高速无线通信系统仿真（通用12篇）
高速无线通信系统仿真 篇1
GSM-R作为铁路神经网络承载CTCS-3级列车运行控制系统 (C3) , 直接关系到铁路运行效率与安全。因此, 对高速铁路GSM-R网络的服务质量 (QoS) 提出了更为严格的要求[1]。
高速铁路建设中, 一般选择在试验段 (或先导段、先行段) 上对GSM-R系统的性能进行现场测试, 有力保障GSM-R系统的可靠运行。然而现场试验需要投入大量人力、物力, 而且存在试验时间较为有限, 环境限制因素较多, 参数 (如基站高度、发射功率、移动速度等) 不易调整, 劳动强度大, 电波传播环境无法精确控制和重复等不足。
高速铁路无线通信系统半实物仿真将计算机仿真与硬件试验相结合, 采用信道仿真设备模拟高速铁路现场的电波传播环境, 而GSM-R网络、终端则与高速铁路现场尽可能保持一致, 从而实现在实验室环境开展高速铁路GSM-R性能测试。半实物仿真准确性高, 为实时仿真, 可以进行设备测试, 与现场试验相比, 实施成本低, 能够方便设定系统参数, 可以保证测试的完备性;仿真环境透明、可控, 而且能够精确重复, 目前已在航天航空、武器设计、机械制造、电力等诸多领域广泛应用。
1 半实物仿真
高速铁路无线通信系统半实物仿真平台以信道仿真仪为核心 (见图1) , 由QoS测试软件、移动终端、GSM-R网络、固定用户接入交换系统 (FAS) 、车站台、Abis接口监测系统及射频配件和射频电缆构成。除信道仿真仪以外, 其他设备均与高速铁路现场保持一致。信道仿真仪能够模拟高速铁路各种典型场景 (如高架桥、路堑、平原、丘陵) 、移动速度、覆盖电平、噪声和干扰强度的各种无线信道, 具有多个并行的仿真通道, 其参数均可以独立设定。QoS测试软件可以对不同信道环境下的各项QoS指标进行测试。Abis接口监测系统对整个通信过程中Abis接口信令进行记录和统计分析, 并可以直观地显示上、下行接收电平 (RXLEV) 、接收质量 (RXQUAL) 和越区切换进程。
2 高速铁路无线通信系统半实物仿真平台功能
2.1 高速铁路无线信道特性分析
列车运行速度的提高会导致信道衰落速度的加快, 要保证通信的可靠性, 需要合理确定接收机的最小可用接收电平。铁道部GSM-R规范中规定98%的地点覆盖电平高于-92 dBm, 这一电平在350 km/h及以上高速铁路上的性能如何, 是目前关注较多的问题。高速铁路无线通信系统半实物仿真平台可方便地设定各种移动速度 (如250, 350, 420 km/h) 与接收电平, 并对系统性能进行仿真。通过各种仿真条件下, 对Abis接口监测数据进行统计处理, 可以分析接收电平与接收质量、速度之间的关系等, 为确定350 km/h及以上高速铁路的最小可用接收电平提供数据支持和验证。
仿真实验绘制了列车运行速度为350 km/h时, 当下行接收电平分别为-72, -82, -92 dBm时, 下行接收质量RXQUAL的分布 (见图2) 。由图2可知, 随着接收电平的下降, 接收质量会发生一定程度的下降。在-92 dBm时, RXQUAL小于3的概率约为0.933 8, 基本可以满足通信质量要求。
2.2 高速铁路QoS指标测试
由仿真平台模拟高速铁路各种无线信道环境, QoS测试系统控制移动终端进行GSM-R话音业务、电路域数据和分组域数据的QoS指标进行测试 (见表1) 。测试完全按照铁道部QoS测试规范进行。
QoS指标测试可以用于分析高速铁路周边环境、移动速度、覆盖电平、噪声干扰等对各项QoS指标的影响, 对高速铁路GSM-R系统在各种条件下的性能进行准确分析评估, 为保障GSM-R系统安全、可靠、稳定运行, 合理进行GSM-R网络设计与优化提供支撑。
表1对移动速度为80, 160, 350 km/h, 接收电平为50 dBm, 无同频干扰条件下话音业务呼叫建立时间进行了比较。由表1可知, 随着移动速度的提高, 呼叫建立时间的最大值、最小值和平均值都有一定程度的增加, 但较为有限。
2.3 越区切换模拟
越区切换是GSM-R移动性管理的重要内容, 当高速列车以350 km/h运行时, 以现有3 km的基站间距考虑, 每分钟大约发生2次越区切换, 越区切换相当频繁。保证高速铁路越区切换的可靠性是当前GSM-R需要解决的重要问题之一。
越区切换见图3。平台可以独立、实时地对各基站的信号加以控制, 模拟列车运行过程中处于不同位置时, 各个基站场强的变化规律, 从而实现在各种无线信道环境下对越区切换的仿真。依托平台, 可以研究切换参数 (如信号电平切换门限、信号质量切换门限、切换容限、平均窗口等) 对切换性能的影响, 为合理配置参数, 避免乒乓效应, 提高切换成功率提供技术支持。
2.4 设备高速适应性测试
仿真平台可以在实验室环境下对GSM-R通信设备 (如车载8 W模块, 手持移动终端等) 的高速适应性进行测试。仿真平台可以方便地设定各种测试环境, 从而保证测试的完备性。此外, 仿真平台能够实现对仿真的精确控制与重复, 可以方便地进行故障排查与定位和性能比较。目前已有多家设备厂商在仿真平台上对设备的高速性进行了测试, 根据测试结果有针对性地对设备进行优化设计, 提高设备的高速适应性 (如多普勒校正技术) 。
3 结束语
高速铁路无线通信系统半实物仿真虽然不可能完全替代现场测试, 但在高速铁路无线通信技术研究、QoS分析、越区切换性能优化、设备研发等领域能够发挥较大作用, 对于确保高速铁路GSM-R系统的可靠运行具有十分重要的意义。
参考文献
[1]钟章队, 李旭, 蒋文怡, 等.铁路综合数字移动通信系统 (GSM-R) [M].北京:中国铁道出版社, 2003
高速无线通信系统仿真 篇2
与普通的有线通信或无线通信相比，甚至与一般的公共移动通信系统相比，高速铁路通信仍存在较大区别。
无论是在系统组成还是使用环境，对高速铁路通信系统的技术和设备需求均较高。
一般而言，我国高速铁路通信系统主要存在三方面的问题。
一是多普勒频移。
多普勒频移是指接收器的移动引发的信号频移现象。
一般的列车多普勒频移现象不太明显，而高速列车由于在高速运动中，列车与基站之间的距离会频繁改变，多普勒频移现象非常严重。
多普勒频移过大会导致高速移动通信的通话质量下降，同时高速列车在高速移动时产生的高频次深度快衰落现象对正常通信也有很大程度的影响，这将导致通信系统的解调性能大幅下降。
第二是小区尺寸问题。
一般而言，在高速列车上使用WiFi、WiMAX等通信机制时，将通信的小区尺寸进行缩小至直径100m以内，就能为列车上实现有效的宽带连接服务。
而随着列车的速度越来越快，导致小区尺寸出现过小、引发小区切换过于频繁的问题，加上信号的快速衰落现象存在，高速铁路通信系统对用户的小区切换以及功率控制提出了更高要求。
三是隧道通信问题。
由于隧道在铁路的组成中占据非常重要的地位，隧道通信问题严重影响铁路通信覆盖问题，不同隧道方式对通信系统的覆盖方式和信号源的选取要求均不相同，造成铁路通信系统的整体兼容性较差的局面。
浅谈高速公路通信系统 篇3
关键词系统组成；系统业务；传输系统原理；网管系统功能
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)071-0156-01
1系统组成
高速公路通信系统由程控交换系统、接入网系统、通信电源、紧急电话、通信管道组成。核心配置为程控交换机和接入网OLT（光纤线路终端）。程控交换机SM（交换模块）的独立局模式，用模拟中继线与市话局相连，用7号信令与其它路段相连，用V5协议与AN（接入网）相连。接入网OLT是接入网与程控交换机的连接点，又是接入网的核心，以OLT为中心，ONU（光纤网络单元）以星型拓扑与OLT相连。接入网OLT和ONU内置有SDH光传输系统，利用SDH自愈保护环对所承载的信号进行保护。各接入点ONU设备接入语音、64K以下子速率数据、收费数据等等业务。
紧急电话系统在路上救援方面发挥着不可替代的作用，不管是在发达国家还是发展中国家，不管有多么完善的移动通信系统，各国都把紧急电话系统作为高速公路机电系统的必配设备。
通信电源是针对通信电源市场的需求而设计的，输入220V交流电，提供给程控交换机和接入网设备所需的-48V直流电源。
通信管道及其光电缆是通信系统信息传输的物理基础。
通信软件主要是指网络管理软件：程控交换机管理软件、传输管理系统、接入网管理系统、紧急电话管理系统。软件通过串口或局域网与网元相连；通过图形界面与用户接口管理网元；主要有系统管理、配置管理、告警管理、性能管理、报表管理、维护管理、安全管理和帮助等功能。
2系统业务
高速公路通信业务大致可以分为语音、数据和图像三大部分。收费站、管理处、管理中心需要的语音业务包括公务电话BT、指令电话CT、紧急电话ET，还有非话音业务的传真业务；数据业务包括收费局域网的互连、外场交通监控数据采集和控制以及可变情报板、限速标志、车辆检测、气象检测、图像切换和控制等，还包括高速公路管理部门的办公自动化；图像业务主要是CCTV交通监控图像及会议电视图像，CCTV交通监控图像包括收费站中收费车道、收费亭和收费广场图像以及重要路段和立交桥的外场监控图像。这样在同一网络上能实现多业务融合是优化网络结构、方便网络维护、提高网络利用率及节省投资成本的一个有效方法。现高速公路正进行着全省联网
SDH光同步传输系统承接交换系统。路段紧急电话通过交换机，将其呼叫转至紧急电话终端，紧急电话设成热线，路段上一提机就能呼叫到监控中心，由值班人员处理事故报警，值班人员能应用系统记录事故报警相关信息，如事故类型、事故路段。全线每一公里设一对紧急电话，一个主机、一个副机。副机由主机供电，主机设有太阳能电池，每个路段各由一个ONU管理，本路段的紧急电话通过ONU接入网与程控交换机相连，再由交换机将呼叫电话传至紧急电话网管中心，网管中心能对路段上每一台电话应答，还能呼叫到路段上每一台话机，并同时能检测每一台话机的状态，如出现故障，就能马上在网管上显示。
无线通信系统由基地台与移动台组成，基地台处理本地覆盖的呼叫，再由链路台将各基地台连接起来。本地呼叫使用频率1，链路呼叫统一使用频率2。使用链路台可使移动台呼叫到所有基地台覆盖范围之内的移动台或车载台。无线通信主要应用于广场督导与收费战监控票管人员之间联系，还应用于路政巡逻呼叫之用。
3光纤数字传输系统原理
采用SDH技术的传输设备，我们称之为SDH网络单元（简称网元），由SDH网元通过光纤系统连接起来的网络称之为SDH光同步数字传输网络。
其功能可以简述为：传输、复用、交叉。复用又细分为映射、定位、复用三个步骤。
复用是把多个低速率信号组合成高速率的SDH信号。解复用则是与此相反的过程。比如将由程控交换机传来的63个2Mbit/s信号组合成一个SDH的STM-1信号，速率为155Mbit/s；4个STM-1信号组合成一个SDH的STM-4信号，速率为622Mbit/s。
一个SDH的STM-1信号能放下63个2Mbit/s信号，我们将其编为1-63号通道。分/插复用：在发端插入，在收端分出。而无需在每个站对全部高速信号进行重新拆装，这是SDH相对PDH一个最大的优势。
在复用过程中，映射就是如何将整个低速率信号作为有效载荷放到SDH帧中（可以形象地称为打包）。而定位是指通过指针调整，使指针的值时刻指向低速率信号的起点在SDH帧中的具体位置，使收端能据此正确地从SDH帧中分离相应的低速率信号。
传输是将SDH信号通过电光-光电转换，使其能通过光纤系统进行远距离传输。
交叉功能是SDH技术中非常重要的功能，信号从这个通道跳到另一个通道，从而实现灵活的组网，也使網络能够实现自我保护，即实现网络自愈功能。交通通信专网常用二纤单向通道保护环方式。
最后简单提一下2Mbit/s信号，该信号是传输系统处理的最小信号单元。该信号就是指的PCM信号，它从程控交换机过来，包括30路话路和2路管理信息。每路64Kbit/s。
对于通道保护环，业务的保护是以通道为基础的，也就是保护的是STM-N信号中的某个VC（某一路PDH信号），倒换与否按环上的某一个别通道信号的传输质量来决定的，通常利用收端是否收到简单的TU-AIS信号来决定该通道是否应进行倒换。例如在STM-16环上，若收端收到第4VC4的第48个TU-12有TU-AIS，那么就仅将该通道切换到备用信道上去。
