故障注入时各关键节点的电气信号，为分析、训练提供理论参考。同时，利用开关矩阵实现硬件故障注入，提供关键节点测试点，通过节点波形分析、判断故障注入类型，从而提高相关人员利用各学科知识分析、解决问题的能力。
三、研制模拟平台的初步方案
为了提高训练人员对电子电路、低压电器、控制理论等关键学科的理解深度、运用能力，增强训练人员实际工作中解决问题的能力，电控系统故障仿真训练平台基本框架如图1所示，系统包括上位机、控制系统和被控对象三部分。
主要工作进行设备的总体设计、软件设计、故障注入硬件设计、 机械装置设计联调等，通过对整体设计思路的把握，对设备进行分解和细化，确定各个连带设备的参数、种类、型号。优化人机界面，确定软件的实施性和对故障类型选择操作的针对性。
（一）上位机设计
正常工作状态下，上位机将控制权下放电气柜中的控制器，具体操作由触摸屏输入。
故障注入工作状态下，在上位机中选择具体控制对象，以及模拟故障注入类型，并将此类型传递到电气柜中的控制器。另外，调用软件仿真模拟程序，给出在此故障下，相应板卡模块关键节点电压幅值、波形，为实际测试提供指导。
（二）电气柜设计
电气柜包括两部分，上层是接触器、继电器等低压电器部分，下层是嵌入式控制器及电源模块、驱动模块、信号产生电路、信号处理模块、故障注入模块等板卡。图2为PCB板卡及所采用插槽示意图，通过采用这种结构，可实现板卡的灵活替换，有助于加强测试的灵活性。
故障注入工作状态下，嵌入式控制器根据注入故障类型，控制故障注入模块中响应继电器阵列动作，改变故障类型对应模块的电路连接，实现故障注入。为安全起见，在故障模拟状态下，各激励信号、反馈信号由信号产生电路输出，各控制对象不配电。
（三）控制对象确定
控制对象可选用液压舵机及气动机械手。本训练平台拟采用不同的控制方案，从而构造不同的电路模块。液压部分采用数字液压元件构建液路部分，利用数字信号控制、驱动步进电机实现舵机摆角、摆速的调整。气动部分采用模拟气动阀构建气路部分，利用模拟信号控制、驱动伺服阀实现气动机械手的动作。
四、研制模拟训练平台需达到的目的
通过对各低压电器的操作，掌握各低压电器的原理、控制方法；掌握电气设备安全保护技术；掌握电器安装技术；了解电气控制柜工艺标准。
通过模拟舵机控制系统功能，掌握闭环控制系统建模技术，理解系统稳定性、响应速度等指标判断方法，理解各单元功能及实现方案，掌握基本电路原理。
通过控制电磁阀开关动作，了解电磁阀分类、原理及选型方法，驱动系统工作原理及控制方法。
通过本装置，可以较系统的培训受训人员在模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术及控制理论方法的基础知识，提高受训人员故障排查能力，基本仪表使用能力。
参考文献：
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[4]陈冰，鲁刚，冯建呈，王宏伟.基于spice3f5的模拟电路故障仿真技术[J].海军工程大学学报，2014，03：80-85.
论文作者:路廷镇,薛海峰,李伟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/12/2
标签：故障论文; 系统论文; 模块论文; 电路论文; 舵机论文; 人员论文; 能力论文; 《电力设备》2016年第18期论文;