仿真和模拟试验（共5篇）
仿真和模拟试验 篇1
由于受到外场试验消耗、试验保障和研制周期等客观因素的限制,被试系统在进行外场试验前需要进行大量的试验对其功能和性能指标进行验证,而采用半实物仿真试验方式能较好地解决这一问题.在半实物仿真试验中,可通过模拟被试系统需要的各种数据信号,驱动被试系统运行,控制其运行流程,对其性能进行检验,因此半实物仿真试验为进行外场试验提供重要的试验依据,是不可或缺的关键性试验.研制光电模拟器为被试系统光电设备提供模拟目标,对其性能进行考核.以下介绍光电模拟器的设计与实现以及在被试系统半实物仿真试验中的应用.
1 光电模拟器的设计与实现
1.1 硬件设计与实现
为了使光电模拟器具备良好的电磁兼容性和较强的环境适应性,其硬件设备采用工控机平台.硬件组成结构图如图1所示.
光电模拟器主要由主控单元、图像生成卡、图像合成卡、距离仿真卡、方位采集卡和数据总线等部件组成.主控单元通过数据总线向其他各组成部分发送控制命令,各组成部分在回馈主控单元的控制命
令的同时,向主控单元发送中断请求提请主控单元进行处理.图像生成卡用于生成目标图像,它根据主控单元指令生成相应类型的目标模拟图像,通过数据总线将目标模拟图像数据发送到图像合成卡.图像合成卡根据主控单元的命令生成相应类型的背景图像,并将接收到的目标模拟图像同背景图像合成,生成仿真试验需要的模拟视频图像.当模拟目标数据信息达到相应的要求时,距离仿真卡根据主控单元发出的控制指令,生成的被测光电设备所需的激光信号和目标距离信息,发送到被测设备.方位采集卡将采集到的光电设备指向信息发送到主控单元,主控单元对其信息分析处理,控制图像控制卡、图像合成卡和距离仿真卡输出符合仿真试验要求的模拟视频图像信息.
1.2 软件设计与实现
软件的设计、实现是光电模拟器整体设计与实现的核心,采用软件编程驱动硬件的方式实现对被试系统的半实物仿真测试.Visual C++编程平台作为软件开发环境,系统软件设计时直接调用Windows API函数库,采用这种方法可大量节省程序存储空间,应用简洁方便,提高响应速度,满足半实物仿真试验对实时性的要求.
在软件总体设计中,根据被试系统半实物仿真试验的要求和试验步骤将软件分成系统自主工作模块和系统联机工作模块,总体设计流程图如图2所示.
系统启动后会进行设备初始化,对光电模拟器各个部件单元进行加电检查,如发现某个部件单元运行故障,提示操作人员发生故障的部件单元并停止运行等待操作人员的操控命令,供操作人员排查故障.通过设备初始化后,系统调用相应的动态链接库,将需要的目标类型模型、目标背景模型和目标运动类型模型等相关模型调入可执行文件.操作人员根据本次半实物仿真试验的目的和内容进入相应的软件模块.
1.2.1 自主工作模块
自主工作模块用于光电模拟器独立为被试系统光电设备提供各种模拟信号,驱动光电设备独立运行,对光电设备自身性能进行独立考核.自主工作模块软件设计流程图如图3所示.
光电模拟器首先提示操作人员装订进行本次试验的试验参数,如果操作人员未装订参数,光电模拟器会装订默认参数进行试验.参数装订完成后光电模拟器根据试验参数自主生成用于本次试验的模拟目标航路,对其进行实时控制,同时对系统的中断列表进行初始化,启动中断监控程序实时接收中断请求.例如当通过对模拟航路计算得出模拟目标已出现在光电设备的视野范围内的时候,提请发送视频模拟图像中断请求,光电模拟器主控单元会响应中断请求,控制模拟器向光电设备发送模拟视频图像,对其性能进行考核.试验结束后,光电模拟器停止工作,保存数据完毕返回上级程序,准备下一次试验.
1.2.2 联机工作模块
联机工作模块用于光电模拟器同其他半实物仿真试验设备互接,光电模拟器对被试系统光电设备的性能考核纳入到对被试系统整体性能的考核中,实现对被试系统整体功能和性能的检验.联机工作模块软件设计流程图如图4所示.