4网管系统功能
为了处理复杂的管理网，现代高速公路主要采用华为或者中兴的网络管理系统，一般可以把管理功能分为四大类。
1）配置管理。主要实施对网元的控制、识别和数据交换，实现对传送网进行网元、通道、电路的增加、修改和删除等调度功能。配置管理实际是完成对网元的状态进行监视和控制，完成对网元的配置、检查和测试等功能。2）故障管理。故障管理负责对设备及子网运行中的故障进行检测，并给出告警指示。故障管理要能对传输系统进行故障诊断、故障定位、故障隔离、故障校正以及提供测试功能。故障管理的构成是：检测故障信号、收集故障信号、识别故障信号、故障定位、告警指示。3）性能管理。性能管理主要是提供通信设备状况、网络或网络单元效能得报告和评估。其主要任务是实行性能监视（包括业务量状态监视和业务量性能监视）、性能控制（主要是业务量控制和管理，如网管数据库的建立与更新等）和性能分析（对性能数据进行附加处理和分析）。当网络没有产生故障，或没有产生能让故障管理进行处理的故障时，由于各种原因导致网络质量或服务质量下降，就要使用性能管理。4）安全管理。安全管理有两层含义：一是对管理对象，即通信网络进行安全管理，保证通信网络的安全；另一层含义是网管系统本身的安全管理。
5结语
面向高速加工的仿真系统研究 篇4
高速切削(HSM)技术在汽车航空制造业中对于批量生产、超精细加工、复杂曲面加工、难加工材料的加工具有中亚的应用价值。如飞机的机翼骨架,采用整板铝合金毛坯直接进行高速加工而成,不再使用铆接工艺,不但降低工件的重量,保证零件工作的机械性能,这种整体制造方法还可以提高加工效率7、8倍,尺寸和表面精度完全达到技术要求。
由于高速切削的特殊性和控制的复杂性,在高速切削条件下,传统的NC程序不能满足要求;对于一些形状复杂零件的加工,要确保所生成的加工程序不存在任何问题十分困难,其中最重要的问题是高速加工过程中的过切与欠切、刀具与机床部件和工件夹具之间的干涉碰撞等。因此,在实际高速加工前采取一定的措施对加工程序进行检验并修正是十分必要的。随着计算机图形技术的发展,利用计算机图形显示系统把高速加工过程中零件模型、刀具轨迹、刀具外形一起显示出来,对零件的高速加工过程进行数控加工仿真。利用数控加工仿真技术,可以消除程序中的错误,有效检查出机床加工过程中可能出现的干涉碰撞事故,显著提高数控机床的安全使用率;减少实际的切削验证,从而提高加工效率,根据仿真的效果,对切削参数进行相应的修改,从而方便的改善加工质量,并降低生产成本,对促进现代制造业的发展具有重要意义[1]。
面向高速切削的CAM系统普遍具有全程的自动过切处理功能,且可预检刀具工件是否干涉,以保证高速切削安全进行。例如,Master CAM中的3D刀具尖角报警,便可自动检测加工曲面上可能产生的错误刀具路径尖角,并通过指令加以修正。但通常,在进行刀具路径仿真时,加工零件是静止不动的,而刀具是运动。为了更好的获得符合实际加工情况以及观察视觉的仿真效果,还要对零件进行机床加工上的仿真。
1 高速数控加工仿真的目的
通过建立各种模型对高速数控加工过程进行仿真,期望达到以下目标。
1.1 检验数控加工程序的几何正确性
通过数控加工仿真,可用几何图形、图像或动画的方式显示加工过程,从而检验零件的最终几何形状是否符合要求。高速加工过程中是否存在漏切、过切现象,刀具运动过程中是否会与夹具或机床产生碰撞,从而确保能加工出符合设计的零件,并避免刀具、夹具和机床的不必要损坏。
1.2 检验高速数控加工参数的合理性
高速数控加工参数,如切削深度、切削速度和进给量的选择直接影响最终零件的表面质量和精度,并对刀具寿命和机床变形等有直接影响,通过仿真可对数控加工参数进行优化,从而提高产品质量或提高加工效率。
1.3 为在线精度补偿提供依据
在仿真过程中计算切削力、切削热,进而计算出工件、刀具、夹具和机床的变形量,以便进行在线精度补偿,从而提高加工精度。
1.4 预测刀具寿命
根据刀具和工件的材料属性、加工过程中的物理参数(切削热、切削力)可计算出刀具的使用寿命,以便当刀具接近寿命极限时及时换刀,避免因刀具崩刃或过度磨损产生废品或使夹具和机床产生不必要的损坏。
2 高速数控加工仿真系统的分类
按照应用目的,可将数控加工仿真系统分为几何仿真系统和物理仿真系统,几何仿真用于检验刀具路径,进行刀具与工件、夹具和机床的碰撞检测;而物理仿真则根据各种物理模型计算切削力、切削热、变形量等物理量,从而为精度补偿或切削过程优化提供依据。几何仿真为物理仿真提供计算所需的各种几何信息数据(如切人切出角度、切屑形状和体积等)。
现在对物理仿真系统的研究还处于研究阶段,需要建立专门的软件系统对切削力、切削热、变形量等进行计算。国内外一些专业机构对此进行了研究,例如:华中理工大学、清华大学等。
本文建立的仿真系统属于几何仿真系统,利用UG软件的IS&V(Integrated Simulation and Verification)模块,建立与实际机床相一致的精确几何模型,进行与实际加工相一致的仿真系统。
3 IS&V模块结构及优点
3.1 UG软件IS&V模块的结构
IS&V模块由仿真验证引擎IS&V Engine(simulation&verification Engine)和机床驱动器MTD(machine tool driver)两大核心构成[2],MTD由加工后置处理器和一个虚拟的NC控制器(VNC)组成,包括机床的所有运动和特性。具体功能处理如图1所示。使用IS&V模块可以进行精确的加工仿真并生成逼真、全方位的加工仿真动画,以保证最后生成的NC代码能在实际的数控机床上安全、快速、可靠的运行。
3.2 IS&V模块的优点
因为IS&V加工仿真能够真实反映数控机床的运动及其控制器的动作,所以在零件刀具路径的生成过程中可以发现很多和机床相关的实际问题,而这些问题和信息在反馈给零件设计者之后可以帮助他们对零件的可制造性和可加工性进行重新评估和改进。等到零件实际加工时,应该已经确定其在机床上是可加工的。这样不仅节省了成本也提高了加工效率,不会因为加工中出现的问题而中断加工。除此之外IS&V模块还有很多优点:
1)包括了丰富完整的干涉碰撞检查,可以对加工件、刀具、夹具等各个不同零部件进行检查,预先排除加工中的问题。
2)可以对不同的加工方案进行比较,选择加工时间最短的方案以提高加工效率。
3)在加工仿真的过程中可以进行缩放、旋转等操作,动态观察加工的情况。
4)可以精确显示刀具路径并动态显示加工件IPW(In Process Workpiece)的材料去除。
5)在进行仿真时可设置仿真精度,并对最后加工完成的工件进行测量以评估加工精度。
6)可以把它作为一个培训软件系统为企业培养新的操作工和编程员。
UG IS&V模块能生动逼真地反映加工现场,预测加工中可能出现的问题,在机床加工仿真领域有着无法比拟的优势。
4 高速加工仿真实例
本文以JZDK6040机床为例,建立了针对该机床高速加工仿真实例。JZDK6040机床参数,工作台尺寸720mm×480mm,x、y、z行程650mm×400mm×150mm,最大进料高度320mm,主轴转速最高24000r/min等。
4.1 JZDK6040高速雕铣机精确几何模型的建立
UG5.0软件内部带有多个机床的仿真模型,但工厂中通常有自己的机床,UG自带的仿真机床并不完全符合实际需要,并且也没有针对JZDK6040高速雕铣机的运动仿真模型。本文根据JZDK6040机床的实际尺寸,对其进行了机床三维模型的重构;在建模过程中,要特别注意的是该模型是由多个零件组成的装配体,该机床共由五部分组成,其中包括机架、x向运动构件、y向运动构件、z向运动构件、刀具转轴等。装配体如图2所示。
4.2 JZDK6040高速雕铣机后处理器及其运动驱动
器的定制
针对JZDK6040高速雕铣机的机床特性,定制专用后处理器[3]。其中该机床最高转速28000r/min,xyz轴行程分别为650mm 400mm 150mm,数控系统为西门子840D等。通过UG postbuilding模块定制后可产生四个文件JZDK6040.tcl、JZDK6040.def JZDK6040.pui、JZDK6040_vnc.tcl;在定制的过程中,需要特别注意的是要生成JZDK6040_vnc.tcl,要求在“Output Settings→Other Options”选项中按照如图3设置;并要注意在后处理的设置过程中,将最高转速和最大进给量要明确设置,以符合高速铣削的后处理设置要求。
4.3 IS&V环境下机床运动模型的建立
在UG机床构建器(Machine Tool Builder,简称MTB)模块中定义JZDK6040运动模型。运动学模型是用来描述并确定机床运动的,每一个装配模型的文件对应一个运动模型,定义的运动要完全参照实际机床的运动,定义基座组件、定义机床零点、定义加工基本组件、定义K组件、定义运动轴。对于JZDK6040高速雕铣机,主要定义其X、Y、Z、线性运动及其他一些辅助信息,如图4所示。定义运动轴时,针对高速轴运动的运动范围,定义如图5所示。
4.4 添加JZDK6040雕铣机入库
由于UG5.0与UG4.0的文件结构有所改变,所以对于UG不同的版本,添加的方法有所不同,本文是针对UG5.0机床添加入库的方法。修改......UGSNX 5.0MACHresourcepostprocessor文件夹中的template_post.dat文件,添加如下语句JZDK6040,${UGII_CAM_POST_DIR}JZDK6040.tcl,${UGII_CAM_POST_DIR}JZDK6040.def,以使在后处理器中显示针对该机床的后处理器,并将JZDK6040.tcl、JZDK6040.def、JZDK6040.pui、JZDK6040_vnc.tcl拷贝到该文件夹中。
在....UGSNX 5.0MACHresourcelibrarymachineinstalled_machines文件夹中建立JZDK6040文件夹并创建cse_files、graphics、postprocessor文件夹及其JZDK6040.dat文件,将创建的机床运动模型添加到graphics文件夹中,向文件JZDK6040.dat添加如下JZDK6040,${UGII_CAM_POST_DIR}JZDK6040.tcl,${UGII_CAM_POST_DIR}JZDK6040.def语句;然后修改....UGSNX 5.0MACHresourcelibrarymachineasciimachine_database.dat文件内容,添加如下语句DATA|JZDK6040|1|
4.5 JZDK6040高速雕铣机加工仿真
在对零件进行加工仿真之前先要建立其加工后最终得到的模型,并进入UG CAM模块完成工件、毛坯、刀具、加工方法及程序等的创建或设置,最终生成刀轨[4,5]。然后使用刀轨确认命令对生成的刀具路径进行验证。可以看出,在进行刀具路径仿真[6]时,加工零件是静止不动的,而刀具是运动。为了更好的获得符合实际加工情况以及观察视觉的仿真效果,还要对零件进行机床加工上的仿真。
进入UGCAM机床视图环境,在操作导航器中选择机床,替换机床,找到新建机床JZDK6040,如图6所示。调入机床后就可以对加工进行仿真了,如图6所示,在加工仿真的过程中,可实时对机床进行放大、缩小、转动角度等,观察加工的整个过程,真实的反映了加工切削的全过程。加工仿真如图7所示。
5 结束语
由于高速切削的特殊性和控制的复杂性,在高速切削条件下,对于一些形状复杂零件的加工,要确保所生成的加工程序不存在任何问题和加工过程的安全性,在实际加工之前必须进行仿真模拟,本文以JZDK6040高速雕铣机为例,应用UG5.0建立了与实际生产加工完全一致的精确运动模型与加工仿真模型,并成功应用于实例加工中,对CAM生成的刀具轨迹程序进行模拟、校验和显示,监控机床、工件和刀具之间的碰撞干涉情况,模拟仿真结果完全符合实际情况,有效避免实际机床加工过程中误切、过切等现象的发生,提高生产率。
参考文献
[1]洪顺华.数控加工仿真系统的研究[J].新技术新工艺,2008,(9):30-32.
