数字建模与仿真（精选12篇）
数字建模与仿真 篇1
当今世界已进入高度信息化时代, 对数据通信的需求不断增长, 数字通信具有抗干扰能力强、传输差错可控、易于与现代技术结合、灵活性强等优点。数字信号的传输方式分为基带传输和频带传输, 由于从消息变换过来的数字基带信号具有频率较低的频谱分量, 因此这种信号不适合直接传输, 通常在发送端使用高频载波对基带信号进行调制, 将基带信号的频谱搬移到给定信号的通带内, 然后在接收端进行解调, 实现将已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、效率高、灵活等优点, 适用于通信系统的仿真。文中在高斯白噪声条件下, 利用Simulink实现了2ASK调制解调系统的建模仿真, 分析了2ASK系统的抗噪性能, 并比较了相干解调与非相干解调方式的优劣。
1 基本原理
2ASK调制系统包括调制和解调两部分。在数字调制中, 高频载波作为一个载体来运载基带信号进行传输, 这与冰块为防止在长距离的运输出现损耗借助货车运输相类似, 如图1所示。在实际中, 2ASK数字调制的实现是用基带信号控制载波的幅度变化来传输数字信号, 幅值用“0”或“1”来表示, 其中“0”表示无载波传输, “1”表示传输载波。数字调制技术有模拟调制法和数字键控法两种, 这里采用模拟调制法, 其原理如图2所示, 即将基带信号视为模拟信号与载波信号相乘获得调制信号, 其表达式为y (t) =m (t) coswct, 其中coswct为载波, m (t) 为基带信号。
数字解调是将基带信号从载波上卸载下来, 这就类似于图3冰块在到达目的地时从货车上卸载下来, 获得要传送的原冰块。数字解调常用的两种方法是相干解调和非相干解调 (包络检波法) , 如图4所示。其中 (a) 为相干解调法, 接收端接收到的信号再通过带通滤波器获得完整信号后, 与本地载波相乘得z (t) =y (t) coswct=m (t) cos2wct=0.5m (t) +0.5m (t) cos 2wct, 通过低通滤波器滤除高次杂波, 再通过抽样判决再生获得输出序列。 (b) 为非相干解调法, 是通过整流器获得其二进制包络, 然后通过低通滤波器、抽样判决再生获得输出序列。
2 2ASK系统的建模仿真
利用Simulink建立的2ASK传输系统模型如图5所示, 调制的实现主要通过伯努利二进制发生器Bernoulli Binary Generator、正弦波发生器Sin Wave Generator和相乘器Product Generator来完成, 信道中的噪声由高斯白噪声发生器Gaussian Noise Generator产生, 并通过加法器Add Generator获得带有噪声干扰的信号, 最后分别通过相干解调模块和非相干解调模块恢复基带信号。
在调制端产生的已调信号波形如图6 (a) 所示, 从上至下依次分别为基带信号m (t) 、本地载波cos wt、调制信号y (t) 、添加高斯白噪声的调制信号y' (t) 、通过带通滤波器后的信号y'' (t) 。解调端分为相干解调和非相干解调两部分, 相干解调部分的波形如图6 (b) 所示, 从上至下依次分别为本地载波相乘后的y (t) *coswct、通过低通滤波器后的波形z (t) 、经过抽样判决器的波形z' (t) 、经过零阶保持器后还原的波形m (t) ;非相干解调部分的波形如图6 (c) 所示, 从上至下依次分别包括由整流器获取包络|y' (t) |, 经由低通滤波器获得基带信号z2 (t) , 再经由抽样判决器获得信号z2' (t) 。
3 抗噪性能分析
在图5中可以观察到噪声方差对误码率的影响 (设传输总码元个数为1001) 如表1所示。从表1中一方面可以看出噪声方差越大, 误码率越高, 即验证了信噪比的提高可以通过噪声方差的减小来实现的理论;另一方面可以看出相干解调在一定范围内保持一定的误码率, 相对于非相干解调具有较低的误码率, 即验证了在2ASK系统中, 相干解调的抗噪声性能优于非相干解调的理论。
4 结论
文中完成了基于Simulink的2ASK调制解调系统的建模仿真, 仿真结果表明, 在理想条件及噪声较小时, 该系统可以实现信号的无差错传输, 从而保证系统的正常工作。通过对误码率的分析得到降低噪声方差可以降低误码率以及相干解调抗噪声性能优于非相干解调2个结论, 与理论结果相符, 该仿真模型具有一定的应用价值。
摘要：2ASK信号的调制解调在数字调制技术中占有重要地位。文中使用Simulink实现了高斯白噪声条件下2ASK调制系统的建模与仿真。该系统可以灵活的同时实现两种解调方式, 并得到波形、误码率等关键数据。仿真结果表明, 噪声方差的减小可以提高系统信噪比, 相干解调方式的抗噪性能优于非相干解调方式。
关键词：2ASK,运冰模型,误码率,调制,解调,Simulink
参考文献
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[4]雷欣.基于MATLAB的2ASK数字调制与解调的系统仿真[J].电脑知识与技术, 2010, 6 (24)
数字建模与仿真 篇2
一、制造系统建模与仿真的含义
1．制造系统
制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将制造资源转变为产品或半成品的输入／输出系统，它涉及产品生命周期(包括市场分析、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务及回收处理等)的全过程或部分环节。其中，硬件包括厂房、生产设备、工具、刀具、计算机及网络等；软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)、管理方法、制造信息及其有关的软件系统等；制造资源包括狭义制造资源和广义制造资源；狭义制造资源主要指物能资源，包括原材料、坯件、半成品、能源等；广义制造资源还包括硬件、软件、人员等。随着科技的进步，制造系统的发展也经历了传统手工生产、机械化、自动化孤岛、集成制造、并行工程和敏捷制造等几个阶段。
2．模型与仿真
模型是对真实对象和真实关系中那些有用的和让人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述。它以各种可用的形式描述被研究系统的信息。系统模型并不是对真实系统的完全复现，而是对系统的抽象，而仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的，当制造系统尚未建立或者研究时间长成本高以及从安全性考虑我们有必要对制造系统预先进行建模并仿真以确定系统的最佳结构和配置方案、防止较大的经济损失、确定合理高效的作业计划，从而提高经济效益。
制造系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的制造系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术。
二、系统建模与仿真的发展及类型
1． 系统建模与仿真的发展大致经历了这么几个阶段：1600—1940年左右，这一时期的建模仿真主要是在物理科学基础上的建模；20世纪40年代，由于电子计算机的出现，建模仿真技术开始飞速发展；20世纪50年代中期，建模仿真开始应用与航空领域；20世纪60年代，这一阶段主要是工业控制过程中的仿真；20世纪70年代，开始出现了包括经济、社会和环境因素的大系统仿真。到70年代中期，出现了系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统。在这一时期，系统仿真开始与更高级的决策结合，出现了决策支持系统DSS；20世纪80年代中期，出现了如美国Pritsker公司TESS建模仿真系统的集成化建模与仿真环境；20世纪90年代开始，建模仿真开始朝着可视化建模仿真、虚拟现实仿真和分布式交互仿真的方向发展。
2． 系统建模与仿真的类型：
根据模型的种类分为：
a.物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。（静态、动态，如房屋建筑模型，输送系统模型）b.数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学模型。理论上讲，数学仿真可以全面解决实际问题，但实际上数学模型的描述很难实现。
c.半物理仿真：将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。（简单部分建数学模型，复杂部分建物理模型）
根据系统模型的特性分类：
a.连续系统：指系统状态随时间连续变化的系统。例：电路系统、机械动力系统、生态系统、物理和工程领域的场问题。这类问题一般可以用微分方程来进行描述。
b.离散系统：指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。如理发馆（顾客、理发师）系统的内部状态变化是随机的，因此很难用函数形式来描述系统内部状态的变化，更关心系统内部状态变化的统计规律。制造和物流领域的大多数系统属于离散事件系统。
三、制造系统建模与仿真的建立方法
1． 基于框图的系统逻辑建模
这种方法具有结构简单，可视性强的特点框图基本构成主要有：框架（表示生产活动的区域，如生产系统的生产单元、储存仓库、办公室区域）、连线、菱形框（表示生产运作的判断控制，如质量检验、设备检查、作业控制等），对于庞大、结构复杂的系统这种方法会暴露出能力有限的缺点。
2． 基于petri网技术的系统仿真建模方法
Petri网理论是一种基于系统运行逻辑的仿真建模方法。最先用于控制技术，对控制的逻辑进行建模，现在逐步为生产系统的仿真建模所运用。Petri网的基本构成主要是：库所（相当于生产系统中的仓库或在制品缓冲区）、变迁（相当于生产系统中的生产加工）、流关系（相当于生产系统中的生产计划或调度指令）。它的优点是对系统进行逻辑上的理论分析，通过状态变量来表述系统的变化，因此可以对系统可达的状态、发生的冲突、并发等现象进行理论上的分析。但也存在系统建模较复杂，仿真运算较复杂等问题。
3． 基于多色集合的系统仿真建模方法
