VB仿真（精选7篇）
VB仿真 篇1
0 引言
随着计算机技术的迅猛发展和教育教学现代化的需要,计算机正逐渐走进学校,走进课堂。计算机辅助教学以其灵活、生动、形象、鲜明的文字、声音、图形和动画等丰富多彩的表现形式,使物理实验教学内容化难为易[1]。计算机辅助教学的出现改变了传统的实验教学的模式,促进教师教育观念的转变,通过人机交互、信息共享,拓展了学生的视野,很好地培养了学生创造性思维能力。
将计算机仿真技术用于光学实验教学,不受实验仪器和实验场所的限制,可以通过改变实验参数获得不同的实验结果,方便教师课堂演示,使课堂教学内容形象化,表现手段多样化,创造一个生动活泼的学习氛围,让学生能够结合形象的实验现象更加深刻理解光学理论。开发光学实验的仿真模拟系统,并将其运用到物理光学的教学和实验当中,可以进一步提高大学物理实验教学的现代化水平。
但是,由于光学实验理论的复杂性、高水平仿真图像和人性化仿真界面的要求,目前国内融合光学实验的仿真系统开发还不多见。在此以VB为界面平台,Matlab强大的绘图、计算功能为基础,解决了VB和Matlab的接口技术,开发出了光学实验的仿真系统,并用于辅助实验教学。
1 开发环境的选择及技术
Visual Basic是由微软公司开发的可视化编程语言之一,简单易学而且功能丰富,能够迅速有效地编制优良的可视化界面。Matlab是美国MathWorks公司推出的交互式、面向对象的程序设计语言,擅长处理数值计算和系统模拟仿真[2]。但是Matlab程序的执行速度比较慢,而且在界面设计方面远远比不上VB,VC等软件。鉴于二者各自的优势,通过VB和Matlab的接口技术将VB功能强大的可视化界面与Matlab的绘图功能结合起来,实现二者混合编程,即可开发出模拟光学实验的软件。
VB调用Matlab一直是一个难题,可以通过ActiveX自动化技术或Matlab的COM Builder技术实现。但是利用ActiveX时会在后台启动一个Matlab进程,不能脱离Matlab环境,而且实时性差;通过COM Builder技术虽然可以脱离Matlab环境,但是一些工具箱函数还是无法编译,有一定的局限性,这两种方法都难以满足软件开发的要求[3,4,5]。这里利用DLL动态链接库方法实现了在VB中调用Matlab。
利用动态链接库方法也就是将Matlab的M-文件转变成为VB可以调用的DLL文件,从而实现VB对Matlab的调用[4,5]。具体过程如下:
(1)利用Matlab编写函数,并保存为M-文件。利用Matcom4.5软件将其编译为DLL文件,同时还会自动生成在VB中声明DLL的模块文件.bas文件和.cls文件。
(2)把DLL文件拷贝到VB工程目录或者是系统目录system32下,并用上面生成的.bas文件声明。
(3)把生成的.cls文件添加到VB的公共模块中。
(4)在VB中引入MaxtrixVB库作为与DLL的接口代理,Matlab编写的函数就可以在VB中直接应用。
利用DLL技术能够实现VB对Matlab的调用,这种方法可以方便地在自己开发的应用软件中嵌入Matlab软件的功能,实现自己的运算及图像显示。
2 系统设计
2.1 主体界面及设计思路
在实验教学过程中,学生的学习过程应该是主动、自主学习的过程。本软件的设计思想在于创立友好的人机交互界面,方便的仿真系统,开发面向学生、直观、易于操作的辅助实验教学软件。在设计上,用一个主目录窗体界面将主要的光学实验整合在一起,这部分设计以文本属性、窗体的链接为主,软件主窗体如图1所示。
2.2 详细设计说明
在各光学实验的具体模拟中,每个光学实验的模拟都含预习评价、实验内容、数据处理、思考练习等部分,同时还有实验扩展、技术应用等版块,方便老师和学生查阅、练习,提高学生的创新能力。
以仿真模拟光栅衍射实验为例介绍开发光学实验仿真模拟系统的过程。
3 光栅衍射实验的模拟
3.1 光栅衍射实验的数学模型
设λ为入射光波长;a为光栅上每一透光狭缝的宽度;d为光栅常数;φ为衍射角。一般光栅与光屏的距离D远大于衍射条纹在光屏上偏离光屏中心的距离ys,因此有:
光栅衍射可以看作是N个相干光形成的缝间干涉和单缝衍射共同作用的结果。对于光屏上任一点P的光强度,等于N个相干光在该点产生的干涉光强度与宽度为a的单缝夫朗和费衍射在该点产生的光强度的乘积,其强度可表示为[6]:
其中:I0为屏中心的最大光强;[(sinα)/α]2为单缝衍射因子;(sin Nβ/sinβ)2为多光束干涉因子;α=πa/λsinφ;β=πd/λsinφ。
3.2 编写Matlab程序
根据光栅衍射实验的数学模型,在Matlab环境下编写光栅衍射实验的raster.m函数文件。raster.m程序清单如下:
3.3 将Matlab程序转化为DLL文件
用Matcom4.5将M-文件转化成DLL的操作步骤如下:
(1)启动运行Matcom,点击菜单File/Compile to dll,选择要写好的raster.m文件。
(2)点击OK。这时在对应的Debug目录下,有许多编译生成的文件。在VB开发环境中需要用的文件有3个:raster.dll(DLL文件)、raster.bas(声明DLL的模块文件)、raster.cls(VB调用DLL的接口)。
3.4 在VB中调用DLL文件
(1)界面设计。在VB中新建一个工程,新建窗体。在窗体中添加控件并设置各控件的属性(如图2所示)。然后,通过编写简单程序建立文本框和相应滚动条之间的联系。