[2]陈大林,任祖平.基于UG/ISV的数控机床加工仿真设计[J].机械制造与自动化2007,36(6):83-85.
[3]张磊编著UG NX4后处理技术培训教程[M].北京:清华大学出版社,2007.
[4]青春,李强,其木格.基于UG的数控编程及加工过程仿真[J].机械设计与制造,2007,(8):107-108.
[5]何志伟,严隽薇,张浩,等.数控加工过程建模和仿真的研究与应用[J].组合机床与自动化加工技术,2004(3):5-7.
高速无线通信系统仿真 篇5
题目：
Matlab/Simulink通信
系统建模与仿真
班级：
2008级电子（X）班
学号：
姓名：
电子信息课程设计
Matlab/Simulink通信系统建模与仿真
一、设计目的：学习Matlab/Simulink的功能及基本用法，对给定系统进行建模与仿真。
二、基本知识：Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，依托于MATLAB丰富的仿真资源，可应用于任何使用数学方式进行描述的动态系统，其最大优点是易学、易用，只需用鼠标拖动模块框图就能迅速建立起系统的框图模型。
三、设计内容：
1、基本练习：
（1）
启动SIMULINK：先启动MATLAB，在命令窗口中键入：simulink，回车；或点击窗口上的SIMULINK图标按钮。
图（1）建立simulink
（2）
点击File＼new＼Model或白纸图标，打开一个创建新模型的窗口。
（3）
移动模块到新建的窗口，并按需要排布。
（4）
连接模块：将光标指向起始模块的输出口，光标变为“+”，然后拖动鼠标到目标模块的输入口；或者，先单击起始模块，按下Ctrl键再单击目标模块。
（5）
在连线中插入模块：只需将模块拖动到连线上。
（6）
连线的分支与改变：用鼠标单击要分支的连线，光标变为“+”，然后拖动到目标模块；单击并拖动连线可改变连线的路径。
（7）
信号的组合：用Mux模块可将多个标量信号组合成一个失量信号，送到另一模块（如示波器Scope）。
（8）
生成标签信号：双击需要加入标签的信号线，会出现标签编辑框，键入标签文本即可。或点击Edit＼Signal
Properties。传递：选择信号线并双击，在标签编辑框中键入<>，并在该尖括号内键入信号标签即可。
四、建立模型
1.建立仿真模型
（1）在simulink
library
browser中查找元器件，并放置在创建的新模型的窗口中，连接元器件，得到如下的仿真模型。
图（2）调幅解调器性能测试仿真模型
（2）分别双击双边带相干解调模块和低通滤波器模块，弹出如下的对话框，进行相应的参数设置。
（3）相干解调模块载波设置为1MHZ，初相位为-pi/2,低通滤波器截止频率为6000HZ。
图（3）双边带相干解调模块及低通滤波器的设置对话框
（4）在MATLAB中输入如下程序进行仿真。
%
ch5problem1.m
SNR_in_dB=-10:2:30;
SNR_in=10.^(SNR_in_dB./10);
%
信道信噪比
m_a=0.3;
%
调制度
P=0.5+(m_a^2)/4;
%
信号功率
for
k=1:length(SNR_in)
sigma2=P/SNR_in(k);
%
计算信道噪声方差并送入仿真模型
sim(＇ch5problem1.mdl＇)
;
%
执行仿真
SNRdemod(k,:)=SNR_out;
%
记录仿真结果
end
plot(SNR_in_dB,SNRdemod);
xlabel(＇输入信噪比
dB＇);
ylabel(＇解调输出信噪比
dB＇);
legend(＇包络检波＇,＇相干解调＇);
执行程序之后，得出仿真结果如下图所示。图中给出了不同输入信噪比下两种解调器输出的信噪比曲线。从图中可见，高输入信噪比情况下，相干解调方法下的输出解调信噪比大致比包络检波法好3dB左右，但是在低输入信噪比情况下，包络检波输出信号质量急剧下降，这样我们就通过仿真验证了包络检波的门限效应。
图（4）解调信噪比仿真结果
同时在仿真中给出了三路解调输出信号的波形，如下，从解调输出的波形上也可以看出，在相同噪声传输条件下，包络检波输出的正弦波幅度较小，也即包络检波的解调增益较相干解调要小。
图（5）仿真输出的解调信号波形
2建立另一个仿真模型
（1）
在图（2）的基础上加上一个锁相环，构成锁相环相干解调器模型，如下。
图（6）锁相环提取载波的相干解调仿真模型
（2）
用类似于对图（2）进行仿真的程序进行仿真，程序如下
%
ch5problem1progB.m
SNR_in_dB=-10:2:30;
SNR_in=10.^(SNR_in_dB./10);
%
信道信噪比
m_a=0.3;
%
调制度
P=0.5+(m_a^2)/4;
%
信号功率
for
k=1:length(SNR_in)
sigma2=P/SNR_in(k);
%
计算信道噪声方差并送入仿真模型
sim(＇
ch5problem1progB.mdl＇);
%
执行仿真
SNRdemod(k,:)=SNR_out;
%
记录仿真结果
end
plot(SNR_in_dB,SNRdemod);
xlabel(＇输入信噪比
dB＇);
ylabel(＇解调输出信噪比
dB＇);
legend(＇包络检波＇,＇相干解调＇);
（3）
仿真的波形如下，从结果中可以看出，在低信噪比下，锁相环相干解调器的性能比理想解调模块要差一些，但在实际中由于PLL的门限效应，一般不能达到这里仿真出来的性能曲线。
图（7）锁相环相干解调器的输出信噪比性能对比
（4）
同时给出仿真输出的解调信号波形如下
五．设计总结
借由此次模拟通信系统的建模仿真设计，基本熟悉了调制解调的原理和借条性能的测试方法，通过仿真实验进一步深入理解超外差接收机的工作原理。设计过程中由于对软件的不熟悉遇到了很多的问题，例如，元器件的正确查找，参数设置，等等，在老师的指导下，参照参考书目，及与同学们讨论摸索，及上网搜索，此次学到了很多东西。做完这次课设，对matlab软件也进一步熟悉，真正把理论与实践联系起来，使我所学的专业知识得到了的运用，更深刻的理解了理论知识，理论联系实际的实践操作能力也进一步提高。这次的课程设计，学要我们更进一步的掌握学到的基础知识，加深对软件的掌握，应用，为下一次课程设计打好基础。
【参考文献】
绍玉斌
解析高速公路通信系统的整合利用 篇6
【关键词】高速公路；通信系统；网络功能；整合利用
1.引言
当前社会经济高速发展背景下，高速公路的出现不仅使得各地区之间的联系日趋紧密，同时对各行各业的发展也有积极的促进作用，高速公路逐渐成为交通运输不可或缺的一部分。然而，我国高速公路在建设发展过程中在通讯网络建设方面不够重视，导致系统整体的整合利用效率并不高。所谓高速公路通信系统，是指一种专用的通信网络，涉及到公路工程的生产运输、运营养护以及管理服务等诸多内容，在不断深入的交通信息化建设背景下，高速公路通信系统已经跳出内部管理的范畴，在智能运输中作为一种中枢神经网络发挥着越来越重要的作用。我国目前在高速公路控制技术方面的研究必须正视通信系统建设存在的疑难问题，进一步实现对高速公路通信网络的合理设计规划，这是摆在高速公路管理部门面前的迫切问题。
2.当前高速公路通信系统建设中的难点问题
2.1 高速公路通信系统建设进程缓慢
分析我国现行的公路投资体制、项目审批标准以及管理体制不难发现，高速公路工程项目建设通常是分省分段展开，而高速公路网络逐步在相对发达地区形成，其中通信传输资源在各个路段的配置仅仅出于对现实路段管理需求的考虑，并未从全网角度考虑设备配置、措施保护和网络结构等问题，甚至光缆资源状态分散，不仅难以达到预期的组网要求，更对高速公路通信系统建设起到了很大的制约作用。
2.2 高速公路通信系统的联网需求并不强烈
我国公众通信网络在近几年所发生的变化极为明显，不同于以通话为目标的专用通信网络，公众通信网络的出现在功能上更为丰富。但由于自身技术原因的限制，电话会议系统尚未能达到预期建设目标。另外，从高速公路行业自身的特殊性来看，高速公路通信系统在全国范围内的联网需求并不十分强烈，这就使得通信系统所对应的业务量也很少。
2.3 高速公路通信系统技术力量薄弱
多样化是目前我国高速公路管理体制所具备的特征，这就使得各个路段有人为的独立性存在，各路段实施各自管理，通信系统很难实现互联。此外，人才的缺乏也是导致通信系统技术力量不足的重要原因之一，管理人员专业素养水平低下使得通信系统建设很难得到恰当有力的技术支撑。
3.高速公路通信系统的整合与利用
作为一项复杂的系统化工程，高速公路通信系统可能会受到管理、技术及经济等多方面因素的制约，需要从多角度采取分步推进的方式展开。处理好复杂的产权关系是最基础的部分，在此前提下实现技术层面的管理互通，这是促进资源整合利用的关键。
3.1 促进路段产权关系调整
当前通信系统存在的网络割裂和技术规范不统一等问题都与复杂的路段产权关系有一定联系，这就亟需通过统一网络通信平台的打造使得隔断网络产权关系尽可能清晰化。
第一，运营公司实施方案。在省内网络互联基础之上建立了全国网络互联，在政府政策引导之下，公路通信公司由省内高速公路业主共同发起组建，对通信资源权益合理分配，这是实现路网分离的有效途径。省公路通信公司对外是参与省际联网谈判的实体，对内则是协调各方利益的主体，这一全新的公路通信网络发展模式同时承担了交通专用通信和公共通信的职能，利用自身通信能力优势充分保证了公路交通信息交换和高速公路运营管理，提高了公共电信市场的竞争力，对于高速公路业主而言是额外的收益。在经营方面公路通信公司应当突出服务交通为主、其他电信服务为辅的特点，通过优质优价服务的提供促进通信资源保值升值。然而这一方案的实施也面临着内部利益协调难度大的问题，实际操作还应当遵守各方利益合理协调的原则，最大限度降低操作难度。
第二，事业单位实施方案。作为交通信息的重要传输载体，公路通信的双重特征表现为公益性与盈利性，当前智能交通建设背景下，公共信息资源中的交通信息其战略地位正在不断提升，这就使得高速公路通信系统建设更为迫切，专门管理机构的组建能够更好地服务于交通信息化建设，控制公路通信骨干光纤网，各路段在自建通信系统内完成传输任务，公路通信网络公用性得到体现，真正实现了路网分离。利用路际通信和公用公路通信网络，政府可对全国交通信息进行采集和发布，进而为公众提供更多的交通增值服务。这一整合方式的优势在于实现了网络管理的统一化，交通信息流动更为便利，政企分开也不会有过多的利益冲突夹杂其中。
