仿真实例

仿真实例（精选5篇）

仿真实例 篇1

在多媒体与网络教学环境中, 教学实验如果也能在计算机上完成可以更方便教学的进行, 仿真实验是通过软件演示模拟现实的效果, 从而更高效、准确、可控的完成预期的实验效果, 特别是一些现实实验中有危险或实验成本昂贵的实验, 使用仿真实验的作用就更为突出, 以前使用Flash为其他老师制作过这个摩擦力拖动仿真实验, 应用到多媒体网络与学科整合课中, 实际应用效果还不错, 最近一段时间学习了点JQuery, 作为实践练习将这个仿真实验写成了JQuery形式的, 现在写出来在此与大家交流。

1 实例文件构成

实例文件夹所包含的文件如图1所示。

其中“mb1.jpg”, “mb2.jpg”, “mb3.jpg”共同组 成木板, “shazhi1.gif”, “shazhi2.jpg”, “shazhi3.gif”组成砂纸, jquery-1.7.e.min.js是jquery运行库。

2 “摩擦力仿真实验.html”完整代码及简要注释

3 仿真实验效果截图

如图2所示。

4 结语

这是使用JQuery编写的第一个程序, 使用JQuery编写出来的程序非常小巧, 本实例程序连同注释只有7.76KB, 加上图片和JQuery运行库文件, 整个文件夹也只有200KB, 程序在IE11、IE8、IE6、火狐28.0、360浏览器上运行正常, 其他未试。

摘要：基于JQuery和css的鼠标拖动仿真实验实例, 使用div对实验图片分层次组织, 并通过JQuery和css进行控制, 形成有趣的拖动仿真实验效果。

关键词：教育技术,JQuery,css,拖动,仿真实验

仿真实例 篇2

随着电子技术与计算机技术的飞速发展,各种计算机仿真辅助工具也被广泛应用,比如Auto-CAD,FPGA,CPLD等等[1]。本文介绍了专门针对微控制如单片机,emu8086等的另一种软件如Proteus仿真软件。

2 Proteus仿真工具介绍

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件,是一个基于Pro SPICE混合模型仿真器的,完整的嵌入式系统软、 硬件设计仿真平台[2,3]。该软件不仅具有一般EDA软件的仿真功能, 还能仿真单片机及其外围器件,所以深得师生们的青睐。具备如下功能模块[4]:

(1)智能原理图设计(ISIS);

(2)完善的电路仿真功能;

(3)独特的单片机协同仿真功能(VSM);

(4)实用的PCB设计平台。

其中Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面,包括:标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口等。

3 Proteus环境下的电路设计与仿真实例

与Protel,EWB仿真工具类似,首先需要打开Proteus操作界面, 在“File”菜单中选择“New Design”即可打开空白文件;其次,选择 “P”按钮,在弹出的Pick Device串口中的“Keywords”里输入8086, 74LS273等,可从元件库中提取需要的元器件(选中双击),选择完点击OK按钮。再次,在编辑区画电路图,修改元件参数,如单击绘图工具栏中的导线标签按钮,使之处于选中状态。将鼠标置于图形编辑窗口的欲标标签的导线上,跟着鼠标的指针就会出现一个“×” 号,表明找到了可以标注的导线,单击鼠标左键,弹出编辑导线标签窗口。 在“string”栏中,输入标签名称,单击“OK”按钮,结束对该导线的标签标定。同理,可以标注其它导线的标签。但在标定导线标签的过程中,相互接通的导线必须标注相同的标签名。最后,保存文件。这样,原理图的绘制就完成了,如图1所示,实现了8086控制流水灯。

结合Proteus环境的emu8086仿真,编写汇编程序源代码如下:

由于8086一般做汇编用的是汇编软件生成的文件.EXE,.bin, 或.com扩展名的文件,且8086没有内存贮器,故应用KEIL生成相应文件时,需要设置内存启始地址,内存的大小和外部程序加载到内存的地址段。仿真一定要设置内存,时钟默认是1MHz,设置好后添加由MASM32或其他软件生成的扩展名为com,bin,exe的文件。Proteus自动加载到设置好的内存段中。如可配置方式为:如可设置内存大小10000H,程序下载到内存段为0200H,BIN入口为02000H,停止在int 3选择Yes。适用各种扩展名(.BIN .COM .EXE)的代码文件。

通过运行下载后的程序,确实看到16盏LED灯轮流显示。

4结语

Proteus虚拟仿真工具的应用,使得在具体的工程实践中,降低了实验开发成本,提高了实验效率。在实验教学中,不仅激发了学生的积极主动性,提高了学生的实验兴趣,还在毕业设计的应用中收到良好的效果。

摘要：随着计算机辅助仿真工具的发展,利用电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)进行的电子电路的设计与仿真已是现代电子技术系统的设计发展趋势,并且逐步得到许多电子爱好者的青睐。本文介绍了Proteus仿真工具的功能与基本操作方法,并结合流水灯控制电路实例说明如何用Proteus实现电子电路的设计与仿真。

关键词：EDA,Proteus仿真,调试

参考文献

[1]刘邹,丁青青.基于Proteus的硬件在回路仿真[J].计算机仿真,2009,02:312-314+328.

