计算机数字仿真

2024-06-12

计算机数字仿真（精选3篇）

计算机数字仿真篇1

1 数字钟的基本工作原理及组成部分

1.1 时钟发生电路

时钟发生电路一般可由石英晶体振荡电路和555定时器构成的多谐振荡器来构成, 本文采用石英晶体振荡电路, 该电路产生的时钟频率比较准确常用做数字电路的时钟信号。

1.2 分频器

本文采用10分频电路来实现, 用3个74LS90串联产生1/1 000分频, 获得需要的1 Hz秒脉冲信号。下面通过十分频电路为例说明分频电路的仿真, 首先创建十分频电路如图1所示。该电路有3个十进制计数器构成, 当U1计数到10时。QD产生输出脉冲, 其频率和输入信号频率相差10倍, 再通过输入到U2, U2的QD端输出脉冲频率比输出又减少10倍, 连到U3再降低10倍, 因此该电路最终可实现1/1 000分频。

1.3 计数器

整个计数器电路由秒计数器, 分计数器, 和时计数器串联而成。秒计数器和分计数器各由一个十进制计数器和一个六计数器串接组成, 形成2个六十进制计数器, 时计数器是由两个是进制计数器串接并通过反馈接成的24进制计数器。秒脉冲经过6级计数器, 分别得到“秒”个位, “秒”十位, “分”个位, “分”十位以及“时”个位, “时”十位的计时。由于上述计数器设计过程比较复杂, 受到条件限制, 为了使用方便, 直接利用Multisin7仿真软件直接构建一个60进制计数器和20进制计数器, 如图2、图3所示。

1.4 译码器

译码器是在数字组合逻辑电路设计中广泛使用的元件, 把一组二进制代码翻译成特定的信号。译码器分为数码 (通用) 译码器和显示译码器两种, 除了完成译码器功能外, 译码器还常常具有锁存, 三态选通等功能。数码译码器有3线—8线译码器, BCD码—十进制码译码器, 4线—16线译码器, BCD—锁存/7段译码/驱动器CC4511等等。本文的“时”显示由24进制计数器, 译码器和显示器构成;“分”、“秒”显示分别由60进制计数器, 译码器和显示器构成。通过译码器显示出时间。

2 Multis im7系列软件简介

Multisim7仿真软件的前身是EWB (ElectronicsWorkbench) , 创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上元件库和仪器库中直接选取。电子电路的分析, 设计与仿真工作都可通过点击鼠标实现。Multisim7的元件库不仅提供了数千种电路元件供选用, 而且还提供了各种元器件的理想值。

Multisim7基本界面主要由菜单栏, 标准工具栏, 绘图工具栏, 使用中元件表、仿真开关、元件工具栏, 虚拟元件工具栏, 仪器工具栏、状态栏、电路工作区等项组成。

Multisim7系统软件基本仿真分析方法有4种, 分别是直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析。

3 基于Multis im7系统软件进行秒信号发生电路的仿真

3.1 秒信号发生电路具体介绍

数字钟一般都由振荡器, 分频器。译码器, 显示器等几部分组成。其中振荡器和分频器组成标准秒信号发生器, 秒信号送入计数器进行技术, 把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。

由第一章介绍时钟发生电路和分频器得知, 把时钟发生电路和分频器合在一起就能产生1 Hz的时钟脉冲信号, 如图4所示 (秒信号发生电路) 其中分频器生成了层次块电路, 采用逻辑分析仪来观察输出脉冲。因为1 Hz的时钟脉冲信号周期很长。激活电路后得到输出时钟信号, 测量其频率大约为1 Hz左右。

