模拟研究

模拟研究（精选12篇）

模拟研究 篇1

摘要：针对当前星模拟器完全丢失恒星光谱信息的缺陷,本文进行了星光颜色模拟方面的初步研究。首先,选择合适的星表并确定要进行颜色模拟的恒星星号,得到该星色指数等一系列信息;同时,根据有关资料,推导出恒星色指数与色温之间的函数关系;至此,确定该星色温。其次,由黑体辐射公式,计算出黑体在此温度下的辐射特性。然后,根据色度学原理,把黑体在此温度下的辐射量刺激值积分,得到该色温的总刺激值,归一化就可得到相应的色度坐标,完成了恒星的星光颜色模拟。最后,说明并解释了本研究方案的不足之处。模拟实验结果证明了星光颜色模拟的可行性。

关键词：星模拟器,颜色模拟,黑体辐射,普朗克轨迹

0 引言

空间飞行器发展至今,越来越趋向于采用空间姿态敏感器对飞行器进行实时姿态的捕获与测量。确定航天飞行器姿态的一般方法是选择一个可靠的参照系,如地球、太阳或恒星等[1,2]。目前,精度最高的姿态敏感器是星敏感器,比惯性陀螺、地球敏感器、太阳敏感器的测量精度要高一个数量级[3,4,5]。

近些年来,随着空间技术的发展,星敏感器技术也有了长足的进步,这也就对星敏感器的检测、标校技术和装置提出了更高的要求,即对星模拟器提出了更高的技术要求,如视场大,精度高,动态性能好,设备小型化等。但是,由于理论与技术上的复杂性,截至目前为止,研制成功的星模拟器显示模式几乎全是单色显示,这样,就完全丢失了恒星辐射光谱的一切信息。

针对如此情况,本文对星模拟器中星光的颜色模拟展开了初步研究。根据恒星的颜色指数,拟合出恒星的色温,进而模拟出恒星的颜色。实际上,影响恒星色温的因素,除去色指数外,还有金属丰度、表面重力等影响。由于这些因素过于复杂,本文并未对此加以考虑[6]。

1 星光颜色模拟基础

1.1 模拟原理

可见,天文学中至少有两种与恒星光谱有关的系统划分标准。哈佛分类法直接根据恒星的谱线进行分类,直观性强,却很难进行定量分析[7];测光系统利用恒星的色指数,如果能建立其与色温之间的函数关系,就为我们进一步研究星光颜色模拟提供了定量分析计算的条件[8,9]。

综上所述,我们选择恒星测光系统的色指数指标,作为星光颜色模拟方案的输入数据。为此,我们特地选用了耶鲁亮星星表(Bright Star Catalog,BSC)作为模拟软件数据。

1.2 模拟思路

1)推导出恒星色指数与色温之间的函数关系;

2)根据黑体辐射公式,计算在可见光范围各个波长的辐射量;

3)根据色度学原理,计算该色温的光谱轨迹色度坐标。

具体步骤如图1所示。

2 星光颜色模拟步骤

2.1 色指数到色温的推导

根据辐射度学的相关知识,颜色反映了辐射中不同频率的光子所占的比例。色温低,则长波(低频)成分多,辐射体偏红;反之,色温高,则短波(高频)成分多,辐射体偏蓝色。另一方面,由于B波段比V波段短,对于温度较高的恒星,测得的B星等比V星等小,则该星的色指数B-V<0;反之,对于温度较低的恒星,测得的B星等大于V星等,色指数B-V>0。这是色指数可以表征天体颜色的原理,也是色指数推导色温的定性分析。

画出色指数-色温关系图[10],见图2。

对于色指数-色温之间的关系,一般计算时,有个大致的经验公式:

见图3。可见,在色指数较大时(B-V>0.4)时,经验公式与所给数据符合较好。而在色指数较小(B-V<0.4)时,误差较大。因此,需要拟合一个新的色指数-色温公式。

由图2可看出,曲线在B-V=0左右有个拐点,因此取分段函数拟合曲线。

设色指数B-V为自变量x,色温为因变量y。

当B-V<0时,为使拟合方程形式简单,采用一阶指数衰减拟合。拟合曲线方程为

其中:A=1 079.206 44,t=0.098 24,y0=8 180.594 19。相关系数平方R2=0.996 58。函数曲线见图4。

当B-V≥0时,仍采用一阶指数衰减拟合。拟合方程为

其中:A=8 906.094 11,t=1.597 61,y0=3.633。相关系数平方R2=0.999 98。函数曲线见图5。

因此,恒星色指数与色温之间的函数关系为

其中:A1=1 079.206 44,t1=0.098 24,y01=8 180.594 19;A2=8 906.094 11,t2=1.597 61,y02=3.633。

2.2 黑体辐射公式

物理学家发现,任何固体或液体在任何温度下都能以电磁波形式向周围辐射能量。在一定时间内,辐射能量的大小以及辐射状态按波长的分布都与温度有关。这种辐射在量值方面和按波长分布方面都取决于辐射体的温度,因此叫做热辐射。用普朗克(Planck)公式可描述黑体辐射分布

式中:W(λ,T)代表黑体在绝对温度T下,波长λ时的辐射出射度;h为普朗克常数,值为6.626 196×10-34 J·s;c为光速,值为2.997 925×108 m/s;k为波尔兹曼常数,值为1.380 622 J/K[10]。

根据黑体辐射公式,可算出绝对黑体在任一温度条件下,在各个波长的辐射量。

2.3 光谱轨迹色度坐标

在CIE 1931xy色度图中,系以x和y对颜色定义。x色度坐标相当于红原色的比例,即R/(R+G+B),y色度坐标相当于绿原色比例,即G/(R+G+B)。光谱轨迹上的各点代表380 nm(紫色)到780 nm(红色)之间的所有单色光,从紫端到红端的连接直线则是光谱上不存在的颜色,直线与光谱轨迹组成的闭合曲线就是色三角。在色三角内包括一切物理上能实现的颜色。

接着,在CIE 1931xy色度图中画出黑体辐射的普朗克轨迹。首先,根据黑体辐射公式(式(5))计算出一定温度范围内(如1 000~50 000 K)的黑体在不同可见光波段(380~780 nm)的辐射量。在每个具体的可见光波长区,都有对应红绿蓝的光谱三刺激值。将一个特定的温度在各个波长的辐射量对应的光谱三刺激值积分,就计算出该温度黑体辐射出的色度学指标。对其进行归一化处理,得到黑体辐射的普朗克轨迹[11]。

2.4 模拟结果

经过以上步骤,星表的原始测光数据转化为CIE色度坐标。结合耶鲁亮星星表(BSC)的其它信息,如历元2000的赤经赤纬、自行、视差等,再结合星模拟器技术指标,就可设计出具有星光颜色模拟功能的星图软件。用户指定当前的光轴位置与卫星旋转角,星敏感器标定所需要的模拟星图就可完全由软件提供。

通过自行研发的星图软件,可以达到模拟星光颜色的要求。在星敏感器方面,色温可能会因此成为星图识别算法的一个重要参量,从而引发星敏感器CCD和识别算法的技术发展;即使就对于目前的星敏感器而言,CCD本身也具有光谱响应特性,若是在导航星位置匹配基础上,再加上其颜色信息,就更接近星敏感器的太空工作环境,这在星图模拟方面是长足的进步[12]。

这种星光颜色模拟方案原理简单,计算复杂度较低,误差较大。导致误差的原因有:

1)现实世界中,并不存在绝对的黑体。因此,把恒星当作黑体考虑,只是一种近似,当前也没有其它更好的办法。如果把恒星看作现实存在的选择性辐射体,势必要对所有恒星进行具体的建模,需要分析恒星的物理、化学性质,计算量将是一个天文数字。

2)恒星的色指数能反映恒星的温度,但除此以外,恒星温度还受到恒星的金属丰度、表面重力等因素的影响。本文在有关数据的基础上,拟合出色指数-色温之间的函数关系。实际上,因为有数据的保障,所以此方法还是可行的。

3 结论

本文以当前星模拟器软件缺陷为切入点,提出了进行恒星颜色模拟的研究。先推导出恒星色指数与色温之间的函数关系,再根据黑体辐射公式计算黑体在各个温度下的辐射特性,由色度学知识进而计算出其光谱三刺激值。归一化后,得到色指数与RGB坐标之间的关系,完成了恒星颜色模拟的初步研究。包含有星光颜色模拟内容的星图生成软件采用Visual Basic 6.0中文版开发,在Windows XP中文版下运行良好。

参考文献

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[2]何灵娜,崔维鑫,裴云天.基于CMOS APS的星敏感器光学系统结构设计与优化[J].光电工程,2007,34(11):24-30.HE Ling-na,CUI Wei-xin,PEI Yun-tian.Design and optimization of the optical system of the star sensor based on CMOS APS[J].Opto-Electronic Engineering,2007,34(11):24-30.

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[8]Bessell M S.UBVRI Passbands[J].Astronomical Society of the Pacific(S0004-6280),1990,102(10):1181-1199.

[9]Arlo U Landolt.UBVRI Photometric Standard Stars around the Sky at-50°Declination[J].The Astronomical Journal(S0004-6256),2007,133(6):2502-2523.

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[11]符泰然,程晓舫,钟茂华,等.基于辐射光谱的相关色温与热力学温度相关性分析[J].光谱学与光谱分析,2006,26(11):1984-1987.FU Tai-ran,CHENG Xiao-fang,ZHONG Mao-hua,et al.Correlativity Analysis Based on Radiation Spectrum of Correlated Color Temperature and Thermodynamic Temperature of a Radiating Source[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2006,26(11):1984-1987.

[12]陈元枝,郝胜国,郝志航.连通聚类星识别方法[J].光学精密工程,2000,8(3):217-220.CHEN Yuan-zhi,HAO Sheng-guo,HAO Zhi-hang.Method for star identification using connection cluster[J].Optics and Precision Engineering,2000,8(3):217-220.

