基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验（共6篇）

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验 篇1

基于MATLAB/Simulink的

电力系统故障分析

10kv系统三相短路分析

三相短路（以中性点不接地系统模型为类）模块搭建：

三相短路各元件参数设置如下：

三相短路仿真波形如下：

如图1——a、b、c三相短路电流仿真波形图

分析：正常运行时，a、b、c三相大小相等，相位相差120度。发生三相短路时，a、b、c三相电压全

如图

2——线路1的零序电流

分析：在没有故障时，没有零序电流，突然出现故障时，零序电流为故障电流的3倍，为3I0。

如图3——线路1的零序电压

分析：在没有故障时，没有零序电压，突然出现故障时，零序电流为故障电压的3倍，为3U0。

如图4——线路1的故障相电压

如图5——线路3的零序电流

如图6——线路3的短路电流

如图7——三相对称电源电压

如图8——线路2的零序电流 分析：在没有故障时，没有零序电流，突然出现故障时，零序电流为故障电流的3倍，为3I0。

如图9——三相对称电源电流

如图10——三相对称电源零序电压

如图11—— 一相短路电流

10kv系统两相短路分析

仿真模块搭建同三相短路，只有三相故障模块参数改变如下：

注：a、b两相短路

分析：两相短路原理同三相短路，两相短路复合序网图是无零序并联网，短路两相电压相等，电流互为相反数，非故障相电流为零。

零点漂移轨迹的验证

一 理论分析

对于以下简单的中性点不接地系统，当其发生单相接地故障时，各量之间满足以下关系：

其中，分别表示A、B、C三相对O’点的导纳 则

用复数形式可表示为

其相量关系如下图：

则

可得

所以，可以推出中性点不接地系统发生单相接地故障后，不同接地电阻下，对应的零点漂移轨迹为接地相右半圆.二matalab仿真 模型搭建类似单相短路

电源参数设置

消弧线圈参数设置

其它参数设置类似单相接地短路短路，但是接下来不知该怎么把它的参数通过图形描述出来，以此证明中性点不接地系统发生单相接地故障后，不同接地电阻下，对应的零点漂移轨迹为接地相右半圆.如下图：

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验 篇2

物理学被称为自然科学之母,其研究内容、思维方式,及对自然科学界的支撑性,对人类文明的发展起到了不可估量的作用。大学物理实验是大多数专业进入高校后的第一门科学实践性的课程,是培养学生的实践能力、自主学习能力、科学精神和创新能力的基本环节,国内外各大高校无一例外地开设大学物理课程,包括一些文科类的专业也以各种形式开设物理实验课程。物理实验教学是面向大面积学生的教学,需要大量的设备和实验室,也是国家教育经费投入的重点。当前如何开放实验室,让学生能在实验室自主学习,提高面向大面积学生实验教学的水平和质量是当前迫切需要解决的问题。

针对上述问题,本文提出了构建基于组件的仿真实验的智能化开放物理实验系统的建设思想,并构建与实施了该智能化教学系统。本系统为量大面广的学生构建了自主学习的平台,丰富了教学资源,解决了实施学生自主学习模式中需要大量设备、师资力量等教学资源的困扰,在实验教学实践中发挥了重要作用。

1 智能化实验系统的结构与功能

本文阐述的智能化实验系统由基于组件的仿真实验系统、硬件控制系统和软件管理系统组成,其结构框图如图1所示。

图1智能化物理实验系统框架 (参见下页)

1.1 仿真实验系统

仿真实验系统是智能化实验系统中具有创新点的、也是最重要的特点。随着计算机技术、信号传输与接口技术的发展。大学物理仿真实验与虚拟实验

也逐渐发展起来,由于对仿真实验与虚拟实验概念理解的不同,各大高校发展的仿真实验系统差别较大,开发的平台也多种多样,近年来,虚拟仿真实验室在教育领域广泛应用,并得到迅速发展,很多国内外著名的高校、科研院所及远程教育机构等都积极投入到物理虚拟仿真实验系统的建构中,开展虚拟化实验教学研究。国外的虚拟仿真实验系统发展较为迅速,在虚拟仿真实验的开发方面领先于国内。其中一些著名高校开发的虚拟实验系统已经投入到实验教学中,并取得显著的效果,其中比较典型的有麻省理工学院的电子工程与计算机科学学院1988年开始建设,现在己经发展到WebLab4.0版本。在1992年,美国的东卡罗琳那大学成立了虚拟现实技术与教育实验室(VREL)。该实验室的目的是对虚拟现实技术在教育方面的应用及影响做出评价,并与其它教育媒体的效果进行比较。休斯顿大学和NASA约翰逊空间中心的研究人员建造了一种称之为“虚拟物理实验室”的系统,加大虚拟实验环境的仿真力度,实验建模也更加精细。卡罗莱纳州立大学的LAAP利用Java技术建立了基于WEB的探究式虚拟物理实验室,主要有以下几个模块:基于JavaApplet的虚拟实验设备和实施设施、相关的实验课程模块、实验学习结果评价模块、协作学习模块[1,2]。

智能化实验系统主要包括硬件和软件两大部分构成,硬件主要是指刷卡识别控制系统,服务器及其配套线路控制系统,智能卡,信号传输线及网络设备。软件主要是指对整个硬件系统进行识别、管理、统计、网站交互系统,对管理人员、教师、学生及课程的管理、选课、成绩记录分析等各教学相关环节的控制。这些技术在目前已经发展的比较成熟,作为物理实验,在以上软硬件系统的基础上,还要考虑到现代物理实验部分,配合仿真实验系统。可以实现适合现代教学要求的高水平实验教学。

从目前网络的发展情况来看,各大高校的实验网站建设趋于成熟,网站的结构和内容基本架构上基本上相同的,实现的功能主要是新闻发布,实验内容展示,论坛交流,教学管理、学习过程管理,对外交流等过程。作为智能化大楼的一部分,网站上需要增加对学生、教师的管理,课程的管理和刷卡智能系统的控制与管理[8,9,10]。

仿真实验系统,仿真实验是智能化实验系统中具有创新点、也是最重要的特点,随着计算机技术,信号传输与接口技术的发展。大学物理仿真实验与虚拟实验也逐渐发展起来,由于对仿真实验与虚拟实验概念理解的不同,各大高校发展的仿真实验系统差别较大,开发的平台也多种多样,近年来,虚拟仿真实验室在教育领域广泛应用,并得到迅速发展,很多的国内外著名的高校、科研院所及远程教育机构等都积极投入到物理虚拟仿真实验系统的建构中,开展虚拟化实验教学研究。国外的虚拟仿真实验系统发展较为迅速,在虚拟仿真实验的开发方面领先于国内。其中一些著名高校发的虚拟实验系统已经投入到实验教学中,并取得显著的效果,其中比较典型的有麻省理工学院的电子工程与计算机科学学院1988年开始建设,现在己经发展到WebLab4.0版本。在1992年,美国的东卡罗琳那大学成立了虚拟现实技术与教育实验室(VREL)。该实验室的目的是对虚拟现实技术在教育方面的应用及影响做出评价,并与其它教育媒体的效果进行比较。休斯顿大学和NASA约翰逊空间中心的研究人员建造了一种称之"虚拟物理实验室"的系统,加大虚拟实验环境的仿真力度,实验建模也更加精细。卡罗莱纳州立大学的LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics)利用Java技术建立了基于WEB的探究式虚拟物理实验室,主要有以下几个模块:基于Java Applet的虚拟实验设备和实施设施;相关的实验课程模块;实验学习结果评价模块;协作学习模块[1,2]。

本文阐述的基于组件的计算机仿真实验具有下列特点[3-6]:1)实验仪器以接口形式出现,可以灵活地被调用在各个实验与各个实验环节中;2)基于组件的仿真实验的运行结果可从接口输出,以判断实验方案、仪器使用等环节出现的问题,并加以调整。3)基于组件的仿真实验可以成功地运用于学生设计实验方案、预习、考试及学生实验报告自动评判等环节。

1.2 教学管理系统

教学管理系统在整个教学过程中,最具有特点的是把智能管理与虚拟仿真实验系统结合起来。在物理实验教学过程中必将起到积极的作用。这样的实验模式,不但能适应传统的教学任务,还能适应现代教学模式的要求,还能实现自选实验、开放实验、仿真实验,可以实现全天开放,真正提高实验仪器的利用率。

系统的运行机理:WEB数据库服务器以门户网站为引导、选课排课管理系统为基础功能,中科大奥锐公司开发的在线仿真实验系统与视频交互系统为双翼,刷卡派位系统为脉络,在此系统中,实验楼中的所有实验室、仪器、电源及相关的辅助系统构成一个有机的整体,再配以意外事件紧急处理预案,可以实现实验室高效正常运转。

(1)系统功能。本系统可以多种方式进行动态学习与教学,包括以网络为媒体的人机互动、师生互动、师师互动、生生互动等多种互动方式,互动类型又可分为同步即时互动、异步互动两种。系统主要由管理人员进行基本数据的录入,主要包括实验项目、教师信息、学生信息、课程安排及相关的管理运行软件。