(2)导入MaxtrixVB库和DLL文件。为了能适应Matlab强大的矩阵运算功能,还必须将MaxtrixVB库加入到工程中,过程为:点击菜单Project,选择Reference,在Reference对话框中复选Mmatrix,点击OK。
将raster.bas和raster.cls加入到工程中,将生成的raster.dll文件拷贝到System32目录下。这样就可以用raster.bas声明raster.dll,并通过mymfile.cls建立VB调用raster.dll的接口。
(3)主要程序代码设计
(4)调试通过,设置参数后可以看到如图2所示的效果。在VB中将程序生成可执行文件,再把相关的文件一起打包,制作成安装包,就可以脱离VB和Matlab而单独安装使用。
4 结语
用动态链接库DLL方法成功实现了VB和Matlab的接口编程,并生成可执行程序,可以脱离VB和Matlab的环境单独运行。这样也隐藏了程序源代码,提高了程序的保密性。开发出基本光学实验的模拟系统,实现了在实验室做不出的实验效果演示。该集成的光学实验仿真系统可实现图像的动态显示,随入射光波长的实时改变动态显示光强分布的图像,较为逼真。实验窗口中的图像可以由实验者调试为单独显示模式,故而方便了实验者对光学图像的存储。本套光学实验仿真系统已经在中南大学物理实验室初步投入使用,弥补了光学实验在此方面的空缺,提高了教学质量。而且还将提供给其他高校物理实验室,辅助光学实验教学。
摘要：计算机仿真辅助教学比起传统的教学模式有很大的优势。利用DLL动态链接库技术解决VB和Matlab编程的接口问题,将VB的可视化界面功能与Matlab强大的绘图功能结合起来,实现二者混合编程,开发出了光学实验的仿真模拟系统。该系统具有人机交互好,生动形象,易于操作等特点,并且可以脱离VB和Matlab单独运行。通过在物理实验室的试用表明,该系统真正实现了辅助实验教学。
关键词：光学实验模拟,Matlab,VB,DLL
参考文献
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[11]胡春霞,贺昌海,贺敏.在VB.NET中应用Matlab实现三维数据可视化[J].微机发展,2005,15(5):66-71.
VB仿真 篇2
随着电子产业及通信事业突飞猛进的发展, 越来越多的电器电子设备已经普及到社会的各个角落, 于此同时电磁干扰问题也越来越突出, 电磁辐射已经成为一种无形的环境污染。随着战争形态和军队建设向信息化转型, “制电磁权”成为了作战双方的争夺焦点, 是夺取现代战争胜利的“法宝”[1]。
1Mapinfo和MapX
Mapinfo是美国MIS公司研制的GIS软件。它将数据与地图有机地结合, 实现数据的可视化、思维的可视化, 是开发专题地理信息系统的理想开发平台[2]。
MapX控件[3]是Maplnfo公司向用户提供的的基于ActiveX (OCX) 技术的二次开发控件, 具有强大的图形显示与属性相关功能。
2数据库的设计
在此采用Access 2003数据库进行设计, 主要分为信息化装备数据库, 电波传播环境基础数据库。
2.1 数据的收集整理
信息化装备数据库分为通信设备表、雷达设备表、光学设备表和其他设备表, 设备主要参数如下:
经度, 纬度, 海拔高度, 工作频段, 发射功率, 调制类型, 天线极化方式, 天线增益, 波束宽度, 天线方向图, 中频带宽, 接收机灵敏度, 接收机信噪比, 噪声系数, 阻塞电平等。
2.2 数据库的结构[4]
作者采用基于E-R (实体-关系) 模型的数据库设计方法, E-R关系模型图如图1所示。
3电磁辐射场强计算模型[5]
3.1 中波模型
中波主要用于无线电广播和电报通讯业务, 依靠地波和天波传播。场强的计算近似公式为:
其中:
式中:r为被测位置与发射无线中心距离;P为发射机标称功率;G为相对于基本振子的无线增益;A为地波衰减因子;x为数量距离;λ为波长;ε为大地介电常数;σ为大地导电常数。表1为主要地质参数。
3.2 短波模型
短波常用于远距离通信和广播业务, 主要依靠天波传播。场强计算公式为:
式中:
3.3 超短波模型
超短波主要用于无线电广播和导航业务, 为直线传播。场强的计算公式为:
式中:F (ϑ) 为天线垂直面方向性函数。
3.4 微波模型
微波主要用于电视、雷达和导航业务, 为直线传播。在距天线距离大于2D2/λ (D为辐射体天线的最大孔径尺寸, λ为波长) 的远场区, 天线向外辐射的功率密度为:
式中:F (φ, ϑ) 为天线方向性函数; (φ, ϑ) 是极坐标的仰角和水平角度。
4基于VB和MapX的电磁环境仿真实现
在本文设计中, 采用在VB[6]中集成MapX的方法进行二次开发[7,8]。在此过程中用到了我国某地地图。
图2是程序运行时的一个界面的部分内容, 左面显示设备的名称, 右面显示设备的属性设置。
5结语
基于MapInfo和MapX开发电子地图, 为信息的可视化提供了良好的显示环境, 利用GIS二次开发技术和VB的语言能够实现对电磁环境的仿真分析, 这为新一代战术环境的仿真和指挥员的决策提供了技术支持。
参考文献
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[6]安剑, 孙秀梅.Visusl Basic数据库系统开发自学手册[M].北京:人民邮电出版社, 2008.
[7]MapInfo培训中心.MapX培训教程[EB].[2006-02-03].http://www.cnttr.com.