模拟研究 篇2

本课题研究概况及趋势，研究本课题的理论意义和实际意义。本课题基本内容，预计突破哪些难题。

一、概况及趋势

河南省实验小学是一所省直属小学，有深厚的文化底蕴和优秀的师资力量，宽松、和谐、民主、开放的人文教育环境。对学科课程、活动课程、兴趣班等课程形式有着扎实的理论基础、实践经验和实施方法。河南省实验小学外国语分校现开设的儿童画、中国画、书法、舞蹈、球类、棋类、武术类等特长课更多地关注了学生的特长兴趣和需要，体现了学生受教育的自主性与学习自由，为学生提供了更多层面的学习空间，这些形式的课，以学校资源为保障，以学生兴趣和需要为出发点，以教师特长为依托，更好地体现了我们学校“第一课堂打基础，第二课堂展才华”的办学思路。但目前因使用教材的不规范、理论、经验的不充分等方面原因，缺乏教材资源，课程没有得到较为科学的挖掘和整合。如何基于现有的特长课资源，合理利用开发校本课程？，如何把这些学生喜欢的特长课系统化、科学化，变成具有鲜明特色又适合本校的校本课程等问题？，给我们提出了挑战，经过认真的思考和反复论证，我们确立了从特长课走向校本课程的思路。

二、课题的理论意义和实际意义

1、校本课程是指学校在保证国家和地方课程的基本质量的前提下，通过对本校学生的需求进行科学评估，充分利用当地社区和学校的课程资源而开发的多样性的、可供学生选择的课程

2、这一课题定位于学校现有的美术特长课程资源的合理而充分的利用，为开发具有类似校本课程提供一些切实可行的经验，以课例及教材的形式反映出来，最终各种特长校本教材的研究将形成“学校特长教育校本课程”体系。

3、通过课程开发，让教师、学生共同参与到课程开发决策中来，形成较为科学而合理的校本教材内容，促成教师专业发展和学生美术素养的提高，增强了特长课的绩效性，从而提高了课程的质量和社会的满意度。

4、其特长课向校本课程的转化和深入能充分地优化这一特色课程，使课程的开设更能满足学生的差异性，为学生提供更大的学习空间，满足其个性发展的需要，为自身的长远发展打基础。

三、基本内容和难点

1、研究作为美术特长小学各年级阶段要具备的美术基本知识和基本技能。

2、研究小学各年级阶段应具备的可持续发展的美术素养和学生的美术学习兴趣。

3、研究适合各年级阶段美术特长教育的又具有实验小学分校鲜明特色的校本教材、课例、案例。

4、研究具有河南历史、文化特点的适合本校开发的部份乡土教材课例。

四、课题研究程序

课题研究方法、途径、课题具体实施步骤，研究工作的资料准备情况。

（一）、研究方法

调查研究法：主要调查学生的兴趣爱好和对美术特长课开设的需要。

文献研究法：主要参考校本课程改革和课程设置、新课标的有关理论和实践。

行动研究法：主要是进行特长课教学和相关系列活动、教材整合、经验总结等。

（二）、研究途径

1、以美术特长常规课和活动课作为开展的主要途径；收集有关资料、实地考察、整理资料、交流经验、参观学习和作品展示等多种形式并存。

2、充分利用校内资源，借助学校现开设的特长课，立足于本校的现有条件，利用好学校现有的美术教室、多媒体教室、学校的“小荷尖尖，才艺展廊”、每学期开展的特长展示活动等，努力把蕴藏于师生中的相关经验、特长、爱好等转化为课程资源。

3、充分利用校外资源，社区资源和河南省丰厚的人文环境，合理开发部份适合本校的乡土课程，拓展美术特色的教材内容。

4、教材的形成将从教学资源整合、教材改编、创编和开发乡土教材几个方面来实现。

5、把我们现有的美术网站当作资源的一个有益补充，提供网上美术作品展示画廊、建立美术资源库、网上美术课堂、E-Mail、BBS交流互动平台等。

（三）、具体实施步骤

1、准备阶段（2004、9-2005、2）

分析该课题研究现状和发展趋势，总结一年来美术特长授课的经验，在学生中进行相关调查、统计，了解研究基本情况；认真撰写课题实施方案，明确任务，落实目标，找准突破口。

2、实施阶段（2005、2--2006、2）

（1）开展活动，师生共同设计活动方案，边实践边编写校本教材内容，并逐步完善。

（2）分阶段进行课题研讨，交流阶段研究成果、开展系列活动。

3、汇总阶段（2006、2--2006、7）

(1)整理论文及相关课例，案例、撰写研究报告，初步形成较为明晰的教材。

滑坡变形破坏行为物理模拟研究 篇3

关键词：滑坡 滑带 物理模拟 变形—时间曲线

Abstract： Different types of landslide deformation and failure behavior is different， the same slope may also exhibit different deformation and failure behavior under different stress conditions. In order to observe slope deformation and failure behavior in different stress condition， a model test framework is designed which angle can be adjusted， and we independent research and development of the model displacement measuring device. We choose Chengdu clay as the slide zone soil materials through a lot of tests， the development of the study on the physical simulation test of the slope deformation and failure of nearly a year， completed 7 kinds angle and 14 groups simulation test. Acquired deformation time curves under different stress conditions by physical simulation. The datas further reveals the characteristics of the landslide deformation-time curve， provides the basis for induction of the curve types of slope deformation-time.

Key Words： Landslide； Sliding zone； Physical simulation； Deformation-time curve

模拟手机通信的研究 篇4

CMo b View类中有个变量CWnd的指针类型变量m_p Before Wnd, 子窗口中也有指针类型变量m_p Before。它的作用主要体现在从子窗口的返回过程中。在创建新的子窗口前先将当前活动窗口地址保存至子窗口的变量m_p Before。子窗口创建后, “手机键盘”产生的消息都传送到子窗口中去。也就是说负责“返回”操作的右软键, 所产生的消息由子窗口来处理。所以原窗口的显示, 子窗口的销毁, 都应该在子窗口中处理。这样我们就可以这样来做:

我们把保存在子窗口中的原来的活动窗口重新传给父窗口的m_p Active Wnd, 然后子窗口再销毁自己。这样, 我们就成功地实现了窗口的返回。

函数Receive Message用于接收消息, 处理接收到的消息数据。在本程序中, 每次收到消息后, 都将其存入数据库中。CMessage显示短信数据时, 将从数据库中读取相应数据。其定义如下:

在该函数中, Send所发送的消息为全局变量字符串m_str My Mess, 它是在CMessage中被赋值的:

m_str My Mess=m_str My Num+m_str To Num+m_str Len+m_str Time+m_str My Mess;其中有本手机号, 对方手机号, 消息发送时间, 编辑框中编辑的消息。

当客户端收到消息时, 将消息存入数据库表“短信”中。当客户端连接服务器成功后, 通过查询字段Tele Num To, 来判断消息是否是自己的。如果是便可在“收件箱”中得以显示了。

参考文献

[1]王育坚.《Visual C++面向对象编程教程》.清华大学出版社, 2003年.

[2]梁肇新.《编程高手箴言》.电子工业出版社, 2004年.

[3]飞思科技.《精通MFC》.电子工业出版社, 2003年.

[4]George Shepherd, Scot Wingo.《深入解析MFC》.中国电力出版社, 2003年.

实验一 典型环节的模拟研究 篇5

一、实验目的

1.熟悉THBDC-1型控制理论实验平台及“THBDC-1”软件的使用； 2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；

3.测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、实验设备

1.THBDC-1型控制理论实验平台；

2.PC机一台(含“THBDC-1”软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线；

三、实验内容

1.设计并组建各典型环节的模拟电路；

2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；

四、实验原理

自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。

本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。

1.比例（P）环节

比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。图1-1 它的传递函数与方框图分别为：

U(S)G(S)OK

Ui(S)

2.积分（I）环节图1-2

积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为：

U(S)1 G(s)OUi(S)Ts

设Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图1-3所示。

图1-3

当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。3.比例积分(PI)环节

比例积分环节的传递函数与方框图分别为：

G(s)UO(S)R2CS1R21R21(1)Ui(S)R1CSR1R1CSR1R2CS其中T=R2C，K=R2/R1

设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为

1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。

图1-4 4.比例微分(PD)环节

比例微分环节的传递函数与方框图分别为：

G(s)K(1TS)R2(1R1CS)其中KR2/R1,TDR1C R1

设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数(K)为

2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。

图1-5

5.比例积分微分(PID)环节

比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：

1G(s)KpTDS

TIS其中KpR1C1R2C2，TIR1C2，TDR2C1

R1C2(R2C2S1)(R1C1S1)

R1C2SRCR1C1122R2C1S

R1C2R1C2S设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-6示出了比例系数(K)为

1、微分系数为TD、积分系数为TI时PID的输出。

图1-6 6.惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：

G(s)UO(S)KUi(S)TS1当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为

1、时间常数为T时响应曲 线如图1-7所示。

图1-7

五、实验步骤

1.比例（P）环节

根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

R2R0R0uiR1-++-++uo图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K时，比例系数K=1。电路中的参数取：R1=100K，R2=200K时，比例系数K=2。

当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测(选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出uO；通道AD2接电路的输入ui)并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。

注：①实验中注意“锁零按钮”和“阶跃按键”的使用，实验时应先弹出“锁零按钮”，然后按下“阶跃按键”。具体请参考附录“硬件的组成及使用”相关部分。

②为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“”按钮(时基自动)，以下实验相同。

2.积分（I）环节

根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K×10uF=1)时，积分时间常数T=1S； 电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K×1uF=0.1)时，积分时间常数T=0.1S； 当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。

注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。3.比例积分(PI)环节

根据比例积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1S)时，比例系数K=

1、积分时间常数T=1S；

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1S)时，比例系数K=

1、积分时间常数T=0.1S。

注：通过改变R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

4.比例微分(PD)环节

根据比例微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建其模拟电路，如下图所示。

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×1uF=0.1S)时，比例系数K=

1、微分时间常数T=0.1S；

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S)时，比例系数K=

1、微分时间常数T=1S；

当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测(选择“通道3-4”，其中通道AD

3CR0R0uiR-++-++uo接电路的输出uO；通道AD4接电路的输入ui)并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

注：在本实验中“THBDC-1”软件的采集频率设置为150K，采样通道最好选择“通道3-4(有跟随器，带负载能力较强)”

5.比例积分微分(PID)环节

根据比例积分微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建其相应的模拟电路，如下图

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF(K=(R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2,TI=R1C2=100K×1uF=0.1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S)时，比例系数K=

2、积分时间常数TI =0.1S、微分时间常数TD =0.1S；

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=10uF(K=(R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1,TI=R1C2=100K×10uF=1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S)时，比例系数K=1.1、积分时间常数TI =1S、微分时间常数TD =0.1S；

当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测(选择“通道3-4”，其中通道AD3接电路的输出uO；通道AD4接电路的输入ui)并记录不同K、TI、TD值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

注：在本实验中“THBDC-1”软件的采集频率设置为150K，采样通道最好选择“通道3-4(有跟随器，带负载能力较强)”

6.惯性环节

根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1)时，比例系数K=

1、时间常数T=1S。

电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1)时，比例系数K=

1、时间常数T=0.1S。

通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。

当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

7.根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。

六、实验报告要求

所示。1.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2.写出各典型环节的传递函数。

3.根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。

七、实验思考题

1.用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？

2.积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？

3.在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？

4.为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？

5、为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？

实验二二阶系统的时域响应

一、实验目的

1.通过实验了解参数(阻尼比)、n(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响； 2.掌握二阶系统动态性能的测试方法。

二、实验设备 同实验一。

三、实验内容

=1和>1三种情况下的单位阶跃响应曲线； 1.观测二阶系统的阻尼比分别在0<<1，2.调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比1，测量此时系统的超调量%、2调节时间ts(Δ= ±0.05)；

3.为一定时，观测系统在不同n时的响应曲线。

四、实验原理

1.二阶系统的瞬态响应

用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为

2nC(S)

(2.1)22R(S)S2nSn2闭环特征方程：S22nn0

其解S1,2nn1，针对不同的值，特征根会出现下列三种情况： 1）0<<1（欠阻尼），S1,2njn122

此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图2-1的(a)所示。它的数学表达式为：

C(t)1112entSin(dt)2式中dn1，tg112。

2）1（临界阻尼）S1,2n

此时，系统的单位阶跃响应是一条单调上升的指数曲线，如图2-1中的(b)所示。3）1（过阻尼），S1,2nn1

此时系统有二个相异实根，它的单位阶跃响应曲线如图2-1的(c)所示。

(a)欠阻尼(0<<1)(b)临界阻尼(1)