(2)学生用户。学生通过网络和一卡通可以实现网上选课、信息查询、实验预习、模拟测试、实验报告提交、成绩查询、问题讨论、即时提问、实验预约、自主实验、在线考试、在开放时期随时可以进行实验,满足不同需求、不同层次的实验。在师资和学校环境允许的情况下甚至可以进行全天候自主实验。本系统的亮点是在系统中融入中科奥锐公司开发的仿真实验系统,在此系统的支持下,学生可以在没见到仪器的情况下、进入虚拟的实验环境进行模拟实验,通过模拟实验,极大缩短了学生从进入实验室到熟悉实验仪器的时间。在网络和信息化飞速发展的时代,本仿真实验系统应用的优势也会逐渐突显出来。

(3)教师用户。实验平台从理念上结合了现代电子技术、计算机技术、软件与硬件接口技术、物理实验仪器的最新接口、虚拟仿真技术、网络技术。多种技术配合使用。主要的特点是加入目前已经有一定发展水平的仿真实验与虚拟实验配合。大学物理实验耗人耗时耗力,一直以来存在诸多问题,通过本文提出的实验大楼的模式进行规划,能在很大程度上提高运行效率,提高仪器利用率,从管理人员、教师到实验员一直以来是各大高校难以解决的问题,本实验大楼概念的提出,在本实验大楼的总体规划下,各学校结合实验实际情况,从学生和教师的管理上可以达到最大的优化。加强学生的实验自主性,很多过程由网络和电子设备完成,教师的精力和关注点达到解放。传统的预习、课程安排、考试考察等过程教师的参与程度得到极大的降低。

1.3 硬件控制系统

智能化实验系统的硬件系统主要是刷卡系统,刷卡系统在各行各业里已得到充分的应用,刷卡系统在各大学校里也有很多高校应用,主要是图书馆、学校的一卡通,特别是一些内地发达地区的高校应用得比较充分。针对大学物理实验系统的具体要求,把目前已经发展相对成熟的网站系统和硬件刷卡系统结合起来,再加上虚拟仿真系统的配合,可以实现适合现代技术发展水平的智能化实验系统。

2 智能化开放实验系统在教学实践中应用效果

智能化开放实验教学系统的引入对实验教学注入新的活力,南方科技大学的物理实验系统建设是国内实验系统中最完善的,作为新理念下的实验教学与培养模式,对学生、教师、实验员都提出新的要求,在南方科技大学,学生可以24小时随时去做实验,通过仿真实验预习、选课系统预约、刷卡系统进实验室进行实验,实验网站提交实验报告,教师的工作重点是如何引导学生进行创新性的研究,为学生提供思路与方向,日常的琐碎事务交给系统来处理。在国内外实验教学中有明显的特色。香港理工大学与复旦大学远程实验的功能在实验系统里影响颇大,所用的技术手段与本文所述系统中的主要思路基本是相同的。石河子大学自2010年后先后建立实验教学网站与刷卡选课系统、仿真实验系统。整个物理实验体系按照本文所述系统建立,网上预习、考试系统、与刷卡系统方面开展了教学实践,深受教师与学生喜爱,仿真实验方面得到学校的关注与肯定,专门成立了大学物理校级仿真实验中心。

3 结束语

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验 篇3

关键词：Mworks系统 仿真实验?仿真效果

中图分类号：TU646 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0006-02

目前机械产品通常是机械、电子、控制等多领域子系统的组成，因此机械产品设计是一个系统设计过程，是工程分析和优化决策的过程，是产品性能的不断优化的过程，Mworks为产品多学科优化设计提供了一个很好的平台。

MWorks[1-5]是华中科技大学CAD中心（同元软控）历经10余年倾力打造的新一代多领域物理系统建模与仿真平台，完全支持国际多领域统一建模标准语言Modelica，提供了从可视化建模、编译求解到结果后处理的完整功能，并支持基于Modelica模型的多学科多目标优化。

该系统可利用现有大量可重用的Modelica领域库，广泛地满足机械、电子、控制等领域建模仿真与设计优化需求。能使不同领域的研发人员在统一的开发环境中对复杂产品进行多领域协同开发、试验和分析。从而大大提高产品研发效率。目前该系统已经成功应用于中国商用飞机有限公司（国产大飞机）项目，应用效果良好。

本文主要针对本科生《机械设计》课程设计要求，对减速箱基本动力学分析，使用Mworks进行减速箱功率、受力、运动等性能仿真，帮助学生进行机械系统优化设计。

1　减速箱仿真模型建立

1.1 几何模型建立

本文以应用广泛、结构相对简单的标准双级圆柱齿轮减速器为例子，首先使用三维CAD软件建立其三维几何、装配模型，能帮助学生能进一步直观掌握减速箱的各零部件的装配关系，完成装配模型后生成爆炸图，如图1所示。将缸体、缸盖、以及固定缸体缸盖的螺栓和螺母拆开，了解减速箱内部结构，使得学生能够非常直观的看到减速箱内部结构，为结构设计打下基础。

1.2 动力仿真模型建立

目前的多领域物理建模平台在不同领域库的支持下，采用可视化拖放建模方法构建仿真模型，其过程如下：先建好底层模型，再在主模型中拖放底层模型作为主模型的部件，或者从Modelica标准库中拖放模型作为主模型的部件。

图2所示为作者开发多领域建模仿真平台Mworks减速箱模型。具体操作步骤如下叙述。

启动MWorks，出现如图所示的启动界面，上面横条为工具栏和菜单栏，可以启动工作、各种操作，右边为视图浏览区、输出信息栏和属性栏。左上部分是系统模型库，包括各种机械、电子等已有的参数化模型，具体如下。

Blocks——连续和离散的输入/输出部件子库，例如滤波器、信号源等。

Constants——提供数学常量、机械相关的常量和自然界其他常量等。

Electrical——电气和电子元件库，例如电阻、二极管、三极管等。

Icons——提供基本图标定义的库，用于可视化建模。

Math——提供数学函数（如sin、cos、log等）和矩阵运算功能的子库。

Mechanics——包括一维和三维机械系统部件（如变速箱、行星齿轮、离合器等）的子库。

SIunits——定义了与ISO 31-1992一致的国际单位类型，如角度、电压、惯量等。

用户可以根据需要用鼠标拖拽的方式拉到设计工作区，左下部分是现有模型视图，以结构树的形式列出当前系统包含的各种组件。模型库右边是主工作区，可以通过拖拽模型库中已有的模型到工作区设计产品。

在左边“系统模型库”树视图上依次展开节点“Modelica”->“Mechanics”->“MultiBody”，显示系统中已经存在模型库，比如电机、传动齿轮等。双击节点“Rotor”，MWorks载入电机模型及其所需的组件，并在视图浏览区显示模型部件结构，左下方“现有模型”视图显示系统标准库和用户库中模型的层次结构，右边的视图浏览区显示已有的模型结构。以此类推，将电机、齿轮、扭矩等组件拖拽进工作区，并添加链接组件，构成减速箱基本传动结构。

选中“Rotor”组件的图标，单击右键，弹出快捷菜单，如图2-4示，通过“Parameters…”调出组件参数对话框（依次点击“Graphics”->“Selected Component”->“Parameters…”也能调出该对话框），在其中可以修改组件的名称、参数等。

在部件视图浏览区双击代表组件的图标（或单击组件图标使之选中，然后通过“Graphics”->“Selected Component”->“Show Component”；或打开右键快捷菜单，选择“Show Component”），可以查看组件模型细节。当鼠标在组件图标上悬停时，会显示组件的类型信息。

“当前模型”树视图和右边显示的组件保持同步。当在部件视图浏览区选中某一组件，左边的“当前模型”树视图也会选中代表该组件的节点；同样，在“当前模型”树视图中选中某节点，部件视图浏览区也会选中该节点所表示的组件。部件视图浏览区显示组件的具体结构，“当前模型”给出了模型的整体结构，使得能够在模型的层次结构中切换和浏览。

现在部件视图浏览区显示的是减速箱组件的结构，包括电机、扭矩、负载、齿轮等，并且左边“当前模型”视图中表示减速箱组件的节点展开了，可以看到减速箱模型内部的组件，当选中某个组件时，属性栏显示组件的基本属性和组件参数，根据设计要求可以修改齿轮传动比、负载等参数，使系统负荷设计要求。

2　模型仿真

建好模型后，我们可以仿真的方式检验模型是否能够达到设计要求，并可以调整组件的参数进行优化设计。

选择“Simulation”->“Goto Simulator”菜单项或工具栏的“启动仿真界面”按钮打开仿真界面，如图示。如果要设置仿真参数，通过菜单“Simulation”->“Setup”或工具栏“仿真参数设置”按钮进入设置界面，设置终止时间为1s。

通过菜单“Simulation”->“Simulate”或工具栏“模型求解”按钮进行仿真。MWorks先翻译模型，然后进行求解。求解完成后，变量树视图中显示模型中的变量，选中变量前的复选框，可以绘制出度变化的曲线，如图5示，电机的角速度motor1.Jm.w变化曲线。

在左边变量框，选择相应变量，比如齿轮扭矩等，仿真后可显示相应的动力学曲线。

3　结语

本文采用Mworks的标准件库对应用广泛、结构相对简单的标准双级圆柱齿轮减速器进行了建模仿真，学生可以直观的设定系统中电机转速、力矩、齿轮传动比等参数，系统自动得到不同设计结果，让学生体会到机械产品不断优化的设计过程。这样将有利于学生掌握机械设计过程，提高产品设计能力，为将来从事相关工作打下坚实的基础，同时也为工科学生的工程学习提供新的途径。

参考文献

[1]　吴义忠，刘敏，陈立平.多领域物理系统混合建模平台开发[J].计算机辅助设计与图形学学报，2006，18（1）： 120-124.

