计算与仿真（精选12篇）
计算与仿真 篇1
1 系统结构
根据采用的牵引计算模型是多质点列车模型,并参考铁道科学研究院机车车辆研究所的牵弓电算软件,根据牵引计算的过程,大体把程序可以分成三个模块:输入模块、牵引计算模块、输出模块。如图1所示。
2 输入模块
输入模块又包括三个子模块:列车数据输入模块、线路数据输入模块、牵引制动特性输入模块。
列车数据输入模块根据列车类型分为:城轨列车、动车组、机车三类。需要输入列车外型尺寸、列车编组、列车重量、列车载荷等数据。
线路数据输入模块需要输入线路情况参数:站间距、坡道、曲线、限速。
牵引制动特性输入模块需要输入牵引特性、制动特性、功率、特征点。
3 牵引计算模块
牵引计算模块根据牵引策略分为三种计算模式:快速牵引模式、经济牵引模式、优化牵引模式三种模式。
不同的策略采用不同的计算过程,都需要经过受力计算、运行参数计算、能耗计算、等效电流计算。牵引计算界面如图2。
4 结果输出模块
输出模块有表格输出、曲线输出两种模式,分别叫结果输出、结果显示。可以以中英文二种语言输出。结果显示界面如图3。
参考文献
[1]彭其渊,石红国,魏德勇.城市轨道交通列车牵引计算[M].成都:西南交通大学出版社,2005.
[2]石红国,彭其渊,郭寒英.列车运行模拟模型的多目标改进遗传算法[J].西南交通大学学报,2006(5).
[3]周锋.动车组牵引计算建模与软件仿真[D].西南交通大学硕士学位论文,2007.
[4]廖勇,袁意,刘明.基于自动驾驶的列车牵引计算系统[J].铁路计算机应用,2008(10).
计算与仿真 篇2
专业：电气工程及其自动化
年级：电气三班
姓名：张杰
学号：11160321
计算机控制技术与MATLEB仿真结合论文
计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。
计算机控制系统由微型计算机、外部设备、输入输出接口及通道、检测机构和执行机构、被控对象以及相应的软件组成。它的特点是：①计算机控制系统是模拟信号和数字信号的混合系统。②计算机控制系统具有很好的灵活性和适应性。③计算机控制系统可以看成是离散控制系统。④计算机控制系统的控制效率非常的高。⑤计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断能力，可以实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。
根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可以将计算机控制系统分为以下几种类型。
① 操作指导控制系统，这是一种开环控制过程。其结构简单，控制灵活和安全。缺点是要人工操作，速度受到限制，不适合快速系统的控制和多个对象的控制。它一般用在计算机控制系统的研制初级阶段，或者是用在新的数学模型试验以及新程序的调试阶段。② 直接数字控制系统，是一种闭环控制过程，计算机不仅能完全取代模拟控制器，实现多回路的控制，而且不改变系统的硬件电路，只通过改变程序就能实现复杂的控制规律，如前馈控制、自适应控制、最优控制等。③ 监督计算机控制系统，简称SCC系统。有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟调节器系统；另一种是SCC+DDC系统。监督计算机控制方式的效果，主要取决生产过程的数学模型的优劣，而这个模型一般是针对一个目标函数设定的，如果这个数学模型能使目标函数达到最优，则这种控制方式就能实现最优控制。监督计算机控制系统中SCC计算机输出是控制的最优给定值，不是人为给定的，因此这种控制系统又可以称为给定值控制。④ 分布控制系统，也称为集散控制系统。根据分布控制系统将控制功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制任务，把系统分三级管理：分散过程控制级、监督级、管理级。⑤ 计算机集成制造系统，是对企业生产过程和生产管理进行优化的生产管理控制系统。他将企业的计划、采购、生产、销售整个生产过程统一考虑进行优化决策和最优生成过程控制。已达到最高的生产效率和最低的生产成本以及产品质量的高度可靠。
随着生产力及生产规模的发展，对计算机控制系统的要求也逐渐提高。目前，计算机控制系统有如下几个发展趋势。1 集散控制系统
集散控制系统的特点是分散控制、集中管理。从系统结构分析看，集散控制系统由三大基本部分组成，即分散过程控制装置部分、集中操作和管理部分及通信系统部分。在集散控制系统中，一台控制器控制一个回路或若干个回路这样可以避免在采集中计算机控制系统时，若计算机出现问题，将对整个生产装置或整个生产系统带来严重后果的影响。集散控制系统中用一台或几台计算机对全系统进行全面信息管理，这样便于实现生产过程的全局优化。计算机集成制造系统
计算机集成制造系统简称CIMS，是在自动化信息技术以及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂的全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产过程及生产材料和销售等有机地集成起来，统一决策，实现批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器简称PLC，它吸收了微电子技术和微型计算机技术，发展迅速。如今的PLC无一例外地采用微处理器作为主控器，又才用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，其性能各方面都达到了比较成熟的地步，在工业界已经普遍应用。智能控制系统
智能控制是在无人干预的情况下能自动地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。智能控制技术的主要方法有模糊控制、基于知识的专家控制、神经网络控制和集成智能控制等。常用的优化算法有：遗传算法、蚁群算法、免疫算法等。
智能控制主要应用于以下几个方面：
①工业过程中的智能控制
②机械制造中的智能控制
③电力电子学研究领域中的智能控制。
离散系统仿真
离散系统的最广泛应用形式是以数字计算机为控制器的数字控制系统。模拟信号经过采样开关和A/D转换器，按一定的采样周期T转换为数字信号，经计算机或其他数字控制处理后，再经D/A转换器和保持器将数字信号转换为模拟信号来控制被控对象，以实现数字控制。
离散控制系统在自动控制领域中越来越多地被广泛应用，它具有以下基本特点：
① 以数字计算机为核心组成实际的控制器，可实现复杂的控制要求，控制效果好，并可以通过软件方式改变控制规律，控制方式灵活。② 数字信号传输可有效抑制噪声，提高系统的抗干扰能力。③ 可采用高灵敏度的控制元件，提高系统的控制精度。
④ 可用一台数字计算机实现对几个系统的分时控制，提高设备利用率，经济性好。
⑤ 便于组成功能强大的集散控制系统。
MATLEB语言是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言。它集成度高，使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且很容易有用户自行扩展。与其他计算机语言相比，MATLEB具有以下显著特点。
① MATLEB是一种解释性语言。输入算式即得出结果，无需编译，对每条语句解释后立即执行。若有错误也立即做出反应，便于编程者马上改正。
② 变量的“多功能性”（每个元素都看做复数，每个变量代表一个矩阵）。③ 运算符号的“多功能性”（所有的运算都对矩阵和复数有效）。④ 强大而简易的作图功能（如果数据齐全，只需一条命令即可给出相应的图形）。⑤ 智能化程度高。
⑥ 语言规则与笔算式相似。
⑦ 功能丰富，可扩展性强。MATLEB软件包括基本部分和专业扩展部分。基本部分包括：矩阵的运算和各种变换,代数和超越方程的求解，数学处理和傅里叶变换及数值积分等。
MATLAB仿真在工程上用来完成系统的设计、性能评估、测试等工作。在科学实验上用来进行数学模型、专业模型的模拟，复杂数值计算等工作。在大学，用来完成一些高等数值计算。在经济领域，可以进行数据评价，数值分析和预测等。
MATLAB的PID控制在计算机中的应用
PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定比较复杂，利用MATLAB实现PID参数整定及其仿真的方法，并分析比较比例、积分、微分控制。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。
MATLEB仿真PID控制
例1：比例（P）控制：单位负反馈控制系统的开环传递函数Gc（s）=1/(s+1)(2s+1)(5s+1),采用P控制，Kp=0.1,2.0,2.4,3.0,3.5，求单位阶跃响应，并绘制响应曲线。
G=tf(1,conv(conv([1,1],[2,1]),[5,1]))
kp=2
tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
