仿真模拟软件范文
仿真模拟软件范文（精选12篇）
仿真模拟软件 第1篇
当前，对复杂及复杂适应系统的研究是系统科学这门学科的热点。国际上，有关复杂系统的系统科学研究可分为三个主要学派：“欧洲学派”以非线性自组织理论为核心内容的系统理论(系统元素为无机物，源于物理、化学系统);“美国学派”以圣菲研究所(SFI)为代表的理论框架(系统元素为有机物，具主动性，源于生物系统);“中国学派”以开放的复杂巨系统理论为核心的体系(系统元素为“人”，源于大工程协作系统)。其实，这三个主要学派的主要区别只是从系统的不同层次为出发点去把握系统的性质和规律;它们的共同点可认为是要从整体上去认识问题和解决问题，对系统的许多性质，部分和的累加并不一定等于整体，整体很可能大于部分和，由于涌现性，整体会出现一些任一部分所不曾拥有的新性质。
由于现实系统的广泛性、多样性和复杂性，如果直接对系统进行观测、实验和研究，可能会对真实系统造成破坏性影响而且可重复性很可能也差，或者用真实系统试验时间过长，或费用太昂贵。对于工程系统，在系统建立之前需要对其结构、行为特性开展研究，但真实系统尚不存在。这些情况下，系统的模拟仿真是唯一可行的研究手段。
1 系统模拟仿真课程的教学目的
系统模拟仿真课程的教学目的为：培养学生科学分析和解决各类学科中出现的一般复杂系统问题的能力，掌握多种解决各种复杂系统问题的研究、设计与分析方法。通过本课程的教学，希望学生能了解系统模型的形式化描述;掌握连续系统的时域与频域建模仿真方法：龙格-库塔法、线性多步法、离散相似法、替换法、根匹配法等;了解离散事件系统的一般概念和离散事件系统的建模工具Petri网，掌握经典的离散事件系统：单服务台与多服务台排队系统，库存系统等的仿真方法;掌握离散事件系统的仿真输出数据的分析方法;了解现代仿真技术虚拟现实技术的一般概念、分析建模方法和和基于Agent的的建模方法及Swarm仿真和分布建模仿真。
系统科学专业硕士点的设立是为了满足国家和广西的经济和社会发展的需要，旨在培养高层次的复合型研究与管理人才。系统科学专业硕士点有两个专业：系统理论和系统分析与集成，其中系统理论专业从2004年起开始面向全国招生，系统分析与集成专业从2006年起招生。系统模拟仿真课程是系统科学专业硕士生的必修课程，本人从2006年起到目前为止连续5年担任了本门课程的任课教师，在此对这几年的教学实践作些总结，以图对本课程后续的教学水平的提高和教学效果的完善能有所帮助。
2 课程基础建设
专业课程与选修课程的组成，不同课程的先后安排和教材的选择对教学目的之达成与教学效果之提高至关重要。系统模拟仿真课程的先修课程为：控制理论，概率统计，至少一种通用程序设计语言(如：C/C++程序设计语言和Matlab编程语言)。这几年教学过程中的有些学期，在本课程刚开始时，有些学生反映从未接触过其中一门或两门先修课程,应学生的要求，用一、两次课程的时间介绍相应课程，解释其中的重要内容，并鼓励学生自学相应课程，难懂之处同学之间互相探讨，并及时向老师请教。教材选择的是美国多家高校系统仿真类课程普遍采用的，由清华大学出版社出版的原版影印英文教材[1]。该教材着眼于离散事件系统仿真的原理和方法学的阐述，基本概念通过实例加以阐述展开，对仿真方法、技术谈论深入，对新技术发展方向描述明确。该教材以C/C++和Fortran为仿真算法的主要编程语言。
开始的连续2年只使用该教材进行教学，有些学生反应跟不上教学进度，仔细了解，跟不上的原因是难以完全读懂教材中的英文内容和从未学过C/C++和Fortran语言。为让每位学生都能掌握好基本仿真方法、技术而又不失去对仿真前沿研究的了解，后增加系统科学与系统的一般理论及其工程应用[2]的介绍，连续系统仿真原理[3]的介绍和较容易编程实现的仿真实例教学[4]。作业与考试方式、频次的安排设置对加强学生的学习动力和提高学习效果起着极大的作用，除了常规作业和期末考试外，增加了每学期每位学生上讲台讲解至少30分钟提前布置的、要求学生课后完成的仿真建模实例小作业并接着深入讨论。还安排了学期结束时应完成的较复杂的系统仿真编程大作业，并撰写一份系统仿真应用的研究报告。
3 提高教学效果的措施
3.1 加强仿真原理教学
现代仿真是基于计算机、利用合适的算法通过模型(物理的或数学的)以代替实际系统进行实验和研究的一门学科和实验技术。仿真过程中系统、模型与计算机(包括软、硬件)的关系如图1所示。这里模型通常是指数学模型。常用的数学模型[5]有：初等模型、确定性连续模型、确定性离散模型和随机模型。如该图所示，系统建模、仿真建模和仿真实验为系统仿真的三个基本活动。
系统的模型是实际系统的简化或抽象，分物理模型与数学模型。系统模型的形式化描述一般可表述为：
其中：T时间基，其若为整数，则系统S为离散系统，若为实数，则系统S为连续系统;U输入集，U奂Rn,n∈I+;Ω输入段集，某时间内的输入模式，是(U,T)的子集;X系统状态集，是系统内部结构状态建模的核心;Y系统输出集;δ系统状态转移函数;f系统输出函数,可表达为：f:XUTY。
实际建模时，模型描述的详细程度可用如下3个水平来表示：(1)行为水平，只知系统的输入输出，系统被视为“黑箱”;(2)分解结构水平，系统输入输出及结构组成已知，系统被视为多个简单“黑箱”的组合;(3)状态结构水平，系统的输入输出，内部状态及转移函数皆为已知。要全面了解仿真过程的核心内容，需要较全面的数学知识、计算方法知识和编程语言知识。
由图1可知，系统仿真的第1步是建立系统的数学模型。虽然另有一门课程《数学模型》(或称《数学建模》)(应用数学专业课程)专门介绍个各种数学建模方法，如不特别介绍，本专业学生或许不知有该课程的存在。在建立好系统数学模型的基础上，可能需要利用《计算方法》中的专门知识，基于学生熟悉的编程语言(Fortran,C/C++,C#或Matlab等)，如学生对任一编程语言都不了解，推荐学生优先选择较容易入门且有大量编程工具箱可资利用的Matlab编程语言，把数学模型转化为计算机算法程序，得到仿真模型。在设置好各可调参数条件下运行仿真模型(即仿真算法程序)，即可得到一系列的输出，这些输出要进行各种分析[1]，如条件允许，并应该与实际系统的相应数据作对比分析。
3.2 引导学生扩展知识面
仿真技术广泛应用于工程领域--机械、航空、电力、冶金、化工、电子等方面，和非工程领域――交通管理、生产调度、库存控制、生态环境以及社会经济等方面。几乎渗透于每一个需要计算的领域和学科，相关文献十分丰富。许多学术期刊都刊登有系统模拟仿真方面的研究论文，其中系统科学领域的期刊，尤其值得同学们去了解和学习，以扩展知识面和了解建模仿真方面的前沿研究。
应该特别留意的期刊有：中科院数学与系统科学研究院期刊学会(http://www.chinamath.cn/)主办的《系统科学与数学》(中)，《系统科学与复杂性》(英)和《系统工程理论与实践》，中国系统仿真学会与航天科工集团706所主办的《系统仿真学报》，美国伊利诺伊大学复杂系统研究中心主办的《复杂系统》，美国UL控制与系统工程学会和弗罗茨瓦夫理工大学主办的《系统科学》，IEEE的《智能系统》，圣菲研究所的《复杂系统学报》等。
每年都有多次由不同机构发起、在不同国家举办的有关系统仿真的国际学术会议。通过各个级别的系统科学学会或系统仿真学会网站，或直接通过搜索引擎(如http://www.google.cn,http://www.baidu.com)可检索到最近举办过的系统仿真会议介绍或论文，以及即将举办的系统仿真会议的地点、时间和投稿须知，如：国际系统科学学会(International Society for the Systems Sciences,ISSS)网站上http://isss.org/world/index.php有当年的年度会议信息和最近几年的会议资料。
3.3 以仿真实例教学为教学重点以提高学生的实际分析问题和解决问题的能力
课堂上详细讲解一些较简单的系统问题的仿真实例，可以使学生逐步明确并不断加深对建模仿真整个流程的理解：从分析系统结构或行为导出系统的数学模型，再根据所导出的数学模型使用某种编程工具实现仿真建模，形成相应的仿真算法程序，最后运行仿真算法程序，分析结果并与实际系统相应数据对比。
编程工具的介绍也要兼顾学习效率和算法理解彻底性，教学过程中发现如只介绍通用编程语言(如C/C++)实现仿真算法程序，学生表示是可以彻底理解所讨论问题的算法及代码;但过后一段时间，再面对类似但稍微复杂些的问题，学生就显得有些不知如何下手改写原来的程序以解决当前的问题。而如使用Matlab.m源码文件实现仿真代码，学生基本能正确改写程序。如使用更高抽象层上的Simulink模型实现仿真，学生可以轻松解决类似新问题。现在采用初次碰到典型案例问题时，采用C语言实现仿真算法，再次碰到类似问题时使用Matlab.m源码，更多的或更复杂的仿真案例，则采用Simulink构建仿真模型。
所选择的仿真实例兼顾确定与随机系统，连续与离散系统。所列举过的离散随机系统有：单服务员排队系统(M/M/1)和多服务员排队系统(M/M/N)的仿真;多工作站排队系统的仿真;采用不同排队策略的银行排队系统仿真。列举过的连续确定系统有:机构运动仿真;传染病感染传播仿真;森林救火策略仿真;战斗减员仿真;游击战策略仿真;香烟有害物质进入人体体内的累积量仿真以及生物种群规模涨落(Volterra模型)仿真等。
下面以机构运动仿真和战斗减员仿真为例，对建模仿真的整个过程进行简要描述：
仿真实例一.曲柄滑块机构的运动学仿真:
对图示单缸四冲程发动机中常见的曲柄滑块机构进行运动学仿真。已知连杆长度：r2=0.1m,r3=0.4m，连杆的转速：，设曲柄r2以匀速旋转，ω2=50r/s。初始条件：θ2=θ3=0。仿真以ω2为输入，计算ω3和，仿真时间0.5s。
利用Simulink建模如下：
模块程序运行过程中自动显示如图4所示动画。
所求仿真时间0.5s内和ω3的变化图像如图5。
仿真实例二.战斗减员问题仿真:
该战争模型只考虑双方兵力的多少和战斗力的强弱。假设：(1)用x(t)和y(t)表示甲乙交战双方时刻t的兵力，不妨视为双方的士兵人数;(2)每一方的战斗减员率取决于双方的兵力和战斗力，用f和g表示;(3)现只对甲方进行分析。甲方士兵公开活动，处于乙方的每一个士兵的监视和杀伤范围之内，一旦甲方某个士兵被杀伤，乙方的火力立即集中在其余士兵身上，所以甲方的战斗减员率只与乙方兵力有关，可以简单地设f与y成正比，即f=ay。a表示乙方平均每个士兵对甲方士兵的杀伤率(单位时间的杀伤数)，称乙方的战斗有效系数。a可以进一步分解为a=rypy，其中ry是乙方的射击率(每个士兵单位时间的射击次数)，py是每次射击的命中率。由这些假设可得本问题的连续时间模型(方程):
又设系统输入为甲乙方的射击率rx,ry，每次射击的命中率px,py，双方初始兵力x0,y0。系统输出为哪一方获胜以及获胜时的剩余兵力。要求有输入、输出界面及仿真过程。如何对微分方程进行求解，并判断哪一方获胜是本问题仿真的关键。
使用GUIDE(图形用户接口开发环境)接口实现以上简单的一阶微分方程。
调入该模型程序，按F5运行，出现如图6所示界面。
在界面中输入参数，点击“执行仿真计算”按钮，就会在结果栏中显示哪一方获胜，及其剩余人数。
设甲乙双方射击率都为0.03，初始兵力都为1000，每次射击的命中率分别为0.023和0.026。执行仿真计算后可知是“乙方获胜”，剩余兵力为339。如图7所示。
4 总结
努力加强系统仿真原理教学，以较简单的经典系统建模实例的仿真模型的建立为依托，让学生在仿真实例的课堂教学中逐步明确并不断加深对建模仿真整个流程的理解。仿真技术广泛应用于工程领域和非工程领域，相关文献十分丰富，涵盖面十分广阔的，而课堂教学的课时十分有限。如果我们把系统模拟与仿真这门学科比作是一片森林，文献可看作是其中的树木，仿真的实际应用则可看作生活于森林中的动物，当然动物也依赖于这片森林的邻域森林(其他学科)。课堂教学只是带学生来到这片森林边沿，仿真原理、理论教学是引导学生仔细观察了眼前的树木，而课堂仿真实例教学则是与学生一起欣赏了树枝上美丽的小鸟。对这片森林更深入的了解需要学生自己出发去跋涉的、去游历、去探索、去欣赏。当然，带学生到这片森林应该先哪个边沿，才能让学生对这片森林有准确的了解并迅速喜欢上这片森林，需要带领者对这片森林整体的和更准确的了解，也需要到过这片森林的同学们的意见反馈。
摘要：该文简要叙述了系统的一般概念和各种系统理论,以及系统模拟与仿真对系统研究的必要性。阐述了系统模拟与仿真课程的教学目的与主要内容。并表述了本人在这门课程教学中的一些体会。重点探讨了课程教学中的所列举的部分主要的仿真实例的问题分析、建立数学模型、编制仿真程序、运行程序并分析结果等仿真试验的整个过程。最后,论述了已经采用的应可提高教学效果的几项措施:加强仿真原理教学;引导学生扩展知识面;实现多项所给出的典型问题的仿真编程试验并分析仿真结果为教学重点。
关键词：系统模拟与仿真,课程教学,实例演示
参考文献
[1]Law A M.Simulation Modeling and Analysis[M].北京:清华出版社,2000.
[2]许国志.系统科学与工程研究[M].上海:上海科学技术出版社,2001.
[3]肖田元.系统仿真导论[M].北京:清华大学出版社,2001.
[4]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.
机电仿真软件介绍 第2篇
一、学习模式：
1、课件内容学习：机电一体化概述检测与传感器步进及伺服电机机械传动，控制系统，接口技术，伺服系统
2、元器件（电器和仪表）学习：70多个电气、仪表3D模型及性能参数，关键机电器件提供爆炸图展示：
A电气：控制盘柜、直流电源、单相交流电源、三相交流电源、保险丝、单排空开、双排空开、三排空开、蓝色钮子开关、红色钮子开关、绿色方形按钮、红色方形按钮、常闭按钮、常开按钮、转换开关、旋转开关、行程开关、三菱交流接触器西门子交流接触器、交流接触器、变压器、开关电源、热继、电机、电抗、电流互感器、电流表、东元TECO变频器、伟创变频器、3色灯、指示灯-红、指示灯-黄、指示灯-蓝、接地端子、魏德米勒接线端子、接线端子、盘柜风扇、电笔等
B仪表和元件：PLC、中间继电器、时间继电器，带底座时间继电器、调节阀、气压阀、截止阀，蝶阀、针型阀、单线圈电磁阀、双线圈电磁阀，智能式变送器、亚德客接近开关、接近开关PNP，接近开关NPN朗鸿接近开关、压力表、单减压过滤器、减压过滤器
二、仿真接线：
学生参照老师设定的电气原理图，从元器件库中拖入对应的3D元器件到元器件库中，按电路图要求，进行命名，参数设置，接线，系统会进行操作计时，提交后系统对操作结果进行检测判断。
7个机电典型电路接线自动判断检测功能：自耦降压起动，双重互锁正反转控制，时间继电器控制，生产机械行程控制电路，具有过载保护的正转控制，接触器星形三角形控制，接触器控制的双速电动机调速电路。
三、PLC编程：仿真三菱（FX2N系列）PLC编程，通过编辑工具，可编辑修改或载入PLC程序，PLC程序能够进行仿真运行，运行时具有输入输出状态指示。支持PLC程序与指令表间切换，支持PLC信息状态仿真测试
四、理论考核：
1、试卷管理：老师可对考场进行管理、试卷编辑和试卷审核，可以从题库里自由选择各类型题目，设置分数，并组成试卷，在指定的时间和考场对指定的学员进行考试。最后对学生提交的试卷进行自动评分，并对试卷考核结果进行综合分析。
2、题库管理题型包括填空题、单选题、多选题、判断题、问答题和实验题，老师可以导入或导出各种题型的题目，或者直接在平台上进行添加。并对各个题型进行归类。
3、自我考核：
浅谈数控教学中模拟仿真软件的应用 第3篇
计算机模拟仿真就是应用计算机技术及其仿真软件，对数控机床整个操作加工过程进行模仿操作的一门新技术。这项技术应用于实操训练后，大大缓解了实习工位少的压力，提高了实习效率。当然，这项技术带给数控实习教学更多便利的同时，也暴露出了一些局限性和不足。下面笔者就此项技术在实习教学过程中的应用，谈一谈自己的体会。
一、数控模拟软件教学的特点
1.节约性
运用计算机模拟仿真进行数控实习教学，可以为学校节约大量的实习经费。如果要建立一个满足30人实习的数控车床实习场地，且每台车床安排两名学生实习，就需要15台数控车床，每台数控车床以12万元计算就需要投资180万。采用模拟仿真进行实习教学，同样满足30人实习，且一人一岗需30台计算机，若每台4千元则只需12万元，资金投入相差十五倍。另外，如果是在机床上实际加工来掌握这种能力，除了机床的折旧与磨损之外还有刀具与材料的消耗，这也是一笔不小的资金投入；而在软件上没有上述消耗，却可以重复加工，反复训练，并且能收到很好的教学效果。
2.直观性
计算机模拟仿真可以模拟近似真实的现场环境。学生的实操过程和编程指令以及走刀路线都能在模拟仿真中体现出来。学生可以直观地看到自己的加工工艺和加工方法正确与否，特别对于实习很难演示、教师口头很难讲授的内容，通过模拟的形式直观生动地表现出来，加深了学生的印象，达到了很好的教学目的。例如，在数控车削教学中，针对圆弧插补指令G02和G03的应用与区别，通过仿真模拟，学生可以清楚地看到圆弧加工情况，从而更好地理解和应用了G02与G03指令。
3.趣味性
由于模拟仿真的直观演示，学生有身临其境的感觉。计算机本身对学生就具有很强的吸引力，通过软件又能进行各种内容、各种形式的仿真训练，学生可以通过模拟仿真加工出日常生活中常见的酒杯、宝塔等多种形状的实体，满足了学生的探索欲望，大大提高了学生的学习兴趣和积极性。
4.安全性
采用模拟仿真可以避免事故的发生。即使操作不当或指令使用错误，则电脑会给出提示，或者得到错误的结果，也不会对学生造成伤害。例如，在设置参考点时，如果刀架靠工件过近，学生就可以在仿真过程中看到转刀架时刀具碰撞工件的现象，如果在实际操作中出现此情况，则设备不但受损还可能造成人身伤害。可见，采用模拟仿真，可以避免在数控机床上由于学生操作失误而造成的自身和设备的危害，消除或减少学生的紧张情绪和害怕心理，学生的安全以及设备的安全都得到了极大的保证。
5.灵活性
学生在模拟仿真中操作，安全得到保证，就可以大胆尝试多种选择。学生可以进行各种内容、各种形式的仿真训练，不受时间、空间和设备条件的限制，能够满足不同类型学生的不同学习要求，解决了课堂教学内容单一、不能适应所有学生学习的问题。另外，可以设计出实际工作中可能发生的事故和故障。例如，在程序中忘记输入M03指令，那么，在模拟仿真中软件，就会给出提示：刀具与工件发生碰撞，而在实操中碰撞事故就会发生。通过这样的训练，学生得到了岗位技能的全面训练。
二、充分认识存在的不足
教学中，应用了模拟仿真软件，是不是就不用在机床上实际操作，而由它完全代替呢？答案是否定的。模拟仿真虽得到了广泛的应用，但也存在一定的局限性。如果没有充分地认识到这些局限性，将会给数控教学和学生的实训带来严重的影响，所以需要高度的重视。
1.反映问题不全面
在实际加工中出现问题，而仿真软件没有反映出来。例如，进给量和切削深度过大时，仿真软件也能正常加工，并且不报警，但是一般数控机床是不能在这样的情况下工作的，会给学生造成错误的理解，如果照此进行实操就会造成严重的后果。所以，要求学生掌握较为扎实的加工工艺知识。只有掌握了较为扎实的加工工艺知识，才能理解仿真软件仿真过程中的不全面性。
2.学生容易产生自满情绪
学生通过几道编写的程序进行仿真模拟，自认为已经学会了数控加工，但实际上还有很大差距。这样，容易滋生学生的自满情绪，夜郎自大，从而放松学习，不求甚解。所以，在用数控仿真软件进行教学和模拟训练时，要用实训时的要求进行训练，帮助学生养成实际操作时的良好习惯。
3.学生容易养成实操中不细心的毛病
在模拟仿真中操作很安全，出现错误甚至很大的事故都不会造成人身伤亡和设备损坏，可以重新开始，这会造成学生麻痹大意的心理。学生一旦把这种心理带到实习操作中去，极易产生设备和人身安全事故。所以，在模拟仿真过程中，一定要培养学生认真细心的态度。