[2]　赵建军，丁建完，周凡利，等. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机

理[J].系统仿真学报，2006，18（2）：

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[3]　王书亭，吴义忠.多领域仿真平台下自顶向下的建模机制[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010，22（7）.

[4]　赵翼翔，陈新度，陈新.基于Modelica的机电液系统多领域统一建模与仿真[J].

机床与液压，2009，137（16）：166-169.

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验 篇4

据了解，目前国内好多高校都根据自身的教学需求建立了仿真实验室。典型的有：中国科技大学在仿真实验室的建设和使用方面形成的如物理实验仿真实验软件，广播电视大学物理仿真实验、几何光学设计实验平台、大学物理仿真实验远程教学系统，同济大学建筑学院的可以对建筑景观、结构进行仿真的仿真显示实验室等，化工原理仿真实验现在也有许多高校建立了仿真实验系统，如天津大学化工原理仿真实验，浙江大学化工原理仿真实验。

化工原理仿真实验通过利用计算机图形技术在显示器屏幕上创建一个虚拟的化工原理实验装置环境，通过计算机的输人设备（鼠标或键盘）来表达对实验装置的操作过程，再借助于实验装置的数学模型和计算机的数值计算能力来模拟实验装置各种参数在操作过程的变化，构成了一个有效的仿真实验系统。学习者通过仿真系统的操作，可以对实验过程获得直接的感性体验，尤其对实验步骤和操作程序产生深刻的印象。本次设计以flash软件为平台,对新购置的化工原理实验装置，进行实验装置流程认识、实验操作步骤等内容进行动画设计与仿真模拟,为化工原理实验这一实践教学环节提供辅助教学，以提高实验教学效果与效率。基于flash平台仿真的实验项目有:离心泵性能测定实验、流体阻力实验、传热综合实验。

总论

1.1仿真实验的概述

1.1.1　仿真实验的定义

关于“仿真实验”的概念，人们往往从不同层面给予了不同的定义和表述。

从技术层面上看，仿真实验可以表述为：在计算机系统中采用仿真技术、数字建模技术和多媒体技术实现的各种仿真环境的软件，实验者可以像在真实环境中一样完成各种指定的实验项目，所取得的效果也等价甚至优于在真实环境中所取得的效果。

从功能角度来看，仿真实验是一个创造和引导模拟实验的交互环境，也就是实验场所。它可以辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关操作环境。以上的解释和定义分别从不同侧面揭示了仿真实验的内涵，为我们更好的把握仿真实验的定义提供了依据。所谓“仿真实验”，是相对于真实实验而存在的，两者的主要差别在于：实验过程中所触及的对象与事物是否真实。在真实实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的；而在仿真实验中，不存在实物形态的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作。

以技能训练为主的实验教学中，相应的辅助软件却甚少。而仿真实验软件正是属于技能领域学习软件。应用于教学的仿真实验软件是以教学理论、计算机技术等为基础，采用面向对象的思想构建的、能实时操作的、非实在的实验空间。在这个环境中，学生可以像在真实环境中一样来完成各种实验项目，其本质是由计算机模拟实现的一个过程，提供一个虚拟的实验环境。

随着现代教育技术的发展，仿真实验已经成为计算机辅助教学的一个新的发展方向，它除了具备计算机辅助教学软件的一般特点之外，主要还有以下特征：

仿真性

仿真实验中的实验环境和实验仪器具有高度的真实感，学生在计算机上进行操作如同置身于真实的实验环境，对真实的实验仪器进行操作。

‚交互性

仿真实验使实验变成学生与计算机的双向交流，学生利用鼠标或键盘可以自己对仪器进行操作，自由选择实验内容和实验进程等，可以极大地调动学生的学习积极性。

ƒ开放性、经济性、灵活性

仿真实验易于扩充维护，操作方便，可以随时开放，反复实践。能有效降低实验仪器的耗费量，避免设备的重复购置，提高办学效率。而且仿真实验灵活方便，可移植，便于实现资源共享。

1.1.2　仿真实验的分类

根据仿真实验的功能来分：

演示型仿真实验

演示型仿真实验是对实验现象的演示。作为实验者，只能从观众的角度观察实验。设计演示型实验可采取多种方法，许多教学软件都采用这种方式。也可用Flash或其它多媒体软件制作动画、３Ｄ模型进行演示。这种演示型实验没有动手的体验，因此缺乏真实感。目前许多高校物理实验网站中都采用的这种演示型实验软件来辅助实验教学，主要用于实验课前预习。

操作型仿真实验

在操作型仿真实验中，实验者能够控制、参与实验，是实验的主导者。它需要和用户交互来完成具体实验操作，交互性是操作型仿真实验的一个重要的特点。因此，操作型仿真实验也可称为交互式仿真实验。使用者能对其中的仿真仪器进行相应的操作，并实时显示实验现象与结果。操作型实验的制作方法就要复杂一些，对于实验操作过程的仿真，必须考虑在特定的事件发生时，如何调出相应的事件、如何触发和如何实现等问题。

1.2　文献综述

flash仿真实验的特点

flash仿真实验是根据教学目标而设计、表现特定教学内容、反映特殊教学策略的教学软件。它可以用来存储、传递和处理教学信息，能让学生进行交互操作并对学生的学习情况做出反馈。Flash具有强大的动画编辑功能，这使得设计者可以随心所欲地设计出高品质的动画。Flash把动画、声效、交互方式融合在一起，排版容易，界面美观。Flash生成的动画文件占地小，消耗资源少，播放方便，利于传输。

仿真教学是以仿真技术为基础、用实时运行的动态数学模型代替真实装置进行教学的一种崭新的教学理念。化工仿真技术是指过程系统的数字仿真,以起初的物体或系统规律为依据建立数学模型,在计算机上建立虚拟的操作环境,控制原理、手段、界面和操作场景都和现代化工生产实时控制极为相似.任何一种化工产品的生产过程都是由若干个单元操作及化学反应过程组合而成的，所以单元操作时化工类及相关专业人员必须具备的基础知识，它也是《化工原理》课程的主要内容。平时教师教课，使用粉笔，黑板和教师的语言来表达相当费时费力的。采用flash制作的化工原理仿真实验可以直观生动的表达单元操作涩北的内部结构和操作过程，演示丰富的实验现象，使得《化工原理》的教学达到事半功倍的效果。化工原理仿真实验运行过程可以控制其实际的过程，能过按教师的教学节奏和进行程序。对一些疑难问题，可以随时返回到相关的知识点重复讲解，因此化工原理仿真实验有良好的交互性。

flash仿真实验可以解决一些在实际操作中可直观形象地表达教学主题，教师可以将平时讲课中很难甚至根本无法画出的各种仪器的立体图形展示出来，可以使得学习者在实验前对实验装置和实验操作和流程有一定基础的了解，可激发学生的学习兴趣，培养学生的能力和提高学生素质，可以优化教学过程，使教学起到事半功倍的效果。

flash仿真实验的产生和发展方向

20世纪中叶以来，以计算机信息科学技术、生命科学、空间科学、材料科学等为代表的新的科学技术革命，极大地加速了科学技术的发展和各学科之间的相互交叉与渗透，新的综合化趋势已成为科学发展的主流。学校培养人才的思路必然要适应这些变化，课程体系、教学内容、教学方法及手段必须由封闭型向开放型转变，更主要的是要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，特别是与科学技术发展相适应的综合能力。

许多高校也开始结合计算机技术通过FLASH软件以及一些辅助软件，例如CAD，作出动画效果，这样实验者就可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练等值于甚至优于在真实环境中取得的效果对于一些仿真实验就应运而生了。据了解，目前国内好多高校都根据自身的教学需求建立了仿真实验室。典型的有：中国科技大学在仿真实验室的建设和使用方面形成的如物理实验仿真实验软件，广播电视大学物理仿真实验、几何光学设计实验平台、大学物理仿真实验远程教学系统，同济大学建筑学院的可以对建筑景观、结构进行仿真的仿真显示实验室等，化工原理仿真实验现在也有许多高校建立了仿真实验系统，如天津大学化工原理仿真实验，浙江大学化工原理仿真实验。