for i=1:5
G1=tf([kp*tou(i),kp],1)
sys=feedback(G1*G,1)
step(sys)
hold on
end 运行结果为：
G=tf(1,conv(conv([1,1],[2,1]),[5,1]))
Transfer function:-------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 8 s + 1 >> kp=2
kp =
>> tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
tou =
0
0.3000
0.7000
>> for i=1:5 G1=tf([kp*tou(i),kp],1)sys=feedback(G1*G,1)step(sys)hold on end
Transfer function: 2
Transfer function:-------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 8 s + 3
Transfer function: 0.6 s + 2
Transfer function:
0.6 s + 2---------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 8.6 s + 3
Transfer function: 1.4 s + 2
Transfer function:
3.0000
1.5000
1.4 s + 2---------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 9.4 s + 3
Transfer function: 3 s + 2
Transfer function:
s + 2--------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 11 s + 3
Transfer function: 6 s + 2
Transfer function:
s + 2--------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 14 s + 3 图形为：
例2：比例微分（PD）控制:单位负反馈控制系统的开环传递函数Gc（s）=1/(s+1)(2s+1)(5s+1),采用PD控制，Kp=2，微分系统τ=0,0.3,0.7,1.5,3，求单位阶跃响应，并绘制响应曲线。
G=tf(1,conv(conv([1,1],[2,1]),[5,1]))kp=2 tou=[0,0.3,0.7,1.5,3] for i=1:5 G1=tf([kp*tou(i),kp],1)sys=feedback(G1*G,1)step(sys)hold on end 运行结果：
>> G=tf(1,conv(conv([1,1],[2,1]),[5,1]))
Transfer function:-------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 8 s + 1
>> kp=2
kp =
>> tou=[0,0.3,0.7,1.5,3]
tou =
0
0.3000
0.7000
1.5000
>> for i=1:5 G1=tf([kp*tou(i),kp],1)sys=feedback(G1*G,1)step(sys)hold on end
Transfer function: 2
Transfer function:
3.0000-------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 8 s + 3
Transfer function: 0.6 s + 2
Transfer function:
0.6 s + 2---------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 8.6 s + 3
Transfer function: 1.4 s + 2
Transfer function:
1.4 s + 2---------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 9.4 s + 3
Transfer function: 3 s + 2
Transfer function:
s + 2--------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 11 s + 3
Transfer function: 6 s + 2
Transfer function:
s + 2--------------------------10 s^3 + 17 s^2 + 14 s + 3
图形为：
例3绘制离散系统时域响应曲线
num=[1];den=[1 1 1];[numd,dend]=c2dm(num,den,1);dstep(numd,dend)图为：
数字PID控制的现实意义
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。PID控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被控制变量。比如，它可以用来控制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。一些控制系统把数个PID控制器串联起来，或是链成网络。这样的话，一个主控制器可能会为其他控制输出结果。一个常见的例子是马达的控制。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。但仍不可否认PID也有其固有的缺点：PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
计算与仿真 篇3
[关键词]非线性电路；混沌；Pspice仿真；连续混沌；混沌自治系统
一、引言
混沌理论中的混沌是指服从确定性规律但又具有随机性的运动。综合迄今为止人们对它的认识，混沌至少有以下特点：
1.混沌运动是确定性和随机性的对立统一，它具有随机性但又不是真正的或者完全的随机。
2.对初始状态的敏感依赖性
一般认为当系统具有下列数值特征时则发生了混沌：系统的运动为奇怪吸引子现象；系统运动的功率谱上叠加有尖锋的特点；系统中至少有一个正的李雅普诺夫指数。
二、变型蔡氏电路的工作原理与实现方法
五、结论
从电路仿真和硬件实验可以看出，此电路处于混沌状态，是一种结构简单且易于实现的混沌发生器。
[参考文献]
[1]刘秉正，彭建华.非线性动力学[M].北京：高等教育出版社.2004.
[2]李志忠.基于开关电流技术的离沌电路实现散混[J].微计算机，2007，（1-2）.
计算与仿真 篇4
随着近年来云计算技术的高速发展与日趋成熟,云计算的应用已逐渐由传统的网络服务, 逐渐渗透至制造、医疗、勘探等各行业领域。传统的仿真计算中心主要通过高性能的CPU、内存和仿真软件,为用户提供仿真求解计算服务, 对于仿真前后处理等无法提供服务,且用户提交求解计算时操作复杂易出现错误,具有一定的局限性。将云计算应用于计算机仿真领域,构建企业级仿真云平台,不仅可以解决传统仿真计算中心存在的提交计算任务复杂易出错等难题,还能扩展仿真计算中心功能,实现仿真前后处理的远程操控,对提高计算机仿真的实际使用效率具有重要意义。
2 计算机仿真的概念与发展
计算机数值仿真(Simulation)亦可通称为计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering),是指利用计算机辅助求解、分析复杂工程和产品的性能并进行优化工作。 伴随着数值计算方法的逐步完善以及计算机处理能力的日益提高,计算机数值仿真已经成为众多工业企业及科研机构的重要研发工具, 对比传统实验手段,计算机数值仿真可以帮助研发团队缩短研发周期,优化产品设计,积累研发知识,节约研发成本,提升企业核心竞争力。
CAE的建模、前后处理工具对图形工作站要求较高,可概括为高速CPU、大内存以及高端图形显示卡,这些硬件特性将保障仿真工程师的图形操作体验,有效增强CAE仿真研发生产力。硬件生产商、图形显卡生产商不断推陈出新, 持续涌现出更为丰富的图形显示技术,然而,如何有效管控这些高端图形计算设备,科学规划并节约硬件投资,已经成为众多企业面临的重要问题。
CAE求解对计算服务器要求较高 , 可概括为多核CPU、大内存、高速存储 ,满足这些条件才使得大规模数值仿真计算成为可能,计算结果对工业设计才会更加具有参考价值。上世纪70年代以来,IT业界就针对大规模CAE计算需求而提出超级计算机的设计与产品 ,代表企业有Cray、IBM、NEC等;2000年以后,集群(Cluster)技术开始迅速占据CAE计算市场,通过负载均衡、高速网络互联等技术解决了数值求解规模扩展性问题,代表厂商有IBM、HP、DELL、曙光、联想、浪潮、宝德、天河。高效利用并科学管理HPC计算集群,是当前CAE研发工作提升生产效率的重要课题。