3.2 使技术规范尽可能统一化
纵观我国高速公路通信系统目前采用的技术，其中SDH技术广泛应用于传输网当中，微波传输技术和PDH传输技术仅用在少量路段之中，而当前传输网的主流技术正是SDH，它是多种电信传输业务如DDN、FR等的支撑。为了更好地顺应“Everything over IP”的发展趋势，IP Over SDH技术的出现实现了IP协议组网，未来公路通信主干网首选传输技术无疑是SDH技术。以SDH技术特征为依据，政府部门可通过统一技术标准的制定对高速公路通信系统建设予以规范，针对已经采用其他传输技术的高速公路可适当进行技术改造，以保证通信网络之间的互通互联。
3.3 实现高速公路通信网的规范化管理
设立通信管理信息中心实现对交通信息资源的统一化管理，而路网内的交通信息则可以利用骨干光纤网进行采集和分析，提供必要的决策服务和实时交通信息，一系列智能交通服务如交通疏导、交通信息动态显示、交通管理监视等也能够在卫星专网以及其他移动通信资源的辅助下完成。政府可通过高速公路网络整合部门的建立在高速公路建设初期就综合考虑它与其他公路之间的联网问题，在同一个框架下保证高速公路的联网建设。调查已有的高速公路光纤网技术使用情况，将调查结果与技术发展趋势相结合，利用技术标准的制定和协调小组的成立协调好联网过程中的各方利益，对部分公路光纤网进行剥离，对公路交通骨干光纤网实施统一规划管理，以此形成的交通信息综合数据库势必能够更好地服务于社会。
4.结束语
综上所述，结构复杂、覆盖范围广是我国高速公路路网的显著特点，所以在建设高速公路通信系统时必须满足多节点接入和长距离传输的要求。这就需要从通信技术的可靠性与时效性出发，在保证安全传输的同时确保数据、图像及语音传输实时同步。面对庞大的网络资源，倘若通信网络仅仅服务于单个路段数据传输，那无疑是资源的浪费，如何在保值和增值的基础上发挥通信系统的效应是对当前高速公路建设的一大考验。因此，网络基础技术体制规划需要切实将长远发展和当前需求相结合，利用一体化综合业务平台满足业务需求，紧随信息技术发展趋势，始终坚持可持续发展道路，将科学管理和技术创新作为现阶段高速公路通信系统建设的根本目标，只有社会各界通力合作才能够真正为经济发展增添动力。
参考文献
[1]宾海鹰.南友高速公路通信系统应用现状及升级改造方案[J].西部交通科技，2011，（03）：56-57.
[2]郑梽浩.对高速公路通信系统工作的思考[J].中国西部科技，2009，（19）：78-79.
[3]鲍钢，邹杰.广东省高速公路联网监控/通信系统技术要求研究及其推广应用[J].公路交通科技：应用技术版，2013，（01）：89-90.
高速无线通信系统仿真 篇7
关键词：高速电主轴,水冷系统,仿真,试验分析,ANSYS CFX
0 引言
高速电主轴是决定机床高速化和高精度的核心部件。高速电主轴在工作过程中,由转子与定子的电耗损发热和磁损发热、轴承摩擦发热,及机械耗损发热引起的主轴变形,严重影响了电主轴的运转精度和可靠性。因此,电主轴系统的热特性分析及冷却系统设计对机床精度的保证至关重要,是制造高速高精度机床必须掌握的关键技术。国内外很多研究人员采用试验测量、理论分析和数值计算的方法对电主轴的散热问题和温升情况进行了广泛的研究,并分别采取不同的措施改进电主轴冷却系统,以减小主轴的热变形。Bossmanns等[1]利用有限差分法对电主轴单元的各部分温度及其影响因素进行了试验分析。Lin等[2]对主轴单元摩擦热进行了计算与分析。Chen等[3]分析了主轴产生的热量与主轴转速的关系及其对加工误差的影响。文献[4-6]对中置式和后置式电主轴的热态特性进行了二维的有限元分析与比较。郭策等[7]通过对主轴系统的热特性分析,就主轴箱体散热筋板布局进行了优化。Huang等[8]采用最速下降法对电主轴壳体的热传导过程进行了数值计算,并分析了影响计算结果的因素。胡秋等[9]通过对电主轴进行二维热结构耦合分析,提出了一些改善电主轴散热的措施。由于电主轴组成单元的复杂性,现有的理论与方法对水冷系统的计算主要为二维传热计算,其结果与实际情况相差较大,因此,有必要对电主轴水冷系统进行三维的模拟计算与分析,以提高计算结果的准确性。
本文根据耦合传热数值计算理论,利用软件ANSYS CFX对电主轴水冷系统进行三维仿真计算与分析,研究了冷却水的流速流量和环境温度对温升的影响,并通过试验验证了仿真结果的准确性。
1 电主轴模型与水冷系统结构参数
用于数控磨床的AYY100 15Z/3.6型电主轴的主要参数如下:额定功率为3.6kW,转速为15 000r/min,额定电压为380V,额定电流为7.2A,交流变频电源频率为10～250Hz,轴承代号为7005C/P5。水冷系统由内水套、外水套、水道及供水装置组成。电主轴在工作时,冷却水流量在3～7L/min之间,水道为矩形槽,截面尺寸为16mm×4mm,水道长度约为3000mm。工作时,电主轴的温升不超过35℃。
2 水冷系统仿真
为了便于对水冷系统进行研究,本文不考虑随机因素的影响,并作以下假设[10]:①忽略自然对流和外水套辐射的影响;②冷却水不可压缩且物理属性不变;③冷却水不发生相变。
2.1 水冷系统建模
根据电主轴水冷系统的结构尺寸和CFX软件的计算规则,利用ANSYSWorkbench-DesignModeler建立电主轴水冷系统三维实体模型,如图1所示。
2.2 材料参数
仿真时需要用到的物理参数如表1所示。水套和定子的物理参数与实际参数一致,冷却液是加入了体积分数为0.2%无水碳酸钠及0.2%亚硝酸钠的水,物理属性与水几乎相同,因此用水的物理属性代替。
2.3 网格划分
用ANSYS Meshing划分网格,水套和定子由八节点六面体单元SOLID70划分,分别得到23 870个单元和2170个单元;流体由退化的四节点四面体单元FLUID 142划分,得到9783个单元,结果如图2所示。
2.4 雷诺数Re的计算
用于模拟计算的冷却液为水,根据管内强迫对流换热模型,流动中的雷诺数Re为[11]
式中,um为冷却水平均速度,um≈0.8m/s(此时的冷却水流量为3L/min);le为水道流通截面润湿周边的长度,le=40mm;ν为水的运动黏度,ν=1.15×10-6m2/s。
由上式计算得到
Re=27 826
根据经验值,当Re>10 000时,流态为旺盛湍流。
2.5 耦合传热数值计算模型
根据耦合传热数值计算理论[10,11,12],定子与水套的传热可用下述微分方程表示
式中,t为时间;T为温度场的场变量,当t=0时,T=T0;ks为水套的传热系数;ρs为水套的密度;cp为水套的质量热容。
水套与流体的强迫换热可用下述微分方程表示。
(1)根据单位时间内微元体中流体质量的增加等于同一时间间隔内流入微元体的净质量,可导出连续方程:
式中,u、v、w为流体速度矢量U在三个坐标上的分量;ρ为流体的密度。
式(2)用矢量符号可简写为
(2)根据微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和,并引入Newtown切应力公式及Stokes表达式,可导出动量方程:
其中,η为水的动力黏度;p为管道水的压力;Su、Sv和Sw为动量方程的广义源项,对应表达式为
根据假设,水为不可压缩的且黏性为常数的流体,因此有Su=Sv=Sw=0,于是式(4)可简化为
(3)根据微元体内热力学能的增加率等于进入微元体的净热流量与体积力、表面力对微元体做的功之和,再引入导热Fourier定律,可导出能量方程:
其中,κ为水的热导率,W/(m·K);c为水的质量热容,J/(kg·K);Sh为热源,W;Ti为T在i方向的分量,i=x,y,z;Φ为耗散函数,其计算公式为
引入源项ST=Sh+Φ,对于不可压缩流体,有
在求解上述传热与换热方程时,采用下述k-ε两方程作为控制方程进行变量求解[13,14]。控制方程为
其中,ϕ代表u、v、w、T;耗散率ε方程可用下述形式表示:
式中,i为选定值,代表U的分量u,v,w;j代表x,y,z坐标;ηt为湍流动力黏度系数。
k方程(流体湍流脉动方程)为
Γ和S分别为广义扩散系数和广义源项,对不同的变量取值如下:
广义扩散系数和广义源项中的系数如表2所示。
下面对耦合传热数值求解时边界条件进行说明。在计算定子与水套的传热时,需给出界面温度和热流连续条件:
式中,Ts为接触面温度;φ为热流密度,W/m2;Ⅰ和Ⅱ分别表示定子和水套的两个接触区域;下标s表示定子与水套接触面。
在计算水套与流体传热时,需给出界面条件:
其中,下标Ⅱ′和Ⅲ分别表示水道和流体的两个接触区域;下标w′、f表示水道和流体的交界面;Tw′、Tf分别为水道表面温度和流体温度;nu、nv、nw分别为法向量n在u、v、w方向的分量;h为水道表面微元体表面换热系数,其计算公式为
式中,v′微元体表面水的速度;A为微元体与水接触的面积。
对流体还需给定进口截面和出口截面边界条件,一般,进口采用速度,出口采用压力。
2.6 施加边界条件和初始条件
进入前处理程序CFX-Pre,根据耦合传热数值计算模型和CFX的计算规则[10],将电主轴正常工作时的参数作为仿真分析的边界条件和初始条件,具体如下:将水套、定子(热源)和冷却水的初始温度定义为环境温度θ(θ=15℃)。根据CFX的计算要求,在进水口将流体的速度作为边界条件。出水口将压力作为边界条件,定义为1个标准大气压,即假设水自由流出。假设主轴的工作负载不变,则电主轴工作时生热率qv也可假设不变。总发热量Qm可先按下面公式计算各部分发热量,然后再相加。
电耗损发热计算公式如下:
空载时
过载时
PM=3I2Rβ (17)
式中,U、I分别为定子工作的电压和电流;R为定子电阻;β为功率因数。
磁损发热计算公式为
PM=CfB2+π2H2(fB)2/(6ρmρr) (18)
式中,C为电工材料常数;f为磁化频率;B为磁感应强度;H为硅钢片拉开厚度;ρm为转子铁芯密度;ρr为铁芯电阻率。
机械耗损发热计算公式为
Pn=πμaρanr4L (19)
式中,μa为转子与空气的摩擦因数;ρa为空气的密度;r为转子半径;L为转子长度。
角接触轴承发热计算公式为
式中,M1为外力引起的摩擦力矩;Mν为黏性摩擦力矩;Ms为自旋摩擦力矩;n为转速;Fs为当量静载荷;Fc为额定载荷;Fa为轴向载荷;Fr为径向载荷;dm为轴承节圆直径;ν0为润滑油运动黏度;μ为滚珠与内外圈的摩擦因数;FQ为滚球受的径向力;α为角接触轴承的接触角。