联机工作模块与自主工作模块的主要区别在于采用联机工作模块是对被试系统整体性能的考核,试验所需要的模拟航路数据量与单独考核相比,所需航路数据量要大得多,如果由光电模拟器自身产生需要占用大量资源,无法保证其他工作按时序完成,影响试验的进度和试验结果的准确性.因此在联机工作模块的设计中,其他半实物仿真试验设备产生模拟航路,光电模拟器对模拟航路等试验数据进行处理,计算出被试系统光电设备的考核结果.
进入联机工作模块后,将光电模拟器同其他半实物仿真试验设备互连,对连接部件单元进行初始化保证互连的准确性.装订用于本次试验参数,实时接收其他半实物仿真试验设备发送的模拟航路数据,并对数据信息进行处理和保存,为光电设备的性能评估做准备.初始化光电模拟器的中断列表,启动中断监控程序准备接收中断请求.接收到其他半实物仿真试验设备提请的发送模拟视频图像的中断请求,光电模拟器响应中断请求,发送模拟视频图像,根据目标模拟视频数据和模拟航路数据对被试系统光电设备的性能进行考核评估,实现对被试系统整体性能的考核评估.在试验结束后,光电模拟器停止工作保存数据,返回上级程序中,准备下一次试验.
2 光电模拟器在半实物仿真试验中的应用
在半实物仿真试验中,光电模拟器主要用于向被试系统光电设备提供模拟视频图像,实时处理试验数据,准确计算出光电设备性能的考核结果.光电模拟器与被试系统结构关系如图5所示.
在半实物仿真试验的环境下,光电模拟器产生被试系统光电设备所需的各种数据信号.它控制位置量处理单元实时接收被试光电设备的指向数据信号,根据指向数据计算模拟目标与光电设备的相对位置,当相对位置数据小于光电设备的视场角时,表明目标出现在光电设备的镜头中,此时光电模拟器控制图像处理单元产生目标视频图像,通过图像数据信号输送给被试系统.被试系统通过一系列的控制信号控制光电设备跟踪具有视频背景的模拟目标.当目标模拟视频数据满足一定条件时,光电模拟器控制距离量处理单元接收被试系统的距离数据,对其处理后产生目标距离量模拟数据输送给被试系统供其使用,通过上述过程完成光电设备对模拟目标的跟踪.光电模拟器实时记录指向数据和重要节点时刻相关的试验数据,采用相应规则算法处理试验数据,给出相应考核结果.
3 结 束 语
通过多次参加半实物仿真系统试验结果证明,该设备能够正确模拟被测光电设备所需要的各种数据信号,在特定条件下能够输出符合试验要求的模拟视频图像,并对试验数据进行评估处理,准确给出光电设备的考核结果.此外该设备具有较好人机界面,操作简洁直观,减轻操作人员的工作量.运行结果表明,设备设计合理,性能可靠,完全满足被测光电设备的考核需求.该项目已获国家科技进步二等奖.
摘要：介绍了光电模拟器的设计与实现以及在半实物仿真试验中的应用.在硬件设计上,设备采用工控机平台,以生成考核被试系统光电设备所需要的模拟视频图像为目的,进行设计和实现.在软件设计上采用Visual C++编程环境实施软件设计与开发,完成模拟航路的生成、模拟视频图像的发送和试验数据的处理评估等功能.