[2]王威,刘佳,张志雄,王挺,杨平.基于Proteus和Keil的单片机虚拟仿真平台的设计[J].上海电力学院学报,2009,06:607-610.

[3]代启化.基于Proteus的电路设计与仿真[J].现代电子技术,2006,19:82-84.

仿真实例 篇3

物流仿真是针对物流系统进行系统建模, 并在计算机上编制相应应用程序, 模拟实际物流系统运行状况, 并统计和分析模拟结果, 用以指导实际物流系统的规划设计与运作管理。作为一门课程, “物流仿真”课在教学目标上不同于其他物流理论课和实训课, 教学内容也不能局限于软件公司提供的相关模型。它是结合了物流学科相关知识和计算机操作技能的综合性课程。因此, 其教学设计和教学方式需要教师精心准备, 大胆创新。据此, 笔者设计了一堂主题为“实体仓库的模型创建与改进”的物流仿真课。下面对该课程进行简单介绍。

课程内容简介

本课主题为“实体仓库的模型创建与改进”, 主要内容是要求学生建构学校实训教室内的实体自动立体仓库的仿真模型, 然后提出扩建要求, 要求学生在原有模型基础上进行扩容设计。

本课使用仿真技术的必要性体现在: (1) 学技术:弥补工位限制。实体仓库内的参数设置更改困难, 场地有限、设备种类有限, 仓库类型相对单一, 且工位有限, 要让学生了解更多的仓库类型与控制方式, 需要应用仿真技术。 (2) 增兴趣:突破教学难点。三维动态场景对于帮助学生理解仓库结构、认识设备属性、理解设备逻辑关系具有直观、形象、多样化的作用, 仿真对于突破这一教学难点具有不可替代的作用。 (3) 提素养:对专业的持续关注。中专学生学会仿真软件的使用能够拓展其视野和能力, 提升其职业素养, 对其将来的职业发展有益。

本课定位为: (1) 通过完成一个综合性的任务项目, 检验学生对于仓库结构和仿真部件的认知。 (2) 通过创建三维立体的、动态的、图像化的模型, 即时获得系统的运行效果, 相比静态的图片或文字, 仿真能够最大限度地引起学生兴趣。 (3) 通过完成一个身边的较为熟悉的任务项目, 让学生进行边缘性的参与, 获得专业学习的信心和成就感, 并对本专业产生持续的关注。

ASSURE模式简介

ASSURE教学设计模式, 是由Heinich、Molenda、Russell与Smaldino四位学者于2002年提出的, 是围绕在教室环境下怎样使用媒体和资源而设计的一套模式, 着重于在实际教学情境下, 善用多媒体工具来帮助达成教学目标, 并鼓励学生互动参与。ASSURE取其六个步骤名称英文动词的首字母, 以表达“确保教学成功有效”之意。这六个步骤为:分析学习者;陈述教学目标;选择教学方法、媒体和材料;使用媒体和材料;要求学习者参与;评价与修正。利用ASSURE模式进行教学设计, 需要教师分析自己对于媒体、方法的选择, 以及对使用情形加以评估, 在教学行动反思之后加以调整改善, 作为下一次改进教学的依据。

基于ASSURE模式的教学设计过程

(一) 分析学习者

一般特征

教学对象为中专物流管理专业二年级学生, 年龄在16~17岁之间, 易受社会不良风气影响, 诸如实用主义、拜金主义等。在学习方面也表现得比较功利, 自认为有用的就用心学, 自认为将来用不上的就不学。心理特征表现为自我意识强、独立性强, 希望得到他人的承认和尊重, 但同时又表现出自信心缺乏, 需要在与教师和同伴的交往互动中获得肯定。中专学生在学习方面往往缺乏正确的态度和方法。在智力因素方面, 如记忆力、注意力的持久性等稍显欠缺。他们对课程知识掌握的程度, 在很大程度上取决于自身的非智力因素, 如求知欲、自信心、责任感等。因此, 教师需要在这些方面多下工夫, 使学生用非智力因素弥补智力因素的不足。

入门能力

我校二年级学生的先修课程包括国际贸易、电子商务、现代物流基础、叉车驾驶等, 在相关的课程中接触了一些专业常识, 如各种物流基本设施的名称和作用。在学校自有的实训教室内有三种类型的仓库, 包括自动立体库、电子标签库和平置库, 还有传输设备、搬运设备等。学生观察过仓库的运行, 有的甚至在仓库内进行过操作, 对此较为熟悉。在技能准备方面, 学生前期已熟悉了乐龙仿真软件Ra LC的操作界面, 学会了基本的设备创建和编辑操作, 如传送带系统的生成、货架的生成、部件之间的连接等。