(c)过阻尼(1)

图2-1 二阶系统的动态响应曲线

虽然当=1或>1时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取=0.6~0.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，而且超调量也小。

2.二阶系统的典型结构

典型的二阶系统结构方框图如图2-2，模拟电路图如图2-3所示。

图2-2 二阶系统的方框图

图2-3 二阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U11、U6）

图2-3中最后一个单元为反相器。由图2-3可得其开环传递函数为：

G(s)RXkK，其中：K1，k1(T1RXC，T2RC)

RS(T1S1)T2KT1其闭环传递函数为：W(S)

1KS2ST1T1与式2.1相比较，可得

nk111，T1T2RC2T2R k1T12RX

五、实验步骤

根据图2-3，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。1.n值一定时，图2-3中取C=1uF，R=100K(此时n10)，Rx阻值可调范围为0～470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”软件观测并记录不同值时的实验曲线。

1）当可调电位器RX=250K时，=0.2，系统处于欠阻尼状态； 2）若可调电位器RX=70.7K时，=0.707，系统处于欠阻尼状态； 3）若可调电位器RX=50K时，=1，系统处于临界阻尼状态； 4）若可调电位器RX=25K时，=2，系统处于过阻尼状态。

2.值一定时，图2-4中取R=100K，RX=250K(此时=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”软件观测并记录不同n值时的实验曲线。

1）若取C=10uF时，n1；

2）若取C=0.1uF（将U7、U9电路单元改为U10、U13）时，n100。

注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。

六、实验报告要求

1.画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数； 2.根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统的动态性能的影响。

七、实验思考题

1.如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？ 2.在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？ 3.为什么本实验中二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差为零？

实验三高阶系统的瞬态响应和稳定性分析（设计性实验）

一、实验目的

1.通过实验，进一步理解线性系统的稳定性仅取决于系统本身的结构和参数，它与外作用及初始条件均无关的特性；

2.研究系统的开环增益K或其它参数的变化对闭环系统稳定性的影响。

二、实验设备 同实验一。

三、实验内容

观测三阶系统的开环增益K为不同数值时的阶跃响应曲线； 研究三阶系统的稳定性。

四、实验原理

三阶及三阶以上的系统统称为高阶系统。一个高阶系统的瞬态响应是由一阶和二阶系统的瞬态响应组成。控制系统能投入实际应用必须首先满足稳定的要求。线性系统稳定的充要条件是其特征方程式的根全部位于S平面的左方。应用劳斯判据就可以判别闭环特征方程式的根在S平面上的具体分布，从而确定系统是否稳定。

本实验是研究一个三阶系统的稳定性与其参数Ｋ对系统性能的关系。三阶系统的方框图和模拟电路图如图3-

1、图3-2所示。

图3-1 三阶系统的方框图

图3-2 三阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U7、U8、U9、U11、U6）

图3-1对应的系统开环传递函数为：

G(s)K

S(T1S1)(T2S1)S(0.1S1)(0.5S1)K1K2，K11，K2K1K2式中=1s，T10.1S，T20.5S，K510（其中待定电阻RxRX的单位为KΩ），改变Rx的阻值，可改变系统的放大系数K。由开环传递函数得到系统的特征方程为

S312S220S20K0

由劳斯判据得

0

系统稳定

a)不稳定

b)临界

c)稳定 图3-3三阶系统在不同放大系数的单位阶跃响应曲线

五、实验步骤

请自行提出实验步骤，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路。（K值可参考取5，12，20等）。完成实验报告，结合实验提出相应思考题。

K＝12

系统临界稳定 K>12

系统不稳定

其三种状态的不同响应曲线如图3-3的a)、b)、c)所示。实验四线性定常系统稳态误差的研究

一、实验目的

1.通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；

2.研究系统的开环增益K对稳态误差的影响。

二、实验设备

同实验一。

三、实验内容

1.观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差； 2.观测I型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差； 3.观测II型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。

四、实验原理

通常控制系统的方框图如图4-1所示。其中G(S)为系统前向通道的传递函数，H(S)为其反馈通道的传递函数。

图4-1 由图4-1求得

E(S)1R(S)

1G(S)H(S)

（4.1）

由上式可知，系统的误差E(S)不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号R(S)的形式和大小有关。如果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：

esslimSE(S)

s0

（4.2）

本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。下面叙述0型、I型、II型系统对三种不同输入信号所产生的稳态误差ess。

1．0型二阶系统

设0型二阶系统的方框图如图4-2所示。根据式（4.2），可以计算出该系统对阶跃和斜坡输入时的稳态误差：

图4-2 0型二阶系统的1）单位阶跃输入（R(S)方框图

1）sesslimSS0(10.2S)(10.1S)11

(10.2S)(10.1S)2S32）单位斜坡输入（R(S)1）s2esslimSS0(10.2S)(10.1S)12

(10.2S)(10.1S)2S上述结果表明0型系统只能跟踪阶跃输入，但有稳态误差存在，其计算公式为：

essR0，其中KplimG(S)H(S)，R0为阶跃信号的幅值。

S01KP其理论曲线如图4-3(a)和图4-3(b)所示。

图4-3(a)

图4-3(b)2．I型二阶系统

设图4-4为I型二阶系统的方框图。

图4-4 1）单位阶跃输入

1S(10.1S)1E(S)R(S)

1G(S)S(10.1S)10SesslimSS0S(10.1S)10

S(10.1S)10S2）单位斜坡输入

esslimSS0S(10.1S)120.1

S(10.1S)10S这表明I型系统的输出信号完全能跟踪阶跃输入信号，在稳态时其误差为零。对于单位斜坡信号输入，该系统的输出也能跟踪输入信号的变化，且在稳态时两者的速度相等（即uruo1），但有位置误差存在，其值为..VO，其中KVlimSG(S)H(S)，VO为斜坡

S0KV信号对时间的变化率。其理论曲线如图4-5(a)和图4-5(b)所示。

图4-5(a)

图4-5(b)3．II型二阶系统

设图4-6为II型二阶系统的方框图。

图4-6 II型二阶系统的方框图

同理可证明这种类型的系统输出均无稳态误差地跟踪单位阶跃输入和单位斜坡输入。

当输入信号r(t)121t，即R(S)3时，其稳态误差为： 2SS21esslimS230.1

S0S10(10.47s)S当单位抛物波输入时II型二阶系统的理论稳态偏差曲线如图4-7所示。

图4-7 II型二阶系统的抛物波稳态误差响应曲线

五、实验步骤

1.0型二阶系统

根据0型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

图4-8 0型二阶系统模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U11、U6）

当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。

当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。

注：单位斜坡信号的产生最好通过一个积分环节(时间常数为1S)和一个反相器完成。2.Ｉ型二阶系统

根据I型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

图4-9 Ｉ型二阶系统模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U11、U6）当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。

当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。

3.II型二阶系统

根据II型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

图4-10 II型二阶系统模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U10、U11、U6）当输入ur为一单位斜坡(或单位阶跃)信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。

当输入ur为一单位单位抛物波信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。

注：①单位抛物波信号的产生最好通过两个积分环节(时间常数均为1S)来构造。②本实验中不主张用示波器直接测量给定信号与响应信号的曲线，因它们在时间上有一定的响应误差；

③在实验中为了提高偏差e的响应带宽，可在二阶系统中的第一个积分环节并一个510K的普通电阻。

六、实验报告要求

1.画出0型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。

2.画出Ⅰ型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。

3.画出Ⅱ型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差。

4.观察由改变输入阶跃信号的幅值，斜坡信号的速度，对二阶系统稳态误差的影响。并分析其产生的原因。

七、实验思考题

1.为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号？ 2.为什么0型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在，决定误差的因素有哪些？ 3.为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？

模拟研究 篇6

关键词：气候变化；建筑能耗模拟；模拟气象数据模式

中图分类号：TU111.3 文献标志码：A 文章编号：1674-4764（2012）02-0110-05

Analysis on Simulation Meteorological Data Under Climate Change

LIU Da-long, LIU Jia-ping, YANG Liu, ZHANG Wei-hua

(Architecture school, XiAN University of Architecture and Technology, Xian 710055, P.R. China)

Abstract:Climate has a determining influence on building energy consumption. Since 1980s, the global climate has appeared excessive warming, which inevitably causes the change of building energy consumption. The climatic simulation was used to forecast meteorological data from 2021 to 2050 for five cities in China. The five cities represent five different climate types in China. According to the Analysis of Energy Efficient Meteorological Year (AEEMY), model of meteorological data for building energy simulation based on TMY2 was presented. At the same time, meteorological data for DOES was also made from 1971 to 2000. A high residential building was respectively simulated in five cities under two kinds of meteorological data by using DOE2 software. The model of simulation was proved by the simulation result.

Key words:climate change; building energy consumption simulation; model of simulation meteorological data



气候是决定建筑能耗的关键因素，特别是对建筑的采暖和空调能耗。20世纪80年代以来，全球气候发生了异常变化，气温过度变暖，导致自然灾害频发，人类生存的自然环境不断恶化。在如此突变的气候条件下，建筑能耗必将随之发生显著变化。变化的建筑能耗将会使建筑节能设计面临新的挑战，这是建筑节能领域备受关注的问题，国内外学者相继展开多项研究。

目前对于气候变化下建筑能耗的研究主要采用静态能耗计算方法度日法。文献［1-3］使用采暖度日数和空调度日数研究了世界各个地区温室气体引起气温升高对于建筑能耗的影响。这些研究基本都得出了采暖能耗降低，但降温能耗升高且高于采暖能耗的规律。此外有些学者采用统计方法来研究气候变化对建筑能耗的影响。2005年Ruth和Lin［4］对美国马里兰州气候变化下的能耗需求进行了研究，马里兰州具有巨大的空调降温和采暖能源需求，研究采用时间序列方法预测了马里兰州2005-2025年间采暖和空调能源需求量，该研究也得到了上述能耗变化规律。2009年Lam等［5］对香港商业办公建筑未来的能耗进行了研究。该研究通过一个由气温、湿球温度和太阳总辐射组合气候因子与建筑降温能耗之间的回归模型，得到在SRES B1情景下，2009-2100的年平均空调负荷将比1979-2008的年均值要高9.1%，建筑总能耗量增长4.3%。研究还发现随着气候的变化，建筑负荷和能耗量的季节性差异将变得越来越小。

上述研究表明随着气候变暖，建筑能耗将会发生明显的变化。但上述研究主要是以历史气象数据为基础来推算未来建筑能耗的变化趋势，而很少采用未来气象来预测建筑能耗。在现有的建筑能耗分析方法中，动态建筑能耗模拟是主流研究方法，该方法在逐时室外气象条件下，计算满足室内环境要求的环境控制设备需要的全年逐时能耗量，它对于计算、预测和评估建筑的能源消耗变得越来越重要［6］。虽然建筑能耗模拟是目前计算建筑能耗的有效方法，但是因为受到缺乏准确详实的未来模拟气象参数的限制，该方法很少被用于研究气候变化下的建筑能耗研究领域。 、

1 建筑能耗模拟气象数据模式

为了将该动态能耗模拟方法应用于气候变化下的建筑能耗计算。必须获取满足模拟条件的、准确的、逐时的未来气象参数。模拟气象参数模式是获取一个地区代表性气象数据的方法，能够从长期的气象资料中挑选出代表当地气候规律的全年逐时、能够满足能耗计算需要的多项气象参数。