俄罗斯的V.V.Pavlov教授1988年提出了多色图的概念，1995年提出了多色集合的概念，2002年提出了多色集合的体系结构。以巴甫洛夫教授为代表的使用多色集合的表示性质的统一标准数学模型来进行系统的仿真，这些性质不取决于仿真对象的内容。仿真系统更加具有柔性，并且很方便用于编程。由于存在形式相同的数学模型，该方向在问题的形式化研究方面前进了一步，具有明显的优势，这是该方法的一个优点，也是它在理论上的一个贡献。现在该方向已成为了俄罗斯该领域研究的主流方向。多色集合理论是一种新的信息处理数学工具。目前欧美国家的学者对这一理论了解较少。对国内来说，多色集合理论既是一新的，又是非常有发展前途的信息处理数学工具。由于诞生时间不长，进一步研究和应用的空间很大。
4． 基于flexsim的系统建模仿真
Flexsim是一款实时三维仿真软件，它是一款完全面向对象的仿真软件。运用Flexsim系统仿真软件，可以在计算机内建立研究对象的系统三维模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计和改造方案。目前，Flexsim软件已经在制造及物流领域里成功地进行了多种系统的建模与仿真分析，如配送中心的拣选仿真、仓库出入库的仿真、产品仓库分拣仿真、生产物流系统仿真、集装箱码头仿真和机场物流仿真等。
四、制造系统建模与仿真的意义
当今的制造系统是集现代机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应用，由于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。所以在制造系统的设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案，以保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的经济性、柔性和可靠性，又能有效防止较大的经济损失；在制造过程阶段，通过仿真可以预测系统在不同调度下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而能充分发挥制造系统的生产能力，提高经济效益。
在仿真中，建模是关键。模型是进行仿真的基础，仿真主要是对模型在计算机上进行试验。基于这种原因，我们在分析产品制造中所涉及的模型，以模型分类为基础描述仿真的内容。就产品制造中所涉及的模型大致可分为三类：产品模型、制造系统模型和开发(包括设计、制造和测试)过程模型。它们之间的关系是：产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模型则是产品开发受到的各种约束，开发模型是产品开发的使能器，也是对产品开发活动进行管理和控制的基础。当今，产品模型已从二维工程图到三维实体几何造型。针对三维产品集成定义模型，人们可以对产品进行物理性能、可制造性、可装配性等方面的仿真。通过引入并行工程，使得产品自设计开始就涉及到产品的概念设计到消亡整个产品生命周期里的所有因素，包括质量、成本、作业调度和用户需求。开发过程的仿真已从起初的加工对象在加工过程的仿真转移到对整个制造过程的建模和仿真，仿真内容包括控制策略、库存水平、负载能力等。随着并行工程的应用，使得人们将注意力从单纯的制造过程转移到设计过程方面来，更加注重设计过程和制造过程的一体化。
MIMO信道建模仿真与容量研究 篇3
关键词：MIMO 信道容量；信道模型；信道建模；仿真；镜像法
MIMO的优势在频谱资源日益匮乏的今天显得很重要，MIMO无线通信技术是天线分集合空时处理相结合的产物，具有二者的优越性，其在发送端和接收端均采用多天线单元，利用无线信道的多径传播，因势利导来开发空间资源，建立了空间并行信道传输信号，使得能够实现在不增加带宽和发射功率的情况下能成倍的提高无线通信的质量和数据速率。Foschini在1996年的一篇文章里首次给出：如果用于描述具有N副发射天线和M副接收天线的无线链路的M×N信道矩阵的元素是完全独立衰落的，则该系统的容量随最小天线数目的增长而线性的增长。在这些并行子信道上同时发送N路子数据流，各发送信号占用同一频带，不用增加额外的带宽，有效的提高了频谱资源的利用率。
MIMO信道的建模方法有很多，主要的建模方法可以分为两大类：一类为确定性建模方法；另一类为基于统计特征的统计性建模方法。确定性建模方法常被用于进行小区规划。确定性建模的实现方法常用基于几何光学和一致性几何绕射理论的射线跟踪技术。射线跟踪的基本思想：将发射点看做电源，其发射的电磁波作为向各个方向传输的射线，对每条射线进行跟踪，遇到障碍物按反射、折射或者绕射理论来进行场强的计算，在接收点将能到达的有效的各射线合并，从而实现传播预测。射线跟踪技术还可以结合天线的辐射图，分别的考虑辐射图对每条射线的影响。在射线跟踪技术中最重要的就是射线路径的确定，而利用镜像法可以简单有效的解决这个问题，比较适用于室内无线传播的环境，这也是本文选自镜像法的原因，本文研究的基础就是射线跟踪中的镜像法。
1基本原理介绍
1.1镜像原理
镜像方法的思想就是在所有看得见的建筑物的表面建立源的镜像，然后将镜像本身当作次级源，也在其能看得见的全部建筑物的表面成像，产生新的二次镜像点，然后，依次再将将二次镜像点作为源重复上述的过程找下一级的镜像点，直到满足所需要的反射的次数。
在求得镜像点的时候，需要加以限制，如果没有限制，将会产生无穷多的镜像点，已经有理论证明：取3次反射就能够反应出室内环境的信道特征，得到足够准确的信道容量参数，当反射的次数大于3之后，容量增加的幅度很小，而且运算量大幅度的增加，所以本文中仿真的过程也只计算到三级镜像点。
1.2 确定射线路径
得到3次反射的全部镜像点之后，需要判断镜像点的有效性，所用的方法就是判断交点是否在镜面上，如果在镜面的延长面上则判为镜像点无效，相应的路径就要去除。下面以接收点和三次镜像点为例说明。
建立直角坐标系，得到接收点S和三次镜像点O的坐标，相应的得到S和O的矢径分别为2，则由点S和点O所确定的射线上的任意一点的矢径的表达式为t≥0)， 设镜面所在平面的一般方程设为Ax+By+Cz+D=0，平面的单位法向量和原点到此平面的距离d就可以得到，再设平面上任一点坐标为(x，y，z)对应的矢径为，则平面的方程用矢量表示为0时，射线与平面有交点，可以求得交点坐标
(1)
如果0 1.3 进行极化处理求场强 假设反射点处反射前、后的电场强度分别为i和r，平行和垂直于入射平面的单位矢量分别为和，则入射波可以分解为根据菲涅尔反射定律可以求得平行极化波和垂直极化波的反射系数分别用和表示，则反射点处的反射电场可以表示为 (3) 1.4 容量的归一化处理 在用射线追踪方法进行计算时，必须进行归一化的处理，目的是为了平衡距离因素引起的容量损失，具体过程为：先求hij，hije·e-j，为每条有效射线到达接收点的功率值，θl为由反射引起的相位变化，fc为载波的频率，τl为有效路线到达接收点的总时延，N0为有效路径的数目；再求归一化系数Q，Q= N、M分别为发送和接收天线数目；最后得到信道容量C 2 镜像法建模与仿真 选取空房间，并长为y轴、宽为x轴、高为z轴建立直角坐标系，取房间墙壁的材料为水泥混凝土，则电导率为σ＝0.07s/m，相对介电常数为εr=5，选择发射天线为半波偶极子天线，较为符合实际情况。 半波偶极子天线的辐射电场表达式 需要将球坐标系的表达式变为直角坐标系下的表达式 Eθ为(r)的标量表达式。r表示场点与坐标原点之间的径向距离，θ为径向方向与Z轴正方向之间的夹角，?准为径向在xoy平面内的投影与X轴正方向之间的夹角。 2.1 LOS下仿真图 全向、垂直极化、平行极化下的功率都是随着收发天线间的距离的增大而减小，路径损耗都随着距离的变大而变大，可以参考文献[２]的结论，而且，三种方式对比下，接收天线平行于地面仿真的时候功率较小，路径损耗较大，这可以参考文献[３]。具体如图1～图6所示。不同的极化方式下，频率对容量的影响不同，而且由于是在带宽为1000M的情况下的仿真，算是宽带的情况，所以容量随着频率的变化会有不同的衰落，出现了浮动，符合MIMO信道频率选择性衰落的特性，可以对比文献[４]。 2.2 NLOS下仿真图 加入平板障碍物并且很薄，高度和房间一样，宽度可变，由于很薄，所以反射中只考虑障碍物的两个面。只要改变障碍物的宽带可以仿真实际中存在隔间的办公室的环境，有一定的实际意义。(具体如图7～图10所示)。 对比中可以看到，在同样的房间和发射接收设置条件下，LOS情况的容量比NLOS情况的容量大，因为NLOS比LOS少了直射路径的电场量。SISO系统容量最小，SIMO和MISO系统容量次之，MIMO系统容量最大。而且容量增大的较多，同时也可以看到MISO比SIMO系统的容量又有稍微的提升，说明在发送端比在接收端增加天线效果要好。NLOS下信道容量随着天线数目的增加而增大，无论在发送端还是接收端增加天线数目。 3 结束语 在频谱资源日益匮乏的现代社会，MIMO技术以其巨大的优势吸引了广泛的关注。在未来通信中，MIMO必将成为主流技术之一。本文重点给出了镜像法建模的理论依据和建模的一般步骤，然后建立了室内信道模型，对室内视距和非视距传播环境下无线信道的传输特性进行了仿真，给出了包括了无线信道的接收功率、路径损耗、容量等一系列的参数的仿真图形，并对图性做了分析和对比。?笮 参考文献 [1] 丁晓磊，王建，林昌禄，对数周期偶极子天线相位中心的分析和计算，电子学报，31(9)，2003. 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[9]俞晓磊.基于FPGA的中频数字化若干关键技术的实现研究[D].南京:南京航空航天大学, 2006. 多机场地面等待策略的建模与仿真 针对我国空中交通流量管理中出现的大规模航班延误情况,根据多个机场实际起飞和降落容量的约束,建立了一种考虑航班取消的多机场地面等待策略数学模型,并提出求解该模型的有效算法.在所提模型与算法的基础上,选择我国三大机场实际数据进行仿真,对比了取消航班与不取消航班两种情况结果,仿真结果验证了模型与方法的.有效性与实用性,给出了最优排序的航班时刻表,从而支持了关键航班的运行,减少了航班总延误. 作 者：李姝 张学军 LI Shu ZHANG Xue-jun 作者单位：北京航空航天大学,电子信息工程学院,北京,100083刊 名：计算机仿真 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：200623(12)分类号：V355.1关键词：空中交通流量 多机场地面等待策略 航班取消 摘 要 本文在分析近期数字化电台网（NTDR，Near Term Digital Radio）的基础上，利用OPNET网络仿真平台对NTDR网络进行了建模。