1.3

flash的概述

1.3.1

flash

8.0的功能简介

Flash8.0是美国Macromedia公司出品的基于矢量图形的交互式多媒体创作的软件，设计人员和开发人员可使用它来创建演示文稿、应用程序和其它允Flash

许用户交互的内容。Flash

可以包含简单的动画、视频内容、复杂演示文稿和应用程序以及介于它们之间的任何内容。Flash的前身是Future

Wave公司的Future

Splash，是世界上第一个商用的二维矢量动画软件，用于设计和编辑Flash文档。Future

Splash只是由简单的工具和时间线组成。Macromedia

Flash是美国Macromedia公司开发的一种二维动画软件，首次引入了库的概念。通常，使用

Flash

创作的各个内容单元称为应用程序，即使它们可能只是很简单的动画。您也可以通过添加图片、声音、视频和特殊效果，构建包含丰富媒体的Flash

应用程序。Flash

包含了许多种功能，如预置的拖放用户界面组件，可以轻松地将

ActionScript

添加到文档的内置行为，以及可以添加到媒体对象的特殊效果。这些功能使

Flash

不仅功能强大，而且易于使用。完成Flash

文档的创作后，可以使用“文件“>“发布“命令发布它。这会创建文件的一个压缩版本，其扩展名为

.swf

(SWF)。然后，就可以使用

Flash

Player

在Web

浏览器中播放

SWF

文件，或者将其作为独立的应用程序进行播放。

1.3.2

flash

8.0工具的优点

Flash

8.0不仅是很好的矢量动画制作软件，而且也是很好的绘图软件。用它设计仿真实验有以下几大优势：

可以使图形任意变形，如绘制一直线后，可轻而易举地变形出各种曲线，绘制矩形或圆形可变形得到各种封闭图形；

可以任意截取图形部分加以利用，如要利用一段弧线，只要在圆上画一条线，然后选取弧线就可将相应弧线单独离开使用；

flash

8.0的色彩管理模式强大，可进行任意色彩组合，绘出的画面绚丽多彩；

可以配上悦耳动听的同步音乐，flash

8.0

还支持MP3数据流式音频文件；

flash

8.0的变形特效可让你轻易做到字体变形、图形变形；透明度特效可让你利用图形透明度的改变，轻松制作出淡出淡入得效果；遮罩特效可创造通过一般的方法很难创建的图形对象；

在制作动画时可以用

ActionScript

加入脚本，对动画实现交互和精确的控制。

对HTML文本中内嵌图像和swf（swf中的独立swf）的支持。

基于屏幕的可视开发环境、可视编程环境、数据绑定、Web

服务和

XML的预建数据连接器、项目管理功能源代码控制系统等.2

化工基础仿真实验制作

根据各个仿真实验的不同，在模块上有些不同，但是在主体设计上思想一般相同，其设计思想如下：

1.实验分析

了解各个实验的流程，分析每个实验的每个部件。

2.用CAD软件制作出大概图形框架.3.用photoshop软件把各个部件做出相应的图像和颜色

各个部件最好用不同的图层，这样有不合适的地方更改时好改。

4.用flash软件制作动画

各部件最好能以单独的文件存在。以便在图库或共享图库打开时，能减少等待时间和作品里各图之间的相互影响。

把制作的各个部件每个占用一个图层，便于修改，把各个作品按实验要求在场景中摆好，注意层的上下位置的问题，下面的图层所有的图在层的最前面。

5.当完成各种布局后，进行测试，可以直接测试（按enter键），可以以执行文件测试（ctrl+enter），建议以后中方式进行测试，后一种测试交互操作，效果更好。如果发现有错误，回到文件，进行修改，直到满意为止，然后可以以各种不同的文件发布。

以流体阻力实验的仿真制作过程为例，说明基于flash仿真的实现步骤

2.1　流体阻力实验装置

实验室的装置图如下：

图1

实验装置图

2.2

CAD制作流体阻力的框架图

Flash仿真实验制作分为两大部分:制作主图部分和制作动画部分。制图部分我们用AutoCAD

2007

软件和photoshop

cs2

软件工作制作主图，制作动画部分用flash

8.0软件制作动画。

2.2.1

AutoCAD

2007的界面组成双击Auto2007

CAD的图标就可以启动AutoCAD

2007，图2

Auto2007

CAD的进入界面

其工作界面如图所示。

1.标题栏

2.下拉菜单

3.工具栏

4.状态栏

5.命令窗口

6.绘图区

7.坐标系及其图标

图3

Auto2007

CAD

工作界面

2.2.2

绘图命令

在进入AutoCAD

2007

窗口后，AutoCAD

2007的绘制命令以默认的方式在屏幕左侧显示出来，如图所示。下面介绍工具栏中常用的按钮。

图4

Auto2007

CAD

绘图命令

1.直线的绘制

2.圆的绘制

3.圆弧的绘制

4.多段线

5.样条曲线

6.矩形

7.正多边形

8.剖面线

9.文本

2.2.3

修改命令

在进入AutoCAD

2007

窗口后，AutoCAD

2007的绘制命令以默认的方式在屏幕左侧显示出来，如图所示。下面介绍工具栏中常用的按钮。

图5

Auto2007

CAD

修改命令

1.删除

2.复制

3.镜像

4.偏移

5.阵列

6.移动对象命令

7.旋转

8.比例缩放

9.拉伸

10.拉长

11.修建命令

12.延伸

13.打断

14.合并

15.倒角

16.圆角

17.炸开命令

2.2.4

AutoCAD

2007制作实验整体仪器的框架

有些实验的部件很多，小部件很密，需要用

AutoCAD

2007来把整体的框架显现出来，这样使得下一步用photoshop作图时部件的大小和位置都很合适，如阻力实验，图如下：

图6

局部阻力的CAD框架

2.2.5

把CAD图转化为位做出图的图（.bmp）格式

因为在下一步进行图形的涂色或是别的情况，photoshop还有flash都打不开CAD图本身的*.Dwg格式，必须把它转化为位图格式，操作方法为在CAD软件的“文件”菜单栏里选择“输出”命令选择位图.Bmp格式，如图所示：

图7

把CAD图转化为位做出图的图

2.3

用photoshop制作每个部件的图和相应的颜色

2.3.1

直管的绘制

直管想要有立体感，就必须把颜色弄为渐变。操作步骤如下：

1.在新建的画布上用矩形选择工具画出一个矩形框；

2.选定相应的颜色，一般直管都是银灰色，选择渐变工具如下图：

图8

渐变操作

选定合适的渐变效果后，我们就可以做出如下图的效果。

图9

直管

如果对颜色还是觉得不合适，可以通过“调整色阶”来确定出你想要的效果。

2.3.2

U型管的绘制

在photoshop

cs2

里不会直接绘制U型管，需要从AutoCAD

2007

里做好U型管，然后在photoshop

cs2

进行修改成我们想要的图片*.Jpg的格式。做出的效果如下图所示：

图10

U型管

2.3.3水箱的绘制

水箱的绘制有两种画法，第一种是需要从AutoCAD

2007

里做好U型管，然后在photoshop

cs2

进行修改成我们想要的图片*.Jpg的格式；第二种就是直接在photoshop

cs2

里绘制，绘制出框架，然后涂上你想要的颜色。下图就是后一种方法做出的效果。

图11

水箱

2.3.4

流量计的绘制

根据实物图的样子，用photoshop

把仪表的图像绘出来。

下图所示；

图12

流量计

2.3.5

仪表框的绘制

根据实物图的样子，用photoshop

把仪表的图像绘出来。

下图所示；

图13

仪表框

收集网络上做的较好的素材

比如离心泵的素材；

图14

离心泵

还有真空表；

图15

真空表

各个图层拼合图像

每个部件作为一个图层，就想一张透明的玻璃那样，把所有的部件的各个图层来拼合出想要的图像。

图16

多图层合成图像

最后拼合出基本成型的主图，例如流体阻力图：

图17

流体阻力基本成型图

插入背景图片

在原有的基本主图上添加背景图片会使图像更具有立体感，更逼真。

例如阻力实验的主图插入背景后如下图：

图18

流体阻力完整图

2.4

用flash制作仿真动画

2.4.1手指指示动画的制做

1.手工绘制一只手，存为图形；

2.创建第一个关键帧，把手放到一个位置；

3.创建第二个关键帧，把手放在指定的位置；

4.创建第三个关键帧，把手的位置放到一个关键帧的位置；

5.在每两个关键帧之间创建补间动画。

图19

手动画的制作

2.4.2

箭头动画制作

箭头动画在流程演示里很重要的角色。

1.根据实验确定液体或是气体的流向，顺着管道使箭头移动；

2.先在起点把箭头的关键帧上，在转弯处插上关键帧；

3.通过任意变形工具把箭头旋转相应的方向，重复上一步；

4.在关键帧之间创建补间动画。

图20

箭头动画的制作

2.4.3阀门的动画的制作

1.创建第一个关键帧，把阀门状态显示为关闭状态；

2.创建第二个关键帧，把阀门状态显示为打开状态；

3.创建补间动画，在补间动画设置参数，设置为下图所示的参数：

图21

阀门动画制作的属性

真空表指针转动的动画也和阀门的制作方法一样。

2.4.4

文字的输入

首先新建一个新的图层，这个图层只作为文字的图层。用【文本工具】可以直接输入文字，在【文本工具】的【属性】面板中可以改变文字的字体、大小、颜色、排列方式等属性，十分方便。