1.1 节能分析气象年模拟气象参数模式的提出

目前多数主流建筑能耗模拟软件DOE-2，Energy-Plus，DeST等使用的模拟气候参数模式是TMY2(Typical Meteorological Year 2)。TMY2是20世纪90年代美国国家可再生能源实验室分析研究组（National Renewable Energy Laboratorys Analytic Studies Division）资源评估项目的研究成果。TMY2使用Sandia方法来挑选代表性气象数据。Sandia方法的核心是在相当长1个时期（通常为30 a）的气象数据中，从不同年份中挑选出12个典型气象月，然后由其组成1个完整的典型年，这个典型年是一个虚拟年。以1 a的气候数据来代表该地区30 a内的气候特征，这样便于模拟计算。

设计之初TMY2计划用于太阳能转换系统或者建筑环境控制系统在不同系统类型、不同系统配置和在不同地域环境下的系统运行性能之比较。后来TMY2因为具备当地长期气候的代表性，其太阳辐射、空气温度与风速等气象数据的发生频率分布与过去多年的长期分布相似；同时各参数间的具备较强的关联相似性；还能够使建筑物全年热负荷及能耗计算结果具备代表性，被应用于建筑能耗的模拟计算。但是在建筑节能分析中，发现使用TMY2模式的气象数据存在以下问题：

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1）在挑选典型月时太阳辐射的权重系数占到了一半，所占比重过大。中国各地气象状况相差较大，各地太阳辐射资源也存在较大差异，相同地区还存在太阳辐射的季节性差异。而太阳辐射也不是所有地域建筑的主要可利用能源，所以太阳辐射的权重系数所占比重过大。

2）在挑选典型月时各主要气象参数比重在不同地区、不同季节都是固定不变。研究表明气候存在非常明显的地域性特征，中国则因地域辽阔表现的更为显著，在挑选典型气象月时，各地的气象参数比重有所差别。因此对各地的典型气候的研究不能以固定不变的比重方式来进行，应该考虑到地域差异和季节差异。

基于以上分析，提出了新的模拟气候数据模式——节能分析气象年。

1.2 节能分析气象年模拟气象数据模式的构成

节能分析气象年（Analysis of Energy Efficiency Meteorology Year，AEEMY）模式的基本思想与TMY2相同，根据当地相当长一段时期内的气象数据，先挑选出12个节能分析气象月，然后组成一个“节能分析气象年”。

节能分析气象月的挑选以平均气温、水平面太阳总辐射、大气压和相对湿度4项气象参数为选择依据，以主成分分析为理论根据，来确定各地4项气象参数作用于建筑能耗的组合系数。主成分分析是统计学中的一种常用方法，它的基本任务是根据样本的观测值确定应该构造多少个综合指标（主成分），并构造出各主成分的表达式［7］。主成分分析是对于原本提出的所有变量，以尽量紧凑的变量形式来表达现实问题的函数关系，使得变量能够最大限度地、独立地反映现实问题的某一方面，而且尽可能保持原有的信息。

采用主成分分析方法计算出4项气象参数的组合系数之后，计算4项参数在每个月的累年平均组合值和历年组合值，两者差值最小的月份即为该月的节能分析气象月。差异最小是指各考察月4项参数的组合值与该月4项参数累年平均值组合值的差异最小，在差异最小的判断中有一个很重要的概念就是4项参数的组合值，该组合值通过主成分分析获取4项参数各自的组合系数，然后通过4项参数的线性组合得到。在参数组合值的计算中，各地4项参数的权值不是固定的不变的，分别通过分析各地的长期的冬季和夏季气象数据得到的，反应出了4项气象参数对于建筑能耗影响的地域性和季节性。节能分析气象月的挑选方法如公式(1)—(4)所示。

Li(j)=Pi(j)Wpi+Ti(j)Wti+Gi(j)Wgi+Ri(j)Wri(1)

L－i=P－iWpi+T－i(j)Wti+G－i(j)Wgi+R－i(j)Wri(2)

其中：Li(j)为j年i月4项参数的组合值；L－i：i月4项参数累年平均值的组合值；Pi(j)、Ti(j)、Gi(j)、Ri(j)，分别为大气压、平均温度、水平面太阳总辐射和相对湿度j年i月的平均值；Wpi 、Wti、Wgi、Wri分别为为大气压、平均温度、水平面太阳总辐射和相对湿度各月的组合系数；P－i、T－i、G－i、R－i，分别为大气压、平均温度、水平面太阳总辐射、相对湿度i月的累年平均值

Di(j)=|Li(j)－L－i|(3)

AEEMYi=min(Di(1)，Di(2)，……，Di(30))(4)

其中：AEEMYi为第i月模拟气候月的当月年份。

节能分析气象年最主要的特点是考虑了不同地域、不同季节的气候因素对于建筑能耗作用的差异性，这点显著区别于目前主流的TMY2及其他模拟气象数据模式中对于典型气候的选择性。在这些模式中对于不同地域不同季节各气象参数的挑选权重始终保持不变。节能分析气象年的这一特点使得能够挑选中更加具有当地代表的典型气象数据，能够更加准确的反应出气候对于建筑能耗的影响。

论文使用1971-2000和2021-2050两个时期的气象资料，依据节能分析气象年参数模式，为中国5个气候区的5个代表城市挑选出来典型气象数据，然后按照DOE-2模拟软件中气象参数格式的要求制作了5个城市的DOE-2逐时模拟气象参数文件。

2 未来气象数据的获取

气候变化条件下建筑能耗模拟必须具备未来气候条件下的模拟用气象参数。采用气候模拟方法获取了未来的气候数据。气候模拟己成为开展气候变化研究的最重要手段之一，模式预测结果己具有很强的指示意义，多模式的集合结果也己经被证明更加可信［8］。文献［9］在研究黑龙江省未来气候变化预测时，也是采用多个气候模式的集合平均值作为数据源使用的。以3个全球海气耦合模式的集合平均值作为未来气象数据预测值，这3个气候模式较为符合中国气候的变化规律，其模拟结果较为准确，他们的集合平均值将会更接近中国的气候变化情况。所选用的3个气候模式分别为：MIROC3.2-MEDRES， UKMO-HadCM3 和ECHAM5， 其基本信息如表1所示。

使用集合预测结果得到了中国5个气候区代表城市2021-2050期间的模拟用主要气象参数。5个气候区每个选取了1个代表城市，5个代表城市如表2所示。5个代表城市的选区依据是：1）具有典型的气候代表性；2）在中国政治、经济、文化等方面处于重要地位。各气候选取的代表城市虽然只有1个，但是同一气候中各城市具有共同的气候特征，而且同一气候区建筑节能标准相同，建筑构造以及采暖降温方式基本相同，因此可以近似认为同一气候区中的不同地区在建筑能耗与气候的关系上基本相近。

3 不同气候条件下建筑能耗对比分析

3.1 模拟建筑及设置参数

模拟建筑的模型如图1所示，平面布局如图2所示，建筑为南北朝向，其围护结构传热系数、窗墙面积比、体形系数等限定性指标都满足各气候区节能标准要求。模拟建筑室内采暖计算温度18 ℃，采用连续供暖方式，采暖期为11月到翌年3月；室内空调计算温度26 ℃，采用间歇性空调制冷，空调期为5月到9月。分别输入1971-2000年期间和2021-2050年期间的模拟气象参数，使用DOE-2［10］在对5个代表城市对同一高层居住建筑进行了2个时期的能耗模拟。

3.2 不同气候条件下能耗模拟结果

模拟建筑在2种气象条件下5个城市的能耗值如表3、表4所示。

2021时期相比1971时期，各气候区代表城市建筑能耗的变化基本都呈现单位面积采暖能耗减少，空调能耗增加的趋势。在5个气候区中，严寒地区采暖能耗减少最多，平均每平米减少13.4 kWh；夏热冬冷地区空调能耗增加最多，平均每平米增加20.1 kWh。夏热冬冷地区热工总能耗增加最大，每平方米增加9.0 kWh。各气候区建筑热工总能耗的增加是因为空调能耗的增加高于采暖能耗的减少，以夏热冬冷的武汉为例，单位面积采暖能耗较少11.1 kWh/m2，而单位面积空调能耗增20.1 kWh/m2，使得单位面积热工总能耗增加9.0 kWh/m2。夏热冬暖地区采暖能耗减少18.8%，空调能耗增加5%，其余几个气候区采暖能耗平均减少18%，空调能耗平均增加23.6%。夏热冬暖地区主要以空调能耗为主，采暖能耗很少，虽然从比例上看采暖能耗减少比空调能耗增加的幅度大，但实际总能耗量还是显著增加，这与其他4个气候区建筑热工总能耗增加的表现一致。

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3.3 模拟结果分析

中国居住建筑采暖能耗减少、空调能耗增加、而热工总能耗增加的主要原因是气候变暖。

各气候区代表城市在2001-2050这50 a间的温度增长如表5所示，可以看出各代表城市的温度都明显升高，这是导致中国各气候区建筑采暖能耗减少，空调能耗增加的主要原因。研究表明近50 a全球气候变暖的主要原因是人为的温室气体排放［11］，温室气体能让太阳短波辐射自由通过，同时吸收地面和空气放出的长波辐射(红外线)，从而造成地面温度升高。

进一步分析表3、表4模拟结果可以发现，在两种不同气候条件下，除过严寒地区的哈尔滨以采暖能耗为主外，其他气候区代表城市都是以空调能耗为主。表5中各气候区代表城市冬季和夏季的温度增长幅度相差不大，哈尔滨和昆明冬季的增温幅度还高于夏季，但是建筑热工总能耗却表现出空调能耗的增加明显高于采暖能耗的减少。这说明建筑降温需要更多的能耗。因此在气候变化下的未来，中国建筑节能的重点方向应该是空调节能，其节能的难度会增加。

寒冷地区北京的采暖能耗2021时期比1971时期出现了略微增加的现象，与其他气候区城市不同。这是因为北京地区在温度升高的同时冬季太阳辐射出现了较为明显的降低现象，两个时期的北京地区太阳总辐射变化如图3所示。太阳辐射是建筑主要的热源之一，它不仅能够使建筑围护结构表面温度升高，而且能够透过窗户进入室内成为建筑的直接热源。但是随着城市大气污染的加剧，特别是冬季由于采暖需要，大量的燃煤造成空气透明度显著下降；同时天空中云量增多云层变厚，也减少了到达地面的太阳辐射量。文献［12］通过研究近50 a来鄂尔多斯地面太阳辐射的变化，也得到太阳辐射减少的结论。因此北京地区冬季太阳总辐射较为明显的降低，造成建筑得热量减少，是造成北京地区采暖能耗出现略微增加的主要原因。

图3 2个时期北京AEEMY月平均总辐射

4 结 论

采用建筑能耗动态模拟方法研究了中国在气候变暖条件下居住建筑能耗的变化规律。在TMY2模拟气象参数模式基础之上，提出了节能分析气象年(AEEMY)模式，该模式体现了各地影响建筑能耗的气候要素差异、同时体现了气象要素的季节性差异，使其更加适合于建筑节能的能耗模拟计算。