三、模拟仿真与实际操作应相辅相成
数控模拟仿真软件的应用，能提高数控教学的效率，但绝对不能脱离实际操作，两者应相辅相成。
模拟仿真软件不但可以应用到数控实习教学当中，还可以应用到数控理论教学中。实习教学中，在软件上可以重复加工、反复训练，只需要进行一两次实际操作就能达到事半功倍的效果。可见，在数控实习教学中，适当应用仿真软件是一种行之有效的方法。理论教学中，软件仿真模拟加工作为一种图文并茂的教学方法，具有立竿见影的效果，在教学中能起到激发学生学习兴趣、提高教学效果的作用。但是，数控教学不能完全依赖仿真软件，必须合理利用仿真软件，绝不能完全用它来代替实习训练。在充分利用仿真软件模拟操作的同时，一定要保证实际操作地位的权威性。随着仿真软件的较快发展，模拟仿真技术越来越高，但两者之间始终存在差距，不能混为一谈，更不能相互替代。
总之，不能把数控模拟仿真软件的仿真加工作为理想的、真实的加工过程来认识，在教学中必须与实践操作相结合，才能发挥它在数控教学过程中的作用，提高教学效率，收到良好的教学效果。
仿真模拟软件 第4篇
包装是产品的最后一道加工工序,标志着生产的完成。同时,在完成包装后,产品便具有了物流能力,标志着物流的开始。在整个物流过程中,包装可以起到保护产品和促进物流的作用,从这个意义来讲,包装对物流有决定性的作用。
图1所反映的是某企业的产品包装系统,该企业生产的两种产品A和B是由不同的生产线生产的,在进行包装之前,需要进行检测,通过检测的产品才能进行包装。
产品A是由一条生产线所生产的,到达该包装系统的间隔时间服从均值为5的指数分布(所有时间单位为分钟),每个批次只有一件产品,其第一件产品进入该包装系统的时间为0时刻。
产品B是由另一条生产线所生产的,它以每批4件的方式成批进入该包装系统。批量的到达间隔时间服从均值为30的指数分布,第一批产品进入该包装系统的时间也为0时刻。产品A和产品B进入该系统后,在同一地方接受两个检测人员中的一个的检测。产品A的检测时间服从三角分布TRIA(1,4,8),而产品B到达检测区域时,被分解为4个单件产品后分别进行处理,每件产品的检测时间服从三角分布TRIA(3,5,10)。在检测过程中,有91%的产品能顺利通过(产品能否通过检测与其他产品通过与否无关),并被立即送往包装区域进行下一步操作;而有9%的产品没能通过检测,则被送往另一个区域,接受此处的一个工作人员的重新检测,在重新检测中,仍有20%的产品不能通过检测,它们将被直接送往废品区,而通过重新检测的产品将会送往包装区域,进行下一步操作,无论产品能不能通过重新检测,也不管是产品A还是产品B,每件产品在此区域的检测时间服从均值为45的指数分布。
在包装区域,只有一个工人在此工作。对于进入此区域的产品,先选择合适的包装材料,然后将产品放置在包装材料中并进行必要的防振和固定处理。所有这些操作的处理时间因产品不同而异:对产品A的操作服从三角分布TRIA(1,3,4),而对产品B的操作服从韦布尔分布WEIB(2.5,5.3)。在包装结束后,产品将进入成品仓库储存,准备送往客户。
另外,如果产品在进入检测、重新检测和包装区域的时候,如果该区域有工作人员空闲,那么这些产品将会立即得到相应的处理;如果该区域的工作人员繁忙,那么这些产品就会排队等待,形成一个先到先服务的队列(First in firt out)。
对上述系统建立仿真模型,并将模型运行一天,即24小时,统计以下指标:
①每个区域的工作人员的繁忙程度,即繁忙时间占总时间的百分比。
②每个区域的平均与最大排队等待的产品数量。
③每个区域排队等待的产品的平均与最大的排队等待时间。
④产品A和产品B分别进入废品区和成品仓库的数量。
2 建模步骤
2.1 根据系统描述,作出该产品包装系统的流程图
在对一个物流系统建模之前,一定要明确该系统的流程,第一个环节是什么?第二个环节又是什么?每个环节之间的关系又是什么?如果不能够清晰地理清系统的流程,那仿真模型是不可能准确建立起来的。因此,从这个角度上讲,这一步骤是建模的关键。
通过以上关于此产品包装系统的描述,我们可以将此系统分为两种产品进入系统、检测区域、重新检测区域、包装区域和产品离开五个环节,各环节之间的关系以及每个环节的相关数据如图2所示。
2.2 根据流程图,运用Arena仿真软件中的流程图模块建立基本的模型
在图2中,我们将此系统的流程清晰地展示了出来。另外,结合Arena仿真软件中各流程图模块的作用,我们需要用到的模块有:两个“Create(创建)”模块分别表示两种产品进入系统;三个“Process(过程)”模块分别表示该系统的检测区域、重新检测区域及包装区域的处理;两个“Dispose(清除)”模块分别表示产品进入废品区和成品入库;另外,为了表示出产品是否通过检测与重新检测,还需要两个“Decide(决策)”模块来表示检测与重新检测之后的分支。这些基本流程图模块的连接如图3所示。
2.3 根据系统描述对初始模型的各个模块进行相应的编辑,并添加一些必要的模块,以构成一个完善的模型
Arena仿真软件提供了一个直观的编辑界面,我们只需要弄清楚每个模块里面需要输入的数据以及各个模块的作用,就可以轻易地完成模型的建立,所以,它是一个非常方便的建模工具。现只以“Create 1”模块的编辑为例,来说明Arena建模的方便。
“Create 1”模块表示产品A进入此包装系统。在这个模块中,需要反映出三个内容:将产品A定义成Arena可以识别的实体;产品A的到达间隔时间;产品A进入此包装系统的情况。其编辑的界面及内容如图4所示。
关于其他模块的编辑,此处不再介绍。虽然,基本模型中的各个模块已经能反映出此包装系统的运行过程,但是,根据系统的运行特点,结合需要统计的指标,我们还需要再添加两个“Assign(赋值)”模块、两个“Decide”模块、四个“Record(记录)”模块。在完成这些流程图模块及数据模块的编辑之后,此包装系统的仿真模型就建立完成了,如图5所示。
2.4 为模型添加必要的动画及相关的文本修饰
在模型完成后,为了使模型的运行过程更加直观,便于理解,需要对模型适当地添加一些动画效果及文本修饰。但是,需要记住:动画是在模型中的各个模块基础上所添加的,不能因为追求绚丽的动画效果而盲目地添加动画。在这个模型中,结合实际,运用Arena仿真软件的相关工具,添加的动画及文本如图6所示。
3 运行条件的设置
在完成上述四个步骤之后,模型已经建立完成。但是,在运行模型之前,必须结合需要统计的指标,确定出模型中收集的数据,并设置运行的时间长度。否则,模型会无限制地运行,而且也得不到需要统计的指标。另外,为了得到模型的可靠数据,因此把模型运行100次,统计出这100次仿真运行的综合数值。根据系统的要求,对该模型的运行条件设置如图7所示。
4 仿真运行
在模型的运行过程中,我们可以看到产品A、产品B在检测区域、重新检测区域、包装区域的排队等待及加工过程。在运行结束时,即模型在运行到第100次的第1440分钟时就自动停止,结束时的画面如图8所示。
在图8中,红色的小球产品A,蓝色的小球表示产品B。观察图8,在模型运行结束的时候,在重新检测区域有一件产品B在处理,还有十九件产品在排队等待;在包装区域还有一件产品A在处理;另外,总共有10件产品进入了废品区、462件产品进入了成品仓库。
5 查看仿真报告
在模型运行结束后,根据提示,进入仿真报告的界面,如图9所示。
在仿真报告的界面里,我们需根据系统需要统计的指标,查看相关的数据。为了使统计的数据更加可靠,我们只研究在100次仿真运行过程中的平均值,其最终的结果如表1所示。
6 系统存在的问题及相应的解决措施
6.1 系统存在的问题
上述所建立的仿真模型,已经模拟出系统描述的所有内容。但是,根据仿真模型所提供的报告(即表1和表2中的数据),我们可以明显地发现,此系统存在如下两个问题。
①重新检测人员的繁忙程度太高,达到了91.81%,这说明,在24个小时的工作时间里,这个工人有将近22小时的时间在工作,只有将近两个小时的时间休息。如果在实际系统中,这非常容易产生疲劳,从而引发安全等事故。
②在重新检测区域里,排队等待的产品数量较大,平均每分钟有6.6090个零件在排队,从而导致在区域里排队等待产品的排队等待时间也非常高,平均每个零件需要排队等待204.65分钟。如果在实际系统中,在这个区域里,需要为排队等待的产品设置一块很大的暂存区域,这样,就使得此产品包装系统的空间被大量的排队等待产品所长期占据,会减缓其物流的速度。
6.2 解决措施及优化后的各项指标
为什么会出现上面所提到的两个问题?归根结底,还是因为在重新检测区域里的工作人员太少。因此,在重新检测检测区域,我们再增加了一名工作人员,修改并运行仿真模型后,得出的各项指标如表2所示。
比较表1和表2里面的数据,我们可以发现,在重新检测区域里增加一名工作人员后,重新检测区域中的各项指标变化明显:重新检测人员的繁忙程度由91.81%下降到61.45%;排队等待的产品数量由6.6090个/分钟下降到1.0084个/分钟;排队等待时间由204.65分钟/个下降到30.4257分钟/个,而其他指标没有太大的变化。这说明在重新检测区域里增加一名工作人员是一个有效的解决措施。
当然,在此产品包装系统中,我们还有一些问题没有考虑到,比如:产品在各个环节之间的传输时间;在一天24小时的工作时间里,各个区域工作人员的中途休息时间等,为了使仿真模型更加符合实际,我们需要把这些问题考虑在模型里,Arena仿真软件也给我们提供了解决这些问题的工具,这需要有这方面研究兴趣的同行一起努力,把Arena仿真软件更好地应用于物流系统的优化中。
参考文献
[1]W·David Kelton,Randall P·Sadowski,David T·Sturrock.Simulation with Arena(The Third Edition).周泓(译).北京:机械工业出版社.