学习风格

中专学生不喜欢理论灌输, 也不屑于单调的、系统的知识传递, 但他们对于色彩、动态等视觉刺激感兴趣, 对于需要自己动手操作的内容则参与积极, 表现出极大的视觉偏好。这是教师可以利用的学生优势。大部分学生愿意与同伴合作, 喜欢宽松的教学氛围, 希望教师不是高高在上, 能随问随答。学生在适当的激发下能够有活跃的表现, 尤其是对三维动态的仿真模型, 因其能够即时显示运行效果, 学生积极性非常高。

(二) 陈述教学目标

教学目标不是限制学生应该学习什么, 而是表示学生应当达到的最低学习目标。在ASSURE模式对教学目标的陈述中, 包含教学对象、行为、条件、程度四个要素, 结合四个要素陈述的教学目标为:

知识目标

(1) 能够说明自动立体仓库的基本结构。 (2) 能够归纳自动立体仓库货物出入库的大致流程。

技能目标

(1) 能运用仿真软件根据实体仓库正确选择所需部件。 (2) 能将实际的物流设备转换为仿真模型。 (3) 能为各种部件设置参数, 并正确对部件进行连接, 完成货物入库和出库。 (4) 能灵活运用所学知识, 根据要求对既有模型加以改进和设计。

情感目标

(1) 能积极参与师生互动, 交流心得。 (2) 在模型制作过程中能够主动探索, 分析差异, 自我提高。

(三) 选择教学方法、媒体和材料

选择教学方法:任务引领, 搭建脚手架

选择教学方法最重要的原则是要服务于特定的教学内容。建构主义认为, 首先要有完成有意义任务的动机或意图, 才能引发有意义的学习;能够引发有意义学习的最富有意义的任务就是问题解决, 进行问题解决才能帮助学生获得更好的理解和实际能力。因此, 在这堂课上, 首要选择的教学方法就是任务教学法。为学生选择一个实际的、有意义的任务是上好一堂课的前提。对于“物流仿真”课程而言, 既要让学生理解自动立体库的布局结构, 又要运用仿真软件把模型构建出来, 这是有一定难度的。因此, 最好为学生选择一个他们比较熟悉的、可以随时加以观察的仓库原型, 所以在此设计了学校实训室的仓库作为原型。学生对身边的仓库, 既熟悉又好奇。因此, 仓库是引起学生学习兴趣的切入点。有了需要解决的问题, 还要为问题建构内部表征, 这是解决问题的最重要技能之一。学习者对问题的描述越全面越精确, 解决问题的方法就越好。要设计扩容方案应该从何入手呢?在教师的活动设计中应该体现出解决问题的思路, 帮助学生搭好构建认知的脚手架, 在教学设计时需要将递进的任务设计成指引框架, 使学生在活动过程中不仅能逐步达到完成总体任务的目的, 还能体会到类似任务的完成步骤和途径。教学主线设计思路如图1所示。

选择媒体和材料

要完成模型的创建和设计, 需要熟练运用仿真软件。因此, 上课准备的材料包括Ral C操作指南、校本教材《物流系统仿真项目》、演示文稿, 准备了计算机、投影仪、Ra LC仿真软件等。为了动态地展示自动立体仓库的货物入、出库流程和原理, 当场请两名操作较熟练的学生运行仓库管理系统, 并进行货物的存取、条码的扫描等工作。但学生的理解能力、学习进度不尽相同, 不可能随时调用两名学生进行演示。因此, 我们将他们操作机械的动态过程制作成视频, 作为媒体材料提供给每一个学生, 以备他们随时调用查看。

(四) 使用媒体和材料

学习环境的设计

多数学生愿意与同伴合作交流, 在学生之间的讨论中同样会产生新奇的想法。本次课的内容需要学生之间取长补短, 因此教室布置为图2所示的形式。将学生分为四个小组, 激励学生在建模过程中在小组内部相互交流和帮助, 在小组之间则采取竞争的激励方式。在教学形式上, 结合现场教学和仿真教学。现场教学侧重学生的观察和教师的讲解, 仿真教学则注重引导和学生的操作, 指导学生遵循设计规律, 发挥自身的主动性和创造性完成学习任务。

教学流程设计

设计的教学流程如表1所示。

(五) 要求学习者参与

中专学生对于课程和教师的偏好是十分明显的。如果希望学生在课堂上积极参与、产生良性互动, 就需要在平时的课堂教学中与学生建立起民主、平等的师生关系, 尊重学生个性和差异, 多进行正面的鼓励和表扬, 尽量给学生自我发挥的空间, 使学生习惯于在课堂上很快活跃起来, 进行创造性的思考和真正的心理参与, 达到对设备的创造性运用。