VB仿真 篇3
在电力传动装置中,晶闸管整流器是最常见的器件之一,由于结构复杂,实验设备价格高,故障排除困难,在教学、设计和维修中常常借用各种仿真工具。因此制作晶闸管整流器特性的仿真软件无论是对科研设计还是对日常教学都具有一定的实用价值。
目前许多文献对晶闸管整流器仿真进行研究,并且利用Flash、Matlab等工具对晶闸管整流器特性进行仿真,它们虽然可以对特性进行仿真但其功能比较单一,不能动态的仿真其特性,实用价值不大。
本文针对这些不足提出使用Visual base对晶闸管整流器特性进行仿真,并给出了仿真方法和仿真结果。
2 晶闸管整流器工作原理
在大功率电力传动装置中,常见器件是三相桥式晶闸管全控整流器,图1是其主电路原理图[1]。
在图1中,6个晶闸管VT1-VT6可以分为共阴极和共阳极两组,有序地触发控制两组晶闸管,构成输入电源对负载供电的6条单相整流回路[2]。为了满足晶闸管保持开通的条件,在自然换相点后才能开始触发。改变触发角α可以调节输出平均电压的大小,α的有效变化范围是0~p/2[3].
3 软件设计环境
由于仿真软件要求具有即有简单的操作界面,又要求具有强大的图形显示功能。在这种情况下,利用VB在开发图形化界面软件方面的优势,采用编程的方式,开发一套用户界面友好功能强大的晶闸管整流器特性仿真软件既经济又实惠。
4 仿真软件功能与系统设计
为了实现软件动态、多参数的仿真晶闸管整流器特性的功能,软件设计了控制界面,交流输入电源波形显示界面,触发器波形显示界面和整流器输出波形显示界面四个模块。控制界面是整个软件的控制单元,通过对控制界面参数的选择,可以控制另外三个模块的显示内容。波形显示界面用于显示各种输出的仿真结果。系统框图如图2所示。
4.1 控制界面
在控制界面中,集中设计了触发脉冲类型选择、负载类型选择、触发角调整、负载阻抗角调整、负载电势角调整和波形显示界面打开等工具。控制界面如图3所示。
控制界面主要用于显示参数的设定,如设定触发角的大小,阻抗角的大小等,即使相同的显示内容在控制面板选择不同的参数显示的波形是不一样的。
4.2 交流输入电源波形显示界面
此界面用来显示交流输入的线电压和相电压。集中设计了9个复选框,可以根据需要选择期中的一个或者几个,用于完成各种类型的相电压和线电压的显示。界面如图4所示
4.3 触发器波形显示界面
此界面用于显示触发脉冲的波形,根据仿真内容集中设计4个复选框,可以选择期中的一个或者几个,当不全选的时候可以完成缺相演示
4.4 整流器输出波形显示界面
此界面用于完成整流器输出波形的显示,界面中设计了三个复选框,通过复选框可以选择要输出的类型如电压输出还是电流输出,也可以一起输出。另外此界面的输出还与触发脉冲显示界面和控制界面的参数选择有关,不同点触发脉冲输出方式和控制界面不同的参数选择将影响本界面的波形输出。由此可以看出仿真软件可以动态、多参数的仿真晶闸管整流器的特性。整流器输出界面如图6所示
5 程序设计
特性仿真编程在控制界面中完成。仿真编程中,在仿真编程中,有许多正弦函数计算。为了减少计算量、加快程序运行速度,软件中设立峰值归一化正弦曲线数组dbl Sin A,在所有仿真程序设计中,所有正弦值计算均从此正弦曲线数组中获得。对于交流输入电源,先由正弦曲线数组dbl Sin A对交流输入电源的公式的输入和输出进行采样,将所得输入输出数据存入一个表中,依据交流输入电流和电压公式定义数组dbl Uix A、dbl Uixy A,根据控制界面参数的选择从表中读取数据并存入这两个数组中供显示调用;对于触发控制规律,将触发规律进行采样并存入表中,根据所生成的表定义自然换相点数组int TPhs0A和改变触发角后的换流相位数组int Rtf TPA,按照所生成的表和自然换相点定义将所需要的数据存入定义的数组中供显示调用;对于整流器的输出,先依据相应公式进行输入输出采样,将所得数据制成表,然后定义数组dbl Rtf UId A,根据控制界面的参数选择,将表中的数据存入定义的数组中,供显示调用。
波形显示编程在显示界面中完成。编程时,将显示程序设计为Public过程[4](即Form的方法)。当图2中的任何一个选择和参数改变时,调用该方法,使波形显示随之进行更新。
波形显示使用Picture Box控件(pic Cur)及其Line方法实现,不同的相序或输出信号使用不同的颜色表示:黄色-A相、绿色-B相、红色-C相。
正弦曲线数组dbl Sin A的计算程序代码及注释如下:
曲线采样以wt为基准,采样间隔取0.1°(p/1800),初始相位为0,数组下标等于wt采样序号,即相位。
Public dbl Sin A(0 To 3600)As Double'定义数组
Public Sub sub Set Sin()'计算归一化正弦曲线
dbl Temp=dbl Pi/1800'将角度转换为弧度
峰值归一化正弦曲线仅取一个周期,但仿真周期数应该有多个,为此定义了一个符号常量cst Wave T确定仿真周期数:
6 结束语
本文介绍了用VB对晶闸管整流器特性进行仿真的方法,通过仿真结果可以看出用VB对晶闸管整流器的特性进行仿真是切实可行的,能够动态多参数的仿真晶闸管整流器的的特性,具有方便直观的特点,可以用于特定的科研设计和日常教学中。
参考文献
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VB仿真 篇4
超声检测是无损检测方向一门十分重要的课程, 需要学生在理论基础与操作能力上有透彻的理解和娴熟的应用。由于超声检测的部分理论知识枯燥艰深, 课堂教学难以让学生建立感性认识, 不容易激发学生的学习兴趣。若建立实验室平台则耗时、耗材。如果对这些重要知识点借助计算机进行仿真教学, 不仅方便经济, 还可以通过修改参数、变换模型, 让学生随时观察到系统模型各变量变化的全过程。这样就使学生的学习过程由感性到理性, 学生将更深刻地理解超声检测技术。可以此为基础, 调动学生进行模拟仿真学习的积极性与参与性, 逐步实施基于工作过程的自主学习型高技能人才培养模式。