07.精确控制,仿真模拟 第5篇
【 原创:不动明王2007-06-15 10:55多彩总汇浏览/回复：4144/82】没事干，练练手。
以沪指为例，进行实盘训练。
以发贴时间和点位进行公布开仓或平仓。
期指不过夜。
模拟玩玩，有兴趣的朋友自己来玩。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 10:56 】
先测试一下闽发时间和实际时间是否有较大误差。
实际时间：10.54
【 · 原创:不动明王2007-06-15 10:56 】
10.55:
放空4114！
【 · 原创:不动明王2007-06-15 10:57 】
闽发时间滞后2分钟。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 11:03 】
每次操作默认一口仓，上限2口仓。
备战期指。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 11:12 】
股票做空仓位暴露容易被主力倒逼。
不如期指，量大仓多，容易隐藏。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 11:20 】
中午最低收盘。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 11:23 】
对股指监控已经1个月了。
练练手。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 11:28 】
11:28--4072(平仓
【 · 原创:不动明王2007-06-15 11:29 】
每次2点手续费够吗？
4114-4072-2＝40点，套利。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 12:31 】
【 · 原创:绝杀2007-06-15 11:53 】
明王:是否必须当日平仓?
工具箱
×××
当日平仓是以控制风险为主。
避免次日受消息波动太大。
【 · 原创:绝杀2007-06-15 11:56 】
还有,沪指上窜下跳,怎么看待暴仓,请赐教!
×××
假设你有30万，一点300，累计输1000点算暴仓。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 12:41 】
为方便输入：
开多仓以+ABCD表示
开空仓以-ABCD表示
平仓以0ABCD表示
两口仓以ABCD×2表示。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 12:45 】
·许多人认为做好期指就是看对大盘涨跌!
【 原创:忘情剑2007-06-15 12:13多彩总汇浏览/回复：205/5】
许多人认为做好期指就是看对大盘涨跌!
经常看见有人模拟期指,他们认为做好期指就是看对大盘涨跌,常常以自己看对大盘为荣..他们都信誓蛋蛋的说:我对大盘走向判断基本能把握好,做期指肯定赚大钱..如果是这样,你将死无葬身之地.指数期货的走式从来都不是根现货指数完全吻合的,有时提前,有时滞后,甚至许多时候莫名其妙的独立于现货.其实这都不该怪散户,都是我们的上面在误导大家...专家们是这样解释指数期货的:如果大盘跌,你做空就能赚钱,涨也是一样.反之你就亏钱..他们最爱说的一句是机构可以借期指避险,大盘跌时,就做空期指,可以对冲股票下跌的风险.在这里,他们偷换了一个概念:把大盘指数和期指混为一谈..期指并不是大盘指数,2者并没有绝对的相关性.你要做空,做空的标的是期指,而不是大盘指数..如果大盘跌,某些机构在期指上做空,你得小心在期指被对手逼空...期货根现货在理论上虽然相关,但在实际中从来都不相关的,这可以说是常识.我不明白为什么上面却严重误导股民...至少应该提示存在期指和现货不相关的可能..如果相关,那就不是期货了.那就没有中国国储在铜上被绞杀了.也许是上面真的不懂,也有可能.现在大家分析期指的方法就在用分析权证那套理论---既然现货都跌了,期指怎么可能涨?既然正股都是行权价几倍了,沽权怎么可能涨?既然正股都在行权价下面,那认购为什么还不涨??
如果许多机构还是这样的思维,在衍生品中,你将亏得很掺...忘情剑工作室
wqjwqj596@163.com
2007.6.15.12.12
**********
忘忘同学这个帖子还有点门道。
转贴一下。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:04 】
-4092
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:10 】
0-4083
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:19 】
-4110
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:24 】
2+4098
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:25 】
上面是2口多仓，一口多仓对应前面那口空仓，因为平仓需要时间。
直接多开一口多仓可以锁定前面的空仓套利。
慢慢平仓来得及。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:27 】
0-4106
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:30 】
0+4118先平一口多。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:34 】
2-4131
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:35 】
0+4131
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:40 】
0-4123
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:41 】
尚有－4131一口，逼近4129自动平仓。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:43 】
算平仓，4130
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:49 】
-4150
【 · 原创:不动明王2007-06-15 13:52 】
-4143加一口
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:07 】
0-4123
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:13 】
-4130
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:26 】
0-4112
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:27 】
0-4113
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:35 】
-4130
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:42 】
0-4125
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:53 】
开仓平仓手续费 收益
-4114-4072240
-4092-408327
-4100-41062-8
40984118218
40984131231
-4131-412326
-4131-41302-1
-4150-4123225
-4143-4113228
-4130-4113215
-4130-412523
合计 164
有一个空单用2个多单锁定了收益，然后慢慢平仓，所以看起来是负值-8。另有一个空单是到了止损位，自动平仓，出现－1。
假设30万资金，300一点，累计可亏损1000点。
目前单纯以点数计算。
1000+164＝1164点。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 14:59 】
修正一下规则：
开多仓：+A
开空仓：-A
平多仓：0+A
平空仓：0-A
开2仓：2+A或2-A
平2仓：20+A或20-A
简单输入，即可表示。
参与者起始1000点，手续费每口2点。
一般不过夜。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 15:03 】
纯粹股指模拟不等于最终期指操作。
但是，如果连股指模拟都赢不了，期指肯定大概率失败。
【 · 原创:不动明王2007-06-15 15:06 】
仿真模拟软件 第6篇
关键词： 模拟电路； 计算机辅助教学； Multisim仿真软件； 实验操作
中图分类号：TN709 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）12-95-02
Abstract： Analog circuit is a basic course of electronics，with the characteristics of complex theory， abstract concept and difficult operation in experiment， therefore， there is great difficulty in teaching. Simulations can play a very good role in support of the theory teaching； this paper discusses the application of Multisim circuit simulation software in the teaching of analog circuit， and taking the amplifier circuit of stable operating point as an example， introduces the advantages of Multisim and the problems to be discussed.
Key words： analog circuit； computer aided instruction； Multisim simulation software； operation in experiment
0 引言
在过去的二十年中，计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）得到了长足的发展，并在很多教学实践，尤其是工科专业的教学中取得了成功的应用[1]。工科专业的课程教学中概念和方法通常都比较抽象复杂，并且往往需要实验的配合。然而，实验本身也有困难，而且某些实验还存在一定的危险，因此，工科专业的教学一直比较困难。连接理论教学和实验的桥梁是仿真，其优点是不需要实际的物理对象，而用计算机模拟，具有直观，操作方便和无危险等，比如Matlab和Labview等软件都取得很好的应用[2-3]。
作为电子类基础课程之一，模拟电路由于其涉及的理论基础难度大，逻辑性强，实验操作不易等问题，长期成为教学的难点[5]，尤其是在没有很好的电路基础和物理基础的情况下，学模电是难上加难。无论是二极管和三极管的特性，基本放大电路，还是集成电路，其理论都非常不直观，需要从很多角度去看才能更好地理解。模拟电路实验有助于对理论的理解，然而，模拟电路的实验设计和实现非常耗费时间，而且要求熟练使用示波器、万用表等工具，这对低年级的本科生而言有很大的难度。电路仿真软件Multisim的出现，为理论和实验之间由架了一座桥，在模拟电路的教学中起到了非常好的促进作用[4]。尤其是简单的工作界面，可以随意调整元件的参数，丰富的虚拟测量仪器库，使得该软件在越来越多的电路课堂教学中被使用。
本文首先对Multisim进行基本介绍，然后通过稳定工作点放大电路应用，说明如何通过仿真和理论结合，以加深学生的理解。
1 Multisim的介绍及其在模拟电路中的应用举例
1.1 Multisim的基本介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，目前使用比较广泛的是Multisim10。其特点包括：界面友好，元器件和测量仪器丰富，以及分析工具强大等。
Multisim的工作界面非常简单实用，它还具有丰富的电子元器件库，且以实际元器件的名称命名，因此，使用Multisim中的芯片前必须要去了解这方面的资料，这对IT工作者是一个非常好的习惯。为了方便用户使用，元器件的参数还可以进行修改。另外，Multisim还具有强大的分析功能，包括：直流工作点分析，交流分析，瞬态分析，傅里叶分析等[4]。
1.2 稳定工作点放大电路的应用举例
以模拟电路的非常典型的稳定工作点放大电路为例，其电路如图1所示，这里虽然电路并不复杂，但如果想让学生在实验课中用分立元件搭出该电路，并且能顺利通过调试，需要很多时间，并且老师可能要逐个帮助调试，显然效率很低。
而通过Multisim，只需从元器件库中调出所需要的器件，输入相应的特性大小值，并通过导线连接，然后，加入信号源和示波器，就组成了仿真电路，如图2所示。运行后通过示波器就可以看到仿真结果，如图3所示。
所加的信号源为幅值是10mv，频率为100hz的正弦信号，由图3可以输入和输出信号的相位差并非理论上所说的180度，原因在于所加的电容的容抗大小不能忽略，因此产生了一定的相位差。可见仿真从很多方面可以加深对信号和电路的理解。
由图1和图2可以看出，电路图和仿真电路图基本类似，所以基本不太会出错，而在电路板上搭线，出错的概率将会大大增加。当需要调节电阻大小和电容大小时，可以非常方便地做到，从而可以观察失真，更好地理解静态工作点高低与失真的关系，输入信号幅度与失真的关系等等。
3 总结与展望
本文对Multisim软件进行了简单的介绍，并将其应用在模拟电路教学中。通过稳定点工作放大电路的理论讲述和实验的比较，说明Multisim在模拟电路教学中的各种优点。
Multisim的使用，需要对相应的电子元器件有一定的了解，这是一个相对困难的问题，需要学生主动去查找资料。仿真对理论教学可以起到非常好的促进作用。通过了解基本的理论知识再去做仿真，做完仿真发现问题后，又回头去研究理论知识，此过程可以大大地提高教学效果。
参考文献（References）：
[1] 何克抗.CAI的理论基础和以学位中心的课件设计[M].北京
师范大学出版社，1998.
[2] 易灵芝，王根平，李卫平，彭寒梅.MATLAB在电工学CAI中的
应用[J].计量与测试技术，2008.35（5）：3-5
[3] 陈春朝，李春洋，李玖栋，刘明飞.labview软件在教学中的应用[J].