文本工具的使用方法：在工具箱中选择

【文本工具】，将鼠标指针移至舞台，鼠标指针变成十字形，按住鼠标左键并拖动就会插入文本框，此时光标开始闪烁，表明可以输入文字了，即可在文本框中输入文字。

文本输入完成后，可以对其进行设置。在Flash

8.0

中可以很方便地调整文本的属性。通过【文本工具】的【属性】面板进行设置，可以改变文字的字体、大小、颜色、样式、对齐方式、字体呈现方式、改变文本方向、字符位置编辑格式选项、自动调整字距等。可以在输入文本前进行预设，也可以在输入文本后选择需要设置的文本进行设置。

创建一个关键帧，这个帧上写上文字，就能实现文字动画，如果想取消文字，在取消的位置帧上插入空白关键帧即可实验。

2.4.5

多图成的绘制

对象较多的时候，需要在多个图层中来制作。图层就像一种透明的玻璃，具有便于重叠和管理对象的功能。利用图层的这些特性，能够单独改变或移动不同图层中的对象。利用图层可以更好地组织课件中的对象，另外，在制作动画元件时，将不同的元件放在不同的图层上，会便于对元件进行管理和编辑。在图层上绘制和编辑对象时，不会影响其他图层上的对象。在舞台上没有内容的区域，可以透过该图层看到下面的图层。创建Flash

文档后，时间轴中会出现一个图层。在制作动画的过程中，可以根据需要命名图层、插入图层和删除图层。

2.4.6

动画的实现

把一个部件放一个图层，整个动画由很多图层组成，就是上一步说说的多图成绘制。把由photoshop做好的图形放在flash的最下面一层依次放好每一层，每一层上的控制的部件互不干扰，在各自的帧时做不同的变化，结合上面的方法，我们就能作出完整的动画模式了，结合下图过滤实验实例：

t

图22

动画的实现

2.4.7声音的导入

在flash动画时如果没有声音，会使课件缺少吸引力。如果能将一些声音（声效、背景音乐、解说词等）添加到制作的课件中，将会使课件更加丰富多彩和具有感染力。导入声音的方法，类似于导入位图的方法，选择【文件】中的【导入】，后点击【导入到舞台】，弹出【导入】对话框，在对话框中选择要导入的声音文件，单击【打开】按钮，会出现声音文件的导入进度条，进度完成后，声音文件就会被导入Flash

文档中并存放在库中。

声音文件导入后存放在库中，将其从【库】面板中拖放到舞台中就可以进行编辑了。编辑声音的方法如下：

选择要插入声音文件的帧，从【库】面板中拖放到舞台，声音就会出现在时间轴中，延续帧使声音的波形在时间轴显示完整，在声音的【属性】面板的【同步】下拉列表框中选择“数据流”选项，单击【属性】面板的【编辑】按钮，打开【编辑封套】对话框，单击【编辑封套】对话框中的“缩小”按钮，使声音完全显示出来，拖动“开始时间”和“停止时间”控件，改变声音的起始点和终止点。上下拖动声道的封套手柄来改变对应的声道音量。编辑完成后，单击【开始播放】按钮测试编辑后的效果。

或是点击ctrl+R将录制的声音导入，导入后，该文件自动在库中形成一个声音文件，修改其属性，将其设置为MP3，调节取样频率，在过程中可以通过试听。

图23

声音的导入

2.4.8文件的导出与发布

在flash8.0的动画中，任何一帧都是由众多图层组成的影像。单帧的影像可以导出正单一的矢量图形文件或是其他文件，其中矢量图形可以继续由flash8.0或是其他绘图软件进行编辑，以下是在flash8.0中导出影像文件的类型，包括下列12种格式：

1.Windows

Metafile(.wmf)

2.Flash

Player(.swf)

3.Generator

Template(.swf)

4.FutureSplash

Player(.spl)

5.Enhanced

Metafile(.emf)

6.EPS

3.0(.eps)

7.Abode

Illustrator(.ai)

8.AutoCAD

DXF(.dxf)

9.Bitmap(.bmp)

10.JPEG

Image(.jpg)

11.GIF

Image(.gif)

12.PNG(.png)

图24

文件的导出与发布

2.4.9

最终flash做出的结果

图25

最后的flash结果

3.各实验步骤简述

3.1

真空过滤实验

3.1.1

实验流程演示

在实验流程的flash演示部分，通过箭头的移动，来指示仪器内物质流动。在本演示过程中，当箭头到达重要零部件时，他的名字就会显示在旁边，帮助认识仪器，认识结束后，箭头的流动数量增加，并形成循环播放系统。

3.1.2操作步骤演示

打开操作演示后，可以听到指导声音，动画开始，进入实质操作阶段，在每一步的开始都有指导声音和形象的动画演示来提示正确的操作，并在每个操作步骤执行后，将实验现象通过动态模拟演示出来。下面将依次实验步骤；

1.系统接上电源，启动电动搅拌器，待槽内浆液搅拌均匀，将过滤漏斗按

流程图所示安装好，固定浆槽内。

2.打开放空阀，关闭旋塞及放液阀。

3.启动真空泵，用放空阀及时调节系统内的真空度，使真空度的读书稍大于指定值，然后打开旋塞进行抽滤。此后应注意观察真空表的读数应恒定于指定值。当计量瓶滤液达到100ml，刻度时按表针计时，并立即关闭真空旋塞。

4.把放空阀全开，关闭真空泵，打开旋塞，利用系统内的大气压和液位高度差把吸附在过滤介质上的滤饼压会槽内，放出计量瓶内的旋塞并倒会槽内，以保证滤浆度恒定。卸下过滤漏斗洗净待用。

5.改变真空度重复上述实验。

6.搅拌实验，改变电机转速，用测速器测量转速。

3.2

流体阻力实验

3.2.1

实验流程演示

在实验流程的flash演示部分，通过箭头的移动，来指示仪器内物质流动。在本演示过程中，当箭头到达重要零部件时，他的名字就会显示在旁边，帮助认识仪器，认识结束后，箭头的流动数量增加，并形成循环播放系统。

3.2.2操作步骤演示

打开操作演示后，可以听到指导声音，动画开始，进入实质操作阶段，在每一步的开始都有指导声音和形象的动画演示来提示正确的操作，并在每个操作步骤执行后，将实验现象通过动态模拟演示出来。下面将依次实验步骤；

1.向水箱里填满水；

2.开启电源，使仪表预热10至15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。

3.打开流量调节阀进行光滑管阻力测定：

（1）全开光滑管阀，关闭粗糙管阀，关闭局部阻力管，打开光滑管测压阀，关闭其他测压阀；

（2）调节流量调节阀，使流量达预订值，小流量计要关闭，观察测压仪和流量仪，在其稳定后读取数值；

（3）改变调节阀开度，使流量达预订值，测取约15组数据，当流量在100L/h，开启小转子流量调节阀。关闭流量调节，进行数据测定。

4.粗糙管阻力测定：

（1）全开粗糙管阀，关闭光滑管阀，关闭局部阻力管，打开粗糙管测压阀，关闭其他测压阀；

（2）调节流量调节阀，使流量达预订值，小流量计要关闭，观察测压仪和流量仪，在其稳定后读取数值；

（3）改变调节阀开度，使流量达预订值，测取约15组数据，当流量在100L/h，开启小转子流量调节阀。关闭流量调节，进行数据测定。

5.局部阻力测定；

关闭光滑管阀，光滑管测压阀，全开或半开局部阻力阀，调节流量至预订值，开启远端测压阀，测量远端压差，之后关闭远端测压阀，开启近端测压阀，测量近端压差，改变流量，测取5至6组数据；

6.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵

7.测取水温，实验完毕。

3.3

离心泵性能测定实验

3.3.1

实验流程演示

在实验流程的flash演示部分，通过箭头的移动，来指示仪器内物质流动。在本演示过程中，当箭头到达重要零部件时，他的名字就会显示在旁边，帮助认识仪器，认识结束后，箭头的流动数量增加，并形成循环播放系统。

3.3.2操作步骤演示

1.向水箱内注满水，检查流量调节阀、压力表及真空表的开关是否关闭；

2.启动试验装置总电源，启动离心泵，缓慢打开流量调节阀至全开，代系统内流体稳定，打开压力表和真空表的开关；

3.根据流量的最大量程范围，确定流量分布点，约15个分布点；

4.在每一个流量控制点下，系统稳定后记录流量、压力表、真空表，功率表的读数及流量温度；

5.试验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

.4总结

通过本次flash仿真实验的制作，在和同组同学的认真努力下和团结合作下，我们完成了化工原理仿真实验的动画制作。经过测定，其性能稳定，界面直观，操作简便。

在比较其他院校的模拟仿真实验后，笨软件在实验过程的交互操作，美工方面有具有明显的优势，能够给人形象的感觉，让学生在使用后，对实验会有初步了解，还有其正确的方法。

本次设计从2011年4月开始，到同年6月结束在这段时间里，我不但巩固了化工原理的认识，而且更进一步的强化了自己的计算机技术，学会了很多有用的软件，如CAD，还有flash，还有photoshop等。