进行小组竞争, 并给优胜小组一定的奖励, 能够激发学生参与的积极性。本课结束时教师为竞争获胜小组分发了小小的即时贴。学生特别高兴, 说这奖品“好有爱”, 有的学生甚至产生了更为深入探究的欲望, 为日后的分层教学打下了基础。

此外, 在本次课上还采用了作品交流和让学生汇报创作思路的方式, 给予学生展示的机会, 使他们能产生成就感, 更能在学习共同体中产生正面效应, 以少带多, 使更多学生得到启发, 突破教学难点。

(六) 评价和修正

学生的设计各有利弊, 但评价作为教学的一个重要部分, 仍旧是需要精心设计的。教师要让学生学会自我反思, 成为评价的主体。让学生根据给出的评判标准, 找出不足并加以改进和提高才是评价的主要目的。在此, 本课的教学评价分为学生自评和教师评价两部分:学生自评要求在课堂内评价, 简单易操作;课后要求学生上传作业, 教师完成综合评价。如表2和表3所示。

教学设计的创新与特色

一是精心选择独特的任务。选择的任务难度应处于学生认知发展的“最近发展区”, 学生利用已学的知识和技能, 通过努力是可以完成的。如任务具有一定的现实意义, 学生会给予更多关注, 在完成任务时能够获得较多的学习成就感。

二是预留空间鼓励创新。教学设计时预留了较大的创意空间, 让学生充分发挥创造力, 从货物码上托盘开始, 就有学生使用了新的设备, 直到设计扩容方案, 学生的最终作品是多样的、具有差异性的, 能使学生个性化的想法得以展现。

三是适时渗透职业态度培养。在教学过程中不断地给学生以职业态度的影响, 比如在制作仿真模型阶段, 强调模型要尽量与实体仓库一致, 这样不仅是对真实环境的模拟, 也体现了严谨的工作态度和职业要求;在扩容设计阶段, 则要求学生大胆创新、勇于尝试。

四是教学效果丰富多样。学生作品多样化, 充分发挥创意, 设计多种扩容方案。

中专学生在学习专业知识的时候, 可以说没有丝毫专业基础, 这给教师的教学带来很大困难。心理学家杰尔姆·布鲁纳 (Jerome Bruner) 认为, 当学习者缺乏相关的经验背景的时候, 教学遵循从实际经验到形象性表征, 再到符号性或抽象表征的顺序, 能够促进学习。遵循这样一个规律, 有效地借助媒体和材料, 按照ASSURE模式为学生精心设计教学过程, 不仅能够提升教学效果和学生的学习成就, 也是能反映教师教育教学能力的一个重要指标。ASSURE模式是一个能够完成系统化设计主要步骤的教学设计模式, 但也需要教师根据教学对象的实际情况, 充分思考学生能做什么、怎么做, 选择正确的方法、媒体和材料, 加以灵活运用。只有这样, 才能搭建起从教学起点到终点的桥梁。

参考文献

[1]Sharon E Smaldino, James D Russell, Robert Heinich, Michael Molenda.教学技术与媒体[M].北京:高等教育出版社, 2008.

[2]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社, 2008.

[3]D H乔纳森.用于概念转变的思维工具:技术支持的思维建模[M].上海:华东师范大学出版社, 2008.

[4]Patricia L Smith, Tillman J Ragan.教学设计[M].上海:华东师范大学出版社, 2008.

[5]Curtis J Bonk.世界是开放的:网络技术如何变革教育[M].上海:华东师范大学出版社, 2011.

[6]吕明哲.物流系统仿真[M].大连:东北财经大学出版社, 2008.

仿真实例 篇4

大型交直流混联电网安全稳定控制技术的研发和试验是世界性难题,建立基于实时仿真技术的安全稳定控制技术试验研究平台是解决这一问题的有效途径。

中国南方电网构建了基于实时数字仿真(RTDS)系统的电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台[1],并先后完成了三道防线中多个稳定控制系统的试验研究。在试验研究中采用了一系列关键技术,包括复杂大电网实时仿真的建模技术、多时间尺度多区域稳定控制技术综合协调和广域安全稳定控制系统实时仿真场景构建技术等。本文将重点论述云广直流安全稳定控制系统、云南电网小水电群广域振荡解列控制系统和云广特高压直流孤岛机网协调控制系统等3个应用实例。

1 云广直流安全稳定控制系统的试验研究

云广特高压直流安全稳定控制系统属于南方电网安全稳定控制的第二道防线,对于南方电网的安全稳定运行至关重要[2,3,4,5,6]。南方电网针对云广直流安全稳定控制系统先后进行了3期实时仿真试验研究:一期为联网方式下安全稳定控制策略试验研究;二期为孤岛策略与联网新增策略研究;三期为孤岛运行稳定性研究。