关键词：光电模拟器,半实物仿真试验,模拟视频图像,被试系统
参考文献
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仿真和模拟试验 篇2
垃圾填埋腾发覆盖系统渗沥控制试验和数值模拟
摘要：垃圾填埋场腾发覆盖系统(ET Landfill Cover)是由单一土层和植被构成的简易、低成本、无需管理的生态渗沥控制系统,该系统利用覆盖土层储蓄降水、依靠植物的蒸腾和土壤蒸发消耗土壤水,从而实现渗沥污染控制.通过在武汉大学灌溉排水与水环境综合试验场开展裸土覆盖和5组腾发覆盖的渗沥控制对比试验,并对这6个试验处理进行水量平衡分析,结果发现其中60 cm厚度壤土层和灌木构成的腾发覆盖系统渗沥控制效果比较好,但是试验过程也发现60 cm厚度土层储水能力不足以完全阻止雨量充沛季节形成渗沥液,在旱季也不能向灌木提供充足水分,而是需要灌溉来维持灌木正常生长.因此采用Hydrus 2D软件对不同土层厚度腾发覆盖系统的`渗沥控制效果进行数值模拟,结果表明,在武汉地区采用120～140 cm厚度壤土层和灌木构成的腾发覆盖系统是确保渗沥控制效果的经济合理方案.作 者：刘川顺 赵慧 罗继武 LIU Chuan-shun ZHAO Hui LUO Ji-wu 作者单位：刘川顺,赵慧,LIU Chuan-shun,ZHAO Hui(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072)罗继武,LUO Ji-wu(中国市政工程中南设计研究院,武汉,430010)
期 刊：环境科学 ISTICPKU Journal：ENVIRONMENTAL SCIENCE 年，卷(期)：2009, 30(1) 分类号：X141 关键词：垃圾填埋 渗沥控制 腾发覆盖系统 土壤水运动仿真和模拟试验 篇3
在某些特殊环境下,液晶显示器必须在恶劣环境下工作,需要承受剧烈的冲击和振动。振动是一种重复的交变力作用,它使设备在外力作用下产生周期性的往复运动。冲击是指在运输或工作过程中遇到的非经常性的、非重复性的冲击力,在强振动下,振动压力在液晶显示屏上产生周期性应力,产生的谐波振动能量导致显示屏的显示效果变差,尤其在显示屏和外部振动环境产生共振时,液晶显示屏的显示效果受到很大的影响。在强冲击下,显示屏受到高频的激励源冲击能量,影响了正常工作。针对以上问题,隔断振动激励源周期性的应力能量以及冲击激励源高频的应力能量,是提高显示屏抗振冲击性和可靠性的必要手段［１－３］。
目前,一般采用在液晶原屏表面贴附强化玻璃的手段提高液晶屏的抗振动冲击能力。然而对于大尺寸的液晶显示模块,常规的加固手段难以达到抗振动效果,本文通过在液晶屏的表面贴合至少一层由光学贴合胶及强化玻璃形成的隔离缓冲层组成隔离缓冲器,并对光学复合胶的种类和贴合层数进行优化,改变液晶屏组件的固有频率,隔断激励源(振动和冲击)和液晶屏之间的能量传输,从而实现大尺寸液晶显示屏的抗振加固,满足实际使用要求。
1 液晶显示屏的加固结构及原理
液晶屏加固结构如图1所示,第一层隔离缓冲层由与LCD液晶屏表面相贴合的光学贴合胶层1和强化玻璃1组成,第二层隔离缓冲层由与强化玻璃1表面相贴合的光学贴合胶层2和强化玻璃2组成,通过调整光学贴合胶层1、2的种类和厚度能调整由它们组成的隔离缓冲层的固有振动频率,进而调整整个隔离缓冲器的固有振动频率,通过调整隔离缓冲层的数量同样可以调整整个隔离缓冲器的固有振动频率。
光学贴合胶和强化玻璃分别作为隔离缓冲器的弹性元件和阻尼元件,可以吸收和损耗振动能量。光学贴合层的刚度系数和阻尼系数决定了自身的固有频率。改变光学复合胶可以改变贴合层的固有频率,进而影响隔离缓冲器的振动固有频率。通过光学贴合胶的种类和厚度以及贴合层数的设计,可以得到不同固有频率的隔振缓冲器,从而避开和隔离液晶屏与激励源之间振动能量的传递。实现在液晶屏的固有频率点传递到液晶屏组件整体的振动能量减少,避免了液晶屏与振源共振。同时由光学贴合层构成的隔离缓冲系统的固有频率在低频段,使得高频段的冲击力量被隔离缓冲器隔断降低,有效降低传递到液晶屏的冲击能量。