目前, 可以实现仿真的软件很多, 基于VB来编写教学仿真系统相对而言直观、灵活。下面笔者将以A型脉冲反射式超声波探伤、超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射以及超声纵波声场三个知识点为例, 介绍VB在超声检测教学中的仿真应用。
A型脉冲反射式超声波探伤
(一) 基本原理
在一定重复频率的同步脉冲信号触发下, 发射电路以相同的重复频率产生高频高压脉冲信号, 该信号激励换能器以相同的重复频率发射同频率的超声波。这种超声波传导于工件中, 遇到不连续性 (包括工件底面) 后产生反射, 该反射回波被换能器接收并转换为电信号, 经接收、放大后传至显示器的垂直偏转板产生垂直偏转。与此同时, 在同步信号的触发下, 时基电路以相同的重复频率产生时基信号, 给显示器的水平偏转板产生时基扫描线。这样, 接收信号的波形便显示于示波屏, 根据示波屏上显示信号的位置、高度和特征, 可判断不连续性的位置、大小和性质。
(二) 仿真系统
探伤平台仿真系统涉及信号发送、超声波工件探伤和接收信号显示三大部分, 如图1所示。信号发送部分包括同步信号、时基电路和发射信号三个演示框。探伤平台部分用蓝色实体方框表示被测工件, 红色实体方框表示换能器 (探头) , 黄色实体方框表示工件内部缺陷, 探头接收到激励信号产生超声波, 传播到工件内部进行探伤, 同时探头经接收电路将微弱的反射信号进行放大处理在显示器部分演示出来, 让缺陷回波信号位置随缺陷埋深的变化而变化。演示平台上还设置了频率、幅值等调节参数, 通过这些参数的变化, 学生可以更深刻地理解超声检测原理。
程序关键部分是超声波激励信号的模拟演示。笔者引用的激励信号为加窗正弦波信号, 表达形式为。其中A表示信号幅值, n为波峰数, fc是中心频率, H (t) 是Heaviside阶梯函数。
部分程序如下:
(三) 教学应用
A型脉冲反射式超声波探伤基本工作原理是较难理解的一个知识点。学生很难把同步信号、时基信号、发射信号等概念以及它们之间的联系掌握清楚。为此, 教学可安排在实训室进行, 一方面, 学生自行演示并操作仿真软件方便理解超声检测设备内部的电路运行情况, 另一方面, 让学生选择检测系统搭建试验平台, 同时在超声探伤仪屏幕上观察检测结果。这样, 让学生将软硬件结合, 动手操作和学习结合, 能极好地调动学生的学习兴趣, 使学生深入理解超声探伤基本工作原理, 为后续实训操作奠定了基础。
超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射
(一) 基本原理
当超声波在某一介质中以入射角倾斜入射到异质界面时, 将会在界面处发生反射、折射和波型转换, 即产生反射纵波和反射横波以及折射纵波和折射横波。入射角与反射角之间以及入射角与折射角之间符合施耐尔定律。通过该定律还可以延伸出临界角的概念。
(二) 仿真系统
如图2所示, 演示平台中包括参数设置和声波传播演示两部分。参数设置涉及两种异质材料和入射角的选择, 确定好异质材料, 右侧的信息栏中将显示出两种介质的纵波速度与横波速度, 有助于学生对材料信息的了解。一旦调节入射角, 用直线条表示的超声波随即在平台部分显示出来, 借助不同颜色区分入射、反射和折射的纵波与横波, 线条的粗细用来表示信号能量的强弱。随着入射角的改变, 反射波与折射波角度亦随之发生变化, 当条件满足, 可以清晰掌握折射角达到90°时波形轨迹的变化, 这会使学生对第一临界角和第二临界角的理解更加深入。程序编制过程需要注意的是当入射角达到第一临界角时, 在介质2中只有横波而无纵波, 此时反射纵波能量加强, 当入射角达到第二临界角时, 在介质2中既没有横波也没有纵波, 反射横波沿界面传播。
(三) 教学应用
这部分是超声检测的重要知识点。在传统教学中, 学生由于不熟悉超声波传播特性, 只能死记公式, 无法灵活运用, 对临界角的概念理解不清。在教学中, 可将仿真软件与练习题相结合, 教师先介绍仿真软件的使用, 随即让学生进行仿真操作, 模拟各种光疏到光密物质、光密到光疏物质的超声波传播情况, 观察第一、第二临界角的产生条件与时机, 同时结合仿真动画理解斯奈尔公式每个参数的含义, 再结合练习题进行公式运用, 之后将公式计算结果在仿真软件中进行验证, 保证了学生全面掌握超声波传播原理与斯奈尔定律。
超声纵波声场
(一) 基本原理
超声换能器向介质中辐射超声波的区域称为声场, 通常用声压分布与声场的指向性来描绘。该声压在极大值和极小值间起伏变化, 最后一个极大值点处与声源的距离称为近场长度, 用N表示, N=D2/4λ。声场能量主要分布在以声轴线为中心的一定角度内, 这种声束集中向一个方向辐射的性质称为声场的指向性, 用指向角或半扩散角θ表示, θ=sin-11.22λ/D。近场长度和半扩散角是描述声场的两个关键要素, 而它们的值主要取决于检测频率和探头晶片尺寸。
(二) 仿真系统
如图3所示, 演示平台包括参数设置和声场演示两部分。晶片尺寸和检测频率通过滚动条调节大小, 从而表现出对声场的影响。演示部分分别用不同颜色表示被检工件、探头、声场, 其中近场区声场不扩散, 而进入远场区声束开始扩散。当分别改变晶片尺寸和检测频率大小时, 可以清晰看到声场中近场长度与扩散情况的变化。由于晶片尺寸和检测频率同时决定声场, 因此在程序中需要用到大量条件嵌套语句。
部分程序如下:
(三) 教学应用
