仿真实例范文

仿真实例范文（精选5篇）

仿真实例 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.

仿真实例 第2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.

仿真实例 第3篇

《电工技术应用》作为电类专业的一门重要的专业基础课程, 其特点是内容抽象、理论性和实践性都很强, 学习难度大。传统的教学是以教师为主的灌输式教学, 辅之以验证性实验, 实验比重较小, 而且是先理论后实验, 这种教学模式的教学效果不佳, 因此对《电工技术应用》的教学模式进行改革势在必行。随着计算机技术的迅猛发展, EDA仿真软件层出不穷, 其界面直观, 操作方便, 能辅助学生完成电路的设计、分析与计算等功能, 有助于学生理解掌握, 丰富课堂知识, 提高教学效果, 也可培养学生的分析问题、解决问题能力和创新能力。

1 仿真软件简介

NI multisim 11软件是现在美国国家仪器 (NI) 有限公司最新推出的一款优秀的电路设计与仿真的EDA工具软件, 分教育版和专业版, 其教育版专注于教学, 通过图形化的方式来消除传统电路仿真的复杂性。NI multisim 11计算机仿真与虚拟仪器技术可以很方便学生把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来, 可以很好的解决理论与实践相脱节这一问题, 并且不受实验条件和实验器材的限制, 及学生的安全问题。NI multisim 11软件是《电工技术应用》课程教学的首选软件工具, 它具有以下特点:1) 直观的图形界面;2) 丰富的元器件;3) 强大的仿真能力;4) 丰富的测试仪器;5) 完备的分析手段等等。

2 仿真软件在课程教学中的应用实例

2.1 在直流电路中的应用

叠加定律:即在线性网络中, 由几个独立电源共同作用所形成的各支路电流或电压, 是各个独立电源分别单独作用时在各相应支路中形成的电流或电压的叠加 (代数和) 。如图1所示, 叠加定律电路图

通过理论计算得到:

运用叠加定律, 三个独立源共同作用时,

利用仿真软件multisim对电路图进行仿真, 如图2所示, 验证定律的正确性。

2.2 在正弦交流电路中的应用

R、L、C串联电路是典型的正弦交流电路, 如图3所示。

通过理论计算得到:

利用仿真软件multisim对电路图进行仿真, 如图4所示, 验证了总电流和各元件电压的正确性, 同时也验证了RLC串联分压的公式U=姨UR2+ (UL-UC) 2=100V。根据计算结果, 电感和电容两端的电压接近相同, 此时电路接近处于谐振状态, 电路总电流最大, 电阻两端的电压刚好等于电源电压。通过multisim的示波器波形图可以观察此谐振状态, 如图5所示, channel_A测量的是总电压, channel_B测量的是电感和电容串联的电压, channel_C测量的是电容两端的电压。

2.3 在三相交流电路中的应用

最常见的照明电路就是三相交流电路, 由于负载很难保证对称, 因此我们采用的是三相四线制, 其中中性线尤为重要。而在《电工技术应用》实践环节, 三相交流电路需要220V的电压, 对于实践教学中故障排除存在很大的安全隐患, 所以通过multisim仿真可以完成此情境的学习。

如图6所示, 负载是额定功率分别为100W、60W、40W的三盏白炽灯星形连接, 三相四线制电路。此时每盏白炽灯都能正常发光, 电压为电源相电压220V, 中性线有电流。当100W白炽灯断开、中性线没断开的情况下, 另外两盏白炽灯仍能正常发光, 灯泡两端的电压不变, 如图7所示。当60W白炽灯断开、中性线断开的情况下, 100W白炽灯很暗, 40W白炽灯发出很强的光, 以至于白炽灯烧坏, 如图8所示。因为60W白炽灯断开、中性线断开时, 100W白炽灯和40W白炽灯串联起来接到380V线电压上, 根据串联分压可知100W白炽灯两端有一个非常小的电压, 40W白炽灯两端电压大于220V, 白炽灯会烧毁。因此中性线可以保证不对称三相负载电压对称, 对于电路的正常工作及安全起到了非常重要的作用。所以在日常生活当中, 中性线是不能安装开关和熔断器, 且要用机械强度较好的钢线制作。

2.4 在动态电路中的应用

含有动态元件的电路称为动态电路, 动态元件即储能元件L和C, 由于电感的磁场能和电容的电场能不能发生突变, 状态的转换需要一个中间过程, 此过程称为过渡过程。实际电路中过渡过程非常短暂, 在微秒或毫秒的数量级内, 普通的仪表是测量不出此过程的。以RC电路 (图9) 为例, 通过示波器来观察电压的波形图, 如图10所示。当开关J1打到'1'位置时, 电容充电;当开关J1打到'3'位置时, 电容放电。

3 结束语

本文通过对《电工技术应用》课程教学中引入仿真软件, 即降低了教育成本, 又做到了理论与实际有效结合, 加深了学生对理论知识的理解, 锻炼了学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力。课堂上仿真软件与多媒体结合的教学方法, 使得课堂教学生动、灵活, 激发了学生的学习积极性和主动性, 进而提高教学质量。

参考文献

[1]王冠华.Multisim11电路设计及应用[M].北京:国防工业出版社, 2010.