2 光学贴合胶种类的影响
选取目前市场上常用的在售三种常见光学贴合胶,分别是有机硅凝胶A,紫外光固化胶B,环氧树脂类光学贴合胶C,三种光学贴合胶黏剂固化物的硬度有所不同。光学指标,化学稳定性,复合工艺,固化条件均能满足实际生产要求。下面来探究三种光学贴合胶(A,B,C)对光学贴合层固有频率的影响。用不同种类的贴合胶将两块相同厚度的玻璃进行贴合,保证三种胶的胶层厚度相同。待完全固化后然后进行振动试验。振动功率谱密度如图2,3,4所示。吴金华［４］等的研究表明对显示屏振动性能影响较大的为低频段的共振。因此在后面的试验中,我们主要关注低频段的振动情况。
图2,图3,图4是三种不同的贴合胶体系测得的振动功率谱密度曲线,由此我们可以得到共振频率,放大倍数的具体数值如表1所示
由图2,图3,图4以及表1可以看出,采用不同的光学胶得到不同的共振频率和放大倍数。其中贴合胶C的硬度最大,B其次,A最小。A的共振频率最低且放大倍数最小。光学胶作为隔离缓冲器的弹性元件,主要起到吸收和消耗能量的作用。光学胶层能吸收和消耗能量的原理是高分子材料在玻璃化温度Tg附近,大分子链段松弛运动的能力很强,能产生很强的内摩擦力将力学能转化为热能,起到阻尼的效果。一般在Tg附近,链段能充分运动,但又跟不上,所以滞后现象严重,阻尼效果好,在玻璃化转变区内将出现一个内耗的极大值,从而产生振动的阻尼［５－６］。贴合胶C由于硬度很大,将两块玻璃近似于刚性连接在一起,不能起到隔离缓冲能量的作用,振动的能量可以直接传递到液晶屏上,因此共振频率最大,放大倍数也最大。
3 不同贴合层数对振动的影响
在实际的生产中,单层贴合有时不能满足振动要求,因此就需要进行二层甚至多层贴合。通过改变液晶屏的贴合层数来研究光学贴合层数对振动的影响。在试验前我们进行了模拟仿真分析,然后再进行具体的试验来验证,让理论和实际更好的结合,为实际生产提供理论基础。本文中我们利用AN-SYS软件来进行模拟仿真分析。首先对需要贴合的液晶屏进行仿真,得到其固有频率。然后通过改变贴合层数来改变屏组件的固有频率,避开原屏的共振频率,隔离液晶屏与激励源之间振动能量的传递。实现在液晶屏的固有频率点传递到液晶屏组件整体的振动能量减少,避免液晶屏与振源共振。同时由光学贴合层构成的隔离缓冲系统的固有频率在低频段,使得高频段的冲击力量被隔离缓冲器隔断降低,有效降低传递到液晶屏的冲击能量。液晶屏冲击振动实验的仿真结果如图5所示。
由图5可知,液晶屏容易发生共振的频率点为158Hz。在实际中,我们需要避开这个频率的共振,这样传递到液晶屏上的能量才会减少。让屏组件的抗振能力增强。接下来我们又对单层和双层贴合的情况进行了仿真,结果如图6和图7所示:
由图6和图7可知,进行光学贴合后的液晶屏的固有频率发生了变化,单层贴合的液晶屏的固有频率为286Hz。二层贴合的液晶屏的固有频率为309Hz。都较原来的158 Hz发生了很大的改变。通过调整光学贴合胶隔离缓冲层的层数来改变整个隔离缓冲器的固有振动频率,避开了液晶屏原屏的固有频率。达到减振的目。还需要试验的结果对我们的设计和仿真结果进行进一步的验证。对不同光学贴合层的液晶屏进行随机振动试验,并记录试验曲线,结果如图8所示
由图8可知,1层和2层贴合后的液晶屏的共振频率发生了很大的变化。 实际测试值分别为269Hz和298Hz,和仿真的结果差别不大。表明我们的设计和仿真条件是正确的。在液晶屏的共振频率点158Hz处,没有发生共振作用,我们通过在液晶屏上贴合强化玻璃有效的避开了液晶屏的共振频率点,大大降低了传递到液晶屏上的能量。其次贴合后的液晶屏在振动时,有效值明显降低,小于激励源的7.7g,只有5.7g和4.4g。这是由于在新的减振缓冲结构中,光学贴合胶和强化玻璃分别作为隔离缓冲器的弹性元件和阻尼元件,玻璃是刚性的,起到阻尼的作用,可以隔断能量的传递,而光学胶层具有高分子材料的阻尼性能,可以吸收和损耗振动能量,这样传递到液晶屏上的能量就会大大减小,起到减振缓冲的作用。二层光学贴合和一层相比,多了一级减振缓冲结构,激励源的能量需要经过二次的吸收和损耗才能传递到液晶屏,能够更好的起到减振的作用,使其有效值进一步降低。经过光学贴合后的液晶屏抗振能力大大增强。