计算主轴的总发热量Qm时,角接触轴承发热按15%[4,5]计入,所得Qm约为700～1200W(最小时为空载,最大时为过载);最后按下述公式转化为生热率qv,施加给定子[10]:
式中,V为定子的体积。
仿真计算时间t一方面要保证进口处液体能从出口流出,另一方面要保证定子产生的热量传递到水套表面且温升不再变化。基于以上两点,将仿真时间定为5s。
完成上述操作后,调用CFX-Solver进行数值求解。
3 仿真结果分析
3.1 温升与流量关系的研究
主轴的温升主要靠调节冷却水流量进行控制,因此确定合理的流量,既可以保证主轴的温升满足工作要求,又可为供水装置设计提供依据。保持Qm=700W、环境温度θ=15℃不变,只改变冷却水流量,计算结果如图3所示。从计算结果可以看出:当冷却水流量增大到5L/min时,电主轴温升已得到有效的控制,且再增大流量起不到减小温升的目的。
3.2 温升与工况关系的研究
电主轴在工作过程中,发热量随着工况的不同而不同,研究温升与工况的关系可以预测电主轴在不同工况下的温升。保持冷却水流量为5L/min、环境温度为15℃不变,只改变发热量Qm,计算结果如图4所示。从计算结果可以看出,随着负载的增大,温度会急剧升高,因此仿真所得结果可以作为精确设计电主轴过载保护装置的依据。
3.3 温升与环境温度关系的研究
电主轴所处的环境温度与工作环境和季节有关,研究温升与环境温度关系,可以预测电主轴在不同环境温度下工作时的温升。保持Qm=700W、冷却水流量为5L/min不变,只改变环境温度,计算结果如图5所示。从计算结果可以看出,温升几乎不受环境温度的影响,外水套外表面最高温升约为8.3℃;内水套内表面最高温升约为10.7℃,此温升约等于定子的温升。
3.4 qV=5L/min,Qm=700W,θ=15℃条件下仿真结果的分析
图6为Qm=700W、冷却水流量为5L/min、环境温度θ=15℃时的仿真计算结果,从中可以看出电主轴外水套外表面、内水套内表面和冷却水的温度分布情况。从仿真结果可以得出:①由于螺旋冷却水道的合理设计,定子产生的大量的热量均匀合理地被冷却水带走,剩余的热量则通过表面均匀散发到工作环境中;②温度沿主轴向两端递减,这与热源集中于水套中部相符;③外水套外表面最大温升约为8℃;内水套内表面最大温升约为11.5℃,此温升约等于定子的温升;④冷却水的进出口温度差约为1.8℃。
图7所示为水的流速分布情况。从图7中可以看出,水道左端处水的速度有所变化。
图8所示为水道承受的压力分布情况。从图8中可以看出,进水口压力增加量为22kPa,出水口压力增加量为736Pa,可以忽略压力对水套的影响。
4 试验验证
为了验证仿真计算结果,利用电主轴专用试验台进行试验。试验台的主要实验仪器有变频器、温度表、振动测量仪(自带加速度传感器)、噪声测试仪、钳形电流表、油雾发生器、空气压缩器及水冷设备等,如图9所示。
测量时,室温约为15℃;冷却水流量约为5L/min;电主轴轴承采用油雾润滑;电机定子采用循环水冷却(冷却液中加入体积分数为0.2%的无水碳酸钠及0.2%的亚硝酸钠,以防止水腔锈蚀;同时冷却液需经过过滤)。将电主轴平放在试验台上,进水口在下,出水口在上。冷却水的引入与导出应与轴后盖上的冷却液进出口相对应,并在壳体开一个测温孔,将热电偶插入孔内,测量结果由温度测控仪表直接读出。为使测量温度准确,在空载工况下开机20min、主轴温度趋于稳定后,记录试验值。在车间随机抽取5个试样,用上述试验方法进行试验,测得试验数据如表3所示。
通过试验数据与qV=5L/min、Qm=700W、环境温度θ=15℃的仿真计算结果对比可知,利用CFX计算得到水冷系统温度分布与真实情况相符。
5 结论
(1)冷却水流量越大,温升越小,当冷却水流量增大到5L/min时,并不能仅靠增大冷却水流量减小温升。
(2)在电主轴工作时,随着工作负载的变化,外表面与内表面最大温升的温度差几乎不变。
(3)电主轴温升受环境温度的影响很小,可以根据环境温度预测电主轴工作时的温升。
(4)仿真计算结果可以作为精确设计电主轴过载保护装置的依据。
通信模拟仿真系统建设 篇8
1 建立仿真系统的必要性
1.1 通信信息网络现状
齐齐哈尔电业局通信光传输网络SDH现有中兴设备60多台, 设备类型包括ZXMP S320/ZXMP S330/ZXMP S360/ZXMP S380/ZXMP S385五种型号。以2.5G和622M两个光纤环网为核心。2.5G光纤环网由5台设备组成, 附挂1个155M子环网。622M光纤环网由13台设备组成, 附挂3个155M子环网。主要传送调度数据网、继电保护、图像、综合网管监控通道等2M复用信息。复接设备PCM有120多台, 设备类型主要有深圳泰科3630、沈阳仕得蓝马可尼XMP1、北京西科德萨基姆FMX12、北京讯风BX10等。主要传送调度电话、远动信号、电量信号、集控信号、电源监控等64K业务。齐齐哈尔电业局信息网络在去年年末刚刚从思科交换机全部更换为H3C网路交换机, 新厂家的设备需要人员又新学习适应新技术。我局信息内外网共有76台设备, 1个中心机房和37个基层网络机房, 设备类型包括S9512、S7510、S5500和S3600, 网络防火墙2个。随着三集五大体系的建立, 我局各单位办公地点调整变化较大, 很多办公电脑需要变更信息网络的接入点, 甚至需要调整网络结构。
1.2 通信信息网络存在问题
1.2.1 信息网络稳定运行指标已列入我局安全生产指标之一。
生产环境交换机的配置变化时需要在测试环境中试运行后再放入生产环境, 以保证配置的正确性, 所以迫切需要一个模似环境来调试和测试交换机, 提高人员技能水平, 提高生产环境网络运行的稳定性。1.2.2随着通信光传输、复接设备的更替, 新鲜血液的融入, 人员的技术水平也要随即提升, 利用替换下来的设备、已有的资源和自筹部分新设备, 组建一个模拟现场的仿真系统环境, 利用空余时间和定期时间进行真实现场工作环境的模拟, 可以提高现有工作中疑难问题的解决, 和给新员工进行实物性培训, 快速使新员工进入工作状态。专业技术人员可以通过模拟现场故障, 进行快速定位解决故障。也解决了闲置设备的利用率问题, 一举多得。
1.3 背景的提出
1.3.1 全省电力培训中心无针对通信信息网络设备组网培训的基地。
1.3.2 到厂家培训名额少, 达不到全员培训目的。
1.3.3新员工和微波专业技术水平有待提升, 使其快速进入工作状态。1.3.4通信信息设备更替升级快, 专业技术人员现有业务水平有待进一步提高。
2 建设仿真系统达到的效果
2.1 此仿真系统的建立, 主要用于模拟现场实际工作环境方面的培训工作, 使得全员达到培训效果。
2.2 巩固了专业知识, 并把理论知识和实践知识有效结合起来。
2.3 融合通信和信息两大专业业务水平, 提高了团队合作精神。
2.4 提高了解决问题的能力。
模拟故障现象, 锻炼了员工队伍。两大专业共同组建仿真系统, 人员跨专业锻炼, 最终达到培养复合型人才的目的。下一步将规划完善搭建信通公司所有专业的模拟仿真环境, 专业间相互了解学习, 解决人员结构性缺员问题。能够独立完成工作中较复杂工作任务的同时, 处理工作中的疑难问题。
3 建设方案
3.1 按照建设仿真系统目标, 制定符合我局通信信息现状的实施方案。
首先成立通信信息模拟仿真系统建设领导小组。组长由信息通信公司经理担任, 副组长由信息通信公司副经理担任, 专业负责由专责工程师担任, 组员由传输一、二班人员组成。经过多次技术组会议讨论论证通信信息模拟仿真系统建设的可行性方案, 一致认为方案可行, 可操作性强。首先仿真系统选址, 一为原微波楼, 二为通调楼十九楼微波机房。因十九楼微波机房设备安装方便, 仿真系统需求空间大;其次从组建规模上考虑后期建设, 确定设备布放位置。最终确定一期建设光传输设备SDH四台, 复接设备PCM三套 (6台) , 信息网络设备五台。预留两面屏位。
3.2 深入细致, 周密安排, 全面实施仿真系统建设。
3.2.1未雨绸缪, 整合现有设备资源, 购买新传输设备。首先将三号院拆除的整套通信设备包含光传输SDH、泰科PCM、电源系统作为仿真系统基础雏形, 另整合一套中兴S330设备、三套PCM复接设备和购买中兴S330、S320光传输SDH各一台, 组建成传输网络。信息网络的组建是利用去年更换交换机后替下来的旧H3C设备搭建。3.2.2周密安排, 通信信息专业人员密切配合, 按施工方案逐项有序进行。光传输设备模拟现场设备硬件安装、线缆的布放、线缆的绑扎、设备的加电、开局、设备 (单机、组网) 调试、2M (155M) 业务的开通等一系列现场实际工作环境。PCM复接设备模拟现场设备硬件安装、线缆的布放、线缆的绑扎、色谱识别、设备 (单机、组网) 调试、64K业务的开通等一系列现场实际工作环境。信息网络的建立是用3台三层交换机和2台二层交换机按实际工作中需要的拓扑结构, 随时变化互连方式, 组成需要培训和测试用的网络结构。大大锻炼了人员的网络业务技能。
3.3 加强管理, 真正发挥仿真系统作用。
为了完善仿真系统日常管理, 制定了仿真系统使用规章制度。3.3.1仿真系统设备仪器仪表设专人负责保管维护、登记建帐。存放应做到整洁有序, 便于检查使用。3.3.2仿真系统设备仪器仪表、工具一般不得外借, 特殊情况必须经领导批准。3.3.3要爱护仿真设备仪器仪表, 节约使用材料, 遵守操作规程, 认真记录操作步骤。室内应保持整洁, 操作时丢弃的废物要按指定地点倾倒。3.3.4仿真系统必须重视安全工作, 加强防火、防盗、防尘的管理。3.3.5仿真系统的操作人员, 要加强岗位责任制, 经常检查维修设备仪器仪表, 使其处于正常完好状态。3.3.6仿真系统应建立安全制度。每次操作完毕或下班前, 要做好整理工作, 关闭电源和门窗。要有明确的责任人。
结束语
通过以上措施, 信息通信公司初步建立了通信信息模拟仿真系统, 搭建了通信信息模拟仿真系统, 经过近几个月运行检验, 极大的提高了通信信息运行维护人员的专业技术水平, 使我局通信信息故障处理更加快速, 通信人员能够更好的适应“五大”体系建设后对专业人员的要求, 在全省首家建立通信信息模拟仿真系统, 为我局培养电力通信复合型人才找到了一种新方式, 也为在全省率先探索电力通信信息专业培训新方式、新手段走出了一条创新之路。
参考文献
[1]中兴通讯股份有限公司ZXMP S380S330技术手册.[1]中兴通讯股份有限公司ZXMP S380S330技术手册.