在不同网络路由协议情况下对网络性能进行仿真分析，仿真结果与理论基本一致，从而为对战场无线自组网的进一步研究与设计提供了现实基础。 关键词 战场无线自组网 NTDR OPNET 网络仿真 1 引言 在现代战场上，各种军事车辆间、士兵间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调作战。信息化条件作战，战场电磁环境极其复杂。为了满足信息战和数字化战场的需要，具有抗毁性强、自恢复、部署迅速等特点的无线Ad hoc网成为战场通信的首选技术。如今，Ad Hoc网络技术已成为美军战术互联网的核心技术。美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。 目前对Ad Hoc网络技术的研究逐渐成为一个热点问题，对民用Ad Hoc网络场景建模的研究比较多，但是对结合军事应用的研究却相对较少。尤其是到目前为止在公开发表的文章中没有针对战场无线自组网NTDR网络的研究，一般都只有对该网络系统的概述[1][2][3]。由于构建真实的战场无线网络需要耗费巨大的人力和财力，而且还具有一定的不确定性。因此对战场无线自组网进行建模仿真就显得尤为重要。本文通过分析对战场无线自组网系统NTDR，对各节点仿真实现其主要功能，设计合理的网络模型。为对其进一步的研究打下基础，具有一定的理论意义。 2 战场无线自组网的特点及应用 2.1 战场无线自组网的特点 根据部队的编制体制和参战规模的关系，在战场上通常使用分层次的无线自组网。士兵携带具有通讯和感知能力的移动终端，相互之间以多跳形式通信，并将自身位置以及搜集到的地形、声音、图像等战场信息报告给分队指挥所。分队指挥所对信息进行分析，决策，并向士兵下达作战命令，必要时，通过远距离通信设备与上级指挥中心或其他分队联络。 分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。分层结构具有管理方便，网络维护开销小等优点，是军事无线自组网的重要特点和发展的趋势。尽管无物理中心节点，但是具有逻辑上的簇头，簇头可通过簇头选举算法产生，使它在那些不能依赖于预先架设网络设施的场合下，依然能够实现临时的快速组网。 2.2 近期数字化电台（NTDR）网 当前，Ad Hoc网络技术在军事通信上最为重要的应用当属战术互联网[1]。战术互联网是互联的战术无线电台、路由器、计算机硬件和软件的集合，是数字化部队建设的基础设施， 目前唯一进入实用阶段的战术移动自组网络是美陆军在上世纪末期开发的数字无线电系统NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作为陆军战术互连网的主干网络设备进入装备序列。在移动无线环境下支持IP数据业务，以实现旅或旅以下战术作战中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之间的通信。近期数字化电台网的收、发信机通常用在作战指挥车、指挥控制车、战术作战中心和战术指挥所、装备陆军机载指挥控制系统的UH-60直升机的指挥控制平台上[3]。NTDR电台可以自动地组织成一个动态的两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成，各个群的群首构成一个骨干网，见图1所示。 在以簇（Cluster）为基础的两层分级网络结构NTDR中，普通节点距群首只有一跳，所有群的群首相互连接构成骨干网络。NTDR结构将相邻群之间的通信限制在只能通过群首完成。NTDR分群方案是专门为了应付战术网络中可能出现的频繁的节点移动和节点失效而特别设计的。每部电台最大运行功率是20W，在225～450MHZ工作频率范围内，电台的通信覆盖范围约为10～20km。由于每部电台都可充当一个信息中继点，因此整个系统的有效通信范围可达数百公里。2003年4月美军第四师在伊拉克战场上检验了战术互连网的战术性能，并给予了很高的评价。 3 仿真设计方案 3.1 仿真软件简介 建模与仿真技术是当前研究、分析、设计、评估与优化通信网络的最有效的工具。在美军众多的战术互联网仿真系统中，OPNET都是主要的仿真平台[4]。 本文选用的建模与仿真工具也是OPNET。它采用三层建模机制[5]，最底层为进程（Process）模型，以状态机来描述协议；其次为节点（Node）模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（Discrete event driven），即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET最初是为有线网络的设计和规划开发的仿真软件，通过增加无线模块为WLAN、GSM、卫星和Ad hoc网络仿真提供必须的组件，包括IEEE802.11的MAC协议和主要的Ad hoc路由协议。 3.2 网络模型 根据NTDR的技术特点，建立如图2所示的网络模型。在30km*20km的矩形区域中，各个节点构成了两层结构的战场无线自组网络的网络级仿真模型，网络中的各个节点通过无线信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp业务。 一个旅战术作战中心和一个机械化营战术作战中心、一个装甲营战术作战中心、一个步兵营战术作战中心构成了NTDR网络模型的骨干网络。旅战术作战中心不仅支持与营战术作战中心之间大量数据与图像传输，而且还要为旅级机载指挥控制系统、作战指挥车和指挥控制车提供高数据率的信息传送。其功能相当于下级节点的服务器；而营战术作战中心作为网络中的第二级骨干，不仅要实现上传下达的功能，还要实现与同级营战术作战中心的数据传输。普通节点分别隶属旅战术作战中心和各营战术作战中心。隶属于同一上级的节点之间能够实现互联互通，否则就必须通过各自的上级进行数据信息交换。 3.3 节点模型 本文中的所有仿真节点都具有相同的节点模型，从实现的功能来分为两类，骨干节点和普通节点。其中，骨干节点作为NTDR网络中的簇头，实现战术作战中心的功能；普通节点具有想同的节点模型，根据实际情况设置各节点以分别实现指挥控制车、作战指挥车和陆军机载指挥控制系统的功能，如图3所示。 在对基于移动网络的系统分析评价时，选择一种与现实情况相符合的移动模型是非常重要的。本文自定义了一个比较符合战场实际移动情况的模型。每个节点在相应的区域内移动，速度服从（0m，10m）之间的均匀分布。陆军机载指挥控制系统在仿真中的高度假设为100米，其余车载平台在平坦的地域，高度为0米。 4 仿真分析 在仿真中，选用不同路由协议 DSR和AODV并分析比较其在分层无线自组网中的性能。在战场环境下，实时数据业务占据相对较大比重，所以端到端时延是网络性能评估的一个重要参数，同时我们还需要重点关注报文平均反应时间、路由平均跳数、吞吐量等参数的变化情况：从4（a）中可以看出，网络中报文的上传、下载的平均时间都在0.03s左右，在数值上选取DSR路由时报文平均反应时间要稍微高于选取AODV时的平均反应时间。平均跳数是指网络中成功交付的数据包所经历的平均跳数，主要用于表示路由协议对多跳数据转发的影响。从4（b）中可以看出，网络中选取DSR时路由平均跳数为1.25，而采选取AODV时路由平均跳数为1。 吞吐量是衡量网络性能的重要参数，体现了网络的数据业务承载能力，在军用系统中，该指标非常重要，因为通信网络的拥塞会导致作战信息的延迟，从而有可能导致作战任务的失败。从4（c）中可以看出，选取AODV协议时网络的吞吐量远大于选取DSR路由协议时的吞吐量，数值上约是8倍的关系。 时延是衡量网络数据传输能力的一个重要指标， 反映了数据在网络中传播的效率。从4（d）中可以看出，选取DSR路由协议时网络时延要明显高于选取AODV路由时。 综上所述，仿真网络在分别选取DSR和AODV路由协议时所选参数在数值上比较稳定，存在一定的差值。对于报文传输业务，时延和吞吐量的性能指标，在比较宽松（即节点较少和载荷较轻或移动性较弱）的环境中，DSR协议优于AODV协议，这与文献[6]的仿真结论是一致的，从而验证了模型的正确性。 5 结束语 NTDR作为美军战术互联网装备的重要组成部分，为陆军战术作战中心、指挥控制平台以及选用的情报共用平台的指挥员提供了一个无线广域网，允许指挥员在战术指挥中心之间以高数据率传送信息，以支持指挥控制数据和图像信息流。本文使用OPNET仿真软件，建立了近期数字无线电台的战场无线自组网的仿真模型，根据装备的现实物理情况进行网络设置和业务配置，得到了一个性能比较稳定的战场无线网络，并对其网络性能进行分析，为对战场无线自组网的进一步研究提供了基础，具有一定的参考价值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR网络仿真平台。） 参 考 文 献 [1] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：215-216 [2] 于宏毅.无线移动自组织网[M].北京：人民邮电出版社，2005：332-335 [3] 单洪.美军战场网络及其通信协议[M].解放军出版社，2007：427-428 [4] 万永乐，张剑.战术互联网建模与仿真.通信技术，2002：50-53 [5] 陈敏.OPNET网络仿真[M].清华大学出版社，2004 关键词：机械制造技术基础,教学改革,数字建模与仿真 一、前言:[课程现状与不足之处] 《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020) 》及《中国机械工程学科教程》都指出:教师要把教学作为首要任务, 不断提高教育教学水平;加强实验室及实习基地等教学基本建设, 并深化教学改革。因此在现有教学条件下如何提高教学质量, 提高实践教学效果是《机械制造技术基础》等课程的必须面对的基本课题。 “机械制造技术基础”是机械工程学科的重要课程, 是机械设计制造及其自动化专业的一门必修专业基础课程。该课程的特点是实践性强, 要求理论学习与工艺实践的关系非常紧密。但由于课时少, 内容多, 理论学习与工艺实践常常脱节, 造成教学内容抽象和不直观等弊端。