计算机与现代化，2010.3：89-92
[4] 达正花.Multisim软件在中职模拟电路教学中的研究和应用[D].
西北师范大学硕士论文，2005.
[5] 袁胜，夏志敏.Multisim仿真软件在模拟电子技术课程教学中的
仿真模拟软件 第7篇
关键词：PLC教学,仿真软件MCGS,自动控制
一、PLC课程介绍
可编程序控制器简称PLC, 是一种新型的工业自动控制装置, 具有体积小、功能强大、可靠性高、使用灵活方便、具有可编程等优点, 目前已经取代传统的继电器控制, 广泛应用于煤矿、交通、电力、化工、有色等工业自动控制系统中。由于PLC实用性强、科技含量高、应用广泛, 目前全国各高等院校和职业院校都将PLC课程作为电气等专业的必修课程。
二、PLC教学现状分析
PLC作为一门应用型专业课程, 实践教学是其必不可少的教学环节。目前各学校采取最多的教学方法就是“边做边学”, 理论联系实际, 让每个知识点渗透到每个任务当中去, 不仅可以提高学生的学习兴趣, 而且可以锻炼学生的动手能力, 提高学生分析问题、解决问题的能力。然而中职学校PLC实训室普遍存在以下几个问题, 严重影响了PLC课程的教学, 教学质量得不到有效保证。
(一) 实训室教学设备不足。
由于PLC硬件设备价格较高, 在一般的中职学校中, 一个实训室往往只有几台至十几台的PLC教学设备, 教学时只能几个学生共用一台, 造成了上实训课时有的学生在操作, 有的学生在旁边观望, 甚至有的学生干脆不学, 不能提高学生的积极性和参与度。有时几个班级同时开设了PLC课程, 由于实训室设备不足, 无法进行理实一体化教学, 只能在教室进行纯理论教学, 不仅不能提高学生的学习兴趣, 而且降低了教学质量和教学效果。
(二) 实训室教学设备老化。目前大部分学校的PLC实训室都建设于十几年前, 实训设备折旧损耗、线路老化、功能严重滞后, 很多正常的教学项目都无法顺利实现。甚至有的设备年久失修, 故障频出, 同时又缺少专业的维修工护理, 不能及时进行维修, 实训室的使用效率大大降低, 严重影响正常教学工作的开展。
(三) 实训室教学设备落后。
PLC技术更新的速度非常快, 需定期对实训设备进行更新换代, 不断完善实训功能。但学校由于缺少资金, 不能及时有效对实训设备进行必要的更新和补充, 仅有的设备只能完成一小部分的实验, 产业中的新兴技术无法通过现有设备向学生展示, 教学内容与日新月异的工业生产脱节严重, 差距越变越大。本来学生就对工作原理理解不够透彻, 又对自动控制的应用缺乏感性和更为直观的认识, 导致学生对课程缺乏兴趣, 直接影响了教学质量的提高。
三、模拟仿真软件MCGS在PLC教学中的应用
MCGS (Monitor and Control Generated System) , 是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的一种基于Windows平台的, 用于快速构造和生成上位机监控系统的自动化控制组态软件, 可以为用户提供数据采集、数据处理、流程控制、动画显示等功能。MCGS软件由MCGS组态环境和MCGS运行环境两部分组成, 用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程等工作后, 在运行环境中完成对工程的控制工作。采用仿真软件MCGS辅助PLC教学可有效解决PLC实训室设备不足、设备老化、设备落后等问题, 同时通过直观的动画效果再现生产控制过程, 不仅可以加深学生对知识的了解, 还可以培养和提高学生的学习爱好和兴趣。
(一) 再现生产控制过程, 提高学生的学习兴趣。
兴趣是学习的动力, 如何提高学生的学习兴趣是每门课程首要考虑的问题。PLC教学如果仅仅采取理论教学, 学生对于指令的运用, 对于程序的编制会觉得枯燥乏味, 从而产生畏难厌学的情绪。采取模拟仿真软件辅助教学, 可以再现生产控制过程, 让学生感受到真实的控制现场, 颜色鲜艳的动态画面可以让学生在第一时间观察到PLC程序编制的结果, 从而发现自己所编写的程序是否正确。模拟仿真与动画控制的有效结合, 寓学于乐, 极大提高了学生的学习兴趣和操控意愿, 真正让学生想学、想编。
(二) 电脑软件虚拟实训, 有效减少安全事故。
学生在学习的过程中, 难免会出现误差和错误。如果在实训室进行实操训练, 有的学生可能会由于疏忽大意接错线路, 造成安全事故, 有的学生可能会由于程序编写出现错误, 造成外接硬件设备的非正常损耗。采用模拟仿真软件实验, 即使出现线路接错的状况也不会造成安全事故, 同时由于不需要外接设备, 也可以减少设备的损耗节约成本。
(三) 软件模块无限扩展, 实现工业控制领域全覆盖。
模拟仿真软件, 通过对教学模块的无限扩展, 可以模拟当前几乎所有生产行业类别的现场控制场景, 一方面, 极大弥补了实训室教学设备不足的缺点, 扩大了实训教育的范围和领域;另一方面, 也为教师根据不同学生对不同领域的实操结果, 及时发现学生特点和特长, 因人施教, 提供了非常可靠的信息来源。
四、MCGS在PLC课程教学中应用的具体案例
下面以小车自动往返控制这个案例来介绍如何利用仿真软件进行模拟实训, 设计要求:小车可以在A、B两地分别启动, 小车启动后先返回A地, 停留30s等待装料, 然后自动向B地运行, 到达B地后, 停车20s等待卸料, 然后自动返回A地, 如此往复, 在任意位置可以让小车停止运行。
(一) 用MCGS构建模拟画面。
打开软件后, 进入用户窗口, 然后选择动画组态构建模拟画面。可以依次选出系统所需要的设备, 例如小车、指示灯。利用矩形框画出左限位开关和右限位开关所在位置, 因为系统中有两个定时器, 所以制作了两个计时时间用来显示, 另外给每个计时器设置了启动按钮和复位按钮。最后生成的画面, 选择菜单项“文件”中的“保存窗口”对所建立的画面进行保存。
(二) 定义数据变量。
实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心, 数据变量是构成实时数据库的基本单元, 建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。在上一步中构建好模拟画面后, 接着需要对数据变量进行定义。鼠标点击工作台的“实时数据库”窗口标签, 进入实时数据库窗口页, 例如将计时时间1设置为数值型、启动1设置位开关型等等。
(三) 设置动画属性。
定义好数据变量后, 还需要将用户窗口中的图形对象与实时数据库中的数据对象连接起来并且设置相应的动画属性, 这样在系统运行过程中, 图形对象的移动由数据对象的实时采集值驱动运动, 从而实现图形的动画效果。例如双击小车的图形, 弹出单元属性设置窗口。
(四) 设计PLC控制程序。
程序是控制的灵魂, 没有程序模拟画面是无法运动起来的。完成前面的设置后开始进行PLC的程序设计, 并将程序写入PLC中。程序的编程方法有三种, 在这里采用教学中常用的梯形图进行程序编程, 同时要注意程序中的变量必须与设备驱动中子设备连接通道相对应, 这样当PLC程序执行时某些变量发生变化, 能及时通过连接通道传递给工程, 使画面能发生相对应的变化。
(五) 将MCGS与PLC连接起来。
MCGS只是构建了一个模拟监控画面, 为了让模拟画面能动起来需要将MCGS与PLC连接起来, 这样才能实现用PLC程序控制模拟画面的目的。进入设备窗口中的设备组态, 选择通用串口父设备, 选择三菱FX为子设备, 进行父设备与子设备的属性设置后, MCGS与PLC的通道即建立好, 此时按下F5即可进行仿真运行, 按下左运行按钮小车向左运行, 按下右运行按钮小车向右运行。可以根据小车运行的情况来更改PLC的程序以及判断程序是否正确。
五、结语
仿真模拟软件 第8篇
网络模拟是网络协议性能及研究中非常重要的一个组成部分, 算法是否合理、是否具有实用价值、是否能够提高网络的性能等都需要通过实验证明。由于在真实的网络环境中进行实践验证耗资巨大, 多数高校和科研机构并不具备完整有效的实验环境, 而且真实网络中实验数据的收集和分析也有一定困难。
网络仿真软件通过在计算机上建立一个虚拟的网络环境来实现对真实网络环境的模拟, 科研人员在这个平台上不仅能对网络的通信、设备、协议、结构以及应用进行研究, 还能对网络的性能进行分析和评估。仿真软件大大提高了网络设计开发的效率, 同时也降低了费用和风险, 已经成为研究中不可或缺的工具。
二、NS2的结构和特点
目前, 使用较多的网络仿真软件有OPNET, Matlab, NS2和Glo Mo Sim等。选择免费且开放源代码的NS2作为仿真平台, 是因为该平台是一种离散事件网络仿真平台, 可以运行在Linux或Windows操作系统上。作为一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件, NS2能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行, 并支持多种协议。其主要功能包括以下几点。
(一) 灵活的仿真环境
作为一款开源软件, NS2所有源代码公开, 任何人都可以获得、使用和修改其源代码。这对于利用NS2来构建特殊的网络仿真实验环境非常方便和迅速。
(二) 结果分析及再现容易
研究人员通过配置环境参数获得理想的网络环境, 即可实时跟踪并记录关键节点的重要信息, 从而获得网络性能参数, 并可以随时再现某些特殊情况, 这在真实网络中是难以做到的。
(三) 良好的可扩展性
NS2使用C++和OTCL两种程序设计语言, 分别完成具体协议的模拟, 实现与网络仿真环境的配置和建立。对于有一定编程基础的人员来说, 可以根据自身的需要方便地设计新协议, 扩展新的功能模块。
(四) 在线资源支持
NS2的官方网站建立图书馆性质的库, 收集了很多经典的演示场景和案例。
三、NS2网络仿真过程
(一) NS2仿真的层次
网络仿真要经历模型建立、模拟实现和结果分析3个阶段。NS2仿真分为2个层次。
1. 基于OTCL编程的用户层次, 只需编写OTCL脚本。
2. 基于C++和OTCL的系统层次, 能够对NS2内核进行功能扩展, 增加新的C++和OTCL类, 添加所需的网络元素。仿真过程如图1所示。
(二) NS2仿真的步骤
1. 配置网络拓扑结构, 确定链路的基本特性, 如延时、带宽和选择策略等。
2. 建立协议代理, 包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。