晶片尺寸与检测频率对声场与扩散角的影响以及近场的概念是学生必须掌握的重要知识点。知识点的掌握主要还是对公式的理解与记忆。学生通过设置仿真参数, 模拟各种声场扩散情况, 将仿真动画结果与公式实例分析互相验证, 不仅能对各参数的含义有更深入的理解, 同时将公式运用到实例能真正实现对声场全面的理解。
本文介绍的基于VB实现的教学仿真已经很好地应用于超声检测课程教学, 促进了课堂互动, 极大地改善了教学效果, 强化了学生对知识理解, 得到了一致好评, 值得教学一线的教师尝试和持续改进。目前, 该超声检测课程已成功申报检测技术及应用专业自主学习型高级能人才培养模式实践研究教育教学研究项目, 并已获批深圳职业技术学院校级精品课程。
摘要：基于Visual Basic软件开发环境, 对超声检测课程中三个重要的基本原理进行动画仿真开发并将其应用于实践教学, 以丰富教学内容、提高教学效果。
关键词：VB,动画仿真系统,高职,超声检测
参考文献
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VB仿真 篇5
VB(Visual Basic)是在Windows操作平台下面向对象的可视化编程工具,可用于开发和创建具有图形用户界面的应用程序,其优点是编程简单、界面友好,然而用VB语言实现复杂算法的工作量非常庞大。MATLAB中包含Simulink及电力系统仿真模块集SimPowerSystems Blockset(以下简称SPS),可利用它构建简单电力系统(如单机—无穷大系统)的Simulink模型对功角稳定性问题及提高功角稳定性的措施进行仿真分析。但一方面限于MATLAB软件自身缺陷,利用SPS所搭建的仿真模型不能脱离MATLAB集成环境运行,用户界面不够友好;另一方面SPS采用三线图法构建Simulink模型,较为繁琐复杂,不符合国内研究习惯。因此可将MATLAB强大的计算功能和VB强大的图形用户界面功能结合起来,实现二者的无缝集成,可使仿真分析过程操作简单、更加灵活方便。
2 单机—无穷大系统功角稳定性的MATLAB动态仿真
由于电力系统稳定性问题最初出现在远距离输电线路上,故可用单台发电机经过线路与无穷大功率母线相连的单机—无穷大系统来进行研究。另一方面单机—无穷大系统不存在电压稳定性问题,是一个纯功角稳定性问题。
运用MATLAB SPS提供的元件模块构建一个单机—无穷大系统的Simulink仿真模型,如图1所示,系统频率取60Hz,各元件参数详见文献[1];自动电压调节器AVR(IEEE1型)采用MATLAB提供的默认值(其中调节器放大倍数Ka=300,时间常数Ta=0.001s),电力系统稳定器PSS的参数亦采用默认值。由于研究的是电力系统稳定性问题,动态仿真时采用只考虑机电暂态过程的相量法(Phasors),并将单机—无穷大系统中的发电机G设为PV节点。
运用图1所示的Simulink模型可进行单机—无穷大系统的小扰动和大扰动下的功角稳定性动态仿真研究,现说明对电力系统功角稳定性有影响的包括扰动及自动装置动作在内的各类事件的具体设置情况。
2.1 小扰动功角稳定性仿真
分别设置以下两种小扰动功角稳定性仿真情况:
1)设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,机端电压参考值Vref在1s时发生一个3%的正阶跃,即从1pu阶跃至1.03pu;分别对不带PSS的AVR和带PSS的AVR的使用效果进行仿真。
2)设置稳态运行时发电机有功出力为0.85pu,机端电压参考值Vref保持1.05pu,设置发电机机械功率Pm在1s时发生一个约1%的正阶跃,即从扰动前的0.8517pu阶跃至0.86pu;分别对不带PSS的AVR和带PSS的AVR的使用效果进行仿真。
2.2 大扰动功角稳定性仿真
由于发生大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额(即加速功率Pm-Pe)是导致系统暂态稳定破坏的主要原因,因此减少大扰动后发电机的加速功率是首先考虑的措施[2]。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的,现在图1的基础上对提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施进行仿真分析,包括快速切除故障、AVR及PSS、故障限流器、自动重合闸等。现设置线路L2出口处发生短路故障作为对系统的大扰动事件,短路故障的类型和发生及切除时间可由短路故障发生器(Three-Phase Fault)模块进行设置。分别设置以下四种大扰动功角稳定性仿真情况(发电机机端电压保持1.05pu):
1)AVR和PSS使用效果仿真
设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,设在1s时线路L2出口处发生三相短路,在1.07s时切除故障(快切除故障),对恒定励磁电压Efd、不带PSS的AVR和附加PSS的AVR三种励磁控制型式下的运行效果分别进行仿真。
2)切除故障时间对稳定性的影响仿真
设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,设在1s时线路L2出口处发生三相短路,在1.3s时切除故障(慢切除故障),对恒定励磁电压Efd、不带PSS的AVR和附加PSS的AVR三种励磁控制型式下的运行效果分别进行仿真。
3)FCL使用效果仿真
设置稳态运行时发电机有功出力为0.75pu,故障限流器FCL(Fault Current Limiter)可快速限制短路电流、提高系统的暂态稳定性。现在线路L2首端装设FCL,采用文献[3]提出的FCL的机电暂态模型,令XL=20Ohms。