随着数字化技术的不断发展, 在《机械制造技术基础》课程的教学中引入三维建模与仿真技术, 将有效辅助课堂教学和实验教学, 从而提高教学效果并优化教学资源。 二、数字化建模与仿真技术的内涵与外延 随着计算机技术的快速发展, 数字化分析技术是快速解决实际问题的重要手段之一。数字化分析技术是基于计算机建模与仿真方法对工程或产品设计和制造过程的成本、外观、功能、性能、可制造性、安全可靠性及制造周期等指标进行分析和评价, 从而实际产品和工程的设计和制造提供参考依据及其优化。涉及包括产品设计、工艺设计和制造过程的所有计算模型与仿真分析。数字化仿真和分析技术能够对特定产品进行性能分析、预测和优化, 以实现产品的技术设计与制造;其主要包括几何仿真分析和物理仿真分析。几何仿真分析主要从几何角度分析产品的运动状态、加工过程中干涉、碰撞及数控NC代码检验等。 物理仿真分析主要分析产品物理特性, 如结构力学 (包括线性与非线性) 、加工动力学、效力学、流体力学、电路学、电磁学等等。而越来越多的发展应用在不同的领域, 像流体与结构力学的结合, 电路学与电磁学的结合, 应用也越来越广泛。 三、目前数字化仿真和分析软件将成为工程师实现其工程创新和产品创新的得力助手和有效工具 常用的典型数字化建模与仿真软件有许多种类型:根据不同要求, 采取不同成熟软件进行设计。其中三维实体造型软件已广泛应用于机械设计及制造领域, 如Solid Works、Pro/E、UG和CATIA等功能强大的软件, 这些三维实体建模软件可以快速的建立零件、进行装配, 非常直观看到物体的每个位置和方向, 可以检验干涉、碰撞等现象的发生, 可以非常形象的看到物体运动, 以及设计和制造的整个流程;运动学和动力学仿真软件, 如美国MSC.ADAMS, 德国SIMPACK, 比利时DADS, 该类软件采用数字化虚拟现实技术, 在给出初始条件下, 通过这些软件很容易测出物体某个零件的位移、速度、加速度、力、转矩等。有限元分析软件, 如MSC.NASTRAN, ANSYS、ABAQUS等, 能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究, 尤其在电子和制造业等领域有着广泛的应用;控制仿真软件, 如MATLAB很快解决数学计算上和控制方面难以解决的问题。通过这些软件建立可信度高的数字化模型和实体模型, 等效简化实际工况进行虚拟试验, 在设计阶段可以完全预测评价产品的各项性能, 四、课程教学改革内容及具体措施 采用数字化建模与仿真技术主要针对机械制造技术基础课程中的金属切削机床及关键部件的建模与仿真、金属加工的几何与物理仿真、机床关键部件的装配模拟及加工过程振动及其控制模型等进行改革与应用; 1) 课堂实例展示 通过引进建模与仿真技术后, 将磨削过程活灵活现展示给学生, 通过仿真系统可以实时改变不同初始条件和边界条件, 学生可以快速掌握和理解工艺参数对磨削力及表面粗糙度的影响规律。因此通过课件改进后提高了教学效果和教学质量。 五、结论与展望 5.1结论 1) 采用数字化建模与仿真技术对该课程中典型数控机床、金属加工过程等知识进行建模和仿真, 将有效提高教学效果并增强教学直观性。通过虚拟样机、虚拟加工及加工振动等知识点的课堂及实验教学, 从而提高教学效果和教学质量, 因此该课程数字化和可视化的实施将对机械类专业课程的教学改革具有一定的借鉴价值。 2) 由于篇幅等原因, 本文仅对三个实例进行讲解, 其实工艺流程、机床夹具、加工精度、机器装配等教学内容都可以通过数字建模与仿真技术来是实现。 5.2展望 1) 教学形式-----多媒体与板书有效结合 通过多媒体与板书有效结合将有利学生学习, 使学生接触到内容丰富、形式新颖课程知识, 形象模型和仿真及实验结果将激发起学生的学习兴趣, 快速掌握相关知识点。 2) 充分利用国家及省级资源共享平台 通过国家级省部级资源共享平台建设将对《机械制造技术基础》课程改革起到非常重要作用, 由以“教室课堂”教学模式转变以“网络资源共享”教学模式, 从而以“教师”为中心转化为以“学生”为中心的教学模式, 让学生真正发现问题, 独立解决问题的能力完善和提高, 以达到自主学习的目的。 3) 仿真与实验紧密结合 课程应以虚虚实实相结合, 这些虚拟仿真数据与实验紧密结合对比分析, 将给学生留下深刻印象;实践主要目的是让学生能及时掌握知识和消化知识, 而通过仿真与实践紧密结合让学生更直观掌握知识点的内涵和外延。实验教学和课堂教学相统一, 即把课堂教学搬到实验室, 通过实验的演示激发学生的兴趣, 引导学生对知识进行探索。 4) 教学与科研结合 课件内容以教学与科研相结合, 具有大量的图片和视频;不是简单的图片和动画, 而是在科研中获得仿真数据以图片和视频形式生动的展示给学生并产生浓厚兴趣;使学生除了掌握课堂上知识点, 同时让学生了解科研手段及科技发展方向, 因此使学生具有分析问题、独立解决问题, 并提出创新想法及解决问题手段。 参考文献 [1]孙淑萍, 胡秋宏.高职公共基础课教学改革的路径选择[J].职业技术教育, 2010, (4) :44-46. [2]单力岩, 王丽丽.多媒体技术与《机械制图》课堂教学[J].职业技术, 2010, (4) :43-44. [3]康兰.基于参数化技术的工程图学计算机辅助教学[J].机械设计与制造, 2005, 160-161. [4]王成刚.对二维与三维工程图的思考[J].湖北工业大学学报, 2007, (6) :86-89. 操纵负荷系统是模拟器的重要组成部分, 为人在回路中的半实物仿真试验设备, 可以精确模拟飞行员在控制飞机操纵系统时所感觉到的力。真实操纵力感觉是随着舵面偏角、以及飞行速度的变化而改变的, 飞行员凭借对操纵力微小变化的敏锐感觉作出正确的判断并执行相应的操纵飞机的动作, 因此操纵负荷系统所模拟出的操纵力感觉就成为判断飞机操纵性能和飞行状态的主要依据, 因此操纵负荷系统对操纵系统的杆力应具有良好的静态和动态跟踪特性。 在工程模拟器中, 通过建立操纵系统的力感觉仿真模型, 操纵负荷系统用于对操纵系统的杆力杆位移特性进行分析、评定, 并对其进行优化, 从而改善了飞机的飞行品质。 通常在工程模拟器中使用操纵负荷系统对侧杆、驾驶杆盘、油门杆、前轮转弯等操纵系统的杆力-杆位移特性进行仿真和模拟。 1 操纵负荷系统组成 目前市场主流的操纵负荷系统型号均为数字式电动操纵负荷系统, MOOG公司在研制电动式操纵负荷系统产品上处于世界领先地位, 其研制的ECOL 8000 Q&C line系列产品广泛用于当前世界绝大多数研制和生产的模拟器中。ECOL 8000 Q&C line操纵负荷系统主要由电动加载装置、操纵负荷计算机、伺服驱动器、操纵负荷电源、操纵负荷连接机构、操纵负荷控制软件以及操纵负荷仿真模型组成, 组成示意 图见图1所示。 2 操纵负荷系统仿真模型建模 操纵负荷系统软件主要由两部分组成:操纵负荷计算机中的操纵负荷仿真模型、模拟器飞行仿真主控计算机中的操纵负荷控制软件。 2.1 仿真模型元素 飞机飞行操纵系统主要包括复杂的拉杆、摇臂、载荷限制器、力矩加载电机、液压作动器等部件, 各部件分别分布于驾驶舱、内部机身、机翼、尾翼等飞机位置。 进行系统建模首先是确定模拟需求的水平, 对操纵系统部件的每个螺钉、螺母进行仿真建模显然是不现实的, 因此将操纵系统部件的基本特征集合起来作为单独元素仿真才具有实际的意义。然后对部件的每个主要参数进行辨识和仿真, 这些参数对模拟操纵系统的力感觉起到了重要的作用, 满足对操纵系统特定性能进行仿真的要求。 仿真模型元素针对具体飞机型号的操纵系统而定, 因此针对某一具体型号飞机的操纵系统的特性, 对系统仿真模型的元素进行选取。对于简单的可逆操纵系统, 仿真模型元素包括前端质量系统、整体连接装置、后端舵面质量系统、型元素包括前端质量系统、整体连接装置、后端舵面质量系统、舵面铰链力矩;对于典型的可逆水平安定面驱动的可逆俯仰操纵系统, 仿真模型元素包括前端质量系统、整体连接装置、后端质量系统、回中弹簧、水平安定面质量、升降舵质量、升降舵阻尼、水平安定面铰链力矩、水平安定面止动;对于不可逆操纵系统, 仿真元素包括前端质量系统、整体连接装置、后端质量系统、回中弹簧、自动驾驶仪作动器、跨接离合装置, 控制阀、液压作动器、配平电机。 2.2 仿真模型建模推导 以简单的可逆操纵系统为例, 对其力感觉数学仿真模型进行推导。 图2为可逆型操纵系统整体受力图。由图可知, 将可逆型操纵系统等效为前端质量系统 (驾驶杆盘、脚蹬等) 、整体连接装置 (助力器、摇臂等机构) 、后端质量系统 (舵面) 的组合。图3和图4分别为前端质量系统与后端质量系统的受力图, 下面建立可逆型操纵系统的力感觉仿真模型。 由图3可知, 前端质量系统受到摩擦力、阻尼力以及连接装置对它的作用力, 连接装置在可逆型操纵系统中为助力器、综合摇臂等机械连接机构, 连接装置对其的作用力可以等效为一阶弹簧和阻尼力, 前端质量系统所受的力仿真模型为: undefined 其中:F0为移动操纵装置时所感受到力。F10为前端质量系统受到的合力;F1为连接装置对前端质量系统的等效弹簧作用力, F1=k1 (x1-x2) , k1为等效弹簧系数, x1为前端质量系统位移, x2为后端质量系统位移;F2为连接装置对前端质量系统的等效阻尼力, undefined为等效阻尼系数;F3为摩擦力;F4为前端质量系统移动时受到的阻尼力, undefined为等效阻尼系数。 前端质量系统的动力学模型为:undefined 其中:为前端质量系统的质量。 由图4知, 将舵面等效为后端质量, 后端质量系统受到气动力、阻尼力以及连接装置对其的作用力, 连接装置对其的作用力可以等效为一阶弹簧和阻尼力, 后端质量系统所受的力仿真模型为: undefined 其中:F11为后端质量系统受到的合力, F5为舵面受到的气动力;F6为舵面运动时受到的摩擦力;F7为舵面受到的阻尼力, undefined为等效阻尼系数;F8为连接装置对后端质量系统等效弹簧力, F8=k1 (x2-x1) , F8=-F1;F9为连接装置对后端质量系统的等效阻尼力, undefined。 后端质量系统的动力学模型为:undefined 其中:m2为后端质量系统的质量。 