3. 配置业务量模型参数, 确定网络上的业务量分布。
4. 设置Trace对象, 把仿真中发生的特定类型事件记录在Trace文件中, 通过Trace文件保存整个仿真过程。仿真完成后, 用户对Trace文件进行分析研究。
四、网络协议仿真实例
(一) TCP协议仿真
TCP协议是重要的传输层协议。不仅要理解TCP协议的工作原理, 而且还要理解在网络发生拥塞时, 如何在TCP协议控制下实现拥塞控制的过程。针对这一内容, 建立如图2所示的仿真场景, 节点n0, n1与节点n3之间分别建立一条TCP连接, 链路带宽及传输延时如图2所示。图2的网络仿真拓扑结构以TCP拥塞控制协议为例, 在仿真开始时, 由n0和n1节点同时向n3节点发送FTP数据流, 将初始拥塞窗口大小设为1, 在NAM动画中通过控制播放速度, 可以清晰地观察到在TCP协议控制下, 发送窗口的大小随着确认包的返回成倍增加 (1, 2, 4, 8) , 当拥塞窗口增大到一定程度时, n2节点开始发生丢包现象, 此时n1节点将重传丢失的数据包, 并减小发送窗口。其数据包传输如图3所示。
通过这个仿真实例, 可以很好地理解TCP慢启动和拥塞控制协议的工作原理。
(二) UDP协议仿真
在上述仿真场景中, 将传输层协议修改为UDP, 令n0和n1节点在仿真开始时开始向n3发送CBR数据流, 重新运行仿真脚本, 图4是在NAM动画演示中截取的图象。图3和图4进行对比可知, 图3中链路上方为发送方n0向n3发送的数据包, 而链路下方的小竖线是由接收方n3向发送方返回的确认包;在图4中, 仅在链路上方有发送的数据流, 接收方并不返回确认, 仿真结果对理论分析提供了有力的支持。从NAM动画中还可以看到, 应用UDP协议时, 当网络中间节点丢弃数据包, 发送方并不会因此而降低发送速度, 造成严重的丢包现象。
(三) IP网络单播路由协议仿真
根据IP网络单播路由协议的定义和运行机制, 建立一个网络协议的NS2运行场景。再利用NS2模拟器产生NAM动画播放器需要的输入文件, 以NAM动画的方式演示网络协议的运行过程。
1. IP网络路由协议仿真的网络结构如图5所示, 它由6个节点组成, 通过双向链路连接起来。链路带宽为1 Mbit/s, 延时为5 ms。节点0作为数据源发送端, 在节点0上绑定一个UDP代理, 在UDP代理上绑定一个CBR流量发生器。
2. IP网络单播路由协议仿真。IP网络单播路由协议主要包含单播路由协议OSPF协议和RIP协议。其中, RIP协议是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议, 采用Bellman-Ford算法;OSPF协议是分布式的链路状态协议, 采用最短路径算法。在NS2中的会期路由采用all-pairs SPF算法, 动态路由采用分布式Bellman-Ford算法, 可以借助会期路由和动态路由来演示单播路由协议的动态运行过程。会期路由可以演示OSPF协议运行过程, 采用图5所示的网络结构进行仿真。
采用OTCL语言编写脚本, 以NAM动画来演示会期路由的运行过程, 如图6所示, 假设节点0发送的数据流用长虚线表示, 可以看到节点0到节点5开始传输数据时, 路径经过节点1和节点3。当节点1和节点3之间的链路出现故障时, 重新计算新的路由, 经过节点1和节点4传输数据, 如图7所示。当节点1和节点3之间的链路故障修复后, 数据又按照图6来传输。
通过动态路由可以演示RIP协议运行过程, 如图8所示, 假设节点0发送的数据流用长虚线表示, 节点0到节点5开始传输数据路径经过节点1, 节点2和节点3。当节点2和节点3之间的链路出现故障时, 重新计算新的路由, 经过节点1和节点3传输数据, 如图9所示。
五、总结
随着网络系统复杂度的增大, 传统的分析法和实验法越来越不适应网络系统的特点, 仿真法成为网络性能分析的主流方法。NS2作为一种离散事件网络仿真平台, 可以运行在Linux或Windows操作系统上。作为一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件, NS2能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行, 并支持多种协议。目前NS2已广泛应用于计算机网络的研究与设计中。
参考文献
[1]徐雷鸣.NS2与网络模拟[M].北京:人民邮电出版社, 2003.
[2]朱军正.Red Hat Linux Fedora Core4教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[3]徐雷鸣, 庞博, 赵耀.NS与网络模拟[M].北京:人民邮电出版社, 2003.
飞行模拟器体感模拟的仿真研究 第9篇
飞行模拟器以它的经济性、安全性等优异性能,日益成为驾驶员、飞行员的理想培训工具[1]。六自由度运动平台以其结构刚度大、承载能力强、位置精度高、响应快的优势,目前已经广泛用于大多数飞行模拟器[2]。
为了使驾驶员在飞行模拟器的有限运动空间体验到真实飞行时的运动感觉,在真实的飞机运动与飞行模拟器的运动之间需要设计洗出滤波算法,来保证飞行模拟器在完成一次突发运动后,能够缓慢回到中立位置,以便有足够的空间进行下一次运动,并且在返回过程中必须使飞行员感觉不到运动。这就要求运动平台以低于人的感觉门限的平缓运动完成运动的洗出。从而实现了利用有限运动空间实现无限空间的运动感觉的目的[3]。所以洗出算法性能的好坏直接影响动感模拟的逼真度。
在过去研究中,有许多不同的洗出算法,使用范围最广的,效果最好的几种洗出滤波算法是Parrish等[4]提出的经典洗出滤波算法,Parrish 等[5]提出的自适应洗出算法,Sivan等[6]提出的最优洗出算法。由于其运用场合,飞行模拟器条件不同,具体情况还需要具体分析。
本文综合考虑实验室现有的轻型飞行模拟器的结构基础,算法参数调整等方面,采用了经典洗出滤波算法,以Matlab为工具,模拟某飞机在起飞滑跑阶段的加速度,通过体感评价模型验证该方法的可行性。
1 经典洗出滤波算法
经典洗出算法由平移(纵向、横向、垂向)通道和旋转(横滚、俯仰、偏航)通道组成,具体包括平移高通通道、平移低通通道和旋转高通通道。由于力的表示可以用加速度来衡量,但因为重力的存在,人体对加速度的感觉以比力的形式表现,即惯性加速度与重力加速度矢量之差。
1.1 经典洗出滤波算法结构
经典洗出算法的输入是飞机体坐标系下飞行员头部前庭处的比力和飞机三个方向的角速度。这是因为人体是通过前庭器官感觉到的比力和角速度来判断运动的。输出信号为飞行模拟器的位移和姿态角。经典洗出算法结构如图1所示。
1.2 经典洗出滤波算法原理
经典洗出滤波算法包含高通加速度通道,低通加速度通道和高通角速度通道等部分。
1.2.1 高通加速度通道
高通滤波器通道的主要功能是用来模拟飞机的瞬时加速度感觉,因为低频的加速度会导致飞行模拟器运动超出工作空间,所以需要通过高通滤波器滤掉低频部分得到平动方向的加速度。传递函数为:
1.2.2 低通加速度通道
低通滤波器通道主要用来模拟飞机的持续的线性加速度,这是通过将运动平台倾斜,利用重力加速度的分量来模拟的,其中要加入倾斜角速度限制单元,使角速度小于人的感觉阈值,这也被称作倾斜坐标系技术(tilt coordination)。这种倾斜坐标系的技术是利用重力矢量的分量来模拟平动方向的持续加速度。在垂直方向由于不能使用这项技术,所以所有的洗出算法都不能模拟持续的垂直加速度。当然,缓慢的倾斜平台会导致z轴方向模拟器平台线性加速度的减小,不过在倾斜角比较小的时候这部分影响可以忽略。传递函数为:
1.2.3 高通角速度通道
模拟器的俯仰、横摇、侧倾运动均采用此通道。飞机的转动运动通过高通滤波器使模拟器平台只响应高频的转动角速度。将模拟器坐标系在大地坐标系下的欧拉角与低通滤波欧拉角相加,可以得到模拟器总的倾斜角。考虑飞机运动极端的情况和模拟器的结构,采用在平动方向上使用三阶高通滤波器,在转动方向上使用二阶高通滤波器就行,传递函数为:
1.2.4 变换矩阵
LIS和TS是坐标变换矩阵,将大地坐标系转化到驾驶员头部前庭中心的加速,
其中,α,β,γ表示三个欧拉角(滚转角、俯仰角、偏航角。
2 系统仿真分析
经典洗出算法的优点是设计简单,计算量小,可以对不合适的参数直接修改。首先在Matlab里面搭建了经典洗出算法的模型,并在上面加入体感评价模型。对实际飞机在跑道滑行阶段的加速度进行了仿真和分析。
2.1 Matlab仿真图
经典洗出滤波算法在Simulink 下的实现如图2所示。根据实验室现有的实际轻型模拟器的尺寸,设计经典滤波算法的参数,在表1中列出。
2.2 仿真实验
结合某飞机在起飞滑跑阶段实际的加速度,纵向加速度输入信号如图3所示,各个旋转角速度的输入为0rad/s。仿真结果如下。
输出信号有模拟器高通和低通通道加速度,俯仰角角度变化和位移分别为如图4-6所示。
由图6可知,平台没有超出运动范围,并且回到了中心点,洗出算法是可行的。
2.3 体感评价模型
耳内的前庭平衡器官对运动和位置的变化非常敏感,它由半规管和耳石组成,其中耳石感觉线加速度,半规管能感受旋转运动的刺激。
耳石对线加速度的感觉是以比力的形式表示的,即f=a-g,其中,f 为人体感受到的比力,a为人体的绝对线加速度,g为重力加速度。
人体的耳石模型如图7所示,参数如表2所示。
人体半规管模型如图8所示,参数如表3所示。
经过评价模型后,洗出前和洗出后驾驶员感觉到的比力对比曲线如图9所示。
从上面的仿真可以看出,飞行员在洗出滤波后的运动感觉和在实际飞机上的运动感受没有明显差异,可以得到高逼真的动感。
3 结束语
洗出算法的作用就是利用模拟器有限的运动空间模拟飞机无限运动空间下的运动感觉,而洗出算法的优劣直接关系到能否为飞行员提供真实的运动感觉。本文采用了经典洗出算法,并引入了体感评价模型来评判算法的优劣。仿真实验结果表明,运用该算法可以提高飞行模拟器的动感模拟性能,为以后飞行模拟器中洗出算法设计,Matlab仿真等方面的研究提供了可以借鉴的理论和实践经验,具有一定的指导意义。
参考文献
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[4]Parrish R V,Dieudonne J E,Martin D J.Motion software for a syn-ergistic six degree of freedom motion base[Z].TND-7350,NASA,1973.