[2]沈阳仕得蓝科技有限公司XMP1SOX操作手册.[2]沈阳仕得蓝科技有限公司XMP1SOX操作手册.
[3]北京西科德科技有限公司SAGEM FMX12数字交叉连接复用设备技术手册.[3]北京西科德科技有限公司SAGEM FMX12数字交叉连接复用设备技术手册.
高速无线通信系统仿真 篇9
燃油喷射系统被喻为发动机的“心脏”,电控燃油喷射系统因能提高发动机输出功率、降低油耗与清洁排放等优点,得到迅速发展与推广。其喷射单元内部的高速电磁阀是极为关键的控制执行元件,工作特性直接影响整个系统的性能。高速电磁阀必须提供可靠的强电磁力和毫秒级的响应速度,以保证系统的控制精度及快速响应能力。文献[1]用直接计算法研究电磁阀动态响应,这种方法计算量大且复杂;文献[2]中的电磁阀用AMESIM软件进行仿真,但因其电磁铁模型基于磁路理论构建,准确性降低。现根据不同的设定参数,模拟电磁阀的实际工作状况,用SIMULINK仿真软件得出相应参数的仿真曲线。通过分析比较仿真曲线,确定影响电磁阀动态响应特性的主要参数,包括驱动电压、弹簧刚度及线圈匝数等;并通过优化这些参数,从而获得较理想的电磁阀动态响应特性,实现了预期的设计需求。
1高速电磁阀数学模型的建立
高速电磁阀的铁芯设计为单E型的卷铁芯结构,采用铁硅合金材料。其结构简图如图1所示在ECU控制下,电磁阀线圈通电时,铁芯与衔铁形成闭合磁通,产生电磁吸力,静铁芯吸引衔铁闭合,与衔铁固连的推杆打开阀口;线圈断电时,在弹簧力作用下,衔铁恢复到初始气隙位置,阀口关闭。
考虑到E型铁芯结构的对称性,在电磁阀建模中可当成两个单U型电磁铁线性组合而成。其数学模型由电路方程、磁路方程和运动方程三部分构成。
1.1 电路方程
电磁阀理想的能量输入方案是在衔铁运动刚开始时,就能得到最大的电磁吸力,使其在整个移动过程中,都能以最高的加速度运动,保证衔铁吸合时间最短。这就要求电磁阀在初始运动阶段,电流有很大的变化率,尽快达到最大值。随着气隙的减小,磁阻的降低,较小电流仍能保持足够的电磁吸力,使衔铁在整个运动过程始终以最高加速度工作[3]。所以该驱动电压采用高激励电压与低维持电压驱动方式。等效简化后,得到基本电路方程
式(1)中:
U为驱动电压,Upeak为峰值驱动电压,Uhold为维持电压,tH 为峰值电压作用时间,tP为控制信号持续时间,R为线圈等效电阻,i为通过线圈的电流,λ为磁链(λ=L(x)i=Nφ),L(x)为线圈电感。
1.2 磁路方程
考虑到铁磁材料与工作气隙的磁阻影响以及导磁体磁阻的变化,根据基尔霍夫磁压定律,等效磁路计算方程为
由式(2)可推出
由麦克斯韦电磁吸力公式,电磁吸力为
式中δ为气隙宽度(δ=δ0-x),δ0为初始气隙宽度,x为衔铁位移,L为磁导体的有效长度(L=l+2(c+h)),N为线圈匝数,μ0为真空磁导率,μr为相对磁导率,S为单位电磁铁气隙面积,Fe0为单个气隙电磁吸力,Fe为总电磁力。
1.3 运动方程
动衔铁部分可模拟成一个质量-弹簧-阻尼系统,相当于一个简单的强迫简谐振动系统。其等效运动简图见图2。由牛顿第二定律,运动方程为
式中m为衔铁质量,a为衔铁运动加速度,B为速度阻尼系数,K为弹簧刚度,x为衔铁位移,x0为预紧力作用下的弹簧初始压缩量,P0为腔内初始压力。
2 高速电磁阀仿真模型的建立
仿真软件选用Matlab仿真平台下的Simulink软件。它功能强大且易于操作,支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统的仿真[4] 。由于高速电磁阀是一个典型的动态非线性系统,如采用解联立方程组的方法来求各动态的特征量,计算复杂且不直观;而用Simulink仿真技术不仅可以看出某参数变化时电磁阀响应特性的改变,还能通过输出直观的电流、电磁力、衔铁位移图分析电磁阀的响应。
根据高速电磁阀电路、磁路及运动方程,建立高速电磁阀整体仿真模型如图3所示。其中,考虑预紧力略大于初始腔内压力,铁磁材料磁导率由硅钢磁化曲线获得,并用Simulink中的Lookup Table模块采用三次样条插值的方法输入到仿真框图中。图3中
2.1 驱动电压的影响
通过初始高激励电压与低维持电压相互配合驱动,能降低电磁铁的功耗及延长电磁阀的使用寿命。起始激励电压越大,则激励电流爬升快,电磁阀的响应时间短,响应加快。不同起始电压对电磁铁响应的影响如图4所示。通过仿真也发现,维持电压小幅变动时,仅对衔铁回复响应起作用,且影响不大,可忽略不计。
2.2 弹簧刚度的影响
在不同弹簧刚度下,衔铁响应曲线有较大差异,仿真图如图5所示。刚度增加导致弹簧作用力增大,而在开启阶段该力为表现为阻力,在回复阶段该力转变为助力。因此,弹簧刚度越大,电磁阀开启速度越慢,但关闭响应速度越快。在仿真中发现,刚度并不能无限增大,当刚度为430 N/m时,作用在衔铁上的电磁力小于弹簧作用力,衔铁不能维持在最大行程处。
2.3 线圈匝数的影响
不同线圈匝数对电磁阀响应的影响如图6所示,线圈匝数越多,开启与回复响应越慢。可由式(4)解释,匝数增多,电感增大,导致激励电流爬升慢,开启时间延长,电磁阀响应动作慢;而线圈匝数越多,电磁阀磁通量大,回复响应时间也长。
2.4 最优参数的仿真结果
通过观察因参数变化引起的相应输出变化的scope图,综合考虑衔铁开启响应时间、开启状态以及关闭响应时间要求,最终确定出高速电磁阀主要部分的最佳仿真参数为
驱动电压:Upeak=85 V(脉宽为0.5 ms);
Uhold=28 V(脉宽为3 ms);
线圈匝数:50匝;
单磁极的磁通流通面积:20 mm2;
衔铁质量:4 g;
弹簧刚度:420 N/mm;
弹簧预紧力:11 N。
用上述最佳参数仿真,高速电磁阀能产生稳定的5 A的电流及84 N的电磁力;动衔铁位移符合初始气隙要求;电磁阀响应时间在1 ms以下,响应速度快且响应稳定,符合既定的设计要求。仿真曲线图如图7所示。
3 结论
该模型的建立综合了电、磁和机械三部分的非线性方程组,磁路方程考虑了铁芯磁阻及磁阻的变化,这种考虑更接近实际模型。仿真过程中发现影响该高速电磁响应快慢的主要因素有驱动电压、弹簧刚度以及线圈匝数。一定条件下提高激励电压、降低弹簧刚度及减少线圈匝数都有利于电磁阀开启响应加快,而降低维持电压、增大弹簧刚度使得关闭响应加快。仿真结果与参考文献[5]和文献[6]的一些结论一致。该仿真模型对电磁阀的开发和研制具有一定的参考价值。
摘要：对某小型重油发动机电喷系统内部的高速电磁阀,进行了建模仿真与响应分析。先建立该高速电磁阀的数学模型,再用Matlab/Simulink对其仿真。通过对不同输入参数的仿真对比,分析影响电磁阀响应的主要因素,从而确定模型的各项参数,得到该电磁阀的稳定及快速响应。该仿真模型考虑了铁磁材料的磁阻及磁阻变化对电磁力的影响,对电磁阀的开发和研制具有一定的参考价值。
关键词：高速电磁阀,模型,仿真,响应分析
参考文献
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高速无线通信系统仿真 篇10
1 主电路拓扑结构和数学模型
三相电压型SVPWM全控整流器的主电路拓扑结构如图1所示。
对三相整流桥开关函数S定义为
其中,k=a,b,c(a,b,c三线相连的功率管)。
以交流侧电感电流和直流侧滤波电容输出电压为状态量,三相静止坐标系下的系统模型为
其中,Lre、Rre为交流侧电感值和等效电阻,ua、ub、uc分别代表三相电压源电压,udc是直流侧输出电压。
在三相静止坐标系下,由于ua、ub、uc之间以及ia、ib、ic是时变交流量,且相互之间存在耦合,系统控制做不到无静差,因此,通过Park变换转变为两相旋转坐标系下的数学模型为
其中,id、iq分别为dq坐标系下的d轴电流(有功电流)和q轴电流(无功电流),ud、uq分别为dq坐标系下的d轴电压和q轴电压,ω为电源角频率,Sd、Sq为开关函数S在dq坐标系下的有功分量和无功分量。
2 VHS-ADC仿真系统结构
VHS-ADC是一种基于FPGA的高速数字信号处理系统,系统采用Virtex-Ⅱ系列FPGA作为主要信号处理模块,为用户提供了基于Matlab/Simulink、Xilinx/Altera FPGA的集成开发环境,无缝地实现自顶向下的开发流程。VHS-ADC内部拥有丰富的门资源与硬件乘法器,工作频率可达420 MHz,高速A/D通道采样率可达105 MSPS,高速D/A通道采样率可达125 MSPS,32位的GPIO和FPDP接口建立了与外界高速数据通道,具有高度的并行运算能力,实时性更强。构建的三相电压型SVPWM整流器的高速实时仿真系统,以VHS-ADC、CPCI工控机作为控制系统主体,结合主电路拓扑结构,辅以硬件接口电路等设备构成了电路测试和试验平台。整个仿真系统结构如图2所示。
整个系统需要检测的信号有三相电压源信号ua、ub、uc和交流侧输入电流ia、ib、ic以及直流侧输出电压udc。整个系统结构简单明了,易于实现。
3 平台接口电路设计与衔接
3.1 电压和电流信号采集调理电路设计
3.1.1 电压信号的采集
交流电压信号采集采用SLMV2000E传感器,采集电压范围0～2000 V,变比为400:1,能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电压波形。交流电压采集调理电路如图3所示。
电路主要作用是使自耦变压器和电压传感隔离降压之后的电压信号能够匹配平台A/D接口。
直流侧电压采用线性隔离光耦SLC800采集。SLC800是一种非常先进的线性光电耦合器,使用高匹配晶体管使伺服反馈回路和传递输出回路达到非常好的匹配。直流侧电压采集调理电路如图4所示。
在图4中,直流侧电压为uin=udc,经过电阻分压和电压跟随器可得到线性光耦的输入电压为
根据SLC800的工作原理,可以得到经过调理之后的直流侧的电压信号为
通过调节电位器R的值,可得到不同倍数下的输出值,同时必须满足uout≤2.25 V,不超过VHS-ADC平台A/D接口所允许通过的最大值。
3.1.2 霍尔传感器采集交流电流信号
交流电流信号的采集和调理电路如图5所示。
传感器采用双电源供电“+/-12 V”,其输出电流信号经测量电阻R转换为电压信号后,输出的双极性信号恰好落在-1.125～1.125 V的范围,传给VHS-ADC的A/D端口。