使用气候模拟方法预测了2021-2050期间中国主要气候区代表城市的气象数据。使用节能分析气象年模式制作了1971-2000期间和2021-2050期间中国主要气候区代表城市的模拟气象参数。使用DOE2模拟了高层居住建筑在不同气候区2个时期的建筑能耗情况。模拟结果表明，随着气候的变暖，采暖能耗基本都呈现减少趋势，而空调能耗都呈现增加趋势，空调能耗增加量明显高于采暖能耗的增加量，建筑热工总能耗呈增加趋势。在未来气候条件下，中国建筑节能的重要方向是减少空调能耗。各气候中，夏热冬冷地区居住建筑总能耗最高，是今后建筑节能的重点区域。夏热冬冷地区是中国今后开展节能工作的重点区域，

将节能分析气象年模式与气候预测相结合有效拓展了动态模拟方法的使用范围，为研究中国未来气候变暖条件下建筑能耗变化规律，指导中国未来建筑节能设计和生态建筑设计提供了重要的研究基础。将会有力促进中国建筑节能技术的发展和进步。

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（编辑 胡 玲）

车载网络模拟技术研究 篇7

关键词：车载网,交通模拟器,网络模拟器,模拟

0引言

近年来,车载网(Vehicular Ad Hoc Networks, VANETs)作为一种新的研究领域越来越受到人们关注。 VANETs是建立在移动车辆之上的一种分布式、自组织的通信网络［１］。与以往移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks,MANETs)不同的是,它具有高移动性和有限自由度的特点,即只能沿着街道运行。作为MANETs的一个特例,VANETs不仅为车辆提供了相互通信的能力, 在保障交通安全、事故预警以及为用户提供舒适的驾驶环境等方面也起到了重要作用。

在对VANETs的研究过程中,现实中实现VANETs通常需要大量车辆和人员,例如司机和电脑操作员,因此往往需付出较高代价或不能实现。在这种情况下,模拟成为最佳可供选择的测试、评估手段之一［２］。 模拟VANETs需要用移动模型来反映车辆运行,而且移动模型的准确性对模拟结果有重要影响。因此对VANETs进行模拟涉及两部分,一是用于模拟车辆移动的交通模拟器,如SUMO［３］、MOVE［４］等;二是用于模拟信息传输、转发等的网络模拟器,如NS-2［５］、JiST/SWANS［６］等。遗憾的是,目前并没有形成VANETs模拟器的统一标准,大部分研究人员采用传统模拟方式,即先用交通模拟器模拟道路场景产生trace文件,然后将trace文件作为网络模拟器输入,最终实现对VANETs的模拟。该方式的最大缺点在于将交通模拟器和网络模拟器分隔开来独立运行,两部分间不能交互。因此,不能满足VANETs中节点移动性高、拓扑结构易变的特点要求。为了解决这个问题,近年来有研究者提出将网络和交通模拟器进行整合,以形成适合车载网的模拟器。

1国内外研究现状

如前所述,对车载网的模拟主要由交通模拟器和网络模拟器两部分组成,按照这两部分结合的紧密程度将车载网模拟器分为两类:松耦合和紧耦合模拟器［７］。松耦合模拟器采用交通模拟器和网络模拟器分离的方式,由交通模拟器产生车辆的移动记录存放在trace文件中,网络模拟器则根据输入的trace文件进行模拟,但是两者不进行交互,结构如图1所示。这与上文提到的传统方式不同,传统方式下是由研究人员手动地将trace文件输入到网络模拟器中,而在松耦合的车载网模拟器中,trace文件的产生和输入都由系统自动完成。此类模拟器的优点是无需花费大量时间和精力去开发新的交通模拟器和网络模拟器; 缺点则是不同模拟器可能需要运行在不同的操作系统平台上,为了对两个模拟器进行同步,又可能导致系统性能降低,因此两部分间很难提供快速反馈。基于以上特点, 该方式仅适合对两个模拟器交互性要求不高的应用,例如多媒体应用、点对点通信等,这些应用中车辆不会因收到网络模拟器发回的信息而改变运动。与松耦合不同的是, 紧耦合模拟器中不使用trace文件,而是将交通模拟器和网络模拟器嵌入到单个模拟器中,使移动模型和交通模型能通过TCP等方式通信,这样移动模型能从网络模型的反馈中及时调整车辆移动,反之亦然,结构如图2所示。 例如在避免交通拥堵的系统中,通过网络收到的堵塞信息可能导致车辆改变路径。此类模拟器使交通和网络模拟两部分紧密结合在一起,形成快速有效的反馈,但是开发工作量相对松耦合模拟器大。

2 VANETs模拟器

为了对VANETs的新协议、应用进行准确评价,要求模拟器不仅要模拟车辆间的无线通信,还要模拟车辆运行。如前所述,这两方面都已有了高性能的工具,如SU- MO、NS-2,但如何将两者紧密结合起来成为VANETs研究者亟待解决的问题。鉴于此,研究者致力于在一个模拟器中采用松耦合或紧耦合方式实现网络和车辆运行的功能,使两者可以交互以实现对VANETs环境的模拟。其中几个典型代表如下:

2.1 TraNS

TraNS是一个利用现有交通和网络模拟器的最好例子［８］。它将交通模拟器SUMO和网络模拟器NS-2结合在一起,使网络模拟器能采用移动模型而交通模拟器能根据网络模拟器反馈的车辆间信息来改变车辆运行,从而实现双方的交互。首先由SUMO负责输出道路网地图以及dump文件,其中dump文件包含了所有与车辆移动相关的信息,再经parser将dump文件解释成符合NS-2输入格式的文件,最后输入即可。在此期间NS-2不提供反馈给SUMO,即预先产生的车辆运行轨迹不变,由此可见这一模式采用的是松耦合方式。

2.2 GrooveNet

GrooveNet是一种模块化的结合了网络和交通模拟功能的紧耦合模拟器［９］。它能通过TIGER/Line数据库装载真实街道地图,还可对车辆、固定设施和移动网关3种类型的节点进行模拟。模块化的结构使得GrooveNet易于扩展,用户可以根据应用、路由协议、安全等方面需要创建模块,通过在模块管理器中注册即可,且添加和删除模块时都不会影响别的模块运行。其最大特点是能在模拟车辆和真实车辆间进行通信,故又称为混合式模拟器。

2.3 NCTUns

NCTUns是一种基于C++的网络模拟仿真器,能够对无线和有线网中的各种协议进行模拟［１０］。最初NC- TUns只是作为网络模拟器进行开发,随着其不断改进, 开发者在网络模拟器的基础上增加了交通模拟功能,从而实现了交通和网络模拟的结合。从结构上看,NCTUns由用户图形界面(Graphical User Interface,GUI)、模拟引擎(Simulation Engine,SE)、车辆Agent(Car Agent,CA)以及信号Agent(Signal Agent,SA)4部分组成。其中GUI负责在模拟开始前进行参数设置并产生相应的配置文件, 其具有构建道路网,设置车辆类型、调度及移动,以及选择网络协议的功能;SE则在模拟时读取由GUI产生的各种配置文件并进行相应处理,如根据信号信息文件创建信号信息数据库;CA和SA则分别对车辆的移动和交通信号进行控制。这4部分的紧密结合使车辆能够根据反馈信息及时作出反应。但是NCTUns没有将网络模拟部分与其它有代表性的网络模拟器进行对比,因而其有效性尚未得到验证。

3结语

桂江流域洪水模拟研究 篇8

关键词：汇流,桂江流域,预报,模型

桂江流域[1]位于广西省东北部, 干流河长426km, 平均坡降0.247%, 流域总面积为19 288km2, 地理位置为东经110°05′~110°29′, 北纬23°28′~25°55′。桂江是珠江流域西江水系的主要支流之一, 自西北向东南汇入西江。流域上游的桂林、大溶江、华江一带为广西省北部暴雨区中心, 暴雨强度较大, 暴雨频繁, 年平均降水量在1 900~2 700mm之间, 最多年降水量可达3 000mm, 且降水多集中于4-6月, 造成桂江流域洪峰大, 难预报的情况。黄运才[2]等所作研究中用区间单位线推求区间来水量, 该方法效果较好, 但存在参数单一, 不考虑差异性以及模型构建简单等问题。本文采用分布式水文模型EasyDHM为桂江流域建模[3], 模拟计算了历史场次洪水情况, 并根据所率定的参数对选定年份洪水进行验证, 为桂江流域洪水预报做参考。选取流域内12个控制性水文站点参与模型参数分区划分, 雨量站选取流域范围内135个雨量站以及桂林、梧州2个气象站。桂江流域内各站点的分布图见图1。

1 模型介绍及构建

EasyDHM是中国水科院雷晓辉教授自主开发的分布式水循环模拟的模型, 采用模块化、组件式的开发思想, 模型支持多种空间结构, 其中, 产流、汇流、蒸发以及地下水等模块都支持多种算法[4], 加强了水循环过程模拟的扩展性和灵活性。

鉴于分布式水文模型[5]在较大流域应用时计算速率低、模型参数的率定困难等问题, 模型引入了“参数分区”的概念。分布式水文模型通常把整个流域划分成为众多的计算单元, 每个计算单元有其自身的一套默认的参数, 然而并非每个计算单元的出口处都有相应的水文站可以对此计算单元的参数进行率定。为方便模型的参数调整, 通常做法是划分出适当的参数分区。在对某参数分区进行调参计算时, 整体的改变该参数分区内所有计算单元的参数, 而不去改变模型中各类下垫面间的参数的相对关系。在此基础上, EasyDHM引入了参数自动识别率定的方法, 提高了分布式水文模型的建模效率及参数率定的效率, 降低了该模型参数识别的经验性。目前, 该模型已成功运用于国内多个大小流域的水文模型构建, 由此证明, EasyDHM模型具备很好的适用性。

本次研究过程中的DEM (数字高程) 数据来自USGS (美国联邦地质调查局) 的HYDRO1k (网址为http:∥edcdaac.usgs.gov/gtopo30/hydro/) 。DEM处理包括河网下切、填平洼地、栅格累积量的计算及提取河道等一系列操作和计算, 然后得到数字模拟河网。

土地利用数据采用的是全国分县土壤覆盖矢量数据, 该数据来自《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》课题的研究成果数据。桂江流域土地[6]利用分类图见图2。由图2中可以看出所研究区域植被多以有林地为主, 植被状况良好。本研究中土壤数据来源为FAO (联合国粮食与农业组织) 提供的数据, 桂江流域土壤类型图见图3, 由图3可见, 黏土占很大比例。

进行子流域划分和地表参数、土地利用参数、土壤参数、径流参数和子流域汇流参数的计算, 将全流域划分为了133个子流域, 桂江流域子流域划分如图4中所示。每个水文站控制一个参数分区, 由于一些参数分区面积较小且下垫面情况相近, 故本文只选取有代表性的5个参数分区进行参数率定分别为上游的桂林、中游的阳朔和平乐[7]、下游的京南以及支流的恭城, 桂江流域选定参数分区图如图5所示。水文站点集水面积情况见表1。桂江参数分区拓扑关系图如图6所示。桂江流域的空间展布综合采用相关距离反比法和泰森多边形法。