设在1s时线路L2出口处发生三相短路,1.3s时切除故障(慢切除故障),分别对无FCL和投入FCL时的效果进行仿真,FCL的投入时间为1.005s。仿真时投入AVR和PSS。
4)自动重合闸使用效果仿真
采用自动重合闸不但可以提高供电可靠性,也能有效地提高暂态稳定性。高压架空线路以发生瞬时性单相接地短路故障居多(占线路故障的70%～80%),因此往往使用单相重合闸。和三相重合闸相比,单相重合闸只切除故障相而非三相,因此在从切除故障相到重合闸前的一段时间内,送电端的发电机与受电端并未完全失去联系,故可提高系统的暂态稳定性。单相重合闸特别适于仅有一回主干线将两系统相连或将一个发电厂与系统其他部分相连的情况[4]。
现在图1所示系统的基础上,切除输电线路L1,仅剩L2单回线路运行,设置稳态运行时发电机有功出力为0.3pu。设在1s时线路L2出口处发生A相接地短路,分别对无重合闸、投入三相重合闸和投入单相重合闸的效果进行仿真。设1.07s时切除L2的三相(或A相),2.07s时重合三相(或A相),仿真时投入AVR,不投入PSS。线路的切除和重合通过对断路器Breaker的开断和闭合时间的设置来实现。
动态仿真时可通过示波器(Scope)得到发电机功角、转速、电磁功率、机端电压等扰动响应曲线,但在不同的事件设置下进行仿真时,需要手动重新设置Simulink模型中有关元件的参数,较为不便;同时不同情况下的扰动响应曲线不能在同一个示波器中同时出现,不便于进行比较研究。
3 MATLAB和VB无缝集成的功角稳定仿真研究
MATLAB与VB的集成方法有多种,本文采用借助ActiveX部件进行集成的方法。ActiveX自动化协议是一种允许一个应用程序(控制端)去控制另一个应用程序(服务器端)的协议。MATLAB提供了一个自动化对象,其外部名称为“Matlab.Application”,它支持COM技术。由于VB支持ActiveX自动化控制端协议,MATLAB支持ActiveX自动化服务器端协议,因此如果已经建立了一个VB应用程序和MATLAB之间的Active X自动化连接,那么这个VB应用程序就可以调用MATLAB的命令、从MATLAB Workspace存取矩阵等[5]。本文采用ActiveX部件的方法,从VB中传递仿真命令给MATLAB执行;然后借助动态数据交换DDE技术绘制出不同情况下的扰动响应曲线。VB界面见图2所示,由两个PictureBox来显示图形,其中一个显示电力系统原理接线单线图;另一个显示MATLAB动态仿真结果曲线(发电机功角响应曲线)。7个Command按钮中前6个是执行键,分别对应前述的小扰动和大扰动下的6种仿真情况,第7个是结束仿真键(系统退出键)。按下某个执行键时,会弹出一个事件设置提示窗口,以告之单机—无穷大系统发生事件的具体设置情况。
3.1 程序代码
现以机端电压参考值Vref产生一个3%的正阶跃,即从1pu阶跃至1.03pu的第1种小扰动为例,给出MATLAB与VB的接口程序代码。
在Command1的单击事件中加入下列代码:
其中smibxr1_avr和smibxr1_avr_pss分别是第1种小扰动下不带PSS的AVR和带PSS的AVR的Simulink模型名,xr1_avr和xr1_avr_pss分别是不带PSS的AVR和带PSS的AVR时的发电机功角仿真数据存于Workspace的矩阵名。在编程时考虑了将不同情况下的仿真曲线进行比较研究的需要。
3.2 仿真结果分析
不必打开MATLAB和VB,直接运行VB生成的EXE文件,即可打开图2所示的仿真界面。依次按下图2中的前6个Command按钮,即可依次获得6种事件设置情况下的发电机功角响应曲线,见图3所示。现对仿真结果分析如下:
1)由图3(a)、(b)可知,由于系统输电线路处于重载运行且发电机采用高顶值电压的快速励磁系统,在小扰动下极易发生低频振荡。励磁系统(AVR)虽可增加发电机的稳定极限,但其控制效果是有限的;甚至当系统呈现负阻尼特性时,高放大倍数的快速励磁系统通常会增大负阻尼,从而恶化系统的运行情况,如图3(b)所示;而通过给高放大倍数的快速励磁系统引入PSS信号能够使系统的阻尼得到加强,可有效抑制小扰动引发的低频振荡[6]。
2)由图3(c)可知,在系统发生大扰动后快速切除故障时,对于恒定Efd,系统暂态稳定,但振荡阻尼水平较低;高放大倍数的快速励磁系统(不带PSS的AVR)能大大降低转子角的第一摆,但后续摇摆呈负阻尼;附加了PSS后,系统在降低第一摆的同时振荡阻尼水平也显著提高。可见采用高顶值电压的快速励磁系统和安装PSS对于提高全系统的稳定性是有益的[4]。由图3(d)可知,当慢切除故障时,不论在何种励磁控制型式下转子角都将逐步增大(不带PSS和带PSS的AVR时的仿真曲线在仿真时间内相重合),并迅速超过180°,系统失去稳定。对比图3(c)和(d),可见快速切除故障对于提高电力系统暂态稳定性有着决定性的作用[2]。
3)由图3(e)可知,在系统发生大扰动后,在采用FCL的情况下,即使慢切除故障,系统仍能保持暂态稳定性。可见采用故障限流器对于提高系统的暂态稳定性是非常有益的。
4)由图3(f)可知,在发电机采用不带PSS的AVR的情况下,发生大扰动后,未采用自动重合闸和采用三相重合闸时发电机功角曲线在仿真时间内相重合,由于功角超过了180°,系统失去稳定;而采用单相重合闸时系统能很快进入稳定状态,可见仅断开和重合线路故障相时的暂态稳定性比断开和重合三相时要高。
4 结束语