3.2 VHS-ADC与接口板的衔接
3.2.1 A/D端口的衔接
根据A/D特性,输入电压的最高值为2.25 V,可得到模拟量与数字量的比例关系为
其中,UA为A/D的模拟输入量,UD为数字量。A/D端口的每一位对应的模拟量为0.14 mV。
根据交流侧的电压和电流采集及调理电路和式(6),可得电压和电流信号采集后数字量表达式为
R为电流传感器的测量电阻,Ua、Ia为电网电压和电流的初始模拟信号,UD、ID为经过A/D转换后的数字量信号。
根据直流侧电压采集和调理电路及式(5)(6),可得直流侧电压信号的数字量表达式为
则式(5)可计算简化为udc D=7 udc。直流侧电压应在整流器控制模型内降低1/7可还原到初始信号值。
3.2.2 GPIO端口的衔接
端口的衔接是用TTL电路驱动CMOS电路,采用TTL电路的输出端与+5 V电源之间接入上拉电阻RG。当TTL输出高电平时,输出级的负载管和驱动管同时截止,故有
其中,UOH为TTL驱动管的输出电压,UDD为电路供电电源,IO为TTL电路输出级截止时的漏电流,IIH为负载管的输入电流。根据GPIO的分配表可得到GPIO针脚与IGBT管脚的对应关系。
3.3 过电流保护电路设计
为保护VHS-ADC平台安全,需要设计过电流保护电路,避免平台承受其不允许的电流允许应力,防止过流将平台损伤。过电流保护电路由P817(光耦)、MC74HC30(与非门)、CD4013(D触发器)、MC74 HC08AD(与门)、ULN2003(达林顿阵列)、驱动模块组成。
4 接口及系统实验仿真
4.1 接口板实验
为了验证所设计平台接口板的正确性,调试完PCB板之后,得到如下实验结果。
a.电压采集波形如图6所示。
由图6(a)分析,电网A相输入电压为Us=30 V,曲线1为电网电压经过变压器和电压传感得到的输入波形,曲线2为经过调理电路后的输出波形,可以看出电压的相位和幅值完全一致,表明电压采集调理电路的正确性。在图6(b)中,在线形光耦采集调理电路的电阻分压之后输入直流电压信号为0.806 V,输出电压信号为0.077 V,隔离光耦线形度满足要求,验证了线形隔离光耦传输线形度好,所设计的采集调理电路的正确性。
b.GPIO的输出控制脉冲与IGBT的集电极和基极两端的控制脉冲对应关系如图7所示。
由图7分析,信号是从GPIO口输出的控制脉冲,最高逻辑电平被上拉电阻提升到5 V,满足了TTL与CMOS电路的转换条件。IGBT的控制脉冲高电平为+14 V,此时管子导通,低电平为-8 V,管子关断。可看出从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应,验证了平台接口板设计的正确性。
4.2 系统回路实时仿真
根据图2硬件在回路仿真系统的结构图,构建了基于VHS-ADC高速信号处理系统的三相电压型SVPWM整流器的半实物物理实验平台。
整个实验系统平台的采样频率(fA)、控制模型中Sysgen的采样频率(fB)、模型中模块的采样频率(fC)以及系统运行时的实际采样频率(fD)存在以下关系:fA/fD=fB/fC。实验中设fA=50 MHz、fB=50 MHz、fC=100 kHz、fD=100 kHz,交流侧输入电压Us=24 V,电感L=6 m H,电容C=1000μF,直流侧输出电压为100 V,负载为36Ω。以300 W为例验证基于FPGA的VHS-ADC构建三相电压型SVPWM整流器的高速仿真系统的可行性。获得下面的仿真实验结果。
a.A相交流侧电压和电流的输入波形如图8所示。
从图8中可看出,Us=23.92 V,Is=4.09 A,经计算输入功率Pin=293.5 W。交流侧的电压和电流基本上达到正弦波,并且保持同相位,基本实现了输入侧电流的正弦化,实现高功率因数。
b.直流侧输出电压波形如图9所示。由图9输出一条电压波形可知,在测量直流侧输出电压时,电压探头的电压比为20:1,测得直流电压的平均值为4.95 V,实际输出电压为99 V,电压有微小的波动,输出电压达到电压给定值100 V。
经计算输出功率Po=272.5 W,与输入功率基本一致,功率的损耗由高开关频率动作以及电感振动产生机械能和散失的热能等造成的。综上所述,整流器的交流侧输入功率因数高,输出直流电压稳定,验证了基于FPGA的VHS-ADC构建的三相电压型SVPWM整流器高速实时仿真系统的正确性。
5 结论
高速无线通信系统仿真 篇11
关键词：卫星通信 Labview 级联编码
中图分类号：V474.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-02
随着信息技术的不断发展，卫星通信已经作为一种应急通信手段被广泛使用在各个通信领域中，传统的C波段及正在广泛使用的KU波段卫星通信随着卫星频率资源的短缺而面临着很多矛盾，特别是近年来随着对卫星通信需求的增加和卫星通信的新技术的不断发展，人们开始向更高频段的Ka（20～30 GHz）方向进行研究。如何在高频段中选择不同的编码类型以适应于卫星信道的可靠传输是大家一直关心的问题。Labview软件是NI公司研发的一套图形编程语言，广泛应用在信号处理和建模中。该文通过对各系统性能的分析和比较，通过Labview中提供的不同卫星信道模型建模，分析了不同频段中编码的性能并进行了比较，同时也对在Ka频段中不同编码方式的性能进行了仿真。
1 系统及信道模型
卫星通信信道是一个远距离的衰减变化的无线信道，因此为了能保障数字信号能在整个信道的可靠传输，必须利用适合于卫星信道传输的数字编码技术。对于C波段和KU波段的卫星通信系统有效抵抗信道衰落的措施之一就是采用前向糾错编码技术（FEC），国际组织对于该频段的FEC标准也是采用了编码增益高、译码器实现又不太复杂的级联编码方式，而且外码均为RS码，内码则分别采用卷积码或者TCM方式，另外为了消除Viterbi译码器的突发错误，两者都采用了外交织器。适合于卫星通信的不同方式的级联码编码方式的的性能不同文章对其进行了分析和仿真[2]，与C和KU频段相比更高频段的Ka卫星通信中，大气层将会引起信号的额外衰落，这些衰落不仅是频率的函数，而且还是位置、仰角、季节的可行性函数。[1]，为了比较卫星系统不同编码的性能，各种适合于卫星信道的编码方式都进行了研究和仿真[3]。我们通过Labview软件中提供的不同信道模型来对这些级联编码进行不同的仿真分析，其中内交织器和解交织器用来仿真Ka频段的性能，其余用来仿真C波段和KU波段的性能。据此，我们可以建立采用级联码的不同频段（ka频段采用内外交织器图1中虚线部分）卫星通信系统模型框图如图1。
2 编码系统的性能分析及仿真
研究和仿真不同级联编码方式的性能，就是要有合适的仿真模型和逼真的信道模型，而Labview软件中提供了比较多的通信系统模块，特别是对于卫星通信信道的仿真可以更加趋于实际化。[4]LabVIEW图形化信号处理平台由千余个信号处理、分析与数学运算函数组成的信号处理与数学函数库组成，包含小波变换、时频分析、图像处理、滤波器设计、声音与振动、系统辨识、RF分析等专业方法的工具包，可与NI硬件的无缝结合，使算法得到快速验证与部署[5]。因此该文结合Labview提供的不同信道模型对以下方式进行了模拟仿真。
2.1 采用RS（255，233）外码，内码为（2，1，7）在不同频段下的性能仿真
在Labview中选择RS为卫星信道的外码，内码采用卷积编码的方式通过采用Ka频段方式[6]的仿真和采用C波段及KU波段的信道模型通过对比其误码性能图，如图2所示。
从图中可以清楚地看到，在相同Eb/N0的情况下，Ka波段的误码性能要明显低于KU波段和C波段，同时在无雨天的情况下在保持同样的误码率的情况下，Ka波段比KU波段的要低于3.5db的信号，这样也就说明了在Ka波段情况下卫星的天线尺寸可以做的更加小。
2.2 采用RS（255，233）外码，内码为 Turbo码和P-TCM的级联性能仿真
RS码作为适合卫星信道传输的可以纠正突发错误的信道编码，可以和不同的内码进行级联，我们选取TCM级联、卷积级联、Turbo码级联三种方式进行仿真如下：
从图3中可见Turbo码是一种具有很好纠错性能的内码，作为内码可以比卷积级联和TCM级联作为的内码的性能要好的多，同时与卷积级联码系统相比，虽然TCM级联码系统的编码增益较小，但其宽带效率却很高。因此要根据情况选择不同的编码
类型。
3 结语
该文通过对卫星通信系统中级联编码在不同频段下的性能进行了Labview仿真，通过图形化的编程语言和系统仿真，分析及仿真结果表明：在相同信噪比和同等级联编码情况下的情况下使用高频段可以进一步降低误码率提高系统的频带利用率，同时对与在Ka波段情况下采用内分组交织器可以进一步提高系统性能。同时通过单位不同频段编码效果的使用上来看，高频段的设备使用效能更加明显。
参考文献
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高速无线通信系统仿真 篇12
高速精密压力机是一种自动、精密、高效的锻压设备,是电机、电器、电子、仪表、五金等行业进行精密复杂零件大批量生产的理想装备。通常情况下高速精密压力机的工作效率是普通压力机的十倍以上,所加工的制件质量稳定,一致性好,还能显著减少安全事故的发生,对提高企业的综合竞争力十分有利。近年来,国内外高速精密压力机的技术性能和结构,诸如工作速度、冲裁力、刚性、导向机构、惯性力平衡、柔性化、噪声和振动的抑制等方面得到了迅速发展。
通常情况下,当滑块行程次数达到200spm以上时,如果回转部件和往复运动部件动态平衡不良,曲柄滑块机构在运动时产生的不平衡惯性力变化,均会使机身摇晃、振动和噪声加剧、滑块下死点动态精度变差等,导致机床无法正常工作,影响工件质量、模具和机床的使用寿命。所以,高速精密压力机在结构上必须采取一些特殊的技术措施才能保证其平稳运行。本文以浙江锻压机床厂研制的J75-200型闭式双点高速精密压力机为例,研究动平衡块重量变化与压力机不平衡惯性力周期性变化量的关系、滑块行程次数变化与不平衡惯性力变化量的关系以及平衡气缸的作用,提出了动平衡系统的设计方法。
2 建立数字化功能样机