[2]杨晓雷.NI Multisim11.0中数字万用表的使用[J].中国现代教育装备, 2012, 7.

仿真实例 第4篇

电子课堂教学通常面临着与工程实际脱离的情况,导致学生在学习的过程中,无法真正理解所学内容的应用价值,不能主动地将所学内容用到后期的设计中去。美国NI公司发布的Multisim仿真软件一直以来被认为是电子学教学中应用最广泛的软件之一,而NI公司的Lab VIEW是一个使用图形符号进行编写程序的编程环境,作为数据采集和仪器控制软件的标准广泛应用于工业界、学术界和研究性实验室。同时,通过Lab VIEW功能强大的图形编程语言可以成倍的提高生产效率,还可以自定义属于自己的虚拟仪器(VI)。本文一方面利用Multisim强大的电路仿真功能,另一方面,利用Lab VIEW的数据分析及结果显示的能力,综合两者优点,设计出适合课堂教学的演示实例,方便从事电子学的教育工作者进行相关课程的教学工作。本质上说,可以把Multisim提供的模块看作是子电路,通过Lab VIEW可以直接调用,并且在此基础上完成后续的前面板设计,为用户提供良好的交互界面。这种“软硬”结合的方式,能够提供给学习者针对硬件设计、层次化设计、软件算法一种新思路、新视角。

1.教学设计实例

进行Multisim和Lab VIEW联合仿真,需要联合仿真模块(co-simulation)才能够调用相关的Multisim设计。数字电路课程的理论教学传统上的方式是以黑板课堂以及验证性实验室实验结合完成,然而理论课程与配套的实验课程很难做到实时同步。为此,为了配合理论课程的教学,有必要利用各种手段,设计出相关的演示实例,结合实际,令学生对理论知识的应用有更具象的认知,以提高教学效果。

1.1四位二进制加法器演示实例设计

如下,就是我们设计的全加器构成加法器的演示实例,图1为Multisim提供的全加器仿真模块,图2为利用Lab VIEW设计的4位二进制串行加法器的程序图,图3为前面板(GUI)。

通过演示,可以透过前面板设定2个四位二进制数的数值进行计算,得到对应结果。另外,切换到后台程序框图,利用Lab VIEW的G语言的特点,让学生可以清楚地了解到如何利用全加器模块进行串行加法器的设计,以及其中的逻辑关系。另外,根据演示实例中计算2个四位二进制加法的用时,了解到串行加法器的问题所在,即实时性差,进而提出改进方案设计超前四位二进制加法器,紧密贴合课本的内容,加深理解。图4给出了利用Multisim提供的74283模块(超前加法器仿真模块)以及Lab VIEW程序图联合制作的课堂仿真演示实例,测试其计算2个4位二进制数的时间,通过课堂演示,让学生通过仿真时间的差异感受两种加法器的计算速度,了解工程设计中需要注意的实时性的问题,为后期深入学习诸如流水线加法器、乘法器等概念提供依据。同时,也更易理解4位2进制超前加法器的原理。

1.2抢答器演示实例设计

抢答器的设计一直以来作为电子专业学生必须制作的初步电路作品,本演示实例利用四输入D触发器完成简易的四人抢答器,演示过程中,首先提供由Multisim搭建的简易抢答器的仿真模块(配置好相应的接口),然后通过Lab VIEW进行调用,完成互动的前面板设计。图5为Multisim电路模块,图6为Lab VIEW程序框图,图7为此演示实例前面板。

通过Multisim模块介绍,以及Lab VIEW程序图设计的阐述及前面板生动的演示,让学生更充分理解利用D触发器构成简易抢答器的原理,达到良好的教学目的。

2.利用Lab VIEW WEB发布工具设计网络资源共享平台

随着网络技术的完善,教学活动不仅仅单一的存在于理论课堂之上,许多教育工作者会充分利用网络技术将教学活动延伸到课堂教学之外的时间,学生可以通过网络随时随地的观看课堂教学中涉及的课件、仿真实例等。Lab VIEW环境提供给用户十分易用的WEB发布工具,利用此工具,教师可以将仿真实例通过网络共享给学生,学生可随时随地的进行访问,帮助学生更好的复习所学内容,提高教学质量。通过此技术,一方面解决了实验室空间不足,学生实验课程排课困难等问题,另一方面,在一定程度上节省了实验室设备的购买及维护费用。

3.结语

本文主要围绕着美国NI公司的Multisim仿真软件结合Lab VIEW开发环境制作适合课堂教学的演示实例,并且利用Lab VIEW提供的Web发布工具,利用网络技术将资源共享给学生,提高学生自主学习的能力,培养其创造力。本文涉及到的演示实例的设计都是基于“数字技术”课程的,而对于其他课程,等并未涉及,这是我们下一步要进行的工作。

参考文献

[1]乔瑞萍等译.Lab VIEW大学实用教程.[M].电子工业出版社,2008.