本文运用MATLAB SPS和VB建立了单机—无穷大系统的小扰动和大扰动功角稳定性无缝集成仿真系统,并对仿真的结果进行了简要分析。运用MATLAB和VB混合编程的方法,结合了MATLAB电力系统仿真模块集SPS的专业性和VB强大的图形用户界面的优势,为开发高水平的《电力系统分析》课程的CAI提供了强有力的手段。
参考文献
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VB仿真 篇6
有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术。目前世界上机械采油井数已超过总生产井数的90%以上,80%左右的机械采油井都采用有杆泵抽油模式;我国则有80%左右的生产井是采用有杆泵抽油模式,随着各主要油田相继进入中后期开发阶段,深部油层和难动用油藏也逐渐投入开发,这个比例还将呈上升趋势。
在有杆泵抽油系统中,光杆起升系统是其关键组件之一,简图如图1所示。光杆起升系统起升杆柱过程中,光杆起升系统由液压马达直接驱动滚筒主轴,带动滚筒旋转,使得钢丝绳在滚筒上一次次地缠绕、拉紧,提升游车和大钩系统,由于抽油杆柱与大钩相连,从而起升抽油杆柱。
起升系统的工作特点是间歇、重复和循环。频繁的启动、制动过程中,机构和结构承受着强烈的冲击振动。在起升系统设计的动力选择、机构设计和零部件设计等仍多是以动载系数来考虑动力载荷的影响而采用静力计算方法的。动载系数是指在起升或下放光杆及杆柱过程中出现的短时尖峰载荷与稳定载荷之比,动载系数表明在起升或下放过程中,起升系统部件里可能出现的最大载荷高出静载荷的倍数,据此确定起升系统的载荷情况,作为强度设计的依据。
1 建模[1,2]
对于由绞车、井架、天车、游车、钢丝绳、大钩和其它辅助设备组成的这样一个多级传动的光杆起升系统,研究时对其进行必要的质量集中和简化,建立起多质量多自由度的动力学模型。
建立仿真模型时,作如下假设:
1)不考虑起升系统中轴的横向振动,只考虑它的扭转振动;
2)不考虑钢丝绳与滑轮接触段的钢丝绳弹性及摩擦损失;
3)钢丝绳缠绕在滚筒上,假定钢丝绳在滑轮槽中不打滑;
4)井架等效为等直弹性杆;
5)忽略了起升系统中各转动构件扭转对液压马达机械特性的反馈影响。
利用质量集中法可以将起升系统各部件折算为:把滚筒主轴和滚筒集中为质量Ma,简称滚筒主轴;把天车架和天车简化为质量M1,简称天车;把游车、大钩折算为质量M2,简称游车;把要起升的杆柱折算为质量M3,简称吊重。
其中,J:绞车的等效转动惯量,Kg·m2;m1:天车的质量,Kg;m2:游车和大钩的质量,Kg;m3:起升杆件质量,Kg;K1:井架刚度,N/m;K2:滑轮组钢丝绳的刚度,N/m;K3:大钩的刚度,N/m;C1:井架的等效阻尼系数,N·s/m;C2:钢丝绳的等效阻尼系数,N·s/m;C3:大钩的等效阻尼系数,N·s/m;Ma:液压马达对绞车的驱动力矩,N·m;Mf:滚筒主轴的运动阻力矩(是滚筒主轴的等效阻尼系数,N·s/rad),N.m;θ:J的转角,rad;x1:m1的线位移,m;x2:m2的线位移,m;x3:m3的线位移,m;r:滚筒半径,m;n:滑轮组倍率。
开始起升工况下,利用隔离体分析法,可建立起下列振动微分方程:
写成矩阵形式:
式中
2 动力学仿真计算
由于VB软件具有可视化的设计平台,而Matlab工程计算功能十分强大,本文选择VB结合Matlab的方式进行动力学方程的求解。
2.1 求解光杆起升系统的固有频率和振型
由于M和K均为正定矩阵,所以,所建模型是正定系统。利用MATLAB软件求M,K的广义特征值矩阵和特征向量矩阵。
由式(8)可以求出M,K的广义特征值矩阵D和特征向量矩阵Φ。
广义特征值和固有频率有如下关系:
由式(8)和式(9)可以求出起升系统各阶固有频率和对应的主振型。
2.2 利用模态叠加法求解光杆起升系统的动态响应
根据开始起升工况下的初始条件t=0:x(0)和和相对阻尼系数ζ,可求出瞬态响应。把动力学方程化简成龙格-库塔方法要求的格式,利用四阶龙格-库塔方法,分别对各个解耦过的方程进行求解,这样可以求出主坐标下的动力学系统的稳态响应。最后将瞬态响应和稳态响应在各个坐标上分别叠加,就可以求出所建起升系统动力学模型的响应。
3 仿真程序实现及仿真结果
利用VB和Matlab编制动力学仿真软件,仿真结果如下所示。
3.1 模态分析结果
和表1数据相比,可以看出,起升系统工作频率远离系统的各阶固有频率,说明工作时不会发生共振现象,且偏于安全,由各阶振型可以看出,起升系统整体的刚度和质量分布较为均衡,无明显的薄弱部位和过剩部位,这些都有利于整个光杆起升系统的动力学性能。
3.2 仿真计算及结果分析
经过仿真计算,可得起升系统开始起升工况下的载荷曲线、最大动载和动载系数。图7~图10为光杆起升系统开始起升工况下滚筒主轴、井架、钢丝绳和大钩的载荷曲线。表2所列为开始起升工况下滚筒主轴、井架、钢丝绳和大钩的最大动载和动载系数。
由图7所示,滚筒主轴上的扭矩随液压马达传递扭矩的增大而增大,由于液压马达转速低,并且运行平稳,所以,滚筒主轴没有太大的振动载荷。由图9和图10所示,大钩和钢丝绳的动载曲线在起升过程中的变化与滚筒主轴类似。
由表2所示,开始起升工况下动载系数较大,这是因为,钢绳拉紧的那一刻,起升系统各部件都已经有了初速度,瞬间加载,就会有相当大的冲击力。
由表2,可以看出,起升速度越高,则滚筒主轴部分的动载荷越大,动载系数也随之增大,滚筒主轴以后部件的动载和动载系数也随起升速度的提高而增大。
3.3 参数对性能的影响
为了研究各输入参数对光杆起升系统动力学性能的影响情况,通过程序可以计算各输入参数按照一定步长改变时对起升系统重要性能参数的影响情况,如动载系数等。经过综合分析,决定选取井架刚度k1、滑轮组钢丝绳刚度k2、大钩刚度k3、天车质量m1、游车质量m2、大钩质量m3和阻尼系数A(A=B)等输入参数为研究对象,表3为各输入变量的初始值和计算步长,步数为5步,仍以开始起升工况为例,表4~表7为所选各输入变量对滚筒主轴、井架、钢丝绳和大钩动载系数的影响数据表格。