3 云计算在计算机仿真领域的应用———仿真云
仿真云计算技术是云计算在工程仿真领域的应用实践,是将多学科仿真应用、仿真计算集群管理、三维应用虚拟化、软件许可证管控、管理门户等IT技术进行高度融合,深入贯彻企业及科研机构针对高端研发计算资源的管理需求与发展理念,为企业级仿真计算中心量身定制的具有仿真应用服务、调度及管理等功能的一体化技术。
利用仿真云技术,可以搭建仿真云计算平台。一个完整的仿真云计算平台由几个部分组成:云平台管理软件(门户系统及相关服务组件);仿真计算服务器集群;三维图形处理服务器集群;高速网络存储系统;高速网络互联设备(万兆以太网、Infiniband网等);多学科仿真分析应用软件(含许可证管理服务器);基础数据库、通信服务器、安全认证服务器等附属设备。
仿真云计算平台高度融合以上基本构件,将各类数值仿真应 用软件 ( 如ANSYS、ABAQUS、FLUENT、ADAMS、STAR-CCM+、LS-DYNA、HFSS等 ) 的图形交互及计算服务,以WEB服务的形式提供给研发人员,从而将传统的仿真软件工具发展成为“研发云”中的在线计算资源,有效提升数值仿真工作效率。
4 仿真云计算平台的实现
4.1 平台整体架构
整个仿真云计算平台主要由仿真云、应用云、存储云三大部分组成, 各部分之间通过千兆以太网连接,由以太网交换机连接至机房网络。用户通过PC客户端的网络连接至机房网络,请求计算机仿真服务。
计算云主要提供求解计算服务,由于计算节点之间的I/O传输对网络带宽要求较高,建议部署专供计算节点数据交换用的Infiniband网络。当Infiniband网络配置完成后,具有并行求解功能的仿真软件会默认首先使用Infiniband网络进行数据交互。
应用云提供仿真前后处理服务,对服务器的图形处理能力有较高要求,建议使用带高性能图卡的刀片服务器集群,或多台图形处理能力较强的台式工作站,以此作为仿真前后处理服务器。
存储云主要用来提供计算数据的存储服务。为提高数据的读写效率,建议使用光纤磁盘阵列作为存储云的底层存储。为提高存储云与计算云、应用云的数据交换速率,减少因网络阻塞导致的效率降低,建议存储云与计算云、应用云的数据交互通过光纤网络来实现。
4.2 功能组件
平台应包含的组件及主要功能。
4.2.1 门户
门户系统:提供仿真云计算平台的系统登陆和界面展示服务。
数据库:提供资源调度及运维管理所需的数据库服务。
4.2.2 计算中心内部
计算云: 分为linux和windows两种操作系统运行环境,主要提供仿真求解计算服务。
应用云:(1)利用Citrix虚拟桌面,提供仿真前后处理和仿真小规模试算服务;(2) 仿真许可证调度和管理服务;(3)计算中心硬件使用情况监控;(4)求解计算过程远程监控;(5)软硬件资源、系统用户、仿真项目统计分析。
存储云:提供计算数据集中存储服务。
安全认证管理:用户认证及数据安全策略管控。
通信服务:提供邮件、即时通信等服务。
4.2.3 计算中心外部
用户客户端:使用现有用户PC客户端,提交仿真任务、远程连接仿真云计算平台开展仿真分析计算。
管理员客户端:使用现有用户PC客户端,监控运维仿真云计算平台。
4.3 设备推荐
4.3.1 计算云
CPU:支持X64架构 ,建议采用低功耗高性能处理器。
协处理器:建议根据求解器特性、系统功耗等要求选择NVidia Tesla或Intel Xeon Phi。
本地磁盘 : 建议SAS 15000rpm规格以上 , 推荐SSD,硬盘容量200G以上 ;个别求解器具有本地硬盘容量要求,可酌情配置。
网络:建议采用万兆或Infiniband进行互联。
4.3.2 应用云
CPU:应支持X64架构,4核以上。
显卡 : 推荐采用NVIDIA Quadro 4000/5000/6000,NVIDIA Grid K1/K2(支持GPU虚拟化)。
内存:建议按4GB/Core规则进行配置。
本地磁盘 : 建议SAS 15000rpm规格以上 , 推荐SSD,硬盘容量200G以上。
网络:建议采用万兆网络进行互联。
操作系统 : 支持Windows Server 2008 64-bit、Windows 7 64-bit,推荐采用Windows 7 64-bit。
4.3.3 存储云
设备条件:推荐2T以上存储容量,若较大规模的集群或需要较高的计算性能, 推荐使用NAS存储或SAN存储,甚至并行文件系统存储。
4.3.4 客户端
设备条件: 客户端要求具备普通显卡功能模块,浏览器需IE 6.0以上。
5 结束语
雷达目标一维距离像计算仿真研究 篇5
雷达目标一维距离像计算仿真研究
在雷达目标识别研究中,获取有效的.雷达目标特征信号非常重要.通过计算机仿真来获取雷达目标一维距离像.仿真时先对目标外形进行三角面元逼近,利用面元法得到目标随频率变化的RCS值,进行变换后得到目标的一维距离像.给出了一类舰船目标的仿真实验.结果表明该方法在一定程度上可以较好地模拟复杂目标的雷达特征信号.最后指出了需要进一步研究的问题.
作 者：石志广 李为民 SHI Zhi-guang LI Wei-min 作者单位：国防科技大学ATR-1室,长沙,410073刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：13(5)分类号：V27 TN95关键词：一维距离像 面元法 雷达散射截面积
计算与仿真 篇6
电子电力仿真设计研究中针对复杂电路的分析设计是在所难免的，计算机仿真软件则是重要的方法与手段。随着社会电子信息技术的不断发展，计算机仿真软件也在不断地更新换代。电子电路仿真设计研究中，应与现代计算机仿真软件相结合，充分利用计算机仿真软件优势，完善电子电路仿真设计研究，从而为电子电路设计研究开拓新的平台。
当今社会电子信息技术不断地发展更新，各种电子设备与计算机的联系愈加紧密，计算机仿真软件的不断发展也使得实际电子电路设计的成本大幅降低，从而实现了电路设计低成本的转变。计算机仿真软件已经成为了电子电路设计的一个不可分割的重要组成部分，计算机仿真技术的出现也是传统的设计方法发生了极大的改变，不在像从前依靠人工计算以及实物试验和调整的方式，从而大幅提高了电子电路仿真设计的效率。在计算机仿真软件的不断发展之下，计算机仿真软件的有点越来越明显，界面更加的直观，操作也变得更加的方便，通过与计算机仿真软件相联系，电子电路仿真设计的效率与质量得到了质的提升，而且为设计者增添了更多的乐趣。
计算机仿真软件简要举例
EWB软件。EWB电子工作平台的器件库中集成电路、门电路等电路芯片等原件的收录非常的丰富，能够满足实验者的正常需求，如果器件库中没有所需原件，还可以进行外部传输，丰富器件库以满足实验者需求。它也能够较为真实的还原实验室桌面的内容，信号发生器、示波器等等的仪表工具在EWB中都可以予以提供。EWB电子工作平台易于掌握，学习方式十分直观，由于是计算机仿真软件，EWB的效率是传统试验方式无法比拟的，若想进行元件的变动，只需在计算机上进行，而不需进行实际操作，这也避免了实际操作中的失误可能对是实验结果产生影响，从而使试验更加准确。在EWB中，加入了虚拟仪器的技术，电子电路仿真设计在实验中与实验室的操作极为相似，实验人员在使用过程中不必更改原有的操作习惯，对使用人员来说极为方便。使用计算机仿真软件也减轻了使用者的体力负担，能够让使用者可以更多的进行设计，从而在正体上促进我国电子电路仿真设计研究发展。
Saber软件。Saber软件的主要面向对象是混合信号，其在于混合信号、混合技术和层次的处理能力极为优秀，Saber软件可仿真的领域也更为宽泛，数字和模拟信号器件、机械、热学、电磁学等诸多领域的器件Saber软件都可以进行仿真设计。在用户使用Saber软件时，可以建立不同的模型库，其模块化的特征，决定了它的灵活性丰富，可以组成特定的设计工具供用户使用，其高度的灵活性也就为使用者提供了更多的可能性，对于复杂任务的完成也就变得更加的高效和流畅。Saber有着极为开放的软件环境，它能够与计算机软件相接口，在一个单一软件无法满足用户需求的情况下依旧可以使用Saber软件进行操作，便可免去到实验室进行低效率的工作，从而使电子电路仿真设计研究的效率极大的加强了，也使使用者的使用体验的到了极大的提升，趣味性更加的丰富，创造力也就随之而来。
计算机仿真软件对于电子电路仿真设计的意义
提升电子电路仿真设计效率。在传统的电路设计中，實验人员需要在实验室中进行操作，将实验台上的仪器进行一一链接，而在计算机仿真软件上，这种麻烦便可以得到避免，计算机仿真软件可以将这些试验中较为耗时但是对实验结果影响极小的因素自行完成，节约了用户花费在此上的大量时间。而且当下计算机仿真软件的准确性极高，不会对实验结果产生影响，不必担心使用计算机仿真软件的准确性。在传统的操作中，一旦出现原件的错误需要更换或是改正时，极为麻烦，耽误了实验人员的大量不必要的时间，而在使用计算机仿真软件时，这种时间便可以得到节省。使用计算机仿真软件时，对于实验人员的体力也得到了节省，能够让用户有着更多的精力投入研究之中，也就可以使电子电路仿真设计效率的到提升。