4 结论
1、通过贴合强化玻璃,可以改变整个屏组件的共振频率,从而避开液晶屏的共振频率,大大减弱显示屏的共振,降低传递到显示屏上的能量,实现减振加固。
2、定性的分析了光学复合胶的种类对减振作用的影响。阐述了高分子阻尼材料减振的原理,后续的材料选型应从其化学结构和阻尼性能方面进一步深入研究。
3、在光学贴合强化玻璃的减振加固液晶屏结构中,玻璃的种类和厚度,胶层的厚度,组合方式等需要更进一步的研究,同时还需要进行定量分析,为仿真和试验提供数据支持和理论基础。
摘要：介绍了采用强化玻璃加固液晶屏的减振缓冲原理。研究了光学贴合胶的种类,贴合层数对减振系统的影响。结果表明:有机硅类弹性体光学胶的减振效果最好。贴合强化玻璃后改变了液晶屏组件的共振频率。避免了液晶屏与振源共振,传递到液晶屏上的能量大大降低。同时进行了仿真分析,为实际应用提供理论基础。
关键词：液晶屏,减振,光学贴合,仿真
参考文献
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仿真和模拟试验 篇4
材料的摩擦特性不是材料的固有性质,它是材料、负载、速度和温度等诸多复杂因素相互作用的系统特性(称为摩擦学系统特性)[1]。这导致在某一种试验条件下的试验结果不适用于其他试验条件。而在工程实际应用领域,摩擦副是在各种各样的复杂工况和环境下工作。要应用摩擦学知识进行工程设计就必须针对每种工况下的条件参数进行试验,这就要求在摩擦学研究中做大量的不同条件的摩擦学试验;另一方面,目前摩擦试验机价格昂贵、试验操作繁琐、费时费力,劳动强度大。而且对于某些特殊工况,在试验环境下无法模拟和实现。这给摩擦学研究、实践和应用带来了诸多不便,很大程度上影响着摩擦学在工程设计中的应用。
近年来,虚拟现实和仿真技术不断发展并日益成熟。目前已被广泛应用于军事、教育、过程控制、加工制造、航天航空等领域[2,3]。然而在摩擦学领域的应用却很少见,将虚拟仿真技术引入摩擦学将会大大丰富摩擦学的内容,促进摩擦学的发展和应用。目前常用的虚拟仿真语言有:Ac SL、Simscript、Easy5、Adsim、Simulink和VRML等[4]。
VRML是虚拟建模语言(Vitual Reality Modering Language)的简称,它是一种用于描述3D虚拟场境的建模语言,同时也是Internet上的三维标准规范。VRML具有分布式、交互性、平台无关性、真三维、多媒体集成等优点。目前VRML被广泛用于创建充满动感的、交互性强的三维虚拟世界[5,6]。
本篇将讨论利用VRML虚拟仿真和Matlab神经网络工具箱结合JAVA、VB等编程技术设计虚拟摩擦磨损试验机的方法。
2 虚拟试验机平台的设计目标、组成和实现原理
本虚拟试验机的设计目标是:模拟一台真实的四球摩擦磨损试验机,设计一个供试验者进行试验的虚拟摩擦试验平台。包括以下功能:
(1)真实、高精度的试验结果输出,使得在此虚拟试验机的试验结果能够在许多场合代替真实的试验机结果,以方便摩擦学研究和实践。
(2)建立生动逼真的三维模型,提供具有沉浸感、交互性强、操作便捷的虚拟试验环境,使试验者在虚拟平台上做试验就像在操作现实中的试验机一样。
(3)能对试验数据和结果进行简单的计算和处理图形化试验结果,最后它还能保存打印试验结果。