由于水平有限，本次软件制作过程中仍然有许多不尽人意的地方，好多还需要多多改进，很多部分虽然多出查阅资料，还有网上请教高手，但是还是不能找多实现的方法。希望在将来的改进中能使得仿真实验更像实验的那样。

总的来说该软件适用于化工类学生和其他科学类化学基础的本科生，通过使用该软件，可使学生在进入实验室之前基本掌握化工基础的基本内容和基本原理及基本操作方法，以便为下一步的实际操作中打下坚实的基础。

参考文献

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[4]柴诚敬.化工原理.上册[M]北京：高等教育出版社，2005.（6）.[5]柴诚敬.化工原理.下册[M]北京：高等教育出版社，2006.（1）.[6]李艳萍.Flash动画设计基础与应用[M]北京：人民邮电出版社，2009（7）.[7]袁鹏飞.Photoshop

CS4数码照片专业处理技法[M]北京：人民邮电出版社，2009（8）.[8]

蔡文龙.Flash5.0入门与提高[M].清华大学出版社.2000.[9]

吴立群.Flash

ＭＸ动画特训[M].中国电脑教育报.2002.[10]

向元杰.Flash

ＭＸ编程轻松上手[M].清华大学出版社.2002

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Flash多媒体课件制作经典教程

模块模板精讲/李永编著.—北京：清华大学出版社.2009.10，1-118

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杨广旋，杨洁.AutoCAD　2004中文版精读与实例.科学出版社，2000.1

21-67

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罗湘南.基于Flash的仿真实验课件交互功能设计[J].中国科技信息，2006，（13）.[14]

马志强.开发Flash模拟仿真试验的关键技术分析[J].中国教育信息化·高教职教，2008，(9).[15]

薛焱.中文版AutoCAD

2009基础教程[M]北京：清华大学出版社，2008（3）.[16]李艳萍.Flash动画设计基础与应用[M]北京：人民邮电出版社，2009（7）.致谢

本论文及flash仿真实验的制作经历了三个月的努力终于完成了，在毕业设计的三个月中，指导老师卫静莉老师给予我很大的帮助。如果没有卫老师对我的悉心指导，我或许会走很多弯路，也许完不成既定的任务。在此，我向卫静莉老师表达我最诚挚的谢意和衷心的祝福!

同时，还要感谢所有课题组同学李征在制作flash时给予我的帮助与合作！在此表示诚挚的谢意!相伴数载，难忘回忆;同窗情谊，铭记于心。

特别感谢我的父母和家人，正是他们无私的付出与支持使我顺利完成学业，爱重如山，感激之情，难以言表!

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验 篇5

基于代理的仿真主要由一系列代理和运行规则来模拟代理决策以及它们之间的相互影响,已经成为电力市场研究的一种重要方法。利用代理模型,通过在控制条件下的重复实验,可以实现对现实电力市场的精细模拟和量化分析,进而研究各种电力市场模式、市场机制的效率和潜在的不足[1]。

目前代理的学习方法有遗传算法、强化学习法等,其中,Roth-Erev(RE)法、Q-learning法等强化学习法是最常用的代理算法[2,3]。在强化学习算法中,代理的策略选择是一个重要环节,通常以轮盘赌的方式来实现,即根据各策略的效用值及由随机发生器生成的随机数来选择。随机发生器的不同,会在一定程度上影响代理的初始策略及之后各轮的策略选择,进而影响仿真的结果。因此,在基于代理的电力市场仿真中,随机发生器的类型及参数设置是需要考虑的一个重要内容。文献[4]制定了基于代理的仿真实验设计的一些标准,对随机发生器,文中指出为了实验结果的可检验性,应该说明随机数的生成方式及随机发生器中种子的设置。在现有的基于代理的电力市场仿真方面的文献中,有些对随机发生器的设置进行了说明,大多数则没有说明。

为了保证基于代理的电力市场仿真结论的有效性,在随机数方面,有许多问题需要研究,例如:随机数的生成方式会如何影响仿真结果?电力市场仿真中随机数生成应采用哪种方式?随机发生器中种子应该如何设置?计算机领域有一些关于随机数的研究,大多侧重于一些特殊要求的随机数生成方式[5,6,7,8]。文献[9]讨论了适应地理信息系统(GIS)要求的随机发生器,文献[10]讨论了随机数生成方式的不同对遗传算法效率的影响,并提出了改进的措施。电力市场仿真对随机发生器有一些特殊的要求,但在公开发表的文献中,尚未见到相关的报道。

本文以RE法为例,分析了随机数对基于代理的电力市场仿真结果的影响,比较了几种随机数生成方法在其中应用的优劣。此外,通过研究随机数与代理的关系,探讨了对随机数性质的要求,并提出一种改进的随机数生成方法以提高基于代理的电力市场仿真实验的效率和质量。

1 随机数在代理仿真中的应用环境

在电力市场代理仿真中,强化学习算法应用的步骤通常如下:

步骤1:选择各代理的策略集合,初始化各种竞标策略概率。

步骤2:按概率(如轮盘赌)选择各代理的竞标策略。

步骤3:根据电力市场规则进行出清。

步骤4:各代理根据市场出清结果计算各自的产量和利润(收益),对所选的策略进行计算以获得各代理竞标策略的学习效用。

步骤5:按照修正参数修改策略集合中各竞标策略的被选概率。

步骤6:若满足仿真轮数达到最大迭代次数,或策略的概率大于规定值,则输出最终结果;没有满足,则转步骤2。

步骤2中,策略选择的过程如下:根据各策略的选择概率形成各行为对应的选择概率区间,随机生成一个(0,1)间的随机数,判断此随机数在哪个概率区间,从而,此概率区间所对应的行为策略被选中。

2 随机数在Java中的产生方法

计算机不会产生绝对随机的随机数,只能产生伪随机数,即一种理想的有规律的随机数。因此,计算机产生的伪随机数既是随机的又是有规律的,大多程序语言(如Java,MATLAB,C等)都是采用线性同余法[10]生成随机数。下面以Java为例对常用的几种随机数生成方法进行简单介绍。

2.1 Random函数生成随机数

利用Math类中的Random函数生成随机数是Java中最简单的随机数生成方式,可以直接返回[0.0,1.0)之间的double类型的值。

2.2 Random类生成随机数

在Java语言中,还可以通过Random类来产生随机数。它有2种形式的构造函数,分别是Random()和Random(seed)。利用Random()实例化对象时,Java编译器会以系统当前的时间作为随机数生成器的种子[10]生成第1个随机数,然后通过调用不同的方法:nextInt(),nextLong(),nextDouble()等获得不同类型随机数。与其不同的是,Random(seed)采用的是指定的seed作为发生器的种子。

在仿真中,有很多随机过程,不同的仿真实验环境对随机数的性质要求不同,对随机过程应有更加深刻的认识,使具体应用的随机过程中的参数设置更加精细,改善相应的随机函数的生成方法,以得到适应于实验的最佳随机序列。

3 随机数在代理仿真中的影响分析

文献[9]提出合理选择一个适合空间分析的伪随机数发生器要遵循4项原则:面向应用原则、面向方法原则、精确高效原则、多重实验原则。针对基于代理的电力市场仿真实验的需要,本文对仿真中随机数的性质提出了3点基本要求。(1)可检验性:即重复性;(2)高效性:随机数生成的效率高;(3)均匀性:随机数在特定的区间均匀分布。

本文研究的电力市场仿真实验由参数相同(见表1)的6个发电商参与竞价,采用完全代理的方式,不考虑网络约束,市场出清价格(MCP)出清,代理的算法采用RE算法[11],报价方式是分段线性报价[12],段数取4,实验采取的收敛判据是仿真结果连续相同的次数达到设定值,此处设定值取100。

3.1 Random方法对代理仿真结果的影响

本实验中,实验盘数取10,r=0.03,e=0.97,k=0.1,统计每盘实验的收敛轮数和收敛时的MCP。其中,r为遗忘因子,其对于各行为倾向随时间的增加起抑制作用;e为一个经验参数,对代理在重复博弈早期学习阶段生成各种不同的报价策略起到鼓励作用;k是用来调整冷却系数的一个参数。表2列出了用Random方法产生随机数选择策略的实验结果。

注:收敛轮数和MCP的算术平均值分别为154.20和0.334 5元/(kW·h);标准差分别为55.45和0.105 1元/(kW·h);差异系数(标准差相对于算术平均值的百分比)分别为35.96%和31.42%。

从表2可以看出:不同的实验结果差距很大,收敛轮数的差异系数达到35.96%,且收敛轮数大多仅比设定值高出几十轮,说明很快就找到“最优策略”,学习时间太短;MCP的差异系数达到了31.42%,且平均出清价格为0.334 5元/(kW·h),远远偏离了边际成本价格0.23元/(kW·h)。实验过程中还出现4次不收敛的情况,可以看出随机数对实验的影响很大。