教学意义。在电子电路仿真设计上，后续力量的发展也是极为有现实意义的，对提升我国电子电路仿真设计可持续性发展有着深远的影响。在电子电路的课程上，理论教学和实验课程是密不可分的，单有理论教育是远远不足的，而在完成了理论教学一段时间之后再进行实验的安排，这时学生对知识的记忆已经开始减少，对所学内容的感性认识也渐渐下降，甚至学习兴趣也渐渐淡化，这对学生的学习是极为不理的。但是使用计算机仿真软件，可以再理论教学的同时引入实验，二者互相不会产生影响，在理论知识传授的同时进行计算机仿真软件实验，这样提升了学生对内容的理解能力，强化了学生的记忆，也对学生的课下学习创造了方便，让学生自学实验成为了可能。在学生对实验有着一定的了解之后再进行实际实验，也不会让学生的动手能力下降，反而提升了学生对于知识的掌握程度，加深了理论理解。
设计研究中计算机仿真软件的应用
在电子电路方面的设计研究之中，更为重要的是理论思路的可行性，而不是实际操作。针对研究人员而言，在有了新的想法和思路的时候，结果只是一个可能，需要实验进行验证，因为想法只是一个雏形，所以在验证的过程中需要不断地更正，往往在一次次的失败和实验之后才能完成研究，可是传统方式将这一过程无限期的拉长了，对于研究人员来说，动手操作能力不是问题，实验结果是更为重要的，可是真正一次次进行实验和更换元件极为费时费力，有的误差甚至会影响实验结果。此时计算机仿真软件的应用很好的解决了这一问题，它的使用能够让用户从繁琐的实验中抽身出来，将更多的精力放在理论研究上，提高了研究效率，在宏观上来说，推动了电子电路仿真设计研究的发展。
液压升降平台的设计计算与仿真 篇7
随着工业发展带来的搬运设备的品种越来越多, 一些设备需向专门化发展, 以满足在各种场合下的使用需求, 工作效率更高, 更安全[1]。
原有的飞机维护升降平台无法自动行走, 进场离场需拖至指定位置[2], 工作效率低, 液压升降只能依靠手动油泵, 精度得不到保障, 自动化程度过低。
现设计一种自动化程度较高的升降平台用于飞机维护, 由于特殊要求因此其稳定性和抗倾覆性需达到安全标准;工作结束后要可靠撤离飞机[3];本文通过计算与Mathcad、Adams仿真软件相结合的方式, 验证使用性能与安全性能。
1.1 液压升降平台的结构说明
该平台整机主要由平台车、液压升降平行四边形结构与工作平台组成。液压升降机构由2根上臂和2根下臂构成平行四边形连杆机构, 上臂连接推力横杆与液压缸的推力杆连接, 通过液压缸动力实现升降功能, 底部平台车提供行走功能。
2 整机参数的计算与分析
整机最大升起状态如图1。
根据重心公式:
载荷为0 N时, 前轴载荷为10590 N, 后轴载荷为10980 N;载荷为3000 N时, 前轴载荷为9110 N, 后轴载荷为15460 N;最大载荷4500 N时, 前轴载荷为8370 N, 后轴载荷为17700 N。
3 液压行走系统的计算与分析
3.1 液压泵与液压马达的流量匹配计算与分析
平台车最高行驶速度V=0.8 km/h;可得液压马达的转速n为48.8 r/min。串联的液压马达所需要的总流量为Qm=qm×n=300×48.8=14.6 L/min。
油泵输出的总流量为Qy=qy×n×η=15.75 L/min。式中:qm为马达排量;qy为泵的排量;η为液压马达工作效率。
Qy>Qm, 泵的流量能够满足马达的需求。
3.2 液压马达启动时驱动扭矩的计算与分析
平台车标准载荷下在5°倾斜的路面上启动, 设计要求是10 s加速至3.5 km/h, 总质量为2457 kg, 则其加速度力为FA=G×a=238.3 N。
沥青路面滚动摩擦因数f=20, 此时滚动阻力为RR=G×9.8×f/1000=481.6 N。此时自身重力引起的阻力为GR=G×9.8×tan (5π/180) =2094.8 N。总牵引力F=FA+RR+GR=2814.7N。
根据输出转矩公式, 计算出液压马达输出转矩Tm=267.4 N·m。此时Tm小于马达最大输出转矩825 N·m, 因此液压马达的选择满足设计需求。
3.3 分析平台车在坡道启动时是否会打滑
式中:W为后轴载荷, 1546 kg;ff为轮胎在地面上的滑动摩擦因数ff=0.6;R为轮胎半径, R=0.19 m;m为齿轮减速比, 如果没有齿轮, m=1。
摩擦力矩Ts大于此时马达的驱动力267.4 N·m, 因此不会产生打滑现象。
3.4 整机液压系统的总功率计算与电机的选择
爬5°坡时消耗在液压系统上的功率为。式中, 液压马达工作效率η取0.9。根据计算结果, 选择功率为3 k W的电机即可满足需求, 在爬5°坡时稍微降低速度即可。
4 相关参数的确定
Mathcad在数学计算、数值分析等方面有广泛的应用[4], 对其未知量的曲线求解提供了便利。
4.1 举升油缸行程的计算
图2所示为举升油缸初始状态根据三角函数可得CM杆长度随举升角度变化的表达式为。式中:α为举升角度;XM、YM为M点的X、Y轴坐标;XC、YC为C点的X、Y轴坐标。
4.2 LA杆的受力分析与压杆稳定计算
通过B距LA杆的距离计算出LA杆所受力。
通过Mathcad软件求出点B到LA杆的距离变化曲线, 如图4所示, 横坐标表示举升角度α的变化, 纵坐标表示点B到LA杆的垂直距离。负载作用LA杆的力为
式中:M (α) 为随举升角度变化的弯矩;H (α) 为o点到MC的垂距。
图5表示LA杆所受的力随举升角度α的变化, 举升角度α为0°时, LA杆受力最大为FLA (0) =2.975×104N, 根据压杆稳定公式矩形杆尺寸 (80×40×4) , 计算得压杆安全系数为4.762, 大于安全标准3, 因此是合理的。
4.3 油缸的受力分析与计算
油缸推力杆CM将点O确定为铰点, 作用于点O的力矩作用于CM杆, 通过点O距CM杆的距离计算出CM杆所受的力, 如图6所示。
通过软件得出点O到杆MC的距离随着举升角度变化的曲线, 液压杆MC上的受力曲线如图7所示, 横坐标为举升角度α, 纵坐标为CM杆受力FCM。此时举升油缸与上臂夹角为ζ=5.67°, 油缸引起上臂产生的拉力为
矩形管的截面积A=0.000 896 m2, 计算得出此时上臂的应力为33.7 MPa, 而Q235的许用应力为235 MPa, 因此此时上臂的应力符合安全要求。
5 Adams软件的仿真模拟
Adams软件可协助设计者使用可视化模型来预测运动中工作件的机械结构变化与受力情况, 从而进行模型优化[5]。
将Solid Works之中的模型导入Adams软件:
添加约束后, 液压缸驱动方程为STEP (time, 0, 5, 155.4, 5) , 模式选择为velocity[6], 表示液压缸提升速度在0到155.4 s内始终保持为5 mm/s, 这个速度是比较安全的。校验模型无误后可以进行仿真, 仿真的时间为155.4 s, 步数为500步, 如图8所示。
仿真结束后对升降机构的上臂和下臂受力和推力进行分析, 选择几个关键的铰点 (JOINT_13, JOINT_14, JOINT_16, JOINT_19, JOINT_20, MOTION_1) 绘制特性曲线。几个关键节点的受力曲线如图9所示。
由图中曲线可得各节点的受力, MOTION_1为液压推力杆的推力大小, 最大值为62 117N, JOINT_14和JOINT_20分别为下臂的下铰点与上铰点, 分别为10749N和10 707N;JOINT_13、JOINT_16和JOINT_19是上臂的3个铰点, 受力为41 032N, 31 025N, 10 707N。而此次设计中上下臂的材料均选择为Q235, 所受到的应力在其安全范围内。
6 结论
本文为该平台的整体轴荷、相关杆件的受力进行了计算, 使用Mathcad软件进行杆的受力曲线分析, 校验某状态下杆件的强度参数, 验证了平台设计的稳定性、可靠性以及材料选择的合理性。
通过Adams软件对整个举升机构的运动过程进行仿真, Adams的受力分析较之Mathcad的计算, 更加注重了单个点的受力分析。通过整体与个体相结合的计算分析, 杆件的强度满足要求的结论, 对于以后的设计工作也具有一定的借鉴意义。
参考文献
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[4]谢昕.Mathcad在力学计算中的应用[C]//中国力学学会青年工作委员会第三届学术年会论文集.大连理工大学工程力学系, 1999.
[5]ZHANG Yaojun, BAYRAM I, WANG Yu, et al.ADAMS:Asymmetric differential STT-RAM cell structure for reliable and high-performance applications[C]//2013 IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD) , San Jose, CA, 18-21 Nov, 2013:9-16.