虚拟摩擦试验机主要包括四部分:(1)前台主控制界面;(2)VRML虚拟试验机模型;(3)VRML交互性和数据通信的设计;(4)后台数据库和matlab神经网络训练的设计。其实现原理和方法是:利用VB强大而方便的界面功能实现前台主控制界面,利用VRML和其他三维建模软件(如3Dsmax,Pro/E,Solid Works等)建模,导入VRML场景进行修改和优化,然后利用VRML交互性节点和Java或Java Script进行交互性和数据通信设计。利用数据库软件将已在真实试验机上做的大量试验数据制成数据库,经Matlab数据库接口将所需数据从数据库中提取,从而得到Matlab神经网络的训练样本,经神经网络训练后,任意给定一个试验条件,就可得到输出,再将数据由数据通信接口传递到VRML场景中显示。
据以上分析得虚拟试验机模块框架图如图1
3 前台VB界面的设计
前台主控制界面是整个虚拟试验平台的控制中心,它负责管理、调用和协调其他功能模块,主控制界面设计的好坏直接影响着整个系统功能的实现。典型的VB前台控制界面功能模块如下:(1)管理员的后台管理功能:主要是管理数据库和试验设备,以便扩充试验机功能和添加试验设备,试验数据等资源。主要包括的操作有:添加新表、添加记录、删除表和数据等。(2)试验者功能模块:应包括对试验条件和试验信息的一些基本记录(比如:润滑介质、试验温度、材料、负载等);还应提供简单的试验数据处理、图形可视化、打印和保存等功能。下图2为一典型的VB控制程序界面:
要实现以上模块功能,需用到的关键技术有:
(1)VB图形用户界面技术(GUI),VB有着强大而方便的界面开发功能,VB提供了许多建立标准Windows应用程序用户界面的基本控件和一些高级界面控件,灵活运用这些控件可以开发出一个友好、简洁、美观的图形用户界面。
(2)VB数据库编程技术通常可以利用ADO、DAO控件进行VB数据库的编程,可以将这些控件绑定到其他用户界面控件如文本框Text中,以方便用户管理、修改和维护试验数据。
(3)Active X控件技术VRML场景只有在特定的支持VRML的浏览器中显示,在VB中并不能直接加载和显示VRML场景,要将VRML场景嵌入到VB窗体上,以实现VRML场景和VB的无缝集成显示必须利用Active X控件技术。Active X控件是一个动态链接库,是作为基于COM服务器进行操作的,并且可以嵌入在包容器宿主应用程序中。只要将浏览器插件作为部件引入到VB中,然后添加到窗体上就可以浏览和操作VRML场景了。
(4)Active X自动化服务技术Active X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。只要在一个控制端和服务器端建立一个自动化服务连接,就可以在控制端调用或执行服务端的命名和功能。Matlab支持OLE自动化服务端协议,而VB支持OLE客户端协议,因此为了在VB中调用Matlab神经网络训练程序可以使用OLE自动化服务技术实现VB和Matlab混合编程。
4 虚拟摩擦试验机的建模
VRML提供了许多方便简单的3D建模功能,与3D建模有关的节点主要有:Sphere节点(画球)、Cone节点(画圆锥)、Box节点(画长方体)、Cylinder节点(画圆柱)、Indexed Line Set(由线构造造型)。组合这些几何建模节点可以创建许多逼真的3D模型。但对于复杂的模型,在VRML中实现很麻烦,可以利用专业3D建模软件建模,然后导入VRML场景。下面是四球摩擦试验机的虚拟模型:
5 VRML场景的多媒体、交互性设计
在虚拟场景中加入多媒体使场景更加生动逼真,VRML支持的声音、贴图、影片剪辑文件格式有:mid、wav、bmp、png、jpg等。相应的节点有:Audio Clip、Sound、Image Texture节点。下面是声音的应用实例:
在场景中点击圆柱体按钮,声音就开始播放,虚拟试验机将发出录制好的摩擦试验机运转时的声音。