在电力市场仿真实验的设计方法中,为了减小实验的误差,一般采用多盘算术平均值的方法[11];为了使得优化问题尽量向全局最优收敛,往往在算法上加以改进[13]。本文将从随机数的性质深入研究其对实验的本质影响。

图1为Math.random()任意产生的一组随机数,可以看出随机数的随机率太大,第2个~第4个随机数都是落在(0.8,0.9)。对于实验而言,虽然随机数值不同,但落在同一个策略概率空间,即为重复现象。初始时,连续落在一个概率范围会导致该策略不断加强,很快收敛;或某2个策略不断交互加强,导致无法收敛,影响代理选择策略的判断能力。

实际上,计算机生成的随机数在整个可行域内并非均匀分布,例如:在文献[10]的例子中线性同余发生器生成的随机数区间为[0.058 8,0.941 1]。当参与者策略个数为20时,第1个和最后一个策略的选中率几乎为0,导致策略无效。

综上所述,利用本方法生成随机数的随机率太大,导致不同实验设置下实验结果间的比较不可靠,无据可循。

3.2 Random类生成随机数分析

3.2.1 无种子

以系统当前时间作为随机数生成器的种子,与3.1节方法近似,此处从略。

3.2.2 有种子

每个种子生成的一个随机序列就是一个代理学习过程中所获得的随机数序列。在选择策略的概率时,采用一个发电商分配一个种子的方法,这样可以确保在增加或减少发电商、增加或减少策略个数、算法变换时,随机序列不变,实验更具可比性。

附录A图A1所示为6个代理(各种子从0依次递增1)在学习过程中获得的随机序列。图中,随机序列第1个数值均为0.75左右,在后续的随机数中,发电商所获得的随机数重复的现象比较频繁,这意味着第1轮各发电商的初始选择策略相同,随后又同时加强相同的策略,最终很容易达到收敛。但实际情况是,即使发电机组参数、可选策略相同,对于不同的决策者,学习过程也是不同的。

通过大量的实验研究发现,限于篇幅,附录A图A2仅给出种子差为1 000的随机序列分布图,当随机种子间的差距为1 000(或呈较大倍数增加)时,差距拉开。

常规上要求产生的每个随机序列有足够长的周期,但进行电力市场研究时,算法配置某些参数所需要的随机数远小于这个周期(如当r=0.03,e=0.97,k=0.1时每个序列需要的随机数不超过50个),始终不可能完全用到整个周期内的随机数,因此所用的随机数并非均匀随机,每个策略所选的概率并非均匀分布。此外,Java生成的随机小数为16位,较小的分辨率容易导致多个数值接近的随机数落入相同的累计概率区间,多次选择并加强某一策略,降低了学习的能力。

利用这种方法,可以通过种子跨度的设置来控制各代理获得的初始随机数,使其相差较大。然而这种方法并不能控制固定种子下的随机序列在各策略区间均匀分布,因而不能提高代理在学习过程中择优的力度。

3.3 改进的带种子随机数生成方法的应用分析

基于代理的电力市场仿真中所需理想的序列是在每盘学习中,出现于各策略区间的随机数具有相同的概率,这与随机策略总数有关。本文提出一种利用带种子随机数生成方法生成整型数,通过基数来控制整型数的生成区间获得随机数的方法,其中,基数是指函数nextInt(int N)中的N:

表3描述了策略数为50时,不同的基数生成随机序列中各随机数落入各策略区间的概率的差异系数。当基数小于策略数时,一些区间随机数落入的概率为0,差异系数很大,各策略被学习的概率不等,导致相应区间的策略无效,实验过程中也可以发现,这样的情况不易收敛。当基数不小于策略数时,落入仿真实验需求的区间中的概率分布相对均匀,有利于策略获得相同的概率加强,从而降低容易陷入局部最优的可能性。

针对基数不小于策略数会获得较优结果,本文做了2组实验(盘数为20,r=0.02,e=0.97,k=0.1):

1)确定策略数,改变随机数的初始种子

以策略数50为例,不同种子下的电力市场仿真实验结果如图2、图3所示。图中所标种子皆指第1个代理的种子,+1 000表示后续各个代理依次以1 000递增获取种子,×10表示后续各个代理依次以10倍递增获取种子。

各代理种子间跨度设为10倍的方法下,出清电价和收敛轮数波动较大且无规律,结果不理想。初始种子间跨度设为1 000,不同初始种子下,基数N设在(50,200)即lg N值在(1.7,2.3)区间内,出清电价基本稳定在边际成本附近,收敛轮数均保持在500轮~700轮;随着基数增加,周期逐渐增加,生成随机数的性质逐渐接近前面介绍的2种方法,学习时间逐渐减少,出清电价也逐渐偏离边际成本。

2)确定种子,改变策略数

以初始种子设为16 500为例,当基数不小于策略数时,不同策略数下电力市场仿真实验结果如图4、图5所示。

收敛轮数和出清电价随策略数的变化而改变,这是由市场本身性质决定的。从图4、图5可看出,随着基数的变化,出清电价和收敛轮数仍有规律,如策略数为40时,lg N值在(1.6,2.1),即基数设在区间(40,150),收敛轮数保持在300轮~400轮,出清电价在边际成本价格0.23元/(kW·h)附近。随着基数的增加,收敛轮数迅速下降,学习时间逐渐减少,出清电价也偏离边际成本,呈增长趋势。

因此,将基数设在大于并接近于策略数的这段区间内均比较合适。根据实验结果,为简化研究,可以将基数设为策略数的2倍,此时,也可以延长代理的学习时间,避免过早收敛,提高了选择的力度。

4 结果分析

本文从随机数本身的性质和其在基于代理的电力市场仿真中的应用2个方面进行分析和研究,得出了如下分析结果:

1)随机数的随机性导致了实验结果的变化无规律,验证时无据可循;不同算法、不同参数下的实验结果受随机数影响很大,结果分析不严谨。本文采用种子生成固定随机数序列的方法,实现了实验结果的可重现性,为实验提供了一个降低随机性影响的设计方法。

2)实验中,一个种子分配给一个代理,该种子生成的随机序列即为该代理学习过程中获得的随机序列,故可以通过改变种子的方法来改变参与者的学习过程。从本文中可以了解,种子间跨度小,虽然不同,但所获得的初始随机数相差很小,拉不开所产生的随机数在整个序列中的距离,导致具有相同策略空间的代理选择的初始策略都是相同的。但是,代理算法是用来模拟人类的行为的,不同的人会有不同的选择方案,本文对不同种子生成随机数的周期规律进行研究,发现当种子间跨度较大(如相差1 000)时,生成的初始随机数差距较大。

3)对于某一代理而言,分配得到一个种子,获得一个随机序列。本文提出了一种新的方法,通过基数来控制随机数的分辨率,较优地实现了随机序列在初始策略累积概率区间的均匀分布,提高了各个策略都被强化的可能性,延长了学习时间,提高了选择力度。

5 结语

本文分析了随机数对基于代理的电力市场仿真结果的影响,研究了随机数与代理的关系,提出了仿真对随机数的要求,最后构建了一种改进的随机数生成方法,提高了实验的效率和可信度,在实现代理仿真实验的可重现性的同时保证了电力市场参与者行为的随机性。

对于实验方法的设计,还有很多问题需要研究,以使实验结果分析更为严谨,实验结论更为可信。

1)本文以RE算法为例进行分析,但RE算法本身具有一些弊端[11,13]。可以在本文研究的基础上,更有效地比较不同的学习方法,来进行对电力市场的研究。

2)除了本文讨论的随机数问题,还有很多影响基于代理的电力市场仿真实验结果的因素:策略空间的生成方式、策略数目、代理算法本身的参数,市场参与者的相关参数等。需要用因素分析法对多参数情况进行综合研究。

3)制定出基于代理的电力市场仿真实验的一系列标准,规范化仿真实验设计,使以后的改进实验更为可行。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

基于MATLABSimulink的电力系统仿真实验 篇6

关键词 实验教学；计算机仿真；虚拟现实；虚拟现实仿真教学实验室

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）04-0062-03

Based on Virtual Reality Simulation Teaching-Laboratory Research//Chai Qun, Zhang Shilu, Li Jia

Abstract The use of virtual reality“3I”and the characteristics of the organic integration of computer simulation created by a variety of virtual reality simulation lab in education and broad prospects, especially in physics, chemistry, biology and so on need to experiment, especially in the disciplines. This thesis analyzes the experimental teaching of the status, the combination of virtual reality simulation results, building on the Virtual Reality Simulation Teaching-lab to explore one of the ways to achieve.