计算与仿真 篇8
近年来,随着电力电子技术的发展,非线性负载得到了广泛的应用,所带来的不良后果是谐波的问题日益严重。作为电力系统中联系不同电压等级网络不可或缺的电气设备,变压器的谐波损耗不容忽视。根据日本中部电力公司提供的资料,甚至认为当5次谐波含有率为10%时,变压器的损耗比不存在谐波时增大10%[1]。谐波不仅增大了损耗,还会降低变压器的使用寿命。因此,对于变压器谐波损耗进行细致的研究具有重要的意义。
国内外关于变压器谐波损耗的计算有不同的方法,准确度各不相同。文献[2]将谐波损耗以基波损耗的附加倍数体现,其基波损耗分为铜耗和铁耗分别计算。但铁耗中的磁滞损耗是由铁芯磁化极性反转造成的,由磁性材料的尺寸和品质、磁通密度的最大值和交流电流的频率决定。涡流损耗与铁芯材料的尺寸,叠片的厚度等因素有关系,这些参数无法从变压器的铭牌中获得。文献[3]提到的经验公式法都是根据经验数据来估算谐波损耗,当变压器结构相差较大时会有较大偏差。文献[4]提到的方法要在小电流下实测出变压器不同谐波频率下的有效电阻,计算出谐波损耗系数。但是试验电流小,可能给谐波损耗系数的计算带来误差。此外,测量方法较复杂,需要专门的测试设备和仪器。
变压器谐波损耗计算中易于实现且应用较为广泛的有改进参数法、等值法和测量法[5]。改进参数法中损耗的大小只与电流有关,计算较为简单,但不能很好地反映出电压与电流之间相角的变化,实践中可以作为一种快速估计的方法。等值法是在60 Hz条件下,通过实验得到的某一型号变压器内部参数拟合公式,实践中也可以作为一种估算方法,但是计算相对较为复杂。测量法在计算时忽略了电源的畸变,因此结果往往偏大,但在畸变率较小的情况下,计算结果较为精确。本文对上述三种方法进行了介绍,针对实例进行谐波损耗计算的分析,确定出在不同的电源电压畸变范围内较为准确的变压器谐波损耗的计算方法。
1 谐波损耗方法比较
1.1 改进参数法
变压器的总损耗PTL可分为铜损PCu,铁损PFe和其他杂散损耗POSL三部分,其中铜损又分为电阻损耗P(I2R)、绕组涡流损耗PEC。只有铁损PFe与电压有关,其他均由电流决定。在此,忽略铁耗,直流电阻损耗P(I2R),涡流损耗PEC,杂散损耗POSL,合成负荷损耗PLL[6]。
当供以正弦交流电时,变压器负荷总损耗的表达式如式(1):
式中:PLL为正弦交流电下的变压器负荷总损耗(W);IR为正弦交流电流的大小(A);PEC-R为正弦交流电下绕组的涡流损耗(W);POSL-R为正弦交流电下的杂散损耗(W)。
当供以非正弦交流电时,定义[7]:
定义:
式中:FHL为谐波损耗因子,反映谐波电流有效值;hmax为最高谐波阶次;h为谐波阶次;I1为非正弦交流电的基波电流(A);Ih为非正弦交流电的第h次谐波电流(A)。
那么,谐波总损耗的表达式为:
通常PBC-R和POSL-R的求取要涉及运行状态下变压器的测试电阻,但在实际运行状态下通常无法满足试验条件。所以一般只取式(4)中的直流电阻的损耗。一般涡流损耗和杂散损耗大约为负载损耗的20%～30%。K可取为1.25。
谐波作用下,由于绕组肌肤效应的作用,使得变压器的直流电阻与谐波次数成一定规律变化[8],可对直流电阻作如下的改进[9]:
式中:R1为基频下的直流电阻(Ω);c0,c1,c2,b为系数。
其取值范围如表1所示,一般有c0+c1+c2=1。
当变压器为三相时,则式(5)可改写为
1.2 测量法
为了便于对变压器谐波损耗进行估算,假设:
(1)由于系统短路容量很大,可以把母线电压看作是无畸变的正弦电压。
(2)非线性负载阻抗远远大于系统阻抗,可看作一个谐波电流源。
(3)一些对谐波损耗贡献不大的元件暂不考虑,如导线等。
线路中的无功补偿装置主要工作在失谐状态,不会与系统产生并联谐振,所以对于谐波来说,无功补偿装置的阻抗远远大于变压器的阻抗。由于母线电压看作是无畸变的正弦电压,在不考虑线损的情况下,变压器的谐波功率损耗等于系统用户侧发出的谐波功率,但两者方向相反。
因此,在不考虑线损的情况下,变压器总谐波损耗Pth为:
式中:Uh表示第h次谐波相电压(V),由测量点电压通过傅立叶变换得到;Ih表示第h次谐波相电压(A),由测量点电压通过傅立叶变换得到;φh为第h次谐波电压与电流之间的相位差,由式(8)知可以通过Uh、Ih、φh等参数来计算变压器的谐波损耗,它们可在变压器低压端通过测量来获取,这样就避免求变压器的内部参数。
1.3 等值法
在不考虑铁芯磁饱和及线性等因素的影响下,利用叠加原理,把电源中的谐波分量看成是一系列独立的电源,分别加到变压器上,则对于第h次谐波的电压电流,考虑谐波影响的变压器等效电路如下图1所示。
图1中:h为谐波次数,Uh表示的是变压器原边所加的第h次谐波电压(V),Rh(1),jXh(1)表示的是第h次谐波作用下的原边绕组的电阻和电抗(Ω)。Rh(2)、jXh(2)表示的是第h次谐波作用下的副边绕组的电阻和电抗(Ω)。Rh(m)表示的是第h次谐波作用下的变压器的激磁电阻(Ω),jXh(m)为激磁电抗(Ω)。Ih则为第h次谐波电流(A)。
由三相变压器的短路试验可以得到[10]:
由三相变压器的空载试验可以得到:
因此,第h次谐波在变压器上产生的损耗为:
从而,变压器谐波总损耗为
2 仿真与计算
运行状态下可以将变压器输入端和输出端测量得到的谐波总的功率之差作为变压器的总谐波损耗[11]。本文仿真时,在变压器的两端分别测得某相的电流和电压(可近似认为三相平衡),进行傅里叶分解之后得到各次谐波电压与电流的幅值和相位,则可以求出输入功率与输出功率。某次谐波下,变压器两端输入功率与输出功率之差即为变压器在该次谐波下的损耗。文中将该种方法的计算结果称为理论损耗。
目前,电力系统中最重要的非线性负荷是能产生谐波电流并具有相当容量的功率换流器,各种各样的换流器遍布于电力系统的各个电压等级[12]。由于六脉动整流电路是目前应用最为广泛的整流电路,且为典型的谐波源,因此本文的仿真中,采用六脉动整流作为谐波源[13]。
电路如图2所示,仿真中采用某典型的配电变压器,额定容量:3 150kVA;原副边电压10kV/0.4kV;空载损耗:5.03 kW;负载损耗:24.85 kW;空载电流:0.8%;阻抗电压:10%。
改进参数法中,由式(6)可以看出:系数c2的选取对于计算结果影响最大。选取:c0=0.9,c1=c2=0.05,b=1 (改进参数法1)与c0=0.85,c1=0.07,c2=0.08,b=1 (改进参数法2)。改变系统和负载参数来改变电压畸变率。图3给出了上述变压器低压侧电压畸变率变化时两种不同参数的改进参数法与理论损耗的比较曲线。
由图3得知:当变压器低压侧的电压畸变率小于15%时,改进参数法1的计算比较准确。当畸变率进一步增大,改进参数法2的计算误差减小。在以下的计算中,当变压器低压侧的电压畸变率小于15%时,采用改进参数法1的参数;当变压器低压侧的电压畸变率大于15%时,采用改进参数法2的参数。
(1)电源中等效电感L=3.0 mH,负载中R=0.25Ω,L=400 mH。用户侧基波功率为P1=1702.88 kW,电源电压畸变率为1.7%,负载侧电压畸变率为7.5%。其理论损耗与各方法计算结果比较如表2。
对于谐波总损耗的计算,等值法的误差比较小,误差为3.62%,改进参数法和测量法的计算误差分别为49.78%,24.95%。对于5,7,11,13次特征谐波,测量法的误差分别为23.1%,26.04%,27.07%,38%。通过分析各次特征谐波损耗和总的谐波损耗,可知测量法的误差相对较小。
(2)电源中L=2.5 mH负载中R=0.1Ω,L=300mH。用户侧基波功率为P1=2 561.4 kW,电源电压的畸变率为2.71%,负载侧电压畸变率为14.07%。其理论损耗与各方法计算结果比较如表3。