2 参数率定及洪水误差评价

在EasyDHM模型中, 需要对所挑选的场次洪水进行参数率定[8]。为使模型参数具有代表性, EasyDHM模型可选择多场次洪水同时率定。分布式模型, 尤其是对物理过程描述较强水文模型, 都具有参数较多的问题。EasyDHM为了避免在参数优化时候的维数灾问题, 引进了参数敏感性分析算法LH-OAT[9]。参数优化工作将在敏感性分析之后进行, 减少了优化敏感度低参数时所耗费的时间, 提高了计算效率。

2.1 参数敏感性分析

参数敏感性[9]分析的主要对象是EasyDHM模型29个产汇流参数, 采用LH-OAT全局敏感性分析算法, 并按照参数敏感度排序筛选出需要优化的参数。EasyDHM模型的产流参数见表2, 汇流参数见表3。

参数敏感性分析选用的目标函数为反映模拟精度的SSQ, 即水文站的模拟与实测径流量之残差平方和, 见式 (1) 。

式中:Qmin, i为模拟出的时段i的水文站出口流量, m3/s;Qobs, i为时段i的相应的水文站的实测流量, m3/s。

以桂林站为例, 桂林站参数敏感性分析结果见表4。从表4中可以看出, 产流参数中土壤参数 (FieldCapM、gwdelay) 敏感度较高, 说明径流变化主要体现在与土壤有关的参数上;汇流参数中CH_L2M敏感度也很高。产流、汇流参数都具有较高的敏感度, 所以, 该分区产流、汇流模块都需要重点考虑。

2.2 参数优化

参数优化利用DDS (直接数字频率合成技术[10]) 全局参数优化算法, 选用洪峰误差、洪量误差、峰现时间误差或纳什效率系数作为优化的目标函数。洪峰、洪量以及峰现时间的误差也都根据实测值大小换算为相对误差值, 从而可以实现多目标的加权组合。这里, 场次洪水选用纳什效率系数作为目标函数, 优化过程中根据桂江各参数分区的下垫面和各气候要素进行分析, 调整参数的上下界, 再率定模型参数, 经过反复多次计算最终得到最优参数值。由于桂江流域相对较小, 雨量站点的建立又比较晚, 部分雨量站点是2011年建立的, 雨量及流量资料系列较短, 为2006-2012年, 故本次研究不针对设计洪水推求, 只针对每一年洪水进行逐年模拟, 使用2006-2011年洪水做参数率定, 采用2012年的洪水作为验证。桂江流域选定参数分区洪水模拟结果见表5。图7为京南站20110615场次洪水模拟实测过程。图8为阳朔站20120601场次洪水验证过程。

2.3 结果分析

2.3.1 洪水结果分析

从表5可以看出, 洪水模拟在部分分区京南、平乐等站内合格率较高, 而桂林分区效果则相对较差。由图1可以看出, 桂林分区城镇用地占有很大的比例, 虽然产汇流参数考虑了城镇用地的影响, 但是城镇用地的复杂性还是给模型模拟带来了一定的不可预见性, 再结合各水文站拓扑关系分析其原因, 桂林站属上游参数地区, 主要受自身降雨影响, 其上游的大溶江站、灵渠站流量资料不全, 只能采用二次模拟值;而京南等下游参数分区除自身降雨引起的产汇流之外, 还有上游相邻水文站的下泄流量经由下游参数分区内的河道最后汇流流入下游水文站。由此可见, 入流下泄流量对于参数分区洪水模拟精度影响较大。

2.3.2 参数差异性分析

(1) alphabf地下基流回归常数。alphabf是影响地下水位的一个参数, alphabf变大时, 意味着地下水位降低, 更多的地表径流回归地下基流, 使地表径流的变化不致于过快, 相当于削峰作用。由图9 (a) 、图9 (b) 可以看出, 洪峰趋于平缓。桂林地区土壤类型多为黏土或黏质壤土, 且属于雨量丰沛地区, alphabf应该较小, 故从这点上来说, 图9 (a) 所示的alphabf=0.604值是比较接近实际情况的。

(2) gwdelay全局地下水退水时间。全局地下水退水时间gwdelay是一个调整地下水退水时间长短的参数, 由图9 (a) 、图9 (c) 可见, 当gwdelay比较大时, 退水比较慢, 地下水位始终保持一个比较高的基面, 导致地表水下进入地下水的过程减慢, 洪峰会比较明显, 洪量也比较大;当gwdelay明显降低时, 地下水退水加速, 导致地下水面降低的很快, 地表水补给地下水的过程变得很明显, 导致洪峰, 洪量同时降低。综合来看, 桂江地区的土质属于保水性能良好的壤土, 黏土, 且常年地下水量丰沛, 所以可以推断其退水比较慢, 合理的gwdelay应该为150~100。

3 结语

(1) EasyDHM分布式水文模型在桂江流域的应用结果表明, 模型在桂江洪水模拟中运用良好, 适用于南方湿润和半湿润地区洪水预报, 验证了分布式水文模型EasyDHM适用范围广、模拟精度高等特点。

(2) 水文数据的精度进一步提高, 资料完整性的加强, 水文和气象数据的收集方法的先进, 雨量站点分布代表性的更加科学、精准, 对水文模型精度的提高和应用有推动作用。对于桂江流域降雨集中在汛期前期的情况, 参数率定预热期的设定, 前期影响雨量的影响, 相应的模型参数设定和率定方法仍需要进一步研究。

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模拟电路故障诊断技术研究 篇9

1 模拟电路故障诊断方法

1962年R.S.Berkowitz[1]首先提出模拟电路故障诊断理论。1979年IEEE会刊将模拟电路故障诊断主要的方法归纳为三大类:估值法、分类法和拓扑法。1979年以后,故障诊断进入深入的发展阶段,根据对被测电路的模拟在测试之前或测试之后分为[2]:测前模拟法—SBT(Simulation Before Test)和测后模拟法———SAT(Simulation After Test)。除此之外,还有近似法和专家系统法。

1.1 测前模拟法SBT

测前模拟法的主要方法是故障字典法FD(Fault Dictionary)[3],其理论基础是模式识别原理,基本步骤是在电路测试之前,用计算机模拟电路在正常和各种故障下的状态,并记录其对应的信号或特征,从而建立故障字典;在实际电路诊断时,根据测量所得的信号或特征,在故障字典中查到与此信号或特征对应的故障,从而确定电路故障。故障字典法[4]是最具有实用价值的故障诊断方法,因为几乎所有的计算量都集中在测前,测后只需要查字典定位故障,所以能做到定时诊断。由于故障状态有限,所以主要用于单、硬故障的诊断。故障字典法按建立字典所依据的特性有直流法、频域法和时域法。直流故障字典法是利用电路的直流响应作为故障特征,建立故障字典的方法。本文介绍一种较常用的直流故障字典法:用分段线性描述所有非线性器件,引入故障开关模拟电路的硬故障,运用混合方程表格法建立电路的通用端口约束方程,通过开关的不同组合可反映电路的各种故障状态;电路通过端口约束方程与二极管变量的约束条件构成一个互补问题,可用互补主元法求解;为克服容差对故障诊断的影响,引入模糊集进行故障隔离。直流故障字典法一般仅适用于单、硬故障的诊断。

频域法是以电路的频域响应作为故障特征,建立故障字典的方法。其优点是理论分析较成熟,硬件要求较简单,主要是正弦信号发生器、电压表和频谱分析仪。频域法主要有:Bode图法、双线性变换法和稀疏矩阵法等。Bode图法的原理是:按电路的对数幅频特性来划分特征空间,以不同频率下的增益偏差作为特征向量建立故障字典;测试后,根据实际增益偏差查字典确定故障。双线性变换法的原理是:以电路的传输轨迹作为故障特征建立故障字典;测试后,根据实际测量在复平面上找出对应点,测量点明显地靠近某一轨迹,由此轨迹可以决定系统测量特性对应的元件参量偏差,从而确定故障。此方法适用于线性电路的单故障,包括硬、软故障,但不适用于故障导致零响应的情况。稀疏矩阵法的原理是:以电路的传输特性(振幅或相位)的偏差作为故障特征建立故障字典;测试后,根据实际传输特性的偏差查字典确定故障。考虑到元件的容差和测量误差,规定一门限,当特性偏差在门限值之内时认为电路正常。

时域法是利用电路的时域响应作为故障特征而建立故障字典的方法,主要方法有伪噪声信号法和测试信号设计法等。伪噪声信号法是以伪噪声信号获得的电路冲击响应的变化作为故障特征,建立故障字典的方法。测试信号设计法是将电路不同状态下测试信号的阶跃幅度和电路对辅助信号响应中跨零位置的变化作为故障特征,进行编码,从而建立故障字典的方法。

1.2 测后模拟法SAT

测后模拟法的主要方法有参数识别技术和故障证实技术,其特点是在电路测试后,根据测量信息对电路模拟,从而进行故障诊断。

参数识别技术的原理是利用网络响应与元件参数之间的解析关系,通过响应的测量值识别或求解网络元件的参数值,根据该值是否在容差范围之内来判定元件是否故障。按诊断方程是否线性,参数识别技术可分为线性技术和非线性技术。线性技术有伴随电路法等;非线性技术有转移导纳法、元件连接分割法、节点法等。

1)伴随电路法是利用特勒根定理和伴随网络概念建立故障诊断方程的方法。

2)转移导纳法是直接通过解网络转移导纳参数非线性方程组来决定网络元件值,如果元件参数值超过容差范围,就判定为故障元件。

3)元件连接分割法是把系统中的元件或组件从系统中分割出来,用元件与系统的连接关系,来描述系统特性与元件之间的关系。由元件特性和连接特性组成的CCM(Component Connection Model)方程,根据CCM方程建立故障方程。

4)节点法是从电路节点电压方程出发,通过传输函数或表格法建立故障诊断方程的方法。

故障证实技术是通过检验网络元件某一子集是否出现故障来识别故障的,从而使测试点数大大下降,其方法有K故障诊断、故障定界技术、网络分裂法等。

1)K故障诊断是通过检验某些线性方程的相容性来进行故障定位的,定位中引入补偿电源代替元件参量的变化。它有K节点故障诊断和K支路故障诊断两种。

2)故障定界技术是假定最大的故障数,并将网络元件分为两个子集S1、S2且假定S1中元件正常,利用S1中元件特性与网络特性测量值求出S2中元件值进行故障识别的。

3)网络分裂法是通过可及节点的撕裂,将网络分裂为若干个子网络,运用测试条件(STC、MTC)和逻辑分析将故障定位到子网络,然后利用内部自测条件(ISTC)将故障定位到更小的区域。

1.3 近似技术

近似技术研究在测量数有限的情况下,根据一定的判别准则,识别出最可能的故障元件,其中包括概率统计法和优化法。

1)概率统计法中常用的为逆概率法,其工作原理是:在测试之前,根据维修经验对大量数据进行统计分析确定元件发生故障的先验概率,测试之后,算出后验概率,根据Bayes判别准则,后验概率最大者即是最可能出故障的元件。此法的原理与故障字典发相似,是属于测前模拟的。