Key words teaching experiment；computer simulation；virtual reality；virtual reality simulation Teaching-lab

Author’s address West China Normal University, Department of Educational Technology, NanChong, Sichuan637000

实验教学，在对学生科学素质、创新能力和研究能力的培养方面起着非常重要的作用，是理论教学所不能替代的。有很多实验都是当时科技发展的突破性成果，有的实验对概念的深化、对总结规律和规律的解释作出巨大贡献，是培养学生科学素质不可缺少的内容。实验教学应当在教学过程中与理论教学具有同等重要的地位[1]。

但是长期以来，在实验教学中，学生缺乏个性和创造力。很多学生在做实验时，只是按照实验指导书上的要求，按部就班地完成，遇到问题时不去寻找解决问题的方法，而是等待教师去解决，最后机械地填写数据。还有不少学生对进行实验的目的存在认识上的错误，他们认为实验只不过是验证书本上的理论知识，缺乏对实验的兴趣，其结果就是对待实验的态度马马虎虎，敷衍了事。这样的实验教学很难培养学生的实际操作能力和创造力。

造成这种现象的原因是多方面的。

1）实验课教学的单一性。目前实验课内容过多的属于验证性实验，主要用于验证书本知识和重复前人的经典实验。学生由于缺乏时代背景知识，很难体会其意义，因此兴趣不高，也就很难激发学习兴趣。

2）实验课开课不足。其中主要的原因是顾虑仪器的损坏和器材的消耗，从而增加实验开支，以及学生实验安全。有些精密的现代实验仪器非常昂贵而且易损坏，有一些学校出于资金投入的考虑只是买入而不使用；有些实验（如化学中的燃烧实验、酸碱实验）在进行时存在一定的危险，学校出于安全考虑，很少开设这部分实验或者即使开设也是进行演示性实验；有些实验周期较长（如种子培育实验），在规定的时间里学生很难理解其实验原理，很多学校为了节约时间，很少开设这些实验课。

针对实验教学中存在的问题，很多学者提出利用计算机仿真技术进行仿真实验。所谓计算机仿真技术（Computer Simulation），是一个通过建立与真实系统相对应的数学模型并在计算机上解算的过程。它涉及3个要素（物理系统、数学模型、计算机）和3个基本活动（系统建模、仿真建模、仿真实验），它们之间的关系如图1所示[2]。

计算机仿真技术用于实验教学有很多优点，主要表现在：节约资金投入，一次投入可多次使用；可以进行安全的实验，实验室不必考虑仪器的损坏、对身体造成伤害，可大胆进行各种尝试，不受课时和课堂的限制；高逼真度的计算机仿真实验可以激发学生的学习兴趣。

鉴于计算机仿真的特点，目前许多学校都利用计算机仿真进行实验。主要应用于：常规教学；进行高难度实验，如行星碰撞实验等；进行危险系数很高的实验，如汽车碰撞实验等；进行周期漫长的实验，如小麦育种实验等。

但是这种仿真技术在实验教学中存在一定的局限性。首先，在这种仿真技术中人是观察者。计算机仿真系统在工作时，虽然可以为仿真过程及结果添加文本提示、图形、图像或动画来保证仿真过程的直观性，但是人只是观察者，通过观察获得结果，而非自身体验。其次，仿真实验是“静态”的，缺乏交互性。所谓交互性（Interaction），是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包含实时性）[3]。这种计算机仿真技术无法模拟人对外部环境的感知（听觉、视觉、触觉等）。如在进行失重仿真实验时，人无法亲身去体验失重的感觉；在进行重量实验，人抓起被仿真的物体时，无法感觉物体的重量。

鉴于此，研究人员结合虚拟现实技术及计算机仿真技术的特点，提出虚拟现实仿真的技术。虚拟现实技术是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机及其复杂的数据进行交互的一种技术。通常虚拟现实系统具有“3I”特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。另外，从目前发展的状况来看，虚拟现实系统还具备多感知性（Multi-Sensory）。多感知除了指一般计算机技术所具有的视觉感知外，还有听觉、力觉、触觉、运动、嗅觉、味觉的感知等，理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。但是由于受到传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动、嗅觉。根据临场参与感和交互方式的不同，虚拟现实系统可分为桌面虚拟现实（Desktop Virtual Reality，Desktop-VR）系统、沉浸虚拟现实（Immersive Virtual Reality，IVR）系统、分布式虚拟现实（Distributed Virtual Reality，DVR）系统、协同虚拟现实（Collaborative Virtual Reality，CVR）系统[3-6]。

融合了虚拟现实和计算机仿真系统的虚拟现实系统，具有二者的优点，用户在使用这种系统时，仿真系统不仅能够自主运行，而且用户能够“走进去”，不仅具有良好的交互性和沉浸感，还具有很高的逼真度。这样既可以满足人通过运行仿真模型获取必要的数据和对系统动态性能的认识，而且还能体会到真实系统运行过程的场景，从而真正实现“人在回路中（Man-In-Loop）的仿真” [3]的梦想。

虚拟现实技术本身是多种高科技技术的综合体，实际工作中需要各个领域的专家，花费大量的时间、金钱、精力，相互协作来建立一个虚拟现实系统，并不是每一个教育教学单位所能负担起的。但是在实际工作中，主要关注的是仿真，而在仿真领域关心的不是图形/图像处理、定位跟踪设备等，而是仿真建模、仿真过程的演示、仿真结果的分析与表现等。比如，结合VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实造型语言）、Java Applet及VWP（Virtual World Player，虚拟世界播放器）就可以在PC机上实现一个功能强大的虚拟现实仿真系统。尽管VRML可以用来构造虚拟的世界，但是从仿真的观点来看，纯VRML构造的虚拟世界是“静态”的，所有的运动及反应行为都是预先定义好的。因为大多数的VWP都支持Java、JavaScript及VRML Script语言，所以可以利用VRML中的Script节点作为Java的接口能力来扩展其功能。VRML、Java Applet及VWP三者关系图如图2所示。

VWP读取并解释VRML文件和Java Applet来构造虚拟世界，VRML创建一个预定义好的虚拟世界，而Java Applet是告诉VWP这个世界是如何动态地运转。实际上，Java Applet就是虚拟现实仿真系统的仿真驱动核心，它控制仿真的运行，收集仿真统计数据，动态地添加、删除仿真实体等。VRML文件只不过是用来描述仿真的环境布局，而诸如物体自由转换视角、碰撞、相应用户的操作等都是由VWP来处理的。这样一个复杂的问题就变成一个相对容易的工作，即用Java Applet来实现仿真工作。目前支持仿真的Java的产品有很多，如Simkit、JavaSim、JSIM、SimJava、Silk等[7]。

解决了基础的问题之后，就可以接着讨论怎样实现的问题。一般虚拟现实仿真实验可以分为2类[8]：“演示型”实验和“操作型”实验。“演示型”实验只是对实验现象进行演示，实验者仅为观众。这类实验仿真系统缺乏交互性，实现也比较简单，本文不做讨论。而“操作型”实验，实验者亲自参与实验，是实验的主导者。这类仿真实验执行起来主要面对2个方面。

1）实验现象的演示。即当一定的实验操作进行时，实验结果的表示问题。在VRML中，动画主要依靠一个时间传感器和一些内插点来控制场景的动画效果。其基本的方法就是时间检测器（TimeSensor）给出一个控制动画效果的时钟，这个时钟包含动画效果的开始时间、停止时间、时间间隔和是否循环等动画参数，然后通过这个时钟的输出在VWP中显示。

2）虚拟仪器的操作实现，如虚拟仪器的移动、放置、虚拟物品的加入/减出等，即如何实现用户与虚拟仪器间的交互。

在VRML中，可以在一般的Shape节点上加上类似传感器（Sensor）的节点，这些传感器节点可以感应用户的操作，从而做出反应。前文所提到的单用VRML无法实现动态仿真，必须加入Java Applet来完成一系列复杂交互过程。因此，要想实现虚拟现实仿真实验的强大交互功能，必须VRML、Java Applet紧密结合。

前文所提到的虚拟仿真实验都是用于单人，然而在现实生活中，有些实验需要多人分工协作才能完成。解决此类问题可以引入DVR，建立分布式虚拟现实仿真实验室，协作者可以利用此系统参与协同实验。如果再引入CVR技术，如虚拟空间会议系统（Virtual space teleconferencing，VST），教师也可以参与其中对实验注意事项进行讲解或对学生进行单个辅导。这样就可建成一个基于PC机和Internet的，有教师、学生共同参与的协同式虚拟现实仿真实验室。

虚拟现实仿真实验室的应用，不但可以极大地提高学生的学习热情、动手能力，激发学生的创新精神，而且可以实现实验资源的共享，缩短教育投资差距。笔者相信，随着虚拟现实软硬件的不断完善，性能的不断提高，尤其是计算机价格的不断下降，虚拟现实仿真实验室将在未来的实验教学中获得广泛的应用。

参考文献

[1]辛旭平.仿真与物理实验[J].大学物理实验,2005(3):106

[2]吴旭光,杨惠珍,王新民.计算机仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2005:5

[3]韦有双,杨湘龙,王飞,等.虚拟现实与系统仿真[M].北京:国防工业出版社,2004:1-4,190-194,210-211

[4]刘向铜,熊助国,曹秋香.虚拟现实技术的若干问题及发展展望[J].水利科技与经济,2006(5):325

[5]张茂军.虚拟现实系统[M].北京:科学出版社,2001:241-270

[6]周祖德,陈幼平,等.虚拟现实与虚拟制造[M].武汉:湖北科学出版社,2005:27-29

[7]党保生.虚拟现实及其发展趋势[J].中国现代教育装备，2007（4）：95