对于谐波总损耗的计算,改进参数法的误差相对比较小,误差为8.87%,等值法和测量法的计算误差分别为19.38%,20.87%。对于5,7,11,13次特征谐波,改进参数法的误差分别为37.1%,14.8%,18.89%,12%。通过分析各次特征谐波损耗和总的谐波损耗,可知改进参数法的误差相对较小。
(3)电源中等效电感L=3.0 mH,负载中R=0.1Ω,L=300 mH,触发角α=10°。用户侧基波功率为P1=2306.51 kW,电源电压畸变率为3.58%,负载侧电压畸变率为16.13%。其理论损耗与各方法计算结果比较如表4。
对于谐波总损耗的计算,改进参数法的误差相对比较小,误差为15.6%,等值法和测量法的计算误差分别为39.11%,25.92%。对于5,7,11,13次特征谐波,改进参数法的误差分别为2.12%,21.36%,37.97%,18.46%。通过分析各次特征谐波损耗和总的谐波损耗,可知改进参数法的误差相对较小。
图4和图5给出了不同电压畸变率情况下三种方法计算结果与理论损耗的比较曲线。
图6给出了另一典型配电变压器三种计算方法计算结果与理论损耗的比较曲线。该配电变压器额定容量:1000 kVA;原副边电压:6 kV/0.4kV;空载损耗:1.6 kW;负载损耗:7.5 kW;空载电流:1.0%;阻抗电压:6%。
图7给出了另一典型配电变压器三种计算方法计算结果与理论损耗的比较曲线。该配电变压器额定容量:1 600 kVA;原副边电压:6kV/0.4kV;空载损耗:2.5 kW;负载损耗:10.91 kW;空载电流:1.0%;阻抗电压:6%。
3 仿真结果分析
通过对图4～7中的拟合曲线以及多组数据的分析可知:计算变压器损耗的各种方法并不是在各种情况下都适用。当畸变率很小的时候,测量法较为准确。畸变率越小,测量法的准确度越高。从局部图看,在负荷侧电压畸变率小于5%的情况下,可以用测量法计算变压器的损耗。当畸变率增大,测量法的误差将会增大,等值法和改进参数法比测量法更为准确。从以上的拟合曲线中,可以认为,当负荷侧电压畸变率在5%～10%范围内,等值法和改进参数法的计算误差都比较小,因此都可以作为一种快速估计方法。当畸变率进一步增大,改进参数法的计算误差减小,在负荷侧电压畸变率大于10%的情况下,宜采用改进参数法。但是,电源电压的畸变率不宜太大,否则各种方法都有较大的计算误差。
4 结论
铁心电抗器的电感计算与仿真分析 篇9
电抗器是一种电感元件,当在具有电感值的电抗器线圈中通以交流电流时,它呈现电抗,并在电抗两端产生电抗压降。电抗器在电路中起到无功补偿、限流、稳流(平波)、滤波、阻尼、移相等作用,是电力系统中常用的、重要的电力设备。电抗器就其磁路结构而言,有空心电抗器和带气隙的铁心电抗器两种,本文只对铁心电抗器做相关分析。
1 电感计算原理
当铁心电抗器的线圈中通以交流电流时,它就产生两部分磁通,如图1所示。一部分是主磁通Φm,它沿铁心磁路(铁心饼、饼间气隙、铁轭)闭合,与全部线匝相交链;另一部分是漏磁通Φσ,它主要沿空气(或油)闭合。主磁通所对应的电抗称为主电抗,而漏磁通所对应的电抗称为漏电抗,铁心电抗器的电抗为主电抗与漏电抗之和[1]。
1.1 主电感计算
其中,W为电抗器的总匝数;Λm为主磁路的磁导。如图2所示,主磁通的磁力线可分为两部分,第一部分是穿过铁心饼下气隙面积的磁力线,假定它们都垂直射入(或射出)铁心饼截面,分布是均匀的,这一部分磁路对应的磁导记为Λm1;第二部分是除了第一部分之外的主磁通的磁力线,它们是由衍射现象所产生的,其路径近似为半圆,这一部分磁路对应的磁导为Λm2[2,3,4],则
铁心饼下面的空气对应的磁导按下式计算:
其中,δ为铁心饼间气隙长度;μr为相对磁导率;Aδ1为铁心饼截面的几何面积。
其中,Az为铁心柱净截面积;Kdp为铁心叠片系数。
设由于衍射现象,铁心柱向外扩大的等效宽度为ε,如图3所示。
式中,h为铁饼高度;ε的单位为m。
如图3(b)所示,对于平行叠片铁心,边缘效应产生的气隙向外扩大的等效面积为:
其中,bm为铁心柱最大片宽;am为铁心柱最大厚度。
由式(3)、(7)得到:
当电抗器有N个气隙时,其主电感:
1.2 漏电感计算
如图4所示,在R1~R2围成的圆环柱内,磁力线与全部安匝相交链[5],则在此区域磁力线与线圈交链产生的磁链为:
其中,Fm为线圈总磁势;W为线圈总有效匝数;I为电抗器电流。
圆环柱对应的磁导为:
则式(10)可写成如下形式:
其中,rL为洛果夫斯基系数。
同理,在R2~R围成的圆环柱区域内,磁力线与线圈相交链所产生的的磁链为:
其中:
因此与整个线圈相交链的总磁链为:
线圈的漏电感为
其中AQ代表等效漏磁面积,
1.3 总电感
2 Ansoft仿真
Ansoft是一款电磁场有限元分析软件,在各个工程电磁场领域得到了广泛的应用。
2.1 Ansoft仿真步骤
(1)建立几何模型
3D模型可以在Project/Maxwell 3D Design中直接绘制,也可通过其他三维软件(例如UG、Solidworks)进行绘制,然后再将其导入Ansoft中。
(2)材料的定义及分配
电抗器模型由铁心和绕组两部分组成,材料属性可以从Ansoft的材料库中选取,如果材料库中没有所需材料属性,则可自己添加材料。
(3)添加激励源
为电抗器添加电流激励源,此时添加的激励源不是电流值,而是安匝数。
(4)边界条件
磁场边界条件如果自动满足无限远场边界条件,就不需要另外设置。
(5)网格剖分和求解设置
可通过内置的自适应剖分,也可自己定义剖分设置,最后进行求解设置。
(6)后处理
求解计算完成后,就可查看磁场能量值、磁场强度H、磁感应强度B等参数[6]。
2.2 电感计算
在Ansoft三维静磁场中可以求出电抗器的磁场能量损耗,再利用:
可得:
3 铁心电抗器实例
3.1 电抗器参数
现有一单相铁心电抗器,两柱并联连接,单个铁心柱由4个铁饼组成,每个铁饼高度为h=45 mm,气隙数n=3,每个气隙长度为d=3 mm,单柱匝数W=56,f=50 Hz,铁心柱净截面积Az=93.12 cm2,铁心迭片系数Kdp=0.97,铁心柱最大片宽bm=80mm,最大厚度am=120 mm,线圈高度H=122 mm,等效内径R2=74.2 mm,辐向厚度BH=25 mm。
3.2 公式计算
3.2.1 主电抗
3.2.2 漏电抗
3.2.3 总电感:
3.3 Ansoft仿真
根据电抗器相关参数,建立电抗器模型,其模型如图5所示。
对模型进行仿真分析,得到的结果如图6和图7。
由铁心磁密的分布可以看出在气隙区域的磁密是最大的,尤其是边缘效应产生的地方磁密最大,所以该处产生的热量与噪声都会比较大,这就需要设计人员在设计初期合理选取磁密。
通过仿真得到电抗器能量损耗:Q=40.044 J。
3.4 对比分析
由表1可以看出,理论计算与仿真结果基本一致,所以两者可互相验证,提高计算精确度。
4 结论
文中给出了电抗器电感值的理论计算过程,并用Ansoft进行建模仿真,通过对比发现两者的计算结果比较接近,说明理论计算与Ansoft建模仿真可相互验证,以提高电抗器设计的精度。
参考文献
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浅析实验室实验与计算机仿真 篇10
实验室实验是指在实验室内通过各种实验仪器和设备, 在人为地制造、控制或改变实验对象的状态和条件下, 考察与研究实验对象的一种有目的, 有计划的操作或实践活动[1]。由于实验室内的各种环境和条件便于实验者根据实验目的或实验材料的需要人为制造、控制或改变, 而受自然环境干扰较少, 因此实验室实验的设计到实验的控制过程、操作过程都比较严格, 其实验结果的精确度也比较高。