由上面的前端以及后端质量系统的受力模型和动力学模型可以得到整个操纵系统力感觉仿真模型: undefined 3 结束语 通过在操纵负荷计算机中对建立操纵系统的力感觉仿真模型进行编程, 得到飞机驾驶舱各种操纵系统的力感觉模型, 然后在实时管理软件的调度下实时运行在操纵负荷计算机中所建立的各个操纵系统的力感觉模型, 然后输出指令信号控制电动加载装置并通过连接机构将模拟的力加载到操纵装置上, 使飞行员在模拟器上移动操纵装置进行飞行仿真时能实时得到逼真的力感觉, 和真实飞机上飞行时移动操纵装置时的感觉一样, 达到在模拟器上进行逼真模拟飞行训练的效果。 摘要：为了使操纵负荷系统能逼真地模拟飞行员所感觉到的操纵力, 需要建立精确的操纵系统力感觉仿真模型。首先对操纵负荷系统的组成进行了描述, 然后描述了操纵负荷系统软件的功能, 以可逆型操纵系统为例, 对其力感觉仿真模型的建模过程进行了推导。 关键词：操纵负荷系统,仿真模型,工程模拟器 参考文献 [1]王辉, 黄文明.操纵负荷系统精确模型的建立以及仿真研究[J].机械科学与技术, 2009 (1) . [2]张戟.Fokker Ecol 8000电动操纵负荷系统[J].科技资讯, 2007 (1) . [3]王行仁.飞行实时仿真系统及其技术[M], 北京:科学出版社, 1985. 变电站是电力输变配系统中最关键的环节。变电站通信网络与系统IEC61850 国际标准加快了全球数字化变电站技术发展与推广[1],基于工业以太网技术的变电站通信网络越来越复杂,对其实时性、安全性等关键性能的认识尚不足[2,3,4],因此对数字化变电站通信网络性能以及网络信息安全的仿真研究[5,6],不仅具有理论价值,而且更具现实意义。 成熟的通信网络仿真工具并不多见,其中OPNET是得到应用最为广泛的优秀仿真软件; OPNET在智能变电站也得到了初步应用,包括过程层[7],GOOSE网络[8],继电保护[9,10]等; 这些研究均没有从变电站通信网络全局出发,揭示OPNET在变电站通信网络仿真的系统方法和过程,缺乏工程应用的普遍指导意义。 利用某种通信网络仿真软件来进行变电站网络通信仿真,不仅需要详细掌握该仿真软件对通信过程的数学建模原理和应用要求,也需要对变电站网络通信的特点有深入了解,才能实现对变电站网络通信的仿真建模,使其能最好地映射到仿真软件所定义的通信模型中去,使得基于仿真软件的仿真与真实网络系统一致。 本研究尝试基于OPNET的变电站通信网络仿真工程应用的系统建模方法,首先对数字化变电站的站控层、间隔层、过程层3 层数据流进行分析,并给出OPNET所适应的数学建模,并分别从节点、网络、业务3 个方面对变电站网络进行系统性建模; 针对真实的变电站通信网络,提出完整的基于OPNET的仿真参数配置,可用于OPNET进行变电站通信性能仿真。 1OPNET仿真软件 OPNET由麻省理工( MIT) 信息决策实验室开发,目前被广泛应用在计算机网络、通信以及国防等领域,是业界公认的通信网络、协议、设施的优秀建模与仿真工具[11]; 其中OPNET Modeler是进行网络仿真最常用的模块[12]。OPNET Molder采用模块化以及层次化的建模方式,具体包括以下4 种编辑器[13]: ( 1) 进程编辑器( Process Editor) : 对节点内功能模块中的各个事件之间的控制流进行定义; ( 2) 节点编辑器( Node Editor) : 对节点中硬件以及软件模块之间的数据流进行描述,并对网络中的节点结构进行定义。利用( 1) 的进程编辑器创建的进程模块为各个模块定义一个功能; ( 3) 网络编辑器( Network Editor) : 利用节点的构建对现实当中的网络拓扑进行模型的搭建。用户可以在网络编辑器中通过拖放操作进行网络拓扑的建立,并设置各个元件的属性。 ( 4) 探针编辑器( Probe Editor) 对内置的统计数据进行收集。 2基于OPNET的变电站数据流的分析与建模 2. 1 数字化变电站网络报文分析 IEC61850 标准中对通信报文的类别以及传送的时间做出了详细严格的规定。根据所要实现的各个功能的要求,网络中传输的通信报文分为以下几种: 快速、中速、低速、原始数据、文件传输、时间同步以及存取控制命令7 种类型,每种类型的报文都定义了其传输时间的要求。从时域的角度来分析,数字化变电站的数据流可以分为突发性数据流、随机性数据流以及周期性数据流3 种类型[14],本研究从模型简洁高效的角度出发,按它3 种类型进行变电站数据流的建模。 2. 2 突发性数据流分析与建模 变电站发生电气类故障时,间隔层设备会上传开关变位数据、保护动作信息以及时间顺序记录信号; 这类数据所用的传输时间很集中,长度比较短,具有突发性的特点,因此将其划分为突发性数据流。突发性的数据流的到达概率会受到前一段时间数据到达情况的影响,并不是以一定的概率 τ 出现,即当网络接收到信息的时候,突然会持续一段时间的报文发送; 当没有数据到达的时候又会持续一段空闲时间,突发性数据表现出共同的自相似性特点[14]。 突发性数据接收与发送,可以最简单的ON/OFF模型模拟: 当数据以一定的速率产生时,处于ON状态; 没有任何数据产生时,处于OFF状态; 数据ON期间服从的分布函数与OFF期间的分布函数可以相同,也可以不同,且两部分叠加之后的数据相关性由分布函数决定。 把单个数据源ON状态的持续时间设为 τ( i) ,服从重尾分布函数: 其均值是有限的,方差是无限的,即 αr= E( τ) < ∞ 。 而OFF状态服从的分布函数是持续时间为 θ( i) ,采用传统泊松过程当中的负指数分布: 只要ON或OFF期间的时间长度所服从的分布函数当中之一为重尾分布,那么将这种类型的无数多个ON / OFF数据进行相加,就会形成具有自相似这种特性的突发性数据流[15],且满足下式: 式中: H—自相似程度参数Hurst; β—自相关函数r( k) =E[( xi- u) ( xt + k- u) ]/ σ2~ k- β的系数,并且 β 的约束条件是0 < β < 1。 一般情况下H范围是0. 5 < H < 1. 0,其含义是: 当数据在前一段时间处于突发状态时,后一时间段持续这种突发状态的可能性大小。 2. 3 随机性数据流分析与建模 数据传输过程中,数据发送不定时且没有规律可循的数据,划分为随机性数据; 包括以下两种类型: ( 1) 一些长度较短,主要负责传输变电站保护功能的报文,例如: 保护功能联锁、开关操作命令等快速报文。 ( 2) 一些实时性要求比较低的数据,例如文件传输、保护定值修改等数据,这些数据的尺寸相对较长一些。 随机性数据是由变电站事件触发的报文。数据接收有如下特征: 在任何一个时间段内,数据的出现是随机的,假设报文分组出现的概率为P,其与时间没有任何关系,且前后报文的到达情况也不相关; 假设报文的平均到达率为 λ,报文到达的个数为,则在时间t的间隔里,有k个报文到达的概率服从参数为 λ 的泊松Poisson分布[16],即对任意的s,t≥0 有: 2. 4 周期性数据流分析与建模 变电站正常运行时,往往只有周期性的数据报文,可划分为两种类型: ①间隔层的IED按固定的时间间隔发送到站控层设备的模拟量数据以及开关的状态信息; ②过程层电压互感器、电流互感器所采集到的数据,传递给间隔层IED的采样值。这类周期性数据,对时间要求比较严格,数据也比较多,通信网络时延是其关键的影响因素。周期性数据的报文尺寸,一般情况下长度是固定的,属于定时发送或时间驱动的数据;所以研究者可以采用长度固定、到达时间间隔为周期的数据来进行模拟[17]。 本研究定义周期数据报文i的长度是Li,Ci是报文在传输过程当中的排队时延、传播时延以及传输时延的总和,Pi是数据产生的周期,或者是数据所到达的时间间隔,Di是数据包i从产生到达目的地这段时间的最大时延。因此,周期性数据流Mi可以表示为: 根据61850 的标准规定,不同类型的数据包在网络传输的过程当中都有一个所允许的最大时延,所以周期性的数据包在传输的过程当中需要满足下面的约束条件( 其中Ti为数据包i的端到端时延) : 3基于OPNET变电站通信网络建模的应用案例分析 绍兴某变电站的网络结构如图1 所示。 3. 1 节点建模 变电站通信网络节点建模是指在OPNET Modeler中对功能可以替代变电站通信实际功能的模型进行选取,并根据自己的需要对节点中的进程层进行改进,达到与实际网络模型的一致。数字化变电站通信网络模型,包括站控层的服务器、监控主机,间隔层的保护装置以及智能断路器,过程层的合并单元等。 网络节点可以分成以下两类: ①交换节点,用来完成数据的转发与交换; ②终端节点,产生、处理以及接收数据。OPNET Modeler节点域对网络层以及进程层的中间层进行连接,采用基于节点模块的建模方法,其中节点行为的某一个方面是由节点模块进行实现,功能完整的节点是由几个节点模块进行组合来实现的,一个节点可能包含几十个甚至上百个节点模块,大部分节点使用TCP/IP或者是OSI参考模型,或者是按照协议的层次分成互不相同的模块。 OPNET Modeler仿真软件所选用的网络是以太网Ethernet,网络节点所采用的是TCP / IP协议栈模型,仿真所模拟覆盖自最顶层即应用层,到Ethernet的所有协议层。根据变电站通信网络中不同IED设备发送数据类型的不同,选择对应的模型。 根据对数字化变电站数据流的流向以及数据模型的建立与分析,对于保护控制IED、智能断路器、合并单元MU等智能电子设备IED,本研究选择OPNET Modeler当中的ethernet _ wkst _ adv模型来进行模拟,ethernet_wkst_adv的节点模型如图2 所示。从下至上总共有8 层,分别是发信机hub_tx_0_0 和收信机hub_rx_0_0、数据链路层mac、arp、ip、ip_encap、传输层tcp、适配层tpal、应用层application,其中arp、ip、ip_encap是属于网络层,模型中的各层协议栈只和它的上、下层协议栈产生关联。其中接收机hub_rx_0_0 是用来对数据进行接收,hub_tx_0_0 用来对数据进行发送; MAC层是用来对以太网MAC层的协议以及各种算法的实现; 网路层所划分的3 个层次的功能是: arp层是对和地址有关的信息进行处理,ip层是对网络的性能进行统计,ip_encapd的操作主要是面向数据包的; TCP层的协议主要有TCP、UDP,主要是进行面向非连接或是连接的服务; tpal为application与各种不同的tcp进程之间提供统一的接口; application处理来自客户端的请求并产生请求。该以太网模型能够满足实际变电站分层通信的仿真模型要求。 3. 