1.1 实时仿真模型

RTDS模型包括2011年南方电网500 kV 及以上交直流系统主网架,含270 个三相节点、100台发电机、390条交流线路等,共使用27个Rack(计算单元)的计算资源。云广、贵广二回直流采用实际控制保护装置,贵广一回、天广和三广直流采用详细控制保护自定义模型。该模型与非实时仿真软件BPA形成互补,为交直流并联电网分析计算提供技术手段。

1.2 平台特点和应用效果

所建立的含云广直流的电网实时仿真模型反映了南方交直流电网的主要系统特性,云广直流控制保护装置在故障模拟、控制信号时序[4]和动态响应等方面与实际一致。以云广直流联网运行方式送端交流线路N-2故障的仿真试验为例,故障发生后稳定控制系统动作激发直流功率限制功能PowerLimitation,图1为极闭锁控制信号的时序,交直流系统动态响应过程和各类控制动作时序如图2所示。图中:Pdc为云广直流系统功率;Uac为交流母线电压标幺值;PA11为直流系统阀组A11的功率,其他各阀组的功率变化趋势与PA11一致,详见附录A图A1;γ11D为直流系统阀组11D熄弧角,其他各阀组的熄弧角变化趋势与γ11D一致,详见附录A图A1;f为交流系统频率;Q为交直流系统无功功率。

通过对直流联网和孤岛运行方式进行实时仿真,准确模拟了特高压直流系统的各类闭锁、线路故障再启动和交流线路故障跳闸等事件,系统、可靠地检验了安全稳定控制装置判别各种事故的正确性和稳定控制策略设计的合理性。

2 云南电网小水电群广域振荡解列控制系统的试验研究

云南电网小水电群广域振荡解列控制系统是南方电网为抵御云南电网低频振荡而开发的一套稳定控制系统[7],属于南方电网第三道防线。

2.1 实时仿真模型

RTDS模型包括云南500 kV主网、部分地区主要220 kV网架以及云南电网与南方主网的断面联络线,通过同调等值法对边界系统进行等值,仿真模型体现了所关注区域的主要动态特性,具有与云南实际电网基本一致的振荡模式和阻尼特征。图3所示为某故障后某发电机的功率振荡曲线。

2.2 多种类型故障和多模式强迫扰动模拟

试验研究重点在于各类故障和扰动的准确模拟[7,8],包括系统故障模拟、强迫扰动模拟以及通信故障和时滞的模拟等。其中,系统故障模拟包括线路短路跳闸、机组跳闸和小水电分支内外故障。强迫扰动模拟包括在小水电分支内外机组原动机转矩、励磁电压上叠加多种频率的强迫扰动等。通信故障和时滞的模拟包括解列系统相量测量单元(PMU)子站间及子站与主站间的通信中断,在RTDS输出(即解列装置量测前)增加随机延时模拟通信时滞的情形,以考察解列系统的可靠性。

2.3 对振荡解列策略的改进

基于实时仿真试验的研究对振荡解列原理进行了大量改进,如改进了振荡源识别原理,正确区分小水电群分支内部扰动和外部非云南电网的扰动,并正确切除扰动源使系统振荡平息。迪丽Ⅱ线三相永久性故障RTDS试验结果如图4所示,其中,EYDLP2,LJDLP2,DLST2P,XGDLP2的功率变化趋势分别与EYDLP1,LJDLP1,DLST1P,XGDLP1一致,详见附录A图A2。小水电分支内故障被正确识别并切除。

3 特高压直流孤岛机网协调控制特性研究

云广特高压直流系统由于额定功率(5 000 MW)大且送端换流站远离电源(距离约300 km),采用孤岛方式运行时具有极低的有效短路比(最低达1.45),送端机组的调速励磁控制、直流控制保护特性和稳定控制策略等多时间尺度、多道防线紧密耦合,试验研究平台为此“精密”系统的机网协调稳定控制试验研究提供了有效途径。该系统包括由RTDS模拟的小湾电厂6台机组和主变压器、金安桥电厂4台机组和主变压器、云广直流输电系统及相关交流线路。2个电厂的励磁、调速控制器按现场型号配置,并配置电厂监控(含自动电压控制(AVC)和自动发电控制(AGC)),程序与现场一致[9]。

3.1 调速控制器接入RTDS系统

孤岛系统送端机组调速系统的比例—积分—微分(PID)主环及其逻辑切换为实际调速器,副环、随动系统和水轮机由RTDS模拟。随动系统和水轮机主要基于机组现场实测得到的数学模型在RTDS中建模(见附录A图A3)。