2)优化法用于软故障诊断,其思路是采用适当的目标函数估计出最可能出现故障的原件。此法是属于测后模拟的。

1.4 专家系统故障诊断方法

专家系统[5]是一个智能计算机程序系统,其大多基于产生式规则,即首先将专家知识及诊断经验用规则表示出来,形成故障诊断知识库,然后根据测试数据利用专家提供的知识和经验进行推理诊断出故障元件。专家系统包括[6]测前模拟诊断中的故障特性的收集和处理过程,以及测后模拟的故障推理收索等过程。

专家系统特点:具有丰富的经验和高水平的技术及专家水平的专门知识;能够有效地模拟故障诊断专家并完成故障诊断的过程,但在实际应用中仍存在一定缺陷,其主要缺陷为[7]:知识获取“瓶颈”问题;易出现“匹配冲突”、“组合爆炸”和“无穷递归”;知识“窄台阶”;知识维护困难;实时性差。这大大影响了故障诊断的准确性。鉴于上述困难,提出将其与具有信息处理特点神经网络和适合人类认识特征模糊理论相结合。

2 模拟电路故障诊断新方法

字典法一般只用于单故障诊断,参数辨识法和故障验证法在诊断时在线计算量大,难以实现实时诊断。而在科学技术高速发展的现代化生产中,传统的故障诊断方法已不能适应技术发展的需求,这就要求科技人员和理论工作者要进一步探索新的理论和方法,主要包括神经网络,模糊理论,小波变换等。

2.1 神经网络故障诊断方法

人工神经网络[8](Artificial Neural Network,ANN)是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息处理系统。神经网络作为一种自适应的模式识别技术,并不需要预先给出有关模式的经验知识和判别函数,它通过自身的学习机制自动形成所要求的决策区域。网络的特性由其拓扑结构、神经元特性、学习和训练规则所决定。它可以充分利用状态信息,对来自于不同状态的信息逐一进行训练而获得某种映射关系。而且网络可以连续学习,如果环境发生改变,这种映射关系还可以自适应地进行调整。

基于神经网络的诊断过程分为两步。首先,基于一定数量的训练样本集(通常称为“征兆—故障”数据集)对神经网络进行训练,得到期望的诊断网络;其次,根据当前诊断输入对系统进行诊断,诊断的过程即为利用神经网络进行前向计算的过程。在学习和诊断之前,通常需要对诊断原始数据和训练样本数据进行适当的处理,包括预处理和特征选择、提取等,目的是为诊断网络提供合适的诊断输入和训练样本。此外,尽管神经网络和传统的故障诊断是两种不同的诊断方法,但两者是紧密联系在一起的。

2.2 模糊理论诊断方法

模糊故障诊断方法,就是在故障征兆空间与故障原因空间之间建立模糊关系矩阵,再将模糊推理规则产生的模糊关系矩阵进行组合,根据一定的判定阀值来识别出故障元件。将模糊理论的模糊逻辑系统与ANN相结合[9],充分吸收了两者各自的优点,既能处理专家知识和经验,又能通过自学习增强系统的判断能力。目前的研究主要集中在[9]:研究模糊逻辑系统和ANN的对应关系,将模糊逻辑系统的调整和更新转化为对应的ANN学习问题以及利用模糊逻辑系统对ANN进行初始化;模糊神经网络的快速学习算法;利用模糊理论加快ANN的学习速度并应用ANN构造高性能的模糊逻辑系统。但两者发展到现在,时间相对较短,自身体系还不完善,在解决诊断问题方面还存在很多问题。

模糊理论与其它人工智能技术结合构成的诊断系统虽然可以增强处理不确定性能力,在一定程度上提高诊断的准确度,但是它不能完全消除专家系统所固有的缺点。

2.3 小波变换故障诊断方法

小波变换的基本原理[9]:通过小波母函数在尺度上的伸缩和时域上的平移来分析信号,适当选择母函数,可以使扩张函数具有较好的局部性,因此,它是一种时-频分析方法。在时-频域具有良好的局部化性质并具有多分辨分析的特性[10],适合非平稳信号的奇异性分析,如利用连续小波变换的极值可以检测信号的边沿、随机信号的突变,还可以抑制噪声;利用离散小波变换可以检测随机信号频率结构的变化。

小波变换故障诊断机理包括两个方面[11]:利用观测器信号的极值、突变等进行故障诊断以及利用观测器信号频率结构的变化进行故障诊断。小波变换不需要系统的数学模型,故障检测灵敏高,运算量小,抑制噪声的能力强,对输入信号要求低,但滤波器的时域宽度较大,检测时会产生时间延迟,且不同小波基的选取对诊断结果也有影响。

近年来,将小波变换与模糊集合论、ANN理论相结合,提出的模糊小波和小波网络的故障诊断方法。采用嵌套式结合方式,把小波变换的运算融入到ANN中去,形成小波网络。小波网络是一种连续的非线性映射,它把ANN的自学习特性和小波的局部特性结合起来,具有自适应分辨性和良好的容错性,所以适用于模拟电路故障诊断领域。

3 结束语

综上所述,本文围绕模拟电路的故障诊断方法进行了有益的探索,回顾上世纪70年代以来模拟电路故障诊断的研究成果,例如测前模拟法、测后模拟法、近似法、专家系统等,并介绍了模拟电路故障诊断新的成果,例如神经网络、模糊理论和小波变换等。

摘要：研究了模拟电路故障诊断方法。主要讨论了测前模拟法、测后模拟法、近似技术、专家系统的模拟电路故障诊断方法和神经网络、模糊理论、小波变换的模拟电路故障诊断新方法及原理。

关键词：模拟电路,故障诊断,方法

参考文献

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[3]杨士元,胡梅,王红.模拟电路软故障诊断的研究[J].微电子学与计算机,2008,25(1):1-8.

[4]赵伟.基于仿真的模拟电路故障诊断技术研究[D].中国知识网,2006.

[5]关惠玲,韩捷.设备故障诊断专家系统原理及实践[M].北京:机械工业出版社,2000.

[6]于淑芳.模拟电路故障诊断方法展析[J].柳州职业技术学院学报,2005,5(1):87-88.

[7]吴金培,肖建华.智能故障诊断与专家系统[M].北京:科学出版社,1997.

[8]Abderrahman A,Cerny E,Kaminska B.Optimization based Muhifrequency Test Generation for Analogcircuits[J].Joumal of electronic test-ing theory andapplication,1996,9(1),59-73.

[9]欧阳宏志,廖湘柏,刘华.模拟电路故障诊断方法综述[J].电子科技,2008,21(12):75-80.

[10]Zhao Z,Gu X.Fault detection based on wavelet neural network[C].Proc of 14th IFAC World Congress,Beijing,1999:145-150.

模拟市场价值链研究 篇10

1 模拟市场价值链的双重属性

从企业扩展的角度看，价值链的范围涉及到企业内部价值链和企业外部价值链。而模拟市场价值链是企业内部价值链和企业外部价值链的融合。它具有双重属性：其一，模拟市场企业是一个独立的经济主体，因此模拟市场价值链是企业内部价值链，企业能够控制价值链的运作，整个价值链具有共同的价值趋向;其二，模拟市场是利用市场机制来配置企业内部资源，对模拟市场主体而言，模拟市场价值链又兼具外部价值链的特点，模拟市场主体必须识别并确保自身在企业价值链中的地位，从而能够在企业整体价值链顾客价值最大化的前提下，确保自身的优势地位。

2 模拟市场价值链与一般价值链的比较

基于模拟市场价值链的双重属性，模拟市场价值链既不是一般的内部价值链，又不等同于真正意义的外部价值链。通过与内部价值链和外部价值链的比较，可以进一步认识模拟市场价值链的特点，从而有利于对基于模拟市场的价值链成本控制的理论研究，拓宽其研究思路。

1）与内部价值链相比

与内部价值链相比，模拟市场价值链在组织层次上更为复杂，这主要是由模拟市场所特有的组织结构造成的。对某一模拟市场主体而言，模拟市场价值链管理的目标除了实现企业顾客价值最大化，还要在此前提下实现内部主体的顾客价值最大化。

2）与外部价值链相比

与外部价值链相比，模拟市场价值链与其在价值链范围、价值链之间的“联结” (在企业价值链活动中，一个价值链活动与其他价值链活动彼此之间的联系称为联结)方面不同。首先，在价值链范围方面，外部价值链是与企业具有紧密联系的外部行为主体的价值活动。主要包括供应商价值链，购买商价值链以及竞争对手价值链。而模拟市场价值链是企业内部在业务上紧密联系的模拟市场主体的价值活动。前者一般包括多个企业，以价值链联盟或企业联盟的形式存在，而后者仅局限于实行模拟市场化管理企业的内部;其次，在价值链之间的联结方面，外部价值链联结不仅包括产业内部企业之间的纵向联结，还包括行业内部企业之间的横向联结，且这些联结均是企业以获取竞争优势为目的的动态联结。模拟市场价值链联结也分为两种：一种是凭借模拟市场业务关系而形成的同级市场主体之间的横向联结，另一种是凭借行政关系而形成的上下级市场主体之间的纵向联结。

3 模拟市场价值链分析

1）模拟市场价值链分析的内涵

模拟市场价值链分析是以模拟市场价值链为研究对象，分析模拟市场价值链的构成，价值链上的每个模拟市场主体价值活动的地位和相互关系，每个模拟市场主体价值活动的成本及其动因，每个模拟市场主体价值活动占用的资产、盈利状况等。通过价值链分析可以更好地寻找模拟市场企业的竞争优势，识别何处可以增加顾客价值或降低成本，同时可以更好地理解企业与内部模拟市场主体、同级模拟市场主体、上下级模拟市场主体之间的关系。

企业核心竞争力来源于企业价值链各环节及各环节间的联结。模拟市场价值链分析可以通过对模拟市场主体价值活动的成本与价值的分析、比较，从多方面揭示有关企业竞争力的成本信息，推进价值活动的优化与相互协调，并为实现企业竞争优势而进行成本改善。具体来说，可以先确认价值链中模拟市场主体的单项价值活动，分摊单项价值活动的成本，然后经评估模拟市场主体单项价值活动的成本及其对企业价值的贡献，找出企业内部模拟市场主体各价值链环节之间的联结，评估这些价值链联结的协调性，将成本优势准确地定位于价值链之中，消除成本劣势，创造成本优势以降低企业的整体运行成本。

2）模拟市场价值链分析对企业成本控制的作用

模拟市场价值链分析对企业成本控制的作用可概括为两点：

(1) 确定模拟市场企业成本控制战略

从宏观角度进行模拟市场价值链分析的目的在于确定模拟市场企业的核心竞争力，并在此基础上确定模拟市场企业的成本控制战略。具体而言就是通过价值链分析确定各市场主体在企业价值链的哪个环节，以及与同级市场主体相比，如何确立自身的竞争优势。保持竞争优势的关键在于使企业价值链的某一个或几个战略环节处于垄断优势。对于核心市场主体的价值链应牢牢控制，对于非核心市场主体的价值链则尽可能利用市场手段降低成本。

(2) 对模拟市场主体实施有效的成本控制

从微观角度进行模拟市场价值链分析是模拟市场主体实施有效成本控制的重要手段。由于市场主体内部价值链是企业各作业之间的价值链，因此对市场主体内部价值链的管理也就是对企业各作业之间价值链的管理。以市场主体价值链分析为基础的作业管理既可以将成本劣势提前预测并加以改进，又可以在企业经营过程中将实际作业成本与目标作业成本进行对比后发现问题并进行整改，从而有效地实现前馈控制与反馈控制相结合的企业成本控制。

参考文献

[1][美]迈克尔·波特著.陈小悦译.竞争优势[M].北京:华夏出版社, 2001:3-4.