3.2 利用Multis im7仿真软件仿真出秒信号发生电路

图4所示是秒信号发生电路, 由于电路结构复杂化, 因此, 直接将时钟发生电路和分频器合在一起产生脉冲信号。

3.3 利用Multis im7仿真出时间校正电路

由于受条件限制, 该设计只是采用仿真平台, 假设当接通电源或计时出现误差时需要对数字钟进行校正。对“时”和“分”计时电路进行校正, 创建电路如图5所示, 左边是由RS触发器和开关组成的脉冲产生电路, 该电路能够消除机械开关的抖动, 右边通过两个开关J3和J4对“时”或“分”计数器进行校正。在不进行校正时, 开关设置如图5所示, 输出均为高电平, 当需要校正时, “时”计数器时, 把开关J3打开, 把开关J1来回抖动得到两路输出校正信号。

4 基于Multis im7数字钟的完整结构仿真图

数字钟是用数字集成电路构成并用数显示的一种现代计时器, 把各个部分电路连接起来, 并从指示元件库里把数码管与计数器相连, 就得到如图6所示总电路, 该电路中没有使用计时钟源, 由于仿真需要很长时间, 只是用一个函数发生器代替, 为观察进位情况可把时钟频率调高一些。

仿真步骤如下:启动仿真电路, 可观察到数字钟的秒位开始计时, 计数到60后复位为0, 并进位到分位将函数发生器输出接到图中X2的时钟输入端I01脚, 以观察分位进位是否正确。重新启动仿真, 同样可观察到分位显示数码管计数到60时进位到时位并复位为0将函数发生器输出接到图中X3的时钟输入端I01脚, 以观察时位进位是否正确, 启动仿真, 观察到时位显示数码管计数到24后复位为0。

由于受条件限制, 本章只是仿真出数字钟电路图, 以上三步只是说明该电路的计时和进位能符合设计, 从中证明设计正确性。

摘要：通过本次设计, 使我对模拟环境有了详细的了解, 它是通过方便, 直观形象的过程构建系统, 并提供了丰富的元器件资源, 强大的分析功能和可视化的体系结构是一个非常优秀, 强有力的EWB软件。

关键词：数字钟,Multisim7,仿真系统,秒脉冲

参考文献

[1]任为民.电子技术基础课程设计[M].中央广播电视大学出版社, 1997

[2]周凯.EWB虚拟电子实验室—Multisim7电子电路设计应用[M].电子工业出版社, 2005 (6)

数字座舱压力控制系统仿真篇2

本文在介绍数字式压力控制系统的基础上, 对其建立了数学模型, 并研究了模糊PID控制方法在该系统上应用的可行性。

(一) 工作原理

本文所研究的数字座舱压力控制系统主要包括座舱压力控制器, 电机 (驱动装置) , 排气活门 (执行装置) 和座舱 (被控对象) , 如图 (1) 所示。其工作原理是比较装置将压力制度计算出的座舱压力理想值与传感器得到的实际值进行比较, 将偏差信号传递给压力控制器, 根据控制器内部算法输出活门转角控制信号给伺服电机驱动装置, 从而通过改变排气活门的转角来改变排气流量, 进而实现座舱内的压力和压力变化速率控制在规定的范围内。

(二) 数学模型

1. 座舱

座舱压力控制系统的调节对象是座舱压力pc, 座舱压力随供气流量GK, 排气流量GB和泄漏量YG的变化而变化, 由质量守恒得:

式 (1) 中GC为座舱空气质量。

飞机气密座舱有以下特点:座舱容积VC不变;由于有温度控制系统的存在, 座舱内温度变化范围很小, 可以认为座舱温度TC为常数;座舱内的空气泄漏量相比于座舱的供气和排气量来说很小, 不足以影响座舱压力控制系统的工作, 因此可以忽略泄漏量GY。根据以上前提并结合理想气体状态方程可将式 (1) 改写得到座舱的微分方程[2]:

(2) 式中计算流量可采用绝热过程的流量公式[3]。当气体处于亚临界流动时,

当气体处于超临界流动时,

(3) 、 (4) 两式中:μB为排气活门流量系数;BA为排气活门流通面积。

将方程在平衡状态点 (用下标0表示, 下同) 附近线性化, 即可得座舱压力线性化方程:

对方程进行无因次化并令座舱供气流量保持不变后得[4]:

(6) 式中:为微分算子;为座舱压力时间常数;为排气活门灵敏度对座舱压力的影响系数;为外界大气压变化对座舱压力的影响系数;为座舱压力的相对变化量;为周围大气压力的相对变化量;为排气活门流通面积相对变化量。由于该方程的线性化是建立在平衡点附近的较小量的变化, 所以认为简化后座舱线性化方程为:

拉式变化后写成传递函数的形式为:

其输入量是排气活门流通面积的相对变化量μB, 输出是座舱压力的相对变化量xc。

2. 排气活门

由蝶式活门的样式图2可知, 活门的流通面积为:

(9) 式中, ABg为活门最大流通面积;α为活门的瞬时开度。假设排气活门的平衡状态是 (AB0, 0α) , 则偏离平衡状态较小量的工作状态为代入 (9) 式得:

将其进行无因次处理后得:

其中:是排气活门流通面积的相对变化量;是活门的最大开度;是排气活门开度的相对变化量。将 (10) 式写成传递函数的形式为:

其输入量是排气活门开度的相对变化量μα, 输出量是排气活门流通面积的相对变化量μB。

3. 补充方程

已知在0

式 (12) 中:h是以海平面计算起的高度;p0是海平面上的大气压力;R是气体常数 (R=287J/ (kg⋅K) ) ;∂是年平均温度直减率 (0.0065oC/m) ;g是重力加速度 (9.81m/s2) 。

(三) 系统传递函数

根据数字座舱压力控制系统的工作原理和数学模型可知, 该系统为单输入、单输出系统, 且在某一平衡状态附近工作时为线性、定常系统。因次采用传递函数表达式比微分方程形式更加便于对系统性能的分析。

将电机模型加入到座舱压力控制系统后, 系统的输入为电枢电压相对变化值xu, 系统的输出为座舱压力的相对变化量xc。系统的模块图如图 (3) 所示:

由图 (3) 可知, 系统的传递函数为:

(四) 控制仿真

1. 模糊控制系统结构

标准的PID控制器数学模型为:

在上式中:e (t) 、u (t) 分别为PID控制器的输入和输出, 其控制作用由误差e的比例、积分、微分三项之和给出。常规PID控制中的比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd通常是根据具体的调节规律, 不同调节对象的特征进行闭环试验, 反复凑试, 整定出的一组固定的参数, 这种方法不能兼顾静态与动态特性, 当系统的非线性较强时, 传统的PID设计方法难以获得良好的控制效果。因此我们将模糊控制和PID控制结合起来, 根据各自的特点构造了一个模糊自整定PID控制器如图4所示。

模糊自整定PID算法是在PID算法的基础上通过计算当前系统误差e和误差变化率ec, 利用模糊规则进行模糊推理, 输出ΔKp、ΔKi、ΔKd, 将这三个值放入PID控制器中, 计算得到当前的Kp、Ki、Kd, 从而由PID控制器对系统进行控制。其设计核心是总结设计人员的技术知识和实际操作经验, 建立合适的模糊规则表。

2. 模糊控制器设计[5]

(1) 确定输入变量, 并将其模糊化

通过实测值与理想值比较求出误差值e及误差变化率ec作为输入变量, 定义e、ec模糊量的模糊子集为{PB, PM, PS, ZO, NS, NM, NB}, 子集中的元素分别代表正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。论域为{-1, 1}, 模糊子集选用高斯形隶属函数。

(2) 确定输出变量和隶属函数

以三个参数作为输出变量, 模糊量的模糊子集为的论域为{-10, 10}, 模糊子集选用三角形隶属函数。

(3) 确定模糊控制规则

模糊推理的核心是“if…then”形式的模糊控制规则。控制规则的选取直接关系到系统控制性能的优劣。在制定模糊控制规则时, 我们依据以下原则:

1) 当偏差较大时, 为了加快系统的响应速度, 应取较大的Kp和较小的Ki。如果此时e×ec<0, 则取较小的Kd或使Kd为0;反之, 如果e×ec>0, 则取较大的Kd, 阻止偏差继续变大。

2) 当偏差适中时, 为防止系统超调量过大, 应取较小的Kp, Ki取中等值。如果此时e×ec<0, 则应取较大的Kd, 防止系统超调;反之, 如果e×ec>0, 则应取适中的Kd, 阻止偏差变大。

3) 当偏差较小或为0时, 为缩短调节时间, 可取适中的Kp和Ki。如果此时e×ec<0, 可取较小的Kd;反之, 如果e×ec>0, 取适中的Kd。

依据以上原则, 我们将模糊规则写入模糊控制器, 这样, 在不同的输入值e和ec下, 模糊控制器将推理得出合适的ΔKp、ΔKi、ΔKd, 从而实现在线整定Kp、Ki、Kd参数。

具体的模糊规则如下:

1) if (E is PB) and (EC is PB) then (Kp is PB) (Ki is NB) (Kd is PB) ;

2) if (E is PB) and (EC is PM) then (Kp is PB) (Ki is NB) (Kd is PB) ;

3) if (E is PB) and (EC is PS) then (Kp is PB) (Ki is NB) (Kd is PB) ;

4) if (E is PB) and (EC is NS) then (Kp is PB) (Ki is NB) (Kd is NB) ;

…

49) if (E is NB) and (EC is NB) then (Kp is PB) (Ki is NB) (Kd is PB)

3. 模糊PID控制器的仿真

SIMLINK是MATLAB中的一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。我们在SIMLINK环境下, 建立如图7所示的德模糊自整定PID控制器的仿真模型。

本文的平衡状态点取在h=3000m的高度, 通过计算各模块的参数得到每个模块的传递函数, 再代入 (13) 式, 从而得到系统的传递函数在此平衡状态下采用模糊PID方法对系统进行仿真。仿真结果如图8

由仿真结果可知, 基于模糊推理的PID控制器相比于传统PID控制器具有较小的超调量, 较短的调节时间, 良好的动、静态特性, 是优于常规PID控制器的。

(五) 结束语

针对数字座舱压力控制系统, 本文设计了一种模糊PID控制器。通过仿真表明这种简单的智能控制器具有动态性能好、稳态精度高、抗干扰性能好等特点, 证明将模糊控制理论应用于PID参数的整定上这个方法是可行的, 并且在该模糊控制器作用下飞机座舱压力控制系统具有良好的调节效果。

参考文献

[1]张皓, 张兴娟, 袁修干.数字式座舱压力控制系统技术及研究展望[A].中国航空学会2000年环控暨人机工效学术交流会[C].北京:中国航空学会, 2000.

[2]王俊, 徐杨禾.飞机座舱空气参数控制[M].北京:国防工业出版社, 1980.

[3]Petri, Bernhard, Felsch, Christian.cabin pressure control system and method of controlling cabin pressure.United States, US6676504B2[P].2004-01-13.

[4]Dr.Richard, W.Kolk.Nonlinear and Adaptive Control Techniques[A].Advanced Control Conference[C].Lafayette, Indiana:Purdue University, 1974.

航电全数字仿真平台技术研究篇3

航电全数字仿真在航电系统性能的确认及验证 (V&V) 流程中有着重要的作用, 在航电设计的早期阶段, 通过模型及仿真的方式进行系统可行性分析、验证, 有助于进行早期评估以优化所有资源的使用, 能在短时间内检验构型变化, 从而减少开发时间。