调速控制器所需的机端电压、系统电压由RTDS输出后通过功率放大器提供,调门指令以2~8 V模拟电压信号的形式向RTDS提供触发脉冲,形成闭环控制实时仿真系统。

3.2 励磁控制器接入RTDS系统

由RTDS经功率放大器向励磁调节器提供机端电压电流信号,调节器经PID等环节后向RTDS提供触发脉冲,RTDS模拟励磁变压器和可控硅整流环节,构成闭环控制的实时仿真系统(见附录A图A4)。

3.3 机网一体化孤岛系统仿真

孤岛系统送端机组接入实际调速、励磁控制器和监控系统后,构成的云广直流孤岛机网控制系统实时仿真平台包括稳定控制系统,综合考虑了孤岛系统在严重事故后的安全稳定控制效果。云广直流孤岛机网控制系统的实时仿真如图5所示。

3.4 平台应用结果

将建立的平台应用于直流孤岛稳定控制实时仿真研究,将其仿真结果与孤岛现场调试结果进行比对,进一步校核仿真模型和控制参数,提高了平台仿真的可信性。进一步地,对无法在现场开展试验的各种严重故障进行仿真模拟,研究系统的动态响应特性和稳定控制效果,有效地指导了实际运行。

以云广直流系统在孤岛方式下以额定功率运行时发生双阀组同时闭锁事故的仿真试验为例进行说明。云广直流系统送端采用孤岛方式8机4线输送功率5 000 MW,小湾电厂(开机方式4×700 MW)、金安桥电厂(开机方式4×600 MW)分别通过小楚双线和金楚双线接入楚雄换流站,送端的楚雄地区接线图如图6所示,与云南电网无电气联系。通过仿真平台模拟云广直流系统发生故障导致双阀组同时闭锁的事故。

孤岛方式运行时发生直流单极(双阀组)同时闭锁的稳定控制策略设计与联网方式运行时不同,故障后稳定控制系统将切机以使送端电源功率与直流剩余功率尽量匹配,而联网方式则要求直流单极闭锁后稳定控制不动作。本算例中,云广直流极2双阀组在时间为0 时发生故障闭锁,由于剩余极1的两阀组具有1.2倍短期过负荷能力,直流总损失功率约2 000 MW,在148 ms时稳定控制系统按欠切原则切除小湾电厂3号机组、金安桥电厂2号和3号机组共约1 900 MW功率后,直流系统的频率限制控制(FLC)功能与送端机组调速控制共同作用,最终孤岛系统能够保持稳定运行,仿真结果如图7所示。另外,小湾电厂1号和2号机组的功率变化趋势与4号机组的功率Pxw4大致相同,金安桥电厂2号机组的功率变化趋势与1号机组的功率Pjaq1一致,详见附录A图A5。

4 安全稳定控制技术实时仿真试验汇总

基于南方电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台,完成了三道防线多个安全稳定控制系统的试验研究任务。基于该平台的安全稳定控制系统试验研究,涵盖了安全稳定控制策略表执行的正确性验证、站间通信延时的影响研究、策略原理的合理性评估等。这些试验研究[7,9,10]的汇总表格见附录A表A1。

5 结语

基于南方电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台,采用了一系列安全稳定控制技术试验研究的关键技术,如复杂大电网实时仿真的建模技术、多时间尺度多区域稳定控制技术综合协调和广域安全稳定控制系统实时仿真场景构建技术等,完成了南方电网三道防线中多个大型安全稳定控制系统的研发和试验工作,并在此基础上有效地改进了稳定控制策略,提高了安全稳定控制系统运行的可靠性和南方电网的安全性。

构建的安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台初步满足了大型电网安全稳定控制技术研发和试验的需求,但仍有很多工作有待继续深入研究:①在新能源以不同方式接入电网的情形下,开展实时仿真平台的集成和构建技术研究,以满足新能源接入系统的安全稳定控制技术的研究和试验需求;②改进RTDS建模的方式,元件的参数和模型面向实时仿真,并加强与南方电网实际故障录波轨迹进行对比,进一步提高实时仿真的可信性;③开展电网安全稳定控制系统入网检测工作,特别是涉及交直流相互影响的稳定控制技术和新型广域安全稳定控制技术;④基于该实时仿真试验研究平台,建设交直流大电网的安全防御演练与培训系统。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：基于电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台,对中国南方电网三道防线中多个稳定控制系统进行了试验和研究。采用复杂大电网实时仿真建模技术,对云广直流安全稳定控制系统进行了试验研究,验证了该平台对交直流大型电网的实时仿真能力;采用广域安全稳定控制系统实时仿真场景构建技术,开展了云南电网小水电群广域振荡解列控制系统试验研究,体现了该平台开展基于广域信息的稳定控制技术的研发能力;采用多时间尺度多区域稳定控制综合协调技术,完成了云广特高压直流孤岛机网协调控制系统的研究,充分利用了平台控制器模型的自定义功能。应用实例表明,所构建的平台是交直流大电网安全稳定控制技术试验研究的有效途径和重要保障。

关键词：安全稳定控制,实时仿真,实时数字仿真器,直流孤岛运行,机网协调控制,广域振荡解列控制

参考文献

[1]郭琦,韩伟强,曾勇刚,等.电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台:(一)架构与特征[J].电力系统自动化,2012,36(20):1-5.GUO Qi,HAN Weiqiang,ZENG Yonggang,et al.Securityand stability control technology test and research platform basedon real-time simulation:Part one framework andcharacteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(20):1-5.