在虚拟场景中经常涉及到人机交互,交互性是虚拟现实技术的重要特征。虚拟现实不是简单的对实物模型的模拟,更重要的是人们能够操纵、控制场景中对象的形态和运动。在VRML中常用的交互性节点有:(Touch Sensor)、Plan Sensor、Cylingder Sensor、Script脚本节点。下面是个用java Script改变显示文本的实例:
运行结果是:每次点场景中的长方体按钮,数字文本就加1,到了9时再加1就变成0。如图4。
上图是设置摩擦试验机转数的调节面板,如图中所示,表示试验机在转过“2906”转后自动停止。当然,上面代码只是实现图中效果的小部分。
6 神经网络训练在虚拟试验机中的应用
虚拟试验机要求任意给定一个试验条件,都可以得到比较精确的试验结果,然而通过摩擦学试验做出的试验数据毕竟是有限的,而且也是离散的。必须通过对有限的试验样本进行神经网络训练以获得连续的联想输出值。
本虚拟试验机的Matlab神经网络采用径向基RBF对试验样本进行训练。径向基网络是有J.Moody和C.Darken与20世纪80年代末提出的一种神经网络结构,它是具有单隐层的三层前馈网络[7,8]。目前已经证明,径向基网络能以任意的经典逼近任意连续函数。利用Matlab神经网络工具箱的net=newrbe(P,T,SPREAD)和y=sim(net,P_test)函数可很快编写神经网络训练程序。
7 结论
VRML与其他虚拟仿真技术手段比较,具有语法简单、真三维、建模功能强大、良好的交互性、多媒体集成、便于网上发布等优点。但是VRML本身没有提供对数据处理、逻辑判断、流程控制等编程功能,而且与外界通信直接能力很差(不能与VB、Matlab、数据库、HTML等进行直接的通信)。但是它能很好的支持Java和Javascript,通过它们VRML可以弥补这些不足,以达到VRML间接地与外界进行数据通信和交互。从而构建出一个逼真、动感的、交互性强的、数据通信良好、数据真实可信的虚拟仿真平台。
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仿真和模拟试验 篇5
飞行模拟器作为完成飞机飞行控制系统的控制律设计与验证、飞行品质评估、系统设计与优化、机组培训等重要任务的必不可少的手段,在研制先进的电传飞机中起着至关重要的作用。
Real-Time Workshop(RTW)是MATLAB图形建模仿真环境Simulink的重要模块。RTW是由MATLAB/Simulink模型生成能直接在实时操作系统中独立运行的可执行C代码,并且也可根据目标机配置自动生成适合该目标机软硬件环境的可执行程序。通过使用RTW工具,可以大大地减少飞行模拟器实时仿真软件的开发周期,节省开发成本。同时,RTW可以支持多种目标机类型,包括可支持的硬件DSP、X86、Power PC等,也包括可支持Vx Works/Tornado等实时操作系统。
Vx Works是由美国Wind River公司开发的一套具有微内核、高性能、可伸缩的32位实时操作系统。Tornado是Vx Works的集成开发环境,用户可以使用主机上的Tornado开发环境来编辑、编译、链接和存储实时代码,然后在Vx Works上进行运行和调试。
本文在飞行模拟器的仿真软件的研发中运用了Matlab/RTW和Vx Works的实时仿真技术,更加逼真地反映飞机总体性能和飞行品质。
1 飞行模拟器仿真系统
飞行模拟器仿真系统通过建立飞机的气动模型、运动学模型以及机上电源、燃油、液压等系统数学模型来实现对飞机的飞行特性、动力特性以及相关系统逻辑的模拟。
飞行模拟器仿真系统响应飞控、液压等系统的输入,计算出对应于飞行员操纵时的飞机位置(机场坐标或经纬度)和飞行状态(高度、速度、姿态角等),然后通过接口系统输出计算结果给座舱仪表、视景等系统,以提供飞行员实时的操纵反馈和视觉感受。
为了向飞行员提供实时的飞行模拟感受,飞行模拟器的仿真软件采用了Matlab/RTW和Vx Works的实时技术,以更加逼真地反映飞机总体性能和飞行品质。
2 Matlab/RTW技术在飞行模拟器中的应用