计算机仿真是随着计算机技术的发展, 出现的计算机模拟。这是一种新的模拟方法——人工智能模拟, 它属于计算物理的研究范畴[2]。计算机模拟是用程序设计在计算机上动态直观显示实际的物理过程。计算机不仅能够模拟实验中可能发生的现象, 还可以通过改变控制参数模拟出不能或不易进行实验的现象[1]。模拟法虽然居有上述许多优点, 但也有很大的局限性, 因为它仅能够解决可测性问题, 并不能提高实验的精度。
2 测量是实验的重要手段和方法
科学实验中的大多数实验都是测量实验, 测量的过程包含:仪器的识别, 仪器的选择与调试, 元器件的识别, 实验电路连接, 电路故障检查, 读取数据并进行数据处理。具体操作过程为:实验前要先认识仪器。如对各类测量仪器的工作原理、量程、准确度、使用条件及测量方法的讲解。然后根据实验内容要选择仪器的型号, 进行必要的调试如:校零, 量程选择;对要测量的元件进行好坏判别。理解电路原理图的情况下, 将各种仪表及电路元器件连接成电路。确认电路连接无误后通电, 如不能正常测量应对电路逐级检查, 直到排除完电路故障。实验过程中正确读取测量数据并进行数据处理是一项基本训练, 如果数据不齐或不合理, 仔细分析原因后重新进行测量。
3 计算机仿真是定性实验
在计算机上仿真, 并不是测量, 只是对电路的一种定性说明。计算机仿真是在虚拟的实验环境中进行的, 仪器都是理想的[3]。所用仪器没有量程的选择, 也不必调试;看到的只是理想元件的符号;搭建电路时只是连线, 几乎得不到工程能力的实践;电路接好后只要按下仿真开关就能看得结果。
4 具体实验的两种方法比较
通过伏安法测线性电阻及LC电路谐振特性的实验分析。
4.1 实验室实验
在实验室实验时具体操作过程见前述。
如要测400Ω电阻伏安特性, 选择仪表为:0~32V可调稳压直流电源, 400Ω滑线变阻器, 电流表C46-m A型、量程75m A, 电压表C31-V型、量程20V。测量电路见图1所示, 测试数据见表1。
用逐差法对测量数据分析计算知, 当被测电阻远大于电流表内阻时采用电流表内接法误差小, 当被测电阻远小于电压表内阻时采用电流表外接法误差小, 与理论分析相符。
4.2 计算机仿真
在计算机上打开仿真软件multism, 从仪器库中取出所需元件分别按电流表内接法和外接法连接电路见图2, 图3所示。按下仿真开关就能测出电流与电压的大小。如需比较不同的被测电阻可双击改变其参数设置即可, 非常方便。
串联谐振电路频率特性曲线呈单峰特性;当电路工作在谐振频率时, 电路呈纯阻态, 电压与电流相位差为零;单峰波形的平坦程度与电路品质因素的大小有关。在仿真软件multism搭建串联谐振电路见图4所示。运行电路仿真, 观察频率曲线, 从中读出其中心频率约为130HZ, 与理论计算值基本相符。
对图4所示电路从理论分析可知, 电阻R1对电路的谐振频率不产生影响, 但R1的大小会影响电路的品质因数Q的大小, 从而影响频率特性曲线的平坦度。在仿真软件multism中利用参数扫描法分析不同R1对频率特性曲线的影响, 对元件R1进行参数扫描分析结果见图5所示, 图中不同颜色线条参数见图6所示。从参数扫描分析结果中可看出:R1对电路的谐振频率不产生影响;R1越小, BW越小, Q值越大。
5 结束语
计算机在实验研究领域的应用——将传统的实验方法和测试手段与计算机相结合, 使实验技术产生了巨大的变革, 大大提高了实验的水平, 给科学研究带来了新的突破[4]。利用计算机仿真实验, 不但可以克服实验室各种条件的限制, 针对不同的目的进行训练, 还大大激发了学生的学习兴趣;但是实验教学的目的是培养和提高学生的实践能力。如果在实验教学中用仿真取代传统实验, 显然是达不到教学目的, 实践证明在具体的实验中如果将现代化教学手段与传统硬件实验有效地结合起来, 引导学生进行复杂电路的设计、实验与研究, 不仅有利于提高学习成效, 同时对传统实验教学的不足起到一定的补充作用。
参考文献
[1]胡湘岳.大学物理实验教程[M].北京:清华大学出版社, 2008.
[2]朱世坤, 辛旭平, 等.设计创新型物理实验导论[M].北京:科学出版社, 2010.
[3]郭小军.电子电路仿真[M].北京:北京理工大学出版社, 2009.
仿真软件在计算机组装课中的应用 篇11
关键词：仿真软件；计算机组装；硬件
《计算机组装与维护》是中等职业学校计算机专业的一门必修课程，也是实践性很强的课程。该课程的主要内容有：硬件知识、系统调试、CMOS的设置、故障检测、硬盘初始化和系统安装。但目前许多中等职业学校在进行这门课的教学时都存在一定的难题，许多教师通常只是解决了CMOS、硬盘初始化与系统软件安装上的问题，而在硬件方面很多学校都是使用校内已淘汰的电脑硬件做为学生的实验设备，这些设备与现在的电脑配置相比，技术落后了几个档次，甚至有部分已经是不再生产与流通的设备。学生利用这些设备学习也只能掌握一些比较落后的技术，无法跟上硬件更新的速度，所以，硬件更新速度跟不上电脑发展速度成了这门课要解决的重要问题，将仿真软件引入到教学中则是解决这一问题的突破口。
一、仿真软件
仿真软件英文名是“simulation software”，是专门用于仿真的计算机软件，它与仿真硬件同为仿真的技术工具。仿真软件的制作与开发也是多元化的，对于很多学校的计算机教师来说，要开发一个很高级的仿真软件是一件比较困难的事情，但只是开发一个简单教学与演示用的仿真软件就没有这么复杂。本文所讨论的仿真软件主要是利用图片通过PhotoShop、FLASH与ActionScript进行开发使用的。制作方法是用PhotoShop把下载下来的最新图片处理成平面图、侧面图和上视图，通过FLASH拖放定位功能进行组合，再通过ActionScript进行硬件组合上的判断，对学生加以提示。
二、实验室硬件的配置
在原有的《计算机组装与维护》课上硬件的更新是比较落后的，学生无法利用最新的硬件去装配计算机，这样就大大减弱了学生的学习兴趣。学生也无法知道现在社会上通用的计算机组合规则，从而导致学生在日后工作时只能依靠所学的理论自己进行实验，甚至可能连组装也不会。这样就造成这门课的实效性较差，培养出来的学生满足不了社会的需求。采用仿真软件可以基本解决这个问题，因为仿真软件是利用图片进行组合，而图片可以通过太平洋网或中关村网进行即时更新。这样可以让学生对这些新配置有一个感性的认识，也方便学生在日后见到这样的配置时知道应该如何进行组装和维护。因为图片是从网上下载并进行处理的，对于一些资金不太足的小型学校来说是解决实验场室不足的好办法。
三、组装多元化
随着时代的发展，计算机的配置越来越高级，在型号的组合上也有了一定的要求，不同型号等级的主板要配上不同的硬件。但现在在学校实验室内的主机都是学校淘汰下来的老式机器，并且很多学校的主机都是统一采购回来的同一型号机器，所以在实验上不能做到多元化，也不能让学生体验不同机器的安装方法，不能很好地识别不同型号的主板以及与其配套的硬件。利用仿真软件就可以解决这个问题：首先，仿真软件是用图片进行组装，不存在硬件种类不足的问题，可以随时添加新的硬件图片；其次，在仿真软件制作过程中加入ActionStript进行判断，这样可以引导学生学会如何去分辨不同主板型号与应该安装的硬件。同时，教师还可以在网上查找一些关于不同芯片之间兼容性的文章，在软件中加入这些内容，可以帮助学生学会如何组装一台更好的计算机。
四、故障检测多样化
本门课程有一个重要内容是故障检测与维修，现在大部分学校在这方面的教学都只是以教学生使用主板检测卡为主，有些学校因为实验设备不足，可能只是给学生进行简单的讲解甚至跳过这部分内容，使得学生在学习完这门课后还不知道如何维修一台硬件出问题的机器，这种模式下培养出来的学生明显不符合社会的需求。