由表4~表7可以看出输入参数对光杆起升系统各部件动载系数的影响情况,对起升系统各部件动载系数影响较大的是:k1、k2、m2和A。因而在机构改造或优化设计时,应合理选择设计变量,从而以较低的改造成本获得较佳的起升系统性能。
4 结论
根据仿真结果,可得出以下结论:
1)光杆起升系统固有频率远离抽油机各部件工作频率,不会发生共振,起升系统整体的刚度和质量分布较为均衡,无明显的薄弱部位和过剩部位;
2)动载系数随起升和下放速度的增大而增大,速度越高,变化越快;
3)由输入参数对动载系数的影响表格数据,可以看出,对动载系数影响较大的参数有k1、k2、m2和A。
以上分析结果可以为光杆起升系统零部件的设计提供动力学方面的理论依据,对系统的优化设计也具有一定的指导意义。
摘要：本文建立了光杆起升系统的动力学模型,并对其进行仿真计算。给出了起升系统的各阶固有频率及相应的主振型,给出了开始起升工况下起升系统各部件的载荷曲线、最大动载和动载系数,分析了各输入参数对动载系数的影响。以上理论分析,能为光杆起升系统的优化设计提供一定的理论依据。
关键词：光杆,起升系统,动力学仿真
参考文献
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VB仿真 篇7
关键词：VB+ANSYS,W型辐射管,参数化建模,有限元计算
0 引言
当被加热工件需要与燃烧环境隔离时,通常采用辐射管作为加热装置[1]。W型辐射管的工作原理是燃料在密封的辐射套管内燃烧,辐射管表面施加热后主要以热辐射的形式把热量传递给被加热工件,由于燃烧产物不与工件接触,所以不会造成燃烧气氛对工件的氧化或烧损[2]。辐射管在850℃——1080℃的高温恶劣环境下长期连续工作,在交变热应力和自重的共同作用下,易发生弯曲疲劳损坏及蠕变变形破坏,造成辐射管失效。辐射管由于应力破坏而导致的失效仍然是工业中一个备受关注的问题[3]。因此必须合理地设计辐射管的结构和改善管体的材质,优化辐射管管内燃烧状态等。
本文所述的W型辐射管采用ANSYS进行仿真力学行为仿真研究,这就意味着辐射管结构每发生一次变化,整个模型就要重新建立一次,大大降低了辐射管的开发研究效率。为了减少了不必要的麻烦,避免复杂的英文界面和繁琐的分析步骤对使用者的专业水平和分析经验提出比较高的要求,笔者利用VB与ANSYS的连接功能,将实际工程问题:W型辐射管的材料选取,参数化建模、加载求解以及结果显示的软件操作过程封装起来,建立了辐射管的快速设计和性能仿真分析软件平台。软件界面操作简单,直观,大大提高了设计辐射管的水平和效率。
1 关键技术
1 1 VB与ANSYS的接口问题
若实现VB与ANSYS的连接,需要用到VB的shell函数,该函数用于执行某个可执行文件,包括*.exe文件、*.com文件以及*.bat文件[4]。使用shell函数调用主程序的关键代码如下:
其中ANSYS140.exe为ANSYS的可执行文件,ane3fl为ANSYS产品的特征代码,代码产品ANSYS Multiphysics。-b代表ANSYS环境为Batch环境。-i代表输入,in.txt为输入的命令流文件,默认位置为当前VB的工作目录。-o代表输出,jieguo.txt为结果文件,默认环境为当前VB的工作目录。如果不希望输入以及输出文件在VB工作目录里,可以指定它们的具体位置,如代码:
1.2 ANSY中结果数据的提取和输出
要在VB里查看ANSYA结果图片需要在ANSYS的输入文件命令流里添加结果提取以及结果云图的输出命令。命令如下:
输出的第一张结果图片,名称为file000.jpg。当输出图片命令再次执行时,图片名称为file001.jpg.以此类推,每执行一次图片输出命令,图片编号自动增加1。
1.3 VB对ANSYS计算完成有否的判断
VB对ANSYS计算是否完成可以根据结果图片的生成与否来判断。当结果图片已经生成则说明ANSYS计算已经完成。代码如下:
在执行此代码之前必须清除已有的file000.jpg,保证现存的file000.jpg是此次ANSYS计算生成的新的图片,否则会造成判断失误。清除图片的命令流如下:
VB在执行shell函数时,有一个弊端,即有可能shell函数里的可执行程序还没有执行完成,就开始执行shell函数下面的语句,尤其是当可执行程序比较耗费时间时,这种情况时有发生,从而造成错误结果。为了避免这种情况的发生,在shell函数的下面添加如下代码:
时钟控件的作用就是延时,当延迟达到规定时间才会执行其以下代码,所以在判断结果文件的生成与否之前,先对shell函数进行延时,给其内部的可执行程序留下足够的时间。
1.4 窗体的调用
开发W型辐射管的专用软件需要多个窗体,比如材料参数输入窗体,参数化建模窗体,结果图片显示窗体。窗体之间的相互调用也是一个必须解决的问题。窗体调用使用load语句,具体代码如下:
2 工程实际应用
本文以W型辐射管为例,参数化建模并进行有限元分析。用户可以根据VB提供的界面一步步完成参数的输入,最后求解,并进行结果显示。界面如图1,图2,图3,图4所示。
3 结论
使用VB和ANSYS开发了W型辐射管的专用设计分析软件,为W型辐射管的进一步研究开发提供了便捷。一般的工作人员只要按照界面提示就可以轻松完成辐射管的材料选择以及参数化建模,并可观察到所建模型的有限元分析结果。软件界面非常简洁,直观,有效地提高了W型辐射管设计分析效率。
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