RTW作为MATLAB/Simulink的扩展,可以将用户构建好的MATLAB/Simulink模型自动生成在实时操纵系统(如VxWorks操作系统)上独立运行的C代码,大大地提高了编写飞行模拟器实时仿真软件的效率。
飞行模拟器的仿真软件通过MATLAB/Simulink编制的。采用RTW将所编制的Matlab/Simulink仿真软件生成可以在实时操作系统Vx Works上运行的代码。主要包括MATLAB/Simulink模型的构建、RTW文件生成、自动生成C代码、硬件接口软件的开发、代码编译、系统集成等6个步骤,具体如下:(1)MATLAB/Simulink数学模型的构建。首先,根据设计需求文件,利用MATLAB/Simulink建立系统的Simulink数学模型,形成model.mdl的数学模型文件。然后,在Simulink平台下运行model.mdl的数学模型文件,校核数学仿真结果与设计需求文件的一致性,并作相应的修改和调整;(2)rtw模型文件生成。通过运用RTW将Simulink数学模型生成model.rtw模型文件。model.rtw模型文件包含了Simulink数学模型的所有描述;(3)自动生成C代码。在结合系统目标文件的基础上,通过目标语言编译器TLC(Target Language Compiler),将model.rtw模型文件转换为独立可执行的C代码;(4)硬件接口软件的开发。根据系统设计文件,开发系统的接口软件,并且要与所自动生成的C代码相匹配;(5)代码编译。将运用RTW自动生成的C代码和系统接口软件,通过C编译器进行编译和链接,并下载至目标板上;(6)系统集成。在代码下载至目标板后,进行全系统的闭环仿真,并分析仿真结果的正确性。根据分析结果,修改或调整MATLAB/Simulink数学模型,一直达到预期效果。
3 飞行模拟器实时仿真系统的构建
飞行模拟器实时仿真系统由飞行仿真系统、飞控仿真系统、驾驶舱设备仿真系统、航电显示系统、视景系统、音响仿真系统等组成。
根据各系统的组成及结构,飞行模拟器实时仿真各子系统之间通过以太网UDP协议进行数据共享和数据交互。其中,飞控仿真系统、驾驶舱设备仿真系统、航电显示系统、视景系统、音响仿真系统均配置一台计算机连接到飞行仿真计算机主机中。由飞行仿真计算机负责向各自的系统进行数据的分发。各计算机节点的接口如图1所示:
实时仿真开发调试计算机将编译好的程序通过以太网下载到实时仿真计算机主机。各仿真计算机与实时仿真计算机主机通过以太网UDP协议通讯,获取并刷新计算数据。
在飞行仿真计算机主机上将Simulink模型通过RTW生成可独立执行的C代码,并运用Tornado提供的编译器进行编译。通过Tornado提供的Wind Sh将RTW程序创建工具产生的目标文件下载到Vx Works目标机中。实时程序在VxWorks目标机上运行,并通过I/O设备与外部硬件进行连接,从而进行飞行模拟器实时仿真系统的闭环仿真,如图2所示。
4 仿真效果
图3是RTW/Vx Works实时仿真与Simulink纯数字仿真的比较。实线是Simulink数字仿真的结果,虚线是RTW/VxWorks的结果,两者的吻合程度是比较好的,误差是由于数字仿真方法及采样率等因素造成的,并且可以接受。
5 结束语
飞行模拟器在研制先进的电传飞机中起着至关重要的作用。本文在飞行模拟器的仿真软件的研发中运用了Matlab/RTW和Vx Works的实时仿真技术。通过RTW/Vx Works实时仿真与Simulink纯数字仿真的比较,两者的吻合程度比较好,取得了较好的效果。
参考文献
[1]The Math Works Inc.Real-Time Workshop for Use with Simulink(version6)[M].USA:The MathWorks Inc,2004.
[2]赵旭东,贾荣珍.ARJ21飞机工程模拟器关键技术研究[J].系统仿真学报,2009(21).