现在的用人企业都希望在招聘时能引进一个一专多能的员工，如果我们所培养的学生只是掌握了计算机的基础操作，而不懂得如何检测硬件问题并进行维修，这样的学生不仅在找工作时会遭遇困难，而且在工作岗位上经不起实践的检验。要想提升学生这方面的能力，我们在设计自己的软件时就可以加入相关的内容，给学生更多的练习机会，让他们熟练掌握维修计算机的方法与技能。在仿真软件中可以把图片组装成一台出问题的计算机，然后将计算机的故障模拟在软件中，让学生通过所看到、听到的故障现象来分析这台计算机的问题所在，并利用图片拖放定位的方式去修理这台模拟计算机。在这一过程中，学生也学会了计算机维修的最基本方法——“硬件更换法”。
五、软件安装
除了自己开发仿真软件外，我们也可以利用一些现有的模拟仿真软件。例如，在系统安装环节，可以使用一个名为Windows XP Simulator的仿真软件，这个软件模拟了Windows XP的安装过程，但只是一个演示过程，不会真的把操作系统安装在计算机上，这个软件可以很好地避免在安装操作系统时可能对计算机造成的破坏。除了这个软件外，在安装操作系统时我们还可以应用Visual PC、Visual Box和Vmware Player等虚拟机软件，不过这些软件都会在计算机模拟一个文件或空间，所以对硬盘还是有一定要求的。在CMOS方面，可以在网上搜索模拟CMOS设置的软件，利用这些软件就可以在不损坏计算机CMOS的情况下学习配置计算机的CMOS，在教学中，笔者通常让学生使用“CMOS模拟学习程序”。在硬盘初始化环节，可以使用 “硬盘虚拟分区精灵”这个软件，教会学生进行硬盘分区、硬盘格式化等操作。
六、使用仿真软件的反思
使用仿真软件与传统教学相比有一定的优越性：①可以减少硬件投入和损坏，以较少的投入获得较好的教学效果。②提供更丰富的练习环境。③为计算机组装与维护实训室的设备维护提供了便利。另外，在其他的实操课程中也可以使用仿真软件，例如综合布线、网络配置等。但是仿真软件还是无法与实际操作相比，学生通过仿真软件只能做一个感性认识而不能提升自己的实操水平。所以，在教学过程中，学生使用仿真软件练习之后，最好能在真实的计算机上进行实操训练，这样，才能最大程度地提高学生的技能水平。
（作者单位：广州市白云行知职业技术学校）
参考文献：
[1]邱彬.虚拟机技术在《计算机组装与维护》实验中的应用[J].电脑知识与技术，2010，（18）.
[2]郑锦材，邱彬.计算机组装与维护[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]高建华，邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用研究[J].电脑开发与应用，2011，（1）.
复杂系统计算机仿真的研究与设计 篇12
1 复杂系统概述
1.1 复杂系统的含义
目前我国对复杂系统还没有明确的定义, 对复杂系统的理解还处于研究阶段。大家所理解的复杂系统主要是指巨大的元素数量组成的系统, 而系统各元素之间具有随机性、非线性的依存关系, 系统功能难以利用抽象描述、形式化描述体现出来。如金融证券市场就可以视为一个复杂系统, 而该复杂系统的组成元素主要包括国家金融、监管机构、上市公司、证券公司、证券参与者等, 而这些促成元素之间即相互依存又各自独立。
1.2 复杂系统的特点
复杂系统的主要特点有不可计算性、自主性、关联性、开放性。不可计算性主要是指复杂系统的行为难以通过数学的方式描述出来, 各元素行为的总和不等同于复杂系统的整体行为。自主性是指元素之间独立自治性较强, 各自元素行为通常是自行规划来完成, 全局控制在复杂系统中是不存在的。关联性是指元素之间虽然各自独立, 但它们相互作用, 而且作用的影响相当大, 甚至可以影响整个复杂系统的状态、行为。开放性是指系统的元素种类多且数量大, 在对复杂系统研究的过程中不能单独的对某元素进行封闭研究, 要使用突现、聚集实现。
2 复杂系统计算机仿真的应用
2.1 自适应Agent
复杂系统计算机仿真应用平台最具影响力的设计是由美国桑培飞研究提出的自适应Agent仿真平台。不同智能主体Agent通过单机中的若干线程和进程构成, 包括反应Agent、交互Agent、控制/显示Agent、局部Agent、全局Agent、对象管理、控制时间推进。而且不同的Agent具有不同的功能, 反应Agent具有自适应能力, 交互Agent能够完成网络的交互, 控制/显示Agent能够完成人机交互, 局部Agent或全局Agent能够进行通信。而所有的Agent智能主体都具有反应能力、交互能力、自治性。当仿真感知到信息的时候反映体就会做出决策, 例如证券交易原则, 对于普通证券交易人员来说则非常简单, 当证券价格上升, 证券交易人员就出售那些呈现上升趋势证券, 反之则买进若干倍的证券。
2.2 智能仿真平台
智能仿真平台主要具有两方面内容, 一是具有控制/显示Agent、自适应Agent的智能主体, 代表复杂系统的基本元素, 而这些复杂系统主要是国家、公司、机构、证券交易中的散户。二是全局Agent、局部Agent、交互Agent等实现基本元素关联的智能主体。其具体结构如图1所示.不同RII接口Agent通过网络传输信息, 而RII再对其进行综合性服务。实现各个Agent之间的相互作用。
3 复杂系统计算机仿真的设计
复杂系统计算机仿真设计主要是从基于HLA框架中RTI的多种智能主体Agent分布的仿真平台。主要包括时间推进、事件处理、信息分发、主体控制。充分发挥HLA框架中RTI的强大功能, 而RTI主要功能有数据分析管理、声明管理、时间管理、属性管理、主体管理、全局管理。另外RTI服务应与多Agent仿真环境需求相对应。如对象管理OM和联邦管理FM对应主体控制;时间管理服务TM对应时间;数据分发管理服务DDM、数据管理DM与信息分发相对应。但是这种仿真平台还存在局限, HLA框架中RTI对Agent之间的通信缺少支持, 而在Agent中通信服务很重要, 而基于HLA框架中RTI服务难以满足其要求, 对个元素的关系也无法实现具体描述。
因此, 为了解决HLA框架中RTI对Agent之间缺少通信支持的问题, 可以使用增加ML (中间层) 在RTI和Agent软件之间的方法。例如Agent A将信息通过ML传输到RTI, 然后RTI进行分析服务, 将从ML接收到的信息分为到B的信息、到C的信息, 然后在经过ML分别传到Agent B和Agent C。最终实现Agent之间的通信。而ML中间层的主要作用是解释和分装仿真环境中的自适应Agent和HLA中的RTI服务功能之间的通信。增加HLA框架中RTI对Agent的通信支持。
由于HLA框架中RTI和Agent之间通过ML中间层解释信息, 有可能会增加Agent元素之间的数据流通量, 而在这时数据分发的数量可以利用RTI的路由空间进行限制。通过RTI对接受、发送数据的约束, 能够为Agent邦元得到所需信息提供保障。例如在同一电台中的不同频道接收、发送信息, 频道接受、发出的信息可以由RTI的路由空间进行约束, 根据邦元的ID作为路由空间的参数, 只允许在这个频道上的不同邦元可以对相关信息进行接收。还可以根据发送者的需求对路由空间进行有选择性的使用。
4 结论
综上所述, 通过对复杂系统计算机仿真的研究和设计, 可以了解到复杂系统的重要性, 对我国政治、经济、社会发展等方面具有非常重要的意义。通过应用和设计计算机仿真平台实现对复杂系统的有效描述, 从而促进社会经济的发展和科学的进步。
参考文献
[1]任传俊.复杂适应系统量化仿真与分析关键技术研究[D].国防科学技术大学, 2011.
[2]杨波.碾压混凝土坝浇筑系统计算机仿真的研究[D].西安理工大学, 2010.