[5]Parrish R V,Dieudonne J E,Bowles R L,et al.Coordinated adap-tive washout for motion simulators[J].Journal of Aircraft,1975,12(1):44-50.
高校宿舍火灾数值仿真模拟 第10篇
近年来, 高校学生宿舍火灾屡有发生, 高等院校宿舍人员密度大, 老式建筑多, 火灾隐患多, 再加上学生安全意识淡薄, 违章使用大功率用电器, 这给学生的生命和财产安全带来极大的威胁。例如:
2008年11月14日上午6点10分左右, 位于上海中山西路的上海商学院发生火灾, 烟气把四名女生逼到阳台, 最后四人从6层楼高的宿舍跳下, 不幸全部身亡。
2008年3月13日下午5点47分左右, 位于江苏省南京学府路的东南大学老校区动力楼 (4层) 突然发生大火。受大风影响, 火势较大, 将动力楼第四层基本烧毁, 过火面积近千平方米。
2007年1月4日晚9时40分左右, 湖北荆州某大学东校区学生宿舍11栋409室发生一起失火事故, 烧毁该宿舍木制物品架及存放在物品架上的物品、物品架上方的部分壁柜、物品架旁的饮水机一台。过火面积4.5平方米, 未造成人员伤亡。这是一起因接线板输入端近端电源线老化, 磨损、加上长期超负荷运行, 在潮湿状态下发热而致覆盖在其周围的易燃物品燃烧引发的火灾[1]。
目前, 国内对高校宿舍火灾实验研究比较少, 因为实验本身不可逆, 代价太大, 只有中科大的火灾重点实验室才有条件做, 本文采用全尺寸数值模拟方法, 利用FDS软件建立模型, 设置一些参数, 获得火灾数据。
2 数值计算原理
FDS便是由美国NIST (National Institute of Standards and Technology) 开发的一种场模拟程序, 它FDS是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-s方程, 重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS程序是开放的, 其准确性得到了大量试验的验证。因此, 在火灾科学领域得到了广泛应用。在利用FDS进行火灾模拟时均选用大涡模拟。
FDS所求解的基本方程如下:
①连续方程 (Conservation of Mass)
undefined
②组份守恒方程 (Conservation of Species)
undefined
③元素守恒定律 (Conservation of Momentum)
undefined
④压力方程 (Pressure Equation)
undefined
⑤状态方程 (Equation of State)
undefined
式中各项含义参见文献[2,3,4,5,6]。
3 FDS建模
3.1 网格
本文参照某高校宿舍实物建立的模型:
设空间6.96m3.4m3.3m, 划分网格参数[2]见表1～2。
最小网格尺寸0.17m0.170.17, 网格总数12160。
最小网格尺寸0.16m0.170.17, 网格总数3420。
在模型中, 我们假设起火原因是由电线短路发热造成的。取红色小方块 (0.1m0.1m0.1m) 为火源, 热释放功率为1500kw/m2。具体模型如下: (下图经过Smokview 5.07处理) 。
3.2 模型方案设置
我们假设在T=300s时, 隔离上门被打开, 考虑到宿舍平时的通风情况, 设置V=0.2m/s的风机向里送风, 前门设置为关闭。在X=2.7m, Y=1.2m, Z=1.7m (HDO3) , X=5.7m, Y=1.7m, Z=1.7m (HDO5) , 设置感温探头, X=2.7m, Y=1.2m, Z=1.7m (SDO2) , X=5.7m, Y=1.7m, Z=1.7m (SDO5) , 设置感烟探头。
本实验设置了两组方案, 方案一为上图模型, 在其他条件不变的条件下, 方案二在其基础上设置K-11水喷头, 坐标为:
X=3.3m, Y=1.7m, Z=2.9m
模型建好后, 进行2400s的模拟计算。
4 实验结果与分析
4.1 方案一 (无喷头)
4.1.1 烟气
有研究表明:在火灾中有2/3以上的死亡者是由烟气所致[3,4,5,6,7], 烟气的流动方向也决定人员的疏散方向, 因此对烟气的研究有其重要的意义[8,9]。
通过模拟表明, 烟气在宿舍内是受限运动模式, 在初始时期, 由于烟气的密度小于冷空气的密度, 烟气垂直上升, 到达顶棚后, 成为水平方向的顶棚射流并逐步转播至整个顶棚面, 由于左右墙壁限制, 烟气向下填充, 在室内上空形成热烟气层, 随着火势旺盛, 烟气层逐渐变厚, 最后充满整个空间。
如图2当t=628s (10.5min) 时, 烟气层已经下降到1.0m处, 其能见度已经很低, 而可燃物还在剧烈燃烧, 烟气仍在积累, 学生在此时几乎无法生存。
从图3可知, 当t=655s烟气浓度达到最大值, 烟气浓度从40%上升到最大值仅用了74s。由于供风机的干预, 烟气浓度最后保持不变。
4.1.2 温度
实验中特意在Z=1.7m的高度上横向布置两个感温探测器。采集的数据如图4所示, 温度在横向方向变化的趋势比较, 燃烧初始时期, 释放热量不多, 温度上升缓慢;随着可燃物加剧燃烧[8], 温度梯度变化猛然增大, 并在t=686.92s (11.45min) 附近, 达到最高温度, 对照三条线还可以发现, 离进风口越近, 温度越高, 最后随着燃烧物消耗殆尽, 温度又逐惭下降到环境温度。
根据常虹等人的研究, 人在140℃下最多可忍受5min, 而实验中, 室内140℃以上的高温持缓了657s (10.95min) , 因此未逃离宿舍的学生将十分危险 (图4经过Origin75处理) 。
4.1.3 氧气浓度分析
由图5可知, 离火源较近的左侧上部空间首先形成无氧区, 并迅速向右边扩散, t=439.2s (7.32min) 时距地面1.7m以上已经形成无氧区, 离进风口越近氧气浓度下降的越快。由图6, 在t=501.7s (8.36min) 时, 室内和阳台距地面1.0m处上部空间已经形成无氧区, 考虑到烟气在此时的分布, 人应该迅速匍匐离开寝室;而在t=678.6s (11.31min) 时, 阳台附近氧气浓度低于0.1%, 人员无法待在阳台上。
4.2 方案二 (有喷头)
4.2.1 方案介绍
通过以上实验表明, 室内桌子、棉被、衣服、书等都易燃, 而且一旦着火, 特别在无人情况下, 会错过灭火的最好时机。如果在宿舍内安装自动喷水装置, 将有效阻止火势蔓延, 从而消除火灾。为此, 笔者对这一方案进行验证, 分别获取了感温探测器HDO3和HDO5以及感言探测器SDO2的数据。
4.2.2 实验模拟结果对比
由图7温度对照曲线, 设置喷头那组温度梯度明显下降, 最高温度下降到90.4℃, 并且高温持续时间也缩短。因此, 设置喷头能有效地达到预期降温灭火的效果。
由图8烟气对照曲线, 安装喷头在制动后, 烟气浓度的变化梯度有所减缓, 最高浓度也稍有下降, 但仍维持在较高浓度, 这是因为水滴穿过火羽落在可燃物表面造成不完全燃烧, 使烟气浓度仍然很高, 这说明安装喷头只对烟气起到一定作用 (图8经过Origin75处理) 。
5 结论
(1) 宿舍空间狭小, 烟气短时间很容易形成堆积, 并且很难消散, 即使学生避到阳台上, 也难以忍受高浓度, 高温度的烟气。
(2) 从阴燃到剧烈燃烧之前是最佳的灭火时机, 如果不能在这个时间段内灭火, 将引起横向和纵向火焰轰然现象, 火势将难以扑灭。
(3) 经两种方案实验证明, 合理安装自动喷水装置对阻止火势蔓延, 降低温度起到有效作用, 但对烟气浓度影响不大, 给学生逃生造成一定困难, 因此建议安装机械抽风机。
摘要：高等院校的学生人数众多, 住宿比较密集, 存在不少安全隐患, 宿舍火灾对学生的自身安全和财物安全构成重大威胁。宿舍灭火以及人员疏散的关键在于掌握火灾发生中的重要参数变化。笔者采用美国国家标准和技术研究院 (NIST) 开发的FDS (Fire Dynamic Simulator) 软件, 建立高校宿舍模型, 对宿舍火灾进行全尺寸模拟。通过模拟实验给出了火灾发生过程中烟气运动、纵向温度变化和氧气浓度变化的规律, 最后笔者提出一种有效的灭火防灾方案, 并进行模拟和验证, 为学校防火防灾决策提供有力的依据。
关键词：高校宿舍,FDS,最佳灭火时机,灭火方案
参考文献
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数控教学中使用仿真软件的利弊 第11篇
关键词:数控技术 仿真 实习教学
社会对数控技术的大量需求推动了广大职业学校对数控应用技术的高度关注,在职业学校的数控教学当中,软件仿真作为一种既能满足学生的感观要求,又能解决数控设备昂贵与校方资金短缺的普遍性矛盾,因而得到了广泛的应用和相当的关注,但是也给数控教学和对学生的实训带来了一些较为严重的负面影响。下面,我结合自己的教学实践谈几点如何在数控教学当中充分利用好仿真软件。
一、把软件仿真应用到数控理论教学当中
理论是深入学习数控的基础,数控作为一项技术很强的学科,要使学生扎实学习数控的基本理论和正确认识数控设备,软件仿真模拟作为一种图文并茂的教学手段是一种不可缺少的教学资源,在教学中起到了激发学生学习兴趣,提高教学效果的作用。初学数控的学生认为数控设备非常神秘,既有探索的欲望又觉得无从下手,尤其是在讲述数控技术的发展和数控设备的基本结构时,更是让许多学生不知所云,这种状态如果在短期内得不到改善,学生的兴趣和积极性就会随之减退,从而影响学生的学习和教学效果。
二、把软件仿真应用到数控实习教学当中