[2]郭琦,韩伟强,贾旭东,等.云广直流输电工程安稳装置的RTDS试验方法研究[J].南方电网技术,2010,4(2):43-46.GUO Qi,HAN Weiqiang,JIA Xudong,et al.Study on theRTDS simulation test of the system stability control of Yunnan-Guangdong±800kV DC transmission project[J].SouthernPower System Technology,2010,4(2):43-46.

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仿真实例 篇5

焊接机器人在现代工业制造过程中的应用日趋广泛, 使用效率和经济性在很大程度上取决于自动化的程度[1]。其运动学逆解是已知末端的位姿, 求解各关节变量, 它是焊接机器人轨迹规划和运动控制的基础[2], 在此基础上可以进一步规划机器人的运动轨迹, 在焊接机器人的实际应用和设计中具有重要意义。

焊接机器人的运动学控制主要包括正运动学和逆运动学, 前者相对好求解, 逆运动学的研究相比正运动学较繁琐, 不仅要考虑机器人的动作范围的影响, 还要考虑矩阵的奇异性问题[3]。国内外学者对这方面做了很多研究, 有Groebner基法[4]、矩阵分解法[5]、迭代法[6]等等。文献[7]通过五次多项式插值法利用sim Mechanics模拟四自由度机器人的运动轨迹;文献[8]基于matlab对移动焊接机器人系统运动轨迹进行插值优化分析。

本文采用迭代与短直线逼近相结合的方法对焊接机器人的逆运动学进行研究, 首先通过迭代法求解微小直线上的运动学逆解问题, 再将机器人实际应用中几种常见运动轨迹通过短直线逼近原理进行短直线划分, 在每一个短直线上使用迭代求解其逆运动学问题。

1 系统描述

机器人运动学分析主要包括运动学正解和逆解, 本文所研究的是工业六自由度焊接机器人的运动特性, 如图1为焊接机器人的三维建模图。

机器人运动学描述了组成机器人的各个连杆与机器人的各个关节之间的运动关系, 本文研究的焊接机器人有六个自由度, 为了研究方便, 简化结构, 采用DH坐标表示法, 建立六自由度焊接机器人连杆坐标系, 如图2所示, 相关连杆参数和关节变量如表1所示。

2 运动学建模

2.1 运动学正解

根据图2所示的机器人连杆坐标系, 进行坐标变换, 可以得到如下的变换矩阵关系:

式中:cθi=cosθi, sθi=sinθi, cαi=cosαi, sαi=sinα将各个连杆的变换矩阵相乘可以得到末端执行器的变换矩阵60T:

由于第六个自由度不影响机器人末端执行器的位置, 所以本文只考虑前五个自由度, 根据前面的变换矩阵可以推出机器人末端执行器x, y, z三个方向关于各个关节角的表达式, 即:

2.2 运动学逆解

已知机器人末端执行器的位姿来确定对应关节角的问题为机器人逆运动学问题。也就是计算给定机器人末端执行器的目标点的坐标 (x, y, z) , 来求解此时对应的各个关节角度qi (i=1, 2, 3, 4, 5, 6) 。

在微小短直线上, 设机器人末端执行器的初始坐标为 (x0, y0, z0) , 对应各关节角的初始值设定为 (10, 20, 30, 40, 50) 。设定需要达到的目标点位置为 (x, y, z) , 对应的角增量为 (1, 2, 3, 4, 5) , 则位置增量和关节角增量分别为:

迭代法的主要思想是利用雅克比矩阵进行迭代逆解, 假设焊机机器人末端执行器的点P, 在一个光滑的曲面上沿 (x, y, z) 进行运动, 根据多元函数可微分的充要条件, 可以得到:

即雅克比矩阵J可表示为:

进一步可以得到各个关节角增量 (△θ1, △θ2, △θ3, △θ4, △θ5) :

如果给定焊接机器人末端执行器的端点P坐标为 (x0, y0, z0) , 可以求出初始位置到目标位置的增量 (△x, △y, △z) , 根据式 (8) 可以求解出第一次迭代的△θ值, 即第一次迭代关节角度的增量。再进一步求出此时位置的各关节角度值θ, 利用运动学正解可以求出此时末端执行器的位置。迭代过程中没有造成误差, 只是有精度的取舍, 所以迭代法可以达到很高的精度。