[2]韩沚清.基于现代价值链的成本控制[D].山东泰安:山东农业大学, 2005.

新一代雷达模拟器结构研究 篇11

[关键词] AIS GPS 雷达模拟器

1、 引言

雷达模拟器是航海技术教育重要的设备,《中华人民共和国船员雷达操作与模拟器专业培训、考试和发证办法》(以下简称《办法》)规定,开展“雷达观测与标绘和雷达模拟器专业培训”及“自动雷达标绘仪(ARPA)操作专业培训”需“具有雷达模拟器一套,并满足STCW公约第A-1/12节所规定的性能标准” ,对于模拟器的结构,《办法》规定“应配有可进行模拟操纵的车、舵设备”。根据上述要求,长期以来,我国航海院校引进的设备基本组成都是以模拟雷达、综合数据显示、电子海图为主,部分院校增加了视频显示部分,其基本框图如图1.1。

图1.1 雷达模拟器传统框图

随着航海科学技术的发展,近年来,在AIS等新设备影响下,雷达功能进一步完善;同时,国际海事组织(IMO)及我国海事局又修订了一系列的标准、规范,促使雷达模拟器的结构及功能必须做相应的变化,以适应目前的形势。

2、 AIS的发展对雷达使用及培训的影响

船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)是一种集卫星定位、数字通信、信息处理和计算机网络技术为一体的数字助航系统和设备,主要为本船提供名称、呼号等静态信息及目标船航向、航速等动态信息。AIS提供的信息兼容性好、通信手段可靠,目标位置精度为卫星定位精度,信息的提供不易受天气和海况的影响。

雷达是船上用来定位、避让、导航的重要设备,为保证海上船舶航行安全起到了重要的作用,但不能测知目标属性等局限性限制了雷达在船舶避让方面发挥更大的作用。鉴于此,能提供目标属性等信息的AIS就成为弥补雷达在船舶导航、避碰方面缺陷的首选。将AIS信息融合到雷达,使这两种设备信息共享,作用互补,船舶导航技术在一定程度上得到提高。

今年5月份,两艘大型船舶在我国沿海发生碰撞,具体事故原因虽然还在调查中,但事故一方某驾驶员强调的一个问题引起了笔者的注意:该船配备的航海雷达还未能融合进AIS信息,导致了值班人员在雾航中没能从杂波里区分出对方船舶的回波……这个理由虽然不能帮助其推脱事故责任,但是从一个侧面反映了AIS信息对雷达的重要性。

图2.1 融合了AIS信息的雷达显示器

融合了AIS信息的雷达显示器,不仅能在杂波中以特殊的符号(如三角形)显示出目标,而且能在显示器的某一边缘显示出目标信息,如图1.2所示。

今年初,利用我院开展山东省海船船员评估培训的机会,笔者对来校培训的社会船员(主要是准备考船长的大副)做了调查——“雷达两证”培训教学调查,调查表格式见表1.1。这次调查虽然是围绕“雷达两证”培训教学改革开展的,但是我们注意到,在回收的57份调查表中,96.49%的受调查者建议“雷达两证”应增加AIS培训内容。

实际上,早在2004年12月6日,海安会(MSC)就通过了MSC.192.(79)决议——“雷达性能标准修正案”,该修正案明确要求航海雷达必须与AIS设备对接——AIS已经成为现代雷达的传感器。因此,作为教学培训使用的雷达模拟器没有理由拒绝AIS信息,新的雷达模拟器必须融入AIS信息来满足教学和培训要求。

3、《中华人民共和国船员培训管理规则》对雷达模拟器的影响

2009年,交通运输部颁布了新修订的《中华人民共和国船员培训管理规则》(交通运输部2009年10号令,以下简称《规则》),《规则》要求,船舶驾驶员培训设备需要“全球定位系统接收机”(GPS)4台套,“船舶自动识别系统船台”(AIS)4台。《规则》随后的解释特别说明,“该配备最多可供6个班交叉使用”。目前很多院校航海技术专业每年的招生规模远远超过了6个班,根据海事局的解释,这些院校需要按双倍标准配备设备。

“双倍标准”意味着GPS接收机和AIS船台需要各引进8台。这么多设备,集中在一个实验室显然不可能,学生分组训练会相互影响;如果布置在不同的实验室就又对院校的实验室数量提出了更高的要求。

综合考虑雷达模拟器各学校实验室安排、综合船桥技术发展等因素,笔者认为目前应该改变雷达模拟器结构、在雷达模拟器实验室内或直接在模拟器工作台上装设GPS接收机和AIS船台(真机),这也是解决上述问题的最好办法(见图3.1)。

图3.1 GPS接收机与雷达模拟器组合参考图

通过走访海运院校发现,雷达模拟器一般分布在不同的房间,所占空间富裕,我们完全可以在模拟器工作台上布置GPS接收机和AIS船台。当然,也有人担心不同课程冲突会影响两种设备的使用,我们认为这种顾虑完全没必要, GPS和AIS培训时间较短,只要合理安排课程,两种设备的使用完全可以岔开,互相不会干扰。另外,如果确实因为培训班较多,课程交叉难以避免,还可以将GPS接收机和AIS船台布置在实验室的边上,相互之间干扰不大,由此上课的时候影响不会太大。

GPS接收机和AIS船台与雷达模拟器实现连接后,不仅仅可以为众多的培训设备找到“容身之处”,同时通过模拟器传送模拟信号给GPS接收机和AIS船台,会更加方便GPS、AIS评估训练。一些院校由于远离海洋,AIS只能接收相互间的信号,数量较少,如果实现模拟器供信号,则会方便很多。

4、雷达模拟器适应范围可能扩大对模拟器的影响

2010年6月25日,马尼拉《海员培训、发证和值班标准国际公约》(STCW公约)缔约国外交大会审议并通过了STCW公约2010年修正案及19项大会决议,涉及到航海技术专业培训,公约修正案除了依然保留“雷达模拟设备应能够模拟符合本组织通过的所有适用的性能标准(航海雷达设备的性能标准)的航海雷达设备的操作性能,并配有有关设施……”外,还最终通过了管理级和操作级船员“驾驶台资源管理”(BRM)适任能力强制要求。虽然,开展“驾驶台资源管理”(BRM)培训要求在船舶操纵模拟器上进行,但是在调研中我也注意到,很多院校还未引进大型操纵模拟器,开展“驾驶台资源管理”很困难。不过,这些院校的主雷达模拟器由于采用了大屏幕柱幕投影视景系统,技术水平较高,在此基础上如果参考综合船桥系统(IBS)设置,加上GPS接收机和AIS船台等设备,达到“驾驶台资源管理”(BRM)培训要求还是可能的。

当然,“驾驶台资源管理”培训还需要其他一些设备,如GMDSS及保安设备等,增加上述设备的模拟器都是很容易实现的。由此,我们相信,雷达模拟器升级的时代已经到来,在今后一段时间内升级雷达模拟器将成为商家重要经营方案。

5、结论

地铁隧道开挖三维模拟研究 篇12

1 模型的建立

为了模拟在实际的工程地质条件中地铁的开挖过程,取土层为三层,自上而下,分别为土、风化岩和软岩地基土。在软岩地基进行地铁的开挖,地铁埋深为30米,地铁断面形状为三心圆。地铁的支护模式采用锚喷支护的方式,混凝土衬砌的厚度为300mm,锚杆的长度为3米。

在模型的建立过程中,地铁围岩的软岩、风化岩和上层土体均采用实体单元,混凝土衬砌采用板单元,锚杆采用植入式桁架单元。

对所选用的单元进行参数的设定,软岩、风化岩和土体均采用摩尔-库伦本构模型,混凝土衬砌和钢筋锚杆均采用弹性本构模型。

2 开挖软岩及衬砌

在实际的地铁开挖过程中,为了保证硐室稳定和支护的及时进行,一般采用分步开挖的方式进行施工,边开挖边支护的方式,支护过程为先喷射30mm厚度的混凝土衬砌,再打上锚杆。整个混凝土衬砌和打入的锚杆如图1所示。

3 模拟结果分析

不进行任何支护时软岩的应变云图,如图2所示。对已经开挖的硐室进行喷射混凝土,可以得到如图3所示的软岩及衬砌的应变云图。为了加固软岩,起到更好的加固效果,喷射300mm厚的混凝土衬砌后,采用加锚杆的方式进行进一步加固,加固后软岩的应变云图如图4所示。

由图2-4可以看出,无支护是应变最大值6*10-004,喷射混凝土支护后应变最大值3.84*10-004,加混凝土衬砌和锚杆联合支护后应变最大值3.71*10-004。

通过对加固前后软岩硐室的应变分析,初步可以得到如下结论:从支护前后应变的变化来看,加锚杆和混凝土衬砌支护起到了明显的支护效,使软岩的应变大大减小;从最大应变产生的位置来看,在开挖初期,最大应变值产生于拟开挖土体的横断面上,所以在开挖过程中要注意对前方土体的临时支护;在地铁开挖后期,最大应变产生于硐室的侧壁位置,所以要求对软岩应重视防止侧壁产生内鼓的不良地质现象产生。

4 结论

在地铁的开挖过程中,硐室周围岩土会产生一定的松动变形,所以要及时采用喷射混凝土和打锚杆等支护方式。本文通过模拟研究得到以下结论:

4.1加锚杆和混凝土衬砌支护起到了明显的支护效,使软岩的应变大大减小;从硐室及拟开挖岩土的最大应变产生的位置来看,在开挖初期,最大应变值产生于拟开挖土体的横断面上,所以在开挖过程中要注意对前方土体的临时支护;在地铁开挖后期,最大应变产生于硐室的侧壁位置,所以要求对软岩应重视防止侧壁产生内鼓的不良地质现象产生;

4.2在只喷射混凝土的情况下,随着开挖的推进,衬砌的应变值逐渐减小,但是减小的幅度非常小。从应力的分布来看,最大应变值始终产生于第一阶段洞口的位置,这与在实际的地质环境中,对洞口应进行特别加固相吻合;

4.3在喷射混凝土又加锚杆之后,混凝土衬砌的应变值随着开挖步的进行,支护范围的增加而逐渐减小;应力分布形式与未加锚杆时相似,在洞口处产生较大的应力。与未加锚杆的应力情况进行对比分析可以看出,在打入锚杆后,相同施工步中,混凝土衬砌的应力值明显减小,说明在使用锚喷联合支护时,可以适当降低混凝土强度,已达到节约成本的经济目的。

摘要：目前,地铁已成为很多大城市公共交通的重要手段。在地铁施工过程中,周围岩土会产生松动变形,所以要及时采用喷射混凝土和打锚杆等支护方式。而开挖过程中,围岩土体的松动程度、喷射混凝土的效果及锚杆的应力状态都无法准确预测。为了精确分析在开挖后不同支护条件下地铁围岩应变情况,采用有限元软件对地铁的不同开挖阶段进行模拟、分析,研究结论对地铁开挖施工具有一定的参考价值。

关键词：地铁,开挖,衬砌,锚杆

参考文献

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