2 网络拓扑结构建模 变电站网络模型由通信链路、子网以及通信节点3 个主要模块组成,其中网络中级别最高的是子网,它可以封装其他网络层对象,例如交换机、IED设备等。该变电站包括9 个间隔( 变压器间隔T1、T2,馈线间隔F1 - F6,母线间隔S) ,一个变电站监控主机,一个节点服务器。利用OPNET Modeler中的节点模型来对变电站中站控层以及间隔层之间的通信进行仿真。间隔层的9 个间隔封装成为9 个子网,每个子网里面的交换机与变电站层交换机相连,然后再与监控主机及服务器相连,链路带宽为10 Base T,最后形成星型网络拓扑结构,如图1 所示。站级网络模型以及子网模型如图3、图4 所示。 3. 3 业务建模数据流量的配置 数字化变电站通信网络的过程层、间隔层、站控层3 个层次之间数据流的流向以及数据的类型分析如下: ( 1) 合并单元MU到保护控制IED数据流分析。 在过程层,MU是很重要的设备,每一个间隔内保护控制IED按一定的频率接收同一个间隔内的MU发送来的周期性数据,即采样值报文SMV,发送方式为广播方式。报文SMV的最大长度为159 byte,然后再加上12 byte的帧间隔字,一共是171 byte即1 368 bit,采样的频率设为80 点/周期,所以总的数据流量是80 × 50 × 1 368 = 5. 472 Mbps。在仿真时,这种类型的数据业务建模命名为SMV业务,使用的链路带宽为10 Base T,报文大小设定为180 bytes。 ( 2) 保护控制IED以及断路器IED到达服务器的数据流向分析。 位于间隔层的保护控制IED以及断路器IED向站控层的服务器传送间隔层和过程层设备的状态信息,传送的信息为周期性数据,发送的时间间隔为20 ms,数据的大小为256 bytes,数据流量计算得50 ×256 × 8 = 102. 4 kbps。仿真时,这种类型的数据业务建模命名为IED_status业务,设定报文的大小为256bytes,发送和接收时间间隔分别服从t = 0. 02 的常数分布。 ( 3) 保护控制IED到断路器IED数据流向分析。 在变电站出现故障时,间隔层中的保护控制IED会向本层子网内的断路器传送跳闸命令,这种报文的大小为16 byte,是随机性发生的; 从随机性数据流的分析可知,随机性数据的发送与接收时服从泊松分布的。仿真时,这种类型的数据业务建模命名为trip_message业务,设定报文的大小为16 bytes,发送和接收时间间隔分别服从 λ = 0. 02 的泊松分布。 ( 4) 断路器IED到保护控制IED数据流向分析。 此时产生的报文为GOOSE报文; 其报文尺寸为服从16 bytes的常数分布; 出现故障时,保护控制IED会将跳闸命令的报文传送给断路器IED,在第一次发送完成后,会继续以2 ms、4 ms…这样的时间间隔进行顺序的重新发送。为了更能突出仿真环境的恶劣,本研究将这类报文在仿真的过程当中设置成时间间隔为2 ms周期性进行发送,在仿真的时候,报文的大小为16 bytes即128 bit。 ( 5) 服务器到变电站站控层主机数据流向分析。 在仿真时,本研究把站控层服务器设置成支持FTP( file transfer protocol) 业务,站控主机对FTP服务器传输来的大型文件进行接收,仿真的时候设定其文件大小为1 M。 3. 4 业务建模配置过程 OPNET提供的是一种端到端的业务,相当于IEC61850 通信模型中的客户/ 服务器模型,并且OPNET已经编写好了常用的协议并形成模块,按流程配置即可,业务建模的流程可以分4 步: ( 1) 配置应用定义( Application Definition) 该流程步骤是指对客户或者客户组所有可能开展的业务进行定义,参数包括所发包间隔概率、数据包的尺寸等。有9 种应用已经在OPNET软件中被定义,本研究中所要用到的应用主要有两种: FTP以及Video Conference,可以通过不同链路以及不同节点的数据流量的配置,比较便捷直观的仿真出报文端到端的时延等参数。 ( 2) 定义应用业务规格配置全局对象 在应用业务定义好之后,要进行配置应用业务规格( Profile Definition) ,用来描述Application Definition中定义的各种数据流的行为,例如开始的时间是多少,报文持续的时间是多少等等。 Profile Definition的设置方法是对Profile Config模块的属性进行业务的设置,设置的流程如图5 所示。业务主询参数设置如图6 所示,图6( a) 第一列为业务名称,第二列为业务的Applications属性设置,Start Time列是对业务开始的时间进行设置,在进行设置的时候,三种业务的开始时间最好分别设置在不同的时间开始。Duration代表的是业务的持续时间。图6( b) 的Start Time offset一栏中设置的时间加上图6( a)的Start Time才是仿真真正开始的时间。 ( 3) 对服务器应用业务的配置 只要在Application Definition和Profile Definition中定义好的应用,服务器都可以支持,但还需要按照通信网络需求对服务器所支持的应用类型进行设置。由于服务器用于接收设备的状态信息,支持Video Conference服务。 具体配置方法是在服务器属性里对Supported Services栏里进行设置,服务器应用业务的配置如图7 所示。 ( 4) 客户应用业务的配置 在完成以上服务器以及应用业务的配置之后,接下来要对网络中各个子网中的节点进行支持业务以及发送与接收对象的配置。这些节点所需要配置的业务是在( 1) ( 2) Application和Profile中已经设定好的业务主询。一个节点可以支持多种业务主询。电压互感器和电流互感器上传的周期性数据流SMV报文,上传到MU,所以MU是SMV报文的发送源,MU上传到保护控制IED,支持SMV业务。断路器IED负责控制断路器的开闭,并监测断路器的状态,在故障情况下它接收来自保护控制IED的跳闸命令,同时通过过程总线,发送状态变化信息至保护控制IED,所以它支持IED_statu以及GOOSE业务; 保护控制IED位于每个间隔单元当中负责接收采样值报文的同时发送跳闸命令,设定保护控制IED支持trip_message以及IED_statu业务。在站控层,服务器向监控主机传送文件,设置服务器支持FTP业务。业务建模所需参数如表1所示。 中频数字化接收机系统建模与仿真 篇4
多机场地面等待策略的建模与仿真 篇5
数字建模与仿真 篇6
数字建模与仿真 篇7
数字建模与仿真 篇8
数字建模与仿真 篇9
以配置合并单元MU为例,支持业务配置和目标设备配置如图8( a) 、8( b) 所示。建立仿真模型并且选取统计量之后,需要对仿真环境进行设置,通过File - DES- Configuration / Run Simulation ( Advanced) 进入如图9所示的界面进行仿真环境设置。仿真的时间设置为300s,其中前100 s,是软件初始化的时间,所以真正仿真开始的时间是从100 s开始的。随机数种子保持缺省值128; 每次统计的收集值设置为100; 每隔500 000 个事件输出仿真值,进行更新。
4结束语
本研究在对变电站的数据流分析基础上,将其划分为周期性、随机性以及突发性数据流,并根据数据流的时间特性进行数学模型的建立,为接下来网络模型的建立奠定了基础; 然后利用OPNET仿真软件对数字化变电站的网络拓扑进行建模仿真,选用绍兴某变电站通信网络,分别从节点、网络、业务3 个方面对变电站网络进行了系统性建模; 针对真实的变电站通信网络,笔者提出了完整的基于OPNET的仿真参数配置;绍兴某变电站通信网络性能的实际仿真验证了提出的OPNET模型及配置方案的正确性和有效性。
摘要：针对数字化变电站通信网络仿真问题,首先在对数字化变电站站控层、间隔层、过程层三层数据流的特点分析基础上,根据OPNET网络仿真软件的模型要求,提出了变电站数据流的相应数学模型,分别从节点、网络、业务3个方面对变电站通信网络建立了相应的OPNET模型以及配置方案。绍兴某变电站的网络通信性能仿真结果表明,所提出的OPNET模型及配置方案具有正确性和有效性。
雷达建模与仿真系统设计与实现 篇10
随着信息技术的发展, 雷达、制导导航、数字通信、电子对抗、图像处理等领域普遍存在着大数据量、强实时性、高速度的数据处理工作, 这对数字信号处理系统的数据处理能力、实时性、体积、功耗和稳定性等都提出了越来越高的要求。近年来, 数字信号处理软件开发环境有了迅速发展。但是随着项目规模的急剧扩大, 基于数字信号处理设备上的大量程序需要手工编写, 不仅程序复用性极差, 而且不同程序员的编写习惯不同, 导致大型项目难以维护;其次, 由于数字信号处理设备的硬件局限性, 通用的软件调试器在很多方面不能满足特定的应用需要, 而且测试成本过于高昂。
为解决以上问题, 数字信号的模型化应运而生, 其将数字信号按照功能、层次等用描述文件存储, 一般描述文件是字符流形式的XML文件。数字处理系统就是以这些模型库为输入, 可以用高级语言编写的软件。另外, 代码自动生成技术的出现, 使得基于模型驱动的开发方法真正在软件开发领域得到应用。代码自动生成技术降低了软件开发维护成本, 提高了开发效率, 减小了需求变更对系统的影响以及延长了系统的生命周期。
对于大型系统, 目前的设计方法往往是, 事先在仿真系统上进行算法仿真得到正确的算法, 然后根据算法模型在处理器平台上编写并调试相应程序。如果能把算法仿真和编写调试代码集成到一个开发环境中, 使算法仿真和编写调试代码一步完成, 则可以大大缩减系统开发周期, 节约大量人力成本。
雷达系统仿真是在计算机上模拟, 再现真实雷达系统在不同场景中的工作机理和过程, 从而求解、验证和评估真实雷达系统特性、效能等的一套方法。通常, 在系统仿真设计及开发过程中, 采用模块化方法对雷达整个系统进行功能拆解和归并, 以确定系统功能模块 (即组件) , 建立具有一定抽象度的软件仿真系统模型, 从而降低系统设计的复杂性。
1 雷达建模与仿真系统
雷达建模与仿真系统平台主要包括以下功能模块:
(1) 图形化建模功能模块:用户可通过该模块自主建立所需模型。
(2) 子系统管理功能模块:用户可通过该模块自主建立由原子模型组成的可复用模型, 方便模型的再次调用和管理。
(3) 模型库管理功能模块:用户可通过该模块在模型库中添加、删除、修改原子模型。