本文所研究的航电全数字仿真平台主要包括主仿真系统和上位机仿真监控软件、建模相关软件等。在数字仿真阶段, 模型之间通过反射内存网或以太网交换数据, 各仿真节点可自由配置航电模型。考虑后续向半物理仿真测试的要求, 主仿真系统要具备高度可复用性, 预留与前端设备的数据接口, 并且在不修改已开发的仿真模型基础上, 顺利实现全数字仿真向半物理仿真的过渡。上位机软件提供程控开关, 实现模型和配线的同时切换, 便于真实设备接入仿真网络。

1 系统整体网络拓扑结构

航电全数字仿真系统采用上下位机结构形式。上位机主要运行仿真建模及仿真试验的应用软件, 如Rhapsody、实时仿真过程的监控软件、数据模型管理平台等。上位机采用普通PC机, Windows操作系统。下位机采用工业控制计算机, PCI总线形式。在实时内核的调度下运行多任务的航电系统的仿真模型, 通过反射内存网或以太网模拟各分系统间的数据链路, 并响应上位机的命令, 实现数据上传与下载。仿真监控计算机与实时仿真节点通过以太网进行连接, 它们之间的通讯是通过TCP/IP协议, 仿真监控计算机与实时仿真节点通过以太网主要是传输监控软件发给实时节点的指令;实时仿真节点之间的数据通讯是通过反射内存网或以太网, 模拟航电系统各模块间的数据通讯, 仿真监控计算机对反射内存网上传输的数据进行监控。航电全数字仿真平台网络拓扑结构见图1。

2 系统工作流程图

航电全数字仿真平台的工作流程图如图2所示。数据模型管理平台导入系统ICD数据, 设计仿真网络和硬件信息, 导出Rhapsody模型的ICD数据和打包、解包算法。Rhapsody设计航电系统的状态图, 进行全数字仿真。在数据模型管理平台描述航电系统数据的实际物理形式。最后导出航电系统的实时仿真Rhapsody模型。实时模型与全数字模型融合生成, 最终的实时仿真模型。通过Rhapsody将导出Rhapsody模型编译为可执行仿真程序。监控软件下载实时仿真模型, 并且监控运在嵌入式系统的实时模型的变量。同时监控软件可以将实时仿真的模型的数据保存到本地数据库中, 仿真结束后可以解析回放记录的数据。

3 实时系统设计

实时操作系统Vx Works开发是整个航电全数字仿真平台的基础和核心。Vx Works镜像的制作和Vx Works应用程序的开发是下位机实时系统的主要工作。

3.1 Vx Works镜像制作

Vx Works镜像成生可以通过Tornado建立一个bootable工程, 并对Vx Works的内核进行裁减, 裁剪过程如图3所示。裁剪结束后需要对rom Init.s、rom Start.c、sys Alib.s、sys Lib.c等文件进行修改, 满足场景要求。

3.2 Vx Works应用程序的开发

Vx Works应用程序开发包括检测下位机PCI设备、下位机IP地址配置、PCI板卡驱动程序设计等, 本文以PCI板卡驱动程序设计为例说明开发过程。在Vx Works中以太网、串行设备的驱动开发与普通的PCI板卡的开发有很大的不同, 具体的开发过程如图4所示。

4 结束语

本文研究了航电全数字仿真平台的软硬件实现, 并利用研究成果搭建了航电系统全数字仿真平台, 该全数字仿真平台可以用于航电系统设计早期对航电系统的需求进行确认, 以期在航电系统设计早期尽早对系统的可用性和完整性进行测试, 减少开发时间, 符合确认及验证 (V&V) 流程。

摘要：航电全数字仿真在航电系统性能的确认及验证 (V&V) 流程中有着重要的作用, 有助于进行早期评估以优化所有资源的使用, 减少开发时间。研究了航电全数字仿真平台的软硬件实现, 并利用研究成果搭建了航电系统全数字仿真平台, 该平台可用于对航电系统需求进行确认。

关键词：全数字仿真,航电系统,需求确认

参考文献

[1]余修端, 孙秀霞, 秦硕.全数字通用飞行仿真平台的设计与实现[J].计算机工程, 2008, 34 (17) :263-265.