在数控实习教学中适当应用软件仿真,会对整个训练过程起到积极的作用,也能解决数控设备太少,学生太多的矛盾,因而在我国广大职业院校中得到了最广泛的应用。首先,可以利用软件仿真来训练学生的编程能力,尤其是拓宽对数控指令应用的知识面是一种行之有效的方法,软件仿真与实际操作相结合,可以通过实践给学生纠正在编程中出现的而软件仿真又没有反映出来的问题。其次,实习教学也离不开软件仿真,由于数控机床价格贵数量有限,不可能为每名学生提供一台机床,又鉴于中高职院校学生不太成熟,有不教不学的共性,因此在上机床操作之余又能在软件上仿真不失为一种既能使其有所提高又能培养学生自觉、自律的习惯的好方法。再次是利用软件训练学生是一种合算而又有效的办法,既能形象加工又能节约实习经费,有的技能是需要多次重复训练才能掌握的,如果是在机床上实际加工来掌握这种能力,除了机床的折旧与磨损之外还有较高的刀具与材料消耗;在软件上我们可以重复加工,反复训练而没有上述消耗,后期只需要进行一两次实际操作就能达到事半功倍的效果。
三、数控教学不能完全依赖软件仿真
中高职院校对学生的培养目标重在实用,在培养过程中我们应该从严、从难、从实战出发,在保证学生具备相应的基本理论之后应使学生掌握过硬的操作技能;尤其是数控专业,作为一些学校的品牌专业必须把努力提高学生的实际操作能力作为最重要、最基本的目标,要实现这个目标,在教学过程中必须合理利用软件仿真,绝不能完全依靠软件来搞实习训练。
软件仿真教学很容易滋生学生的自满情绪,夜郎自大,以仿真论数控,通过几道程序的编写而沾沾自喜,从而放松学习、涣散训练,最终只能落得一知半解的结果,严重影响了教学质量和浪费了教学资源。这种现象的根源在哪里?关键在老师没讲明白软件仿真与实际加工的区别、差距和管理问题;关键在学生已明是非却不愿学习钻研。要讲明白软件仿真与实际加工的区别与差距,就要求教师具备把教学与生产结合起来的能力,只有具备了这种能力才能把软件仿真教学与实际加工有机地结合起来,取长补短,博采众长,有效地提高教学效率。教学过程当中还必须给学生讲明白两者所存在的差距和容易出现的问题,必须对学生严加管理,使其对软件仿真有正确的认识,对实际操作加工有足够的重视,必须保证软件仿真教学得到充分的运用,同时又要保证实际操作的地位得到权威性的提高,才能有效地组织数控教学,使我们的数控教学既科学又客观、既高效又实用。
视景仿真中履带车辆模拟 第12篇
针对以上问题, 根据Bekker提出的车辆地面力学理论[2]和Wong J Y提出的履带车辆动力学理论[8~9], 建立了视景仿真中履带地形动态交互模型, 并采用优秀的多体动力学实时仿真软件Vortex和三维渲染引擎Open Scene Graph, 自主设计并开发了履带车辆驾驶模拟系统, 增强了驾驶模拟系统的真实性。
1 仿真环境建模
系统仿真环境的建模为视景仿真驱动程序提供基本的可操作单元, 可以为驾驶培训人员提供逼真的操作环境, 其主要包括履带车辆建模和地形建模。
1.1 履带车辆建模
履带结构一般由主动轮、诱导轮、负重轮、拖带轮和履带板组成。在Multigen Creator软件中创建履带车辆的树状层次结构, 并设置履带、主动轮、诱导轮、负重轮、拖带轮的关节自由度节点 (DOF) 来描述履带各部件的继承关系。
Wong J Y针对高速履带车辆和低速履带车辆的不同特点建立了NTVPM模型 (如图1所示) 和RTVPM模型[8,9] (如图2所示) 。NTVPM模型 (如坦克车辆) 是柔性履带, 考虑了履带车辆的主要设计参数, 悬挂系统体现弹簧和阻尼的线性和非线性特征。运用车辆地面力学理论分析负重轮履带地面的作用关系, 如通过土壤的承压特性、土壤的剪切特性、土壤的重塑特性等来计算地面施加于车辆的各种力[10]。
RTVPM模型 (如履带式挖掘机、履带式拖拉机) 是刚性履带, 运用地面力学的理论来分析地面-车辆之间的作用力关系。但由于这类履带车辆一般速度较低、无悬挂系统的特点, RTVPM模型没有考虑悬挂系统, 驱动轮和负重轮通过转动副连接于车体的固定位置, 诱导轮以平动副连接于车体, 并在其轮心和车体之间安装弹簧[10]。
2 地形建模
地形建模分为静态地形和动态地形。
静态地形在Multigen Creator工具中预先设计好, 其三角形网格顶点的空间坐标、纹理、光照以及模型节点的拓扑结构等信息不会随着仿真过程的推进而发生改变。静态地形可以极大的丰富场景, 增强场景的逼真性, 提高驾驶人员的沉浸感。
动态地形可参与履带车辆与土壤的实时动态交互, 动态地形的高度采样数据以灰度图的形式进行描述和存储。地形动态变形区域发生在履带与地形的接触点附近, 要求有更高的层次细节, 且位置与车辆的运动相关, 具有一定的不可预知性。为了实现图形渲染的实时性和真实感, 选择ROAM[1114] (real-time optimally adapting mesh) 算法动态管理和绘制地形网格, 并采用多点匹配法获得履带和负重轮附近的三角形网格顶点数据。ROAM算法首先设置一个阀值, 然后根据多点匹配法获取当前履带车辆的位置, 再比较履带车辆的位置和阀值间的关系将每个地形分片的根节点分割或合并至相应的细节等级, 履带附近区域的地形多边形网格的层次细节将被动态提高, 并实时更改地表与履带相接触区域的高度数值, 以模拟具有高度真实感的履带地形动态交互效果。当履带车辆离开变形区域时, 再通过合并操作降低该区域的层次细节。同时系统根据设置最高细分程度阀值, 保证变形区域的多边形网格不被过度细分, 保证系统实时性。
3 履带与地形的动态交互
履带与地面的动态交互是履带车辆驾驶模拟系统的关键部分, 高度真实感逼真的履带地面动态交互效果, 可以为驾驶人员的提供高度的沉浸感。
3.1 履带系统力学关系
履带车辆行驶时, 驱动力不但要克服履带系统中的内部阻力, 还要克服履带板与地面的附着力。
式中, F为有效牵引力, Mq为主动轮转矩, rq为主动轮半径, Mf为内部摩擦力矩, Ft为地面牵引力, r为负重轮半径, Rc为行驶阻力, G为车辆重力, f为履带内摩擦系数, 为简化计算, 一般取f=0.07。
3.2 土壤的接地压力与沉陷深度
土壤在载荷的作用下发生垂直沉陷的特性称为承压特性, 土壤的沉陷包括弹性沉陷和塑性沉陷两部分, 如图所示, 在加载卸载重复加载过程中, 不同载荷状态对应着不同的压力-沉陷曲线, 如图3所示[15]。
1) OA段表示初次加载, 由Bekker提出的压力-沉陷关系式[2]:
式 (3) 中, p为接地压力, kc为土壤的内聚力变形模量, kφ为土壤的摩擦力变形模量, n为土壤的变形指数, Z为沉陷深度。
2) AB段为卸载曲线, 由Wong提出的重复加载模型得到接地压力[8,9]
式 (4) 中, pu为卸载开始前的载荷, Zu为卸载开始前的沉陷, ku为卸载曲线AB段的平均斜率。
3) BAC段为重复加载曲线, 如果p>pu, 则类似初次加载, 如果p
式 (5) 中, Zp为OB段所示的土壤塑性变形。
系统中履带车辆的重心设计在履带的最中心, 并设为基础坐标系。考虑到当车辆运动时, 车辆的重心会发生变化, 设定履带车辆参数G为车辆自身的重力, e为重心在前进方向的偏心距, L为履带的接地长度, b为履带宽度, x为履带上任意点到履带接地面积几何中心轴线的距离。
根据Bekker提出的压力沉陷理论, 当压力均匀分布时, 得到接地压力
代入式 (1) , 得到履带任意点x的沉陷深度:
3.3 土壤的剪切应力与剪切位移
车辆在松软地面上行驶时所能产生的最大牵引力受到土壤切向抗剪强度的限制, 因此土的剪切特性是影响车辆松软地面通过性的最重要特性。对于塑性土壤, 根据Janosi提出的土壤剪切应力-剪切位移关系式,
式 (8) 中, τ为剪切应力, τmax为最大剪切位移, j为剪切位移, k为土壤剪切变形模量, 可以认为达到最大剪切应力所需的变形值, 一般实际中为了减小误差, 可采用最小二乘法计算k[8,9]。
根据莫尔-库伦屈服法则, τmax=c+σtan, 其中, c为土壤内聚力, σ为剪切面法向压力, φ为土壤的内摩擦角。
将公式代入式 (8) 得,
式 (10) 中, jn=jn-1+dj。
jn为当前时间步长的剪切位移, m;jn-1为上一步的剪切位移, m;dj为上一个时步到当前时步的剪切位移, m。
土壤对每条履带的切向力为
式 (11) 中, a为履带板的长度。
3.4 行驶阻力
行驶阻力是由履带挤压土壤而产生的变形阻力的水平分量。由Bekker理论, 履带压缩土壤做的功W[6,7]为
将式 (7) 带入式 (12) 可得:
挖掘机在行驶时, 牵引力做的功等于压实土壤做的功, 即
则行驶阻力Rc为
4 结论
仿真环境在软土地面运行, 软土的地面设计参数如表1所示, 在软土环境下, 分别仿真了高速履带车辆 (如坦克) 和低速履带车辆 (如履带式挖掘机) , 如图4中 (a) 和 (b) 所示, 为坦克车辆在平地曲面地形中的行驶情况, 和动力学解算准确, 画面流畅, 性能稳定。
图5所示为仿真过程中发动机油门和转速的试验值和动力学模型输出值, 可见, 两种数据较好地吻合, 证明了模型的有效性。
系统推导了视景仿真中土壤的承压特性、剪切特性、行驶阻力等, 并采用ROAM算法和多点匹配法, 建立了视景仿真中的履带地形动态交互模型。系统真实感强, 为驾驶培训人员提供了高度的沉浸感和极佳的交互性, 有效解决了实车驾驶训练复杂, 器材损耗大和高油耗、高危险性等问题, 具有驾驶训练效率高、培训周期短等优点, 具有重大的社会效益和经济效益。
摘要：驾驶模拟训练系统采用经典的Bekker车辆地面力学理论和Wong J Y提出的履带动力学模型, 推导了视景仿真中土壤的接地压力与沉陷深度关系、剪切应力与剪切位移关系、行驶阻力等, 建立了视景仿真中的履带与地形的动态交互模型。采用ROAM算法和多点匹配法, 实现了地形三角形网格分辨率的动态改变。在优秀的多体动力学实时仿真软件Vortex中实现了高速履带和低速履带与地形的动态交互效果, 满足了实时仿真的要求, 真实感强, 具有极佳的交互性。
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