(4) 模型代码生成功能模块:用户可通过该模块对已创建好的模型系统进行相应的工程代码的自动生成, 减少用户不必要的重复性工作。
2 图形化建模
系统采用面向对象的组件建模方法, 进行标准化的建模, 使建模系统过程与真实的系统操作具有非常好的相似性, 方便快捷, 自动化程度高。标准化建模系统良好的通用性和简单的可操作性, 为使用者提供了足够的扩展空间。系统支持将模型组件加入图形化建模工具, 便于图形化交互, 实现模型组件的可重用性、可扩展性。
雷达建模与仿真系统图形化建模的主要特点:面向对象的模块化建模方法;规范化、标准化建模方法;灵活的扩展能力;良好的继承性。
建模模块是在封装的基础上实现了模型的抽象化。用户在不需要知道模型的具体操作, 只需依靠模型提供的接口和信息, 建立数字系统模型, 在这个过程中用户也不需要知道整个系统的数据流动, 只需按照自己的需求连接结构模型, 就能得到多个模型的仿真结果。
系统建模设计思路如图1所示。
3 子系统管理
完整的子系统创建过程主要分为4个阶段 (如图2所示) :子系统模型搭建过程、子系统完整性检查、子系统代码生成、子系统封装到模型库。
4 模型库管理
模型库管理功能是组件化建模与图形化建模的链接部分, 为图形化建模提供支持。标准化组件建模后生成的标准化模型统一加入到模型库管理界面进行统一管理。模型库采用树型目录管理, 支持模型组件的查询、增加、修改和删除, 模型属性、输入输出接口分组排列, 命名均采用英文, 并有相应的数据类型、单位的说明。
模型库管理主要分为两大模块:模型的管理与模型的封装。模型管理功能包括:
(1) 新建模型:除了给定的模型类库之外, 用户可以根据自己的需求创建新的模型, 参数、接口信息以及类的基本信息都可以完全由用户自定义。
(2) 模型的编辑:当用户需要对某模型的信息进行修改时, 可以使用编辑功能。
(3) 模型的删除:当确定不需要该模型, 则可对其进行删除等操作。
模型封装功能包括:
(1) 模型的代码生成:确定模型信息后, 可以生成单个模型的代码, 对应生成cpp、h文件。
(2) 模型的编译:代码生成完成后可对其进行编译, 若成功, 系统会给出对应的提示信息, 并会生成dll文件。
(3) 添加到模型库中:当所选模型编译成功后, 生成相应的dll文件, 此时即可将该模型添加到模型库中。
5 模型代码生成
模型代码生成是对已建立的模型自动生成代码, 包括单个模型的代码生成、系统模型的代码生成。在图形化建模成功的基础上, 用户选择代码生成, 系统就会自动将生成的代码保存在对应的目录下, 同时将系统编译和运行需要的其他头文件、LIB文件、DLL文件保存到该目录下。
单个模型的代码生成是代码生成模块的关键部分之一, 只有单个模型的代码生成、编译并连接生成动态链接文件之后, 才能实现系统模型的代码生成。单个模型是被抽象成一个单独的类来实现的, 所有的模型代码生成要有一定的格式, 方便以后的编译。代码生成的设计要求:在进行代码生成时, 对于同一模型, 调用的接口、传递的参数、生成的代码都要一致, 同一模型不允许生成不同的代码;代码生成过程中, 用户除了能在模版中直接使用建模模块外, 还要能手动添加代码, 以达到理想的代码生成效果。
系统模型的代码生成过程是在单个模型代码基础上对各模型进行检测, 包括模型的重命名检查、模型连接判断、模型连接完整性判断等, 然后根据拓扑排序算法对建模模型进行排序, 最终对已经完成拓扑排序的模型进行代码生成。模性检测存在于建模以及模型排序的所有过程。
和手工书写代码相比, 自动代码生成有以下优点:
(1) 为代码质量的一致性提供了保证:代码的质量往往依赖于代码生成的模板、文件以及模型;而传统手工采用的拷贝粘贴的方法对前后代码质量的一致性带来了隐患。
(2) 提高了代码复用的能力:在要求大量更改、替换代码的情况下, 只需对模板进行更改并且重新运行代码生成器即可。
(3) 提高了修复软件Bug的能力:只需要修复模板的Bug然后重新运行生成器就可以修复所有生成文件的Bug。
(4) 大幅提高了工作效率:运用代码生成技术可以节省时间, 提高软件的开发效率。
自动代码生成的缺点:自动代码生成器不是通用的, 必须先为不同的环境实现特定的生成器;代码生成器的准确率并不能达到100%, 还有一些代码需要手动修改;数据库代码必须设计正确、规范, 生成器有时不能很好地处理有奇特设计的数据。
摘要：介绍雷达建模与仿真系统设计与实现, 重点分析其模块功能。
关键词：建模与仿真,模型驱动开发技术,代码生成技术,图形化建模
参考文献
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[2]凌华徳.基于MDA的代码自动生成技术的研究与实现[D].上海:华东师范大学, 2006
[3]Frederick P.Brooks Jr.人月神话[M].北京:中国电力出版社, 2002
[4]B.Hailpern, P.Tarr.Model-Driven Development:the Good, the Bad, and the Ugly[J].IBM Systems Journal, 2006, 48 (3) :451-461
数字建模与仿真 篇11
摘 要：为了给空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的仿真研究提 供了一个方便、快捷、高效的仿真平台，介绍了利用Simulink建模与仿真实现的方法，给出 了建立SVPWM仿真模型的详细步骤。最后应用到三相逆变器调速系统中，仿真结果显示其控 制效果良好，完全符合实际电机控制的要求。
关键词：逆变器；电压空间矢量；建模；仿真
Modeling and Simulation of Voltage Space Vector PWM Inverter
ZHU Long-ji
(School of Electrical
and Information Engineering, Anhui U niversity of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract: In order to offer a convenient and effective simulation
platform of space vector PWM, the method of modeling and simulation based on Si mulink was introduced. The detailed process of SVPWM simulation modelling was pr esented. Finally, the model was applied to three-phase inverter speed control
sy stem. The results show that its control effect is good and entirely accords with
requirement of motor control.
Key words:inverter; voltage space vector; modeling; simulati on
电压空间矢量PWM调制技术（SVPWM）与正弦PWM（SPWM）相比，不仅使得电机 转矩脉动降低，电流波形畸变减小，而且其直流电压利用率增加了15%，数字化实现更加容 易［1］。还可以证明电压SVPWM技术可以等效为注入一定零序分量的SPWM。正是SVPW M具有更低高次谐波和电压利用率高等优点，所以越来越受到人们的重视。
在控制系统通用计算机仿真软件中，MathWorks公司的MATLAB软件最为流行。它的Simulink 工具箱是一种优秀的仿真软件，具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程以及高度可 视化等特性［2］。国内文献中大都采用Simulink对电压空间矢量PWM控制算法进行仿 真研究，但遗憾的是大多数文献中只注重理论和公式推导，只给出了仿真结果，对其仿真建 模的方法和过程却鲜有介绍。而SVPWM的建模过程比较复杂，仿真建模步骤又恰恰是研究同 行们最想了解的，基于这一原因，本文采用MATLAB6.5中的Simulink动态仿真工具，利用Pow er System Blockset、S-函数相结合的方法，详细分析了建立SVPWM逆变器仿真模型的过程 ，并得出了正确的仿真结果。
1 SVPWM控制算法的仿真分析
三相电压源逆变器可由6个开关元件来等效表示。逆变器桥臂的上、下开关元件在任何一时 刻不能同时导通。不考虑死区时，上、下桥臂的开关呈互逆状态。三相逆变器实际运行中只 有6个有效空间电压矢量U1~6和2个零矢量U0和U7，6个有效矢量把向量 空间等分成6个不同扇区（见图1），扇区编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。
SVPWM控制的仿真建模过程可分为：①根据输入的参考电压u*sα、u* sβ，计算出空间电压矢量所处的扇区；②计算两个有效矢量和零矢量的作用时间T x、Ty、T0；③计算三角波调制后产生的三相PWM脉冲前沿延迟时间ton1 、ton2、ton3；④根据扇区号选用a、b、c三相对应的脉冲前沿延迟 时间Tcma、Tcmb、Tcmc；⑤输出三相SVPWM脉冲控制信号 。
图1 电压空间矢量、扇区号及SVPWM波形1.1 扇区Sn的计算要进行SVPWM调制，首先必须根据参考电压u*sα、u*sβ判断电压 空间矢量所处的扇区。若扇区标记为Sn，按图1的扇区划分方法，对参考信号u*s α、u*sβ作2/3变换，得到u*sa、u*sb、u*sc ：
u*sα=u*sβ,u*sb=-[SX(]1[]2[SX)]u*sβ+32u*sα
u*sc=-[SX(]1[]2[SX)]u*sβ-[SX(][KF(]3[KF)][]2[SX)]u* sβ
计算得到u*sa、u*sb、u*sc后，则可以根据以下规则 计算扇区的标号：
如果 u*sa＞0， 那么 N1=1， 否则 N1=0； 如果 u*sb＞0， 那么N2=1，否则N2=0；如果u*sc＞0，那么N3=1，否则N3=0。