J75-200型闭式双点高速精密压力机机身采用分体式框架结构,由上梁、左右立柱、底座组成。机器分体连接方式采用了四根拉紧螺杆液压预紧技术,采用了四点支撑式偏心轴结构,曲柄滑块机构为结点正置形式,滑块通过两根导柱与连杆相连接,滑块四周导向采用直线滚珠导柱和合金铜衬套复合结构,配置了平衡滑块式动平衡机构,还配有一套平衡缸系统。机器外形照片如图1所示。主要技术指标:公称力2000kN;行程次数200~400spm;滑块行程30mm;最大装模高度420mm;装模高度调节量50mm;机器重量40t。
在进行数字化虚拟样机的三维建模和装配时,需要充分考虑该数字化模型能够真实反映实际工程原型机的行为特征,使得该数字化模型能够在进行机械系统运动学与动力学性能分析的同时,其仿真结果还可以用于模态分析、疲劳分析、典型零件的有限元分析和优化设计。尽量减少对圆角、孔、密封槽等部位的压缩或简化,除非它们在零件网格的过程中失败导致无法进一步开展零部件的有限元分析。应该赋予零件正确的材料属性以保证分析结果的正确性,在仿真条件设定时应注意重力方向。
3 动平衡块重量变化与不平衡惯性力变化量的关系
设定数字化样机的工作条件:在滑块底面固定重量为1000kg的上模,配制的平衡滑块初始重量为1305kg,排尽平衡缸内的压缩空气,使得平衡缸拉力为零,机床在空运转的条件下以行程次数400min-1,滑块从上死点开始运动,竖直向上的方向为正方向。运行Simulation软件后,求得滑块在竖直方向的位移、速度、加速度。如图2、图3、图4所示。
上述仿真结果表明,滑块在竖直方向(y方向)的位移值为30mm,也就是滑块行程长度。滑块竖直方向最大运动速度627.26mm/s,按时间点计算分别发生于曲轴转角为90°和270°位置,滑块竖直方向最大运动加速度27053mm/s2,分别发生在上死点和下死点位置。
滑块、平衡滑块、连杆、偏心轴等运动机构的不平衡惯性力(即等效惯性力)通过曲轴作用于上梁轴承座,等效惯性力的大小可以认为由固定值与变化量组成。不平衡惯性力的固定值在高速精密压力机启动、停止或速度突变时会引起机身的振动,在滑块工作速度稳定后,等效惯性力的固定值部分对压力机的振动几乎没有影响。引起压力机上下振动的最主要因素是运转过程中产生的大小与方向周期性变化的等效惯性力的竖直方向分量的变化量,该变化量作用于机身后引起压力机、支承压力机的减振垫和地面产生振动。
数字化样机运动仿真后获得的作用于轴承座的反作用力,能够反映运动机构的等效惯性力在各个运转周期中的分布规律以及整机的惯性力平衡效果。一个运动周期内竖直方向反作用力分量的大小及周期性变化量反映了高速精密压力机不平衡惯性力的变化情况,将轴承座竖直方向反作用力分量的运动仿真结果导出到EXCEL中并制成曲线,可直观反映不平衡惯性力的周期性变化量。图5反映了一个周期内不平衡惯性力变化量的变化规律。不平衡惯性力最大值发生在下死点时刻,数值为68519N,最小值发生在上死点时刻,数值为39452N。在一个运转周期的0.150s时间内,惯性力变化量达到29057N,说明曲柄滑块机构不平衡现象比较严重。
平衡滑块重量的变化对应着不同的不平衡惯性力的变化量,为了寻找到能使得竖直方向不平衡力变化量最小时的动平衡滑块的重量,让动平衡滑块的重量以30kg为变量递增,分别通过运动仿真获得一个运动周期内不同平衡滑块重量所对应的轴承座y方向反作用力变化值,也就是滑块运动时机床存在的不平衡惯性力变化量,绘制成图表(图6)。
不平衡惯性力变化量曲线呈V字型,即在滑块和上模重量一定时,变化的动平衡滑块重量对应着一个不平衡惯性力变化量的极小值,能使得不平衡惯性力变化量数值最小,平衡效果最佳,所对应的动平衡滑块重量就是我们所希望获得的最优值。图6中,当动平衡滑块的重量为1635kg时,带有1000kg上模的压力机所对应的不平衡惯性力变化量仅为595N,与动平衡块的重量为1305kg时对应的不平衡惯性力变化量29067N相比较,下降了98%。595N的不平衡惯性力周期性变化量,对于自重约40t的压力机来说是微不足道的,也就是说,压力机取得了良好的动平衡效果。优化动平衡滑块重量后经运动仿真得到的压力机一个周期内的不平衡惯性力变化情况如图7所示。
高速精密压力机在实际应用过程中配备的模具是千变万化的,不同的上模重量需要能使得不平衡惯性力变化量最小的对应的动平衡块重量。通过运动仿真,可以获取该数字化样机最佳匹配条件下不平衡惯性力变化量、上模重量变化与动平衡滑块重量的变化关系数据,如图8、图9所示。
根据图9所示的运动仿真结果,可以导出如下方程式:
式中:m1———动平衡滑块重量;
m2———上模重量;
m3———动平衡滑块未配置上模时的最佳初始重量;
k———斜率。
采用了平衡滑块式动平衡结构的压力机,k值随压力机滑块系统、动平衡滑块系统等结构形状和参数的不同而变化。动平衡偏心轴在主连杆部位的偏心量与副连杆部位偏心量的比值,是影响斜率的主要因素,斜率也与滑块系统和动平衡滑块系统的质心位置有一定的关联。
该数字化模型中,m3为1035kg,k值为0.6。当模具(上模)重量为500kg时,求得动平衡滑块重量m1为:
根据式(1)计算,当压力机安装了上模重量为500kg的模具时,如果将可调节的动平衡滑块的重量调整到1335kg,平衡滑块式动平衡装置将取得最佳的平衡效果。
对于副滑块重量可调整的高速压力机,制造厂宜将不同机型的k值提供给顾客,指导实际使用过程中动平衡滑块的快速调整,以保证压力机平稳运行。
4 滑块运动速度变化与不平衡惯性力变化量的关系
设计要求高速精密压力机能够在许用行程次数范围内能平稳地工作。已经取得了高速压力机工作于最高行程次数时的最佳平衡效果,在降低行程次数时该动平衡系统是否依然有效?开展高速压力机数字化模型在不同行程次数条件下的运动仿真以观察动平衡情况。设定该数字化虚拟样机装有1000kg的上模,动平衡滑块重量调整为1635kg,将行程次数从200min-1开始,每增加25min-1开展一次仿真分析,对应的不平衡惯性力变化量如图10所示。
运动仿真结果表明,滑块行程次数从最小值200min-1变化到最大许用值400min-1,压力机的不平衡惯性力变化量从149N变到595N,变化量呈现递增趋势,但在可以接受的范围内。可以认为:不平衡惯性力的变化值与转速没有明显的相关性,一旦确定了某行程次数情况下的动平衡滑块的最佳匹配重量,就能够满足压力机整个许用调速范围内的动平衡要求。
5 平衡气缸的作用
假设滑块受40000N的平衡缸拉力并运行于400min-1,配重仍然取优化值1635kg。运动仿真结果显示,不平衡惯性力周期性变化量数值为595N,与不带平衡缸时的不平衡惯性力变化量完全相等。也就是说,通过调整平衡缸的气压变化改变平衡缸拉力并没有影响压力机动平衡系统的不平衡惯性力变化量。由此看来,如果压力机配置了不同重量的上模,宜通过相应调整动平衡滑块的重量去获得最佳平衡点而不是单纯依靠调整平衡缸的气压取得平衡效果。
虽然平衡缸拉力不能显著影响不平衡惯性力的周期性变化量,但是,能够对不平衡惯性力的绝对值产生影响。有无平衡缸拉力两种不同情况的运动仿真结果如图11所示。带有40000N的平衡缸拉力后,在整个仿真周期内,压力机的竖直方向不平衡惯性力均减少了40000N。例如在上死点位置,由不带平衡缸拉力时的56620N下降到16620N。如果压力机允许安装直径更大、数量更多的平衡缸,使得平衡缸拉力大于动平衡滑块、滑块、曲轴等运动系统对压力机的不平衡惯性力以及自重,让平衡缸拉力处于过补偿状态,将有利于保持滑块系统的间隙单向性,可以提高下死点的精度,否则,不仿让平衡缸拉力为零。另外,本文所述的压力机,滑块体积比较大,行程次数不是太高,平衡缸活塞的最大移动速度计算值为627.26mm/s,在气动密封圈能够承受的范围内,应该配置平衡缸系统。适当的平衡缸或平衡气囊还能够改善装模高度调节电机的工作条件,也便于模具的调试。
6水平方向的惯性力
高速精密压力机在运动中存在垂直惯性力和水平惯性力,当滑块行程次数增大时,水平惯性力显著增大。通常情况下水平惯性力的作用点离开减振阻尼座的距离比较大,该力矩的周期性变化容易导致压力机前后摇晃。副滑块平衡机构对于减少垂直方向的惯性力变化有显著效果,但是未能完全解决水平方向的惯性力平衡问题。优化该数字模型中的偏心轴结构,将偏心轴配置上合适的反向平衡块后进行运动仿真,以获得水平方向惯性力的数值和变化规律,前后对比结果如图12所示。仿真结果表明,偏心轴自身的动平衡对水平惯性力有显著的影响,若希望减少水平惯性力,应该重点研究偏心轴自身的动平衡效果。
7 结论
运用SolidWorks软件,建立高速精密压力机的数字化虚拟样机;运用Simulation插件开展曲柄滑块机构和平衡滑块式动平衡装置的运动仿真,能够在设计阶段预知惯性力平衡情况,优化副滑块平衡机构,缩短设计周期,提高设计效率和设计质量。能够在实物样机的调试和实际生产应用中指导动平衡滑块的调整方向。
运动仿真结果表明,当冲压模具一定时,副滑块平衡机构存在一个能使得压力机不平衡惯性力变化值最小的副平衡滑块重量。副平衡滑块重量的适应性调整使得高速精密压力机在实际使用过程中能适应多种冲压模具的变化,实现不平衡惯性力变化量最小,从而提高压力机工作时的平稳性和下死点的动态精度,提高冲压件质量,延长模具使用寿命,减少高速精密压力机的故障发生率。
设置平衡缸有利于保持滑块系统的间隙单向性,但是不能仅仅依靠调整平衡力的方法改善高速精密压力机的振动现象。
对于采用了偏心轴或曲轴的高速精密压力机,优化旋转轴自身的不平衡惯性力,是减小压力机水平摆动的主要手段。
影响高速精密压力机振动的原因是多方面的,本文旨在分析空运转条件下滑块系统的等效惯性力的变化情况,探讨高速精密压力机动平衡系统的设计方法,尚未讨论公称力作用下高速精密压力机的运动仿真情况。利用数字化虚拟样机,可以进一步开展在公称力作用情况下的动力学分析、静力学分析,开展压力机的模态分析、疲劳分析,指导零部件的优化设计以获得最佳综合设计效果。随着科学技术的不断进步,高速精密压力机技术也必将得到迅速的发展。
参考文献
[1]赵升吨,张学来,高长宇,柳伟,张永.高速压力机惯性力平衡装置及其特性研究(一).锻压装备与制造技术,2005,40(4):27-30.
[2]赵升吨,张学来,高长宇,柳伟,张永.高速压力机惯性力平衡装置及其特性研究(二).锻压装备与制造技术,2005,(6):14-19.
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