[2]聂点,李北雁等.基于NI Multisim11的PLD/PIC/PLC的仿真设计.[M].电子工业出版社,2011.

[3]孙绍荣.高等教育方法概论[M].上海:华东师范大学出版社,2010.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2008.

仿真实例 第5篇

通信原理课程是高等学校通信工程专业本科生必修的一门专业基础课程,是通信工程专业最重要的核心与标志性课程,课程所包含的内容是通信工程专业本科生的知识结构中必须具备的重要的组成部分,要求学生既要学好理论知识,又要有较强的实际动手能力,同时还要培养学生积极主动分析和解决各种问题的意识,并运用所学知识解决实际问题的思路和方法。

二、Matlab软件介绍

Matlab是美国公司于1984年推出的一套数值分析和矩阵运算软件,是一种将数据结构、编程特性以及图形用户界面完美地结合到一起的软件[1]。Matlab具有强大的数学计算功能和图形化显示功能[2]。其中内嵌的丰富的数学、统计和工程计算函数,使得不同应用领域的问题与结果,都可以通过使用函数进行问题的分析解答,并能够将数值计算的结果通过图形化的界面显示出来,从而使复杂的理论与数学推导直观化。而针对通信原理课程理论性强,数学推导复杂的特点,就可以利用Matlab软件来达到方便学生的学习的目的。本文通过对直扩系统抗干扰特性分析这一教学内容,将这方面的教学经验作为案例加以介绍。

三、仿真在教学中应用案例的具体实现

数字扩频通信技术具有抗干扰能力强、信号发送功率低,以及多个用户可在同一信道内传输信号等优点。以直接序列扩频为例,理论的数学推导相对比较复杂,特性的显示不够直观,对于整个直扩系统的抗干扰特性,学生理解难度比较大[3]。本文以在直扩系统中加入正弦干扰为例,通过Matlab仿真来演示和分析直扩系统抑制正弦干扰的特性。

首先根据直扩原理,先对于加入正弦干扰的直扩系统进行建模,针对原理模型,再通过Matlab对模型进行仿真。而要分析该系统的干扰特性,就是通过计算不同正弦干扰下的误码率来进行比较和分析,因此首先要根据模型来做一个计算该系统误码率的函数文件ss_Pe.m,然后根据不同的正弦干扰,调用该函数来分别计算误码率并进行特性的比较,函数文件的定义格式如下:

function[p]=ss_Pe(snr_in_d B,Lc,A,w0)

其次,snr_in_d B:信噪比;Lc:每比特重复次数;A:振幅幅值;w0:振幅频率;

最终,计算的误码率为:p=num_of_err/N。

接下来,我们给出四个幅值不同的正弦干扰,分别是A1=3、A2=7、A3=12、A4=0,调用误码率函数来分别计算误码率,并进行图形化显示,得到结果如图1所示。

由于误码率的计算比较复杂,并且计算出具体数据也很难使学生有直观的理解和印象,对于不同的正弦干扰特性也不能直观的进行比较,而运用Matlab软件,可以将这一计算函数化,然后再调用函数,将不同正弦干扰的误码率进行图形化显示,进而相互比较,使学生一目了然,并且能更好地对于直扩系统的干扰特性进行理解和学习,实际教学效果很好。

四、结论

综上,实际教学表明:通信原理中枯燥的原理部分可以通过Matlab软件仿真生动的表示出来,便于学生理解原理中复杂的计算,为学生对知识的掌握打下牢固的基础;另一方面,学生在仿真实验的过程中逐渐提高了学习的兴趣,不断的投入和尝试各种变化,这样更加有利于将“以教为主”的教学模式转变为“以学为主”的教学模式。

摘要：针对通信工程专业中通信原理课程的理论性强,概念抽象等特点,提出了结合MATLAB仿真将抽象理论及复杂运算直观图形化的交互式教学方法,并以直接序列扩频系统(DSSSS)为例,给出了完整的教学开发案例,实践证明:激发了学生的学习兴趣,提高了教学效果。

关键词：通信原理,Matlab,仿真,图形交互式教学,直接序列扩频系统

参考文献

[1]周开利,邓春晖.MATLAB基础及其应用教程[M].北京:北京大学出版社,2007:12

[2]王宏.MATLAB6.5及其在信号处理中的应用[M].北京:清华大学出版社,2004:5-9