3 轨迹迭代与短直线逼近算法设计

前面介绍了机器人的正运动学和逆运动学的求解。在机器人逆运动学求解过程中, 为了达到目标点的位置, 虽然求解出了各关节角变化的大小, 但在实际应用中往往从出发点到目标点不单单是直线, 也有可能是圆弧、样条曲线、及其他复杂的曲线, 这就需要进行一系列的迭代过程[9]。这里采用短直线逼近法与迭代法相结合的方法求解焊接机器人末端执行器轨迹。如图3为轨迹逆解算法流程图。

首先需要给定焊接机器人需要走的理论轨迹, 对其进行数据的离散化分析, 在理论轨迹上提取某一维度上等距的若干样本点, 将各相连样本点用短直线进行连接, 则机器人所要走的理论轨迹可以看成是由一条条短直线逼近而成, 在每一条短直线上, 利用上述的迭代法求解运动学逆解。

4 实例仿真

前面已经对焊接机器人的运动学进行分析, 并研究了相关逆运动学算法, 实现了圆和B样条曲线的轨迹生成。在焊接机器人应用中, 使用仿真技术可以实时的观察机器人的加工过程, 可以有效地避免误操作, 使加工过程更加安全可靠[10]。

4.1 圆轨迹仿真

圆弧运动是焊接机器人最常用的操作之一, 也是构成其他复杂运动的基础, 这里主要研究二维XY平面内的圆轨迹, 对于三维空间里的圆, 可通过变换矩阵得到。

对于平面XY内的任意一个圆, 其方程可以表示为:

上述的极坐标方程中, 变量只有θ, 对θ取增量△θ, 可以求得x, y的增量:

将整个圆划分为若干条相连的直线如图4所示, 利用上面的增量法求解, 可以使机器人末端执行器走近似的圆轨迹。

对于圆轨迹的生成, 设定圆轨迹处于与XY平面平行的面z=910, 设焊接机器人末端执行器位置为圆轨迹的初始点, 圆心坐标设定为 (800, -100, 910) , 半径r=100, 角增量△θ=5。利用Matlab进行圆轨迹仿真, 如图5所示为基于不同步长的末端执行器圆轨迹逆解仿真, 如图6所示为局部放大图。

从图5和图6可以看出, 步长取的越大, 生成的圆轨迹与理论轨迹偏差就越大, 但步长取的越小, 对控制要求越严格, 应该根据实际应用的焊机机器人选择合适的步长。在圆轨迹生成的过程中, 各关节角的变化趋势如图7, 可以从图中看出焊接机器人各关节角度变化的情况, 根据这些关节角度的变化, 合理设计相应的控制器来控制机器人运动。

4.2 B样条曲线轨迹仿真

对于B样条曲线轨迹生成, 首先需要设定一些空间离散样本点, 这些样本点的位置应该是机器人末端执行器所能达到的地方。本文设定的样本点一共六个, 其坐标分别如下:

将这些样本点插值为B样条曲线, 将相邻的两个离散点连成一条短直线, 利用短直线对B样条曲线进行逼近。根据前面的算法流程图, 利用Matlab进行轨迹仿真, 在每一个短直线上利用直线轨迹生成原理进行操作, 由于每一个短直线的长度不一定一致, 对每个短直线进行等份数划分, 即在每个短直线上不同的步长, 但有相同的区间个数。如图8为基于变步长的末端执行器B样条曲线轨迹逆解仿真, 图9为局部放大图。

从图8和图9可以看出, 步长取的越大, 生成的圆轨迹与理论轨迹偏差就越大, 但步长取的越小, 对控制要求越严格, 应该根据实际应用的焊机机器人选择合适的步长。在样条曲线轨迹生成的过程中, 各关节角的变化趋势如图10, 可以清晰的反映各关节角度的变化, 为后续的机器人控制器设计提供一个理论参考。

5 结论

1) 以6R焊接机器人为研究对象, 首先, 对其进行虚拟样机设计和运动学建模;其次, 通过迭代法求解微小直线上的运动学逆解问题, 再将机器人实际应用中的圆和B样条曲线运动轨迹通过短直线逼近原理进行短直线划分, 并在每一短直线上应用迭代法进行逆运动学分析。

2) 基于matlab仿真平台, 对焊接机器人的运动轨迹进行仿真。从仿真结果可以看出, 该方法可以使机器人很好的沿着预定的轨迹行进。步长取得越小, 控制精度越高。该方法可对六自由度机器人运动学逆解问题进行合理的数值求解, 为焊接机器人进一步的运动控制研究提供了理论依据。

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