那么，扇区的标号SN=4N3+2N2+N1。通过计算，得到6个扇区的标号(见图1)。 判断扇区的仿真模块如图2所示。图2 判断扇区的仿真模型1.2 矢量作用时间的计算要获得更多的与U1~U6相位不同的、新的电压空间矢量，可以利用它们的线性组合， 即利用各电压矢量作用时间的不同，来等效合成所需的电压矢量。以第3扇区为例，用两个 相邻有效矢量U4、U6和零矢量合成参考矢量U*s。设先作用矢量U4的作用时间 为Tx，后作用矢量U6的作用时间为Ty，根据期望获得逼近圆形磁链要求，即磁链幅 值应为恒定值，由平均值等效原理可得U4Tx+U6Ty=U*sT，其中： T为控制周期，但Tx、Ty相加不一定等于T， 剩余的时间由零矢量的作用时间 T0来补充， 则有T=Tx+Ty+T0。
SVPWM的调制载波为等边三角形，为了使输出的PWM波形在一个载波周期T内对称，把每个 矢量的作用时间都一分为二，同时把零矢量时间等分给两个零矢量U0、U7，在一个控制 周期内产生的开关序列为U0-U4-U6-U7-U7-U6-U4-U0，共8段，每段的作用 时间为T/8，其中每段零矢量的作用时间为T0/4，每段U6、U7的作用时间为Tx/2、T y/2［3］。这样可以保证在矢量切换时只有一个开关器件动作，降低了开关损耗 和逆变器输出谐波含量，最后得到各扇区所示的逆变器三相SVPWM波形（见图1）。若参考矢 量U*s落在第3扇区，将第3扇区的电压矢量合成单独画出（见图3）。
图3 第3扇区的电压矢量合成
根据图3的几何关系，可以得到
u*sα=[SX(]Tx[]T[SX)]U4+[SX(]u*sβ[]tg 60°[SX)]
u*sβ=[SX(]Tx[]T[SX)]U4+[SX(]u*sβ[]tg 60°[SX)]
6个有效的空间矢量的幅值是相等的，即｜U4｜=｜U6｜=[SX(]2[]3[SX)]Udc ，代入上式得
Tx=[SX(]T[]2Udc[SX)](3u*sα-[KF(]3[KF)]u*sβ)
Ty=[SX(][KF(]3[KF)]T[]Udc[SX)]u*sβ
计算出Tx、Ty后，可以由T=Tx+Ty+T0得到T0。
其它扇区的计算方法和第3扇区相似，定义
X=[SX(][KF(]3[KF)]T[]Udc[SX)]u*sβ
Y=(32usα+[SX(][KF(]3[KF)][]2[SX)]usβ)[SX(]T[]U dc[SX)]
Z=(-[SX(]3[]2[SX)]usα+[SX(][KF(]3[KF)][]2[SX)]usβ)[SX(]T[]Udc [SX)]
对于不同的扇区，通过计算Tx、Ty可按表1取值， Tx、
Ty赋值后， 为了防止Tx+ Ty＞T， 可对其进行饱和判断， 若Tx+Ty＞T，取Tx=Tx[SX(]T[]Tx+Ty[SX)] ，Ty=Ty[SX(]T[]Tx+Ty[SX)]。
表1 Tx和Ty计算结果表
扇区号ⅠⅡⅢⅣⅤⅥTx[]Z[]Y[]-Z[]-X[]X[]-Y[BHDWG2]Ty[]Y[]-X[]X[]Z[]-Y[]-Z[BG)F]
计算Tx、Ty的仿真模型（见图4）首先根据外部设定参数：参考电压u*sα 、u*sβ，控制周期T，直流电压Udc，利用Simulink函数模块（Fcn）计 算出X、Y、Z的值，再根据扇区号用查表法得到Tx、Ty。Tx、Ty的查表采用编 写S-函数来实现，S-函数名为xyz_account，内容如下：
function ［sys,x0］ = Ktable(t,x,u,flag)
% 输入：X，Y，Z，区段SN，控制周期T，
缓冲电阻Rs=10 kΩ，缓 冲电容Cs=10-3 μF。仿真实验所用异步电动机参数为额定功率PN=12
kW，额定电压UN=380 V，额定频率fN=50 Hz，输入直流电压Udc=500 V。三相给定电压Va,b,c的 调制比设为m=0.6，频率设为50 Hz。图7 SVPWM调速系统的仿真模型t/s
图8 SVPWM调速系统仿真波形
仿真结果如图8所示，输出波形依次为逆变器A相输出电压ua、电动机三相定子电流 la,b,c、电机速度n。SVPWM调速系统由于采用三角载波的调制，使逆变器的开关 频 率固定于载波频率，输出相电压的PWM波形ua接近标准的六阶梯形波。由于是开环控 制，电机的电流波形含有较大的谐波分量，电机在启动时的低速段速度有一定的波动，但比 SPWM调制方式要好得多。3 结束语
仿真是进行产品设计的重要手段，本文用MATLABS6.5的Simulink对SPWM控制方法进行了仿真 实现，结果显示效果良好，完全符合实际电机控制仿真要求，其计算算法可以直接用于数字 信号处理器，来实现其数字化，并用于电机控制。详细介绍了建立SVPWM仿真模型的方法和 步骤，其目的不是去研究SVPWM控制算法，而是给研究SVPWM控制的同行们提供一种仿真建模 的方法，为SVPWM调速系统的仿真研究提供一个方便、快捷、高效的仿真平台，可以在此基 础上进行更深入的仿真研究。
参考文献：
［1］ 王展英,秦连城．空间电压矢量过调制技术的两种简便算法及仿真研究［J］ ．微电机，2007（1）：61-65.
［2］ 吴天明，谢小竹,彭彬．MATLAB电 力系统设计与分析［M］．北京：国防工业出版社,2004：91-97.
［3］
万晓凤，戴文进．SVPWM交流调速系统的建模与仿真［J］．微特电机，2006（2）：23-25.
［4］ 邢绍邦，赵克友．电压型SVPWM算法及其仿真［J］．微特电机，2007（5） ：26-28.
非线性信道建模与仿真 篇12
1 非线性信道建模
1.1 基带非线性的数学模型
一个基带信号非线性的输入是实值信号x (t) , 经过非线性的输出也是实值信号y (t) 。此时的非线性模型是y (t) =F (x (t) ) 。常见的基带非线性的模型是幂级数模型和限幅器模型。
幂级数模型定义为:
1.2 带通非线性—Zonal带通模型
一个无记忆的非线性数学表示为:
假设输入的带通随机信号表示为:
由上述两式可以得到非线性的输出:
因为有fc>>B, 上式中第二项是载频的三次谐波3fc, 超出了有用带宽, 所以上式近似为:
此模型是窄带的、无记忆的非线性模型。也就是在无记忆的非线性器件之后接了一个“Zonal”带通滤波器, 只通过载频fc附近的频率。无记忆的非线性器件本身并不要求输入是基带还是通带信号, 所以它对载波频率并不敏感。是由于Zonal通带滤波器使基带模型变成频率为fc的带通模型。
1.3 非线性信道的仿真模型
在Saleh模型中, 假设TWT的输入信号为:
则输出信号为
若对Saleh的幅值2相位模型进行变换, 可将TWT的非线性模型由同相和正交分量表示, 即可得到非线性的正交模型。
本文在仿真模型中采用Saleh关于TWT放大器非线性的仿真模型, 当行波管TWT工作在饱和点附近时, 将引入两种非线性失真:AM/AM和AM/PM, 即幅值转换和幅值/相位转换效应。对于TWT的非线性, 目前比较严格的解析方法是Vottterra级数, 但该方法需测定Votterra的多阶核, 这在实现上有相当的难度。本文用的TWT非线性模型是Saleh提出的二参数模型, 如图1-1所示。式 (12) 中的各系数为:αa=1.1587, βb=1.15, αp=4.0, βp=2.1。
2 非线性信道的系统仿真
2.1 系统仿真原理图
如图2-1所示, 源端产生数据后经过QPSK调制, 理想情况下到达行波管放大器, 经过行波管的非线性影响, 使信号的幅度和相位产生畸变, 下行链路引入高斯白噪声。
2.2 加性高斯白噪声信道
在接收机的输入端对信号建立数学模型, 假定信号受到加性高斯白噪声的影响。分别以s (t) , n (t) , 和r (t) 来表示发射信号, 加性高斯噪声和接收到的信号, 接收信号如下:
n (t) 是AWGN过程的抽样函数, 其概率谱密度函数 (PDF) 和功率谱密度如下:
N0是个常数, 通常称为噪声功率谱密度。MATLAB仿真中使用内部函数randn, 可以生成随机数和随机矩阵, 其元素以均值为0且方差为1分布。因此对数字调制信号的同相分量和正交分量分别加上功率为1的AWGN噪声, idata和qdata, 那么这两路的输出, iout和qout的形式如下:
经功率为npow的噪声干扰后的修正输出数据变为:
本文的仿真中, 输入数据是以数字调制信号的正交和同相形式给出的。
2.3 QPSK调制与解调
本文采用QPSK系统对非线性信道进行仿真测试。四相相移键控目前是微波、卫星及有线电视上行通信中最常采用的一种载波传输方式。它具有较强的抗干扰性, 在实现上也较容易。
QPSK调制是一种四相位的相位键控。每个码元包含两位二进制信息。它通过载波的四种不同相位信息来表征传递的数字信息。QPSK是一种恒包络的角度调制技术。
QPSK信号有两种解调方式:相干解调和差分解调。对于QPSK而言, 在相同的信噪比条件下相干解调的误码性能要优于差分解调。但是相干解调存在要求载波恢复和相位模糊的问题。通常相位模糊要通过差分相干编码和解码来解决, 从而使设备变得较为复杂。
QPSK信号可以由两个正交的BPSK信号线性相加后得到, 如果输入的数据是不归零的, 且1、0出现的概率是相等的, 则基带信号的频谱为:
BPSK信号的功率谱为:
则QPSK信号的功率谱可以表示为:
其功率谱图如图2-2所示。
在高斯白噪声信道中, 相干QPSK系统的符号差错率为:
当采用格雷编码时, 相邻相位状态 (或符号) 之可能存在1比特信息不同, 所以一个符号错误对应一比特错误。其误比特率为:
2.4 仿真结果
QPSK信号的星座图如图2-3所示;经过TWTA之后的星座图如图2-4;QPSK系统未加TWTA的误码率仿真图如图2-5;非线性信道的系统误码率的蒙特卡洛仿真图如图2-6。
摘要：本文主要研究非线性信道建模与仿真及其对通信系统性能的影响, 所设涉及的非线性信道主要指信道中由高功率放大器引入的非线性。射频信号非线性放大器将会引起幅度和相位失真, 输入信号幅度变化同时导致输出信号幅度和相位非线性变化。实际的通信系统中非线性信道使信号产生AM-AM和AM-PM失真。本文通过蒙特卡洛仿真实现对非线性信道的研究。仿真结果表明, TWT是引起信道非线性的主要因素。从误码率仿真图上可以看出, 非线性信道使输出信号严重失真。
关键词：信道,非线性,高功率放大器
参考文献
[1]张辉, 曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安电子科技大学出版社, 2002.
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