动态模拟分析

动态模拟分析（精选11篇）

动态模拟分析 篇1

引言

能源与环境是困扰人类的两大问题。煤和石油的燃烧造成环境污染, 产生大量的CO2, 致使气候发生了显著变化。近年来, 随着“雾霾”天气的频频出现, 原本最常见的蓝天白云成为奢望。天然气是一种高效、清洁、优质的能源, 对改善环境污染起到了积极作用。随着“西气东输”“俄气中输”等工程的建成, 逐渐形成地区性或全国性的天然气管网供气系统。燃气输送管道与储存设备是燃气进行输配的载体, 为保证合理地向用户供气, 降低运行费用, 需掌握燃气管道的流动规律。燃气输送管道流动动力系统中的很多状态参数是未知的。掌握这些参数, 了解它们之间的规律, 对于实际生产、科研都很有裨益[1]。

1模型的建立

燃气输气管道末端的压力就是城市储配站的压力, 流量就是配气站向城市的供气量。这个压力和流量随着城市的耗气量在一定范围内时刻变化着。由于气体的可压缩性, 压力、流速和密度这些参数的变化随管道长度衰减, 因而输气管工况始终处于动态流动。

输气管的直径在很长距离上是不变的, 管路曲率半径比直径大很多, 垂直于流线的气体特性变化率同沿着流线的变化率相比可以忽略不计, 所以流动可以假定为一维的[2]。对于一维流动, 流动运动参数压力p、密度ρ、速度v, 只是时间t和沿管道轴线长度x的函数。

1.1基本方程

描述气体管流状态的参数有三个:压力p、密度ρ和速度v。为求解这些参数有三个基本方程:连续性方程、运动方程和气体状态方程[2-4]。

连续性方程 (1)

运动方程 (2)

运动方程中对流向影响小, 可以忽略。当标高的差值不太大时, 运动方程中的重力项一般也可忽略不计[5], 并与式 (1) 和 (3) 联立简化为:

1.2中心隐式差法计算

由式 (4) 与式 (5) 组成的方程组为非线性方程组。解析法虽然计算简单[6], 但是存在较大误差, 主要用于计算机不很发达的年代。本文采用中心隐式差分进行计算。隐式差分法同时考虑所有节点和管道内部网格点, 建立统一非线性方程组, 运算增加, 所需计算机存储量增加, 但是可以保证数值稳定性。

1.2.1差分方程

如图1为隐式法的t-x网格图, 其中横坐标表示管道的长度, 根据需要可划分成步长为∆x的网格图;纵坐标表示时间, 计算时离散成时间步长为∆t的网格。对每一个网格节点, 用两个整数去描述它, 其中第一个表示管段网格数, 第二个数表示时步数。在图1中的四个网格节点上, 已知变量为pi, j, pi+1, j, Mi, j, Mi+1, j, 未知变量pi, j+1, pi+1, j+1, Mi, j+1, Mi+1, j+1。中心隐式差分法是将不稳定流方程以有限差分形式应用于位居四点网格中心的点子。即:

式中:A, b为变量。

将式 (6) 、 (7) 代入式 (4) 和式 (5) , 可得每个管段单元的差分格式。

1.2.2边界条件和初始条件

(1) 边界条件

(1) 管道起点 (一般为起点) 的压力为定值或为时间函数 (已知) ;

(2) 已知管道末端流量为时间的函数, 可根据城市用气量的实时参数即可。

(2) 初始条件

理论上, 初始条件对动态问题的数值计算结果影响不大。但是, 对一实际的数值计算格式, 若所取初边值条件不恰当, 将影响格式的收敛速度, 有时甚至会导致计算发散。在没有实测数据或预测数据作为初始条件下, 按稳态计算结果作为初值。

(3) 方程组求解

由前面分析可知, 当规定边界值后, 由各网格方程式以及边界条件和初始条件可组成一封闭的方程组。对整个管道系统的节点和剖面上的变量统一编号, 待求变量以向量X表示, 其增量用∆X表示, 各方程用F表示。迭代方程可写为:

式中:∆X为修正向量;F为函数向量;J (X) 为雅可比矩阵。

本文采用MATLAB进行编程, 可计算出燃气管道中各点每个时刻的流量、压力。

2结果验证

本文以文献[7]中所列数据 (某输气管道储气不稳定流实测数据) 为依据进行验证。应用本文计算方法进行计算, 计算结果跟文献中的末端压力相近, 误差在±5%以内, 可以认为本文的计算是正确的。

计算结果跟原数据有差距, 产生这些误差的主要原因可以归结为如下几点: (1) 本文在计算时采用了简化模型, 对其影响不大的惯性项、对流项及高差项忽略不计; (2) 每个小时内始端的压力及末端的流量均按一定的数值计算, 但是实际情况是这两个参数时刻在变化; (3) 管道中, 实际上每个时刻每点内的摩阻系数均不相同, 本文计算时采用了一个固定的摩阻系数。 (4) 管道中燃气的温度是变化的, 但为了计算方便, 本文采用了定温处理。

3结论

燃气输送管道是燃气输配的载体。为了合理供气、降低运行费用, 需掌握管道的流动规律。本文针对管道流动系统, 应用连续性方程、运动方程和气体状态方程建立模型, 进行合理简化, 采用稳定性、准确性较好的中心隐式差分法进行数值计算, 可得到管道中任一点的压力、流量等参数, 并可应用模拟结果计算得到管道储气量。最后, 文章应用该模型以文献[7]所列数据为依据进行计算, 计算结果与文献数据对比, 误差在5%以内, 吻合性较好。

参考文献

[1]徐彦峰.燃气管网仿真、优化的研究与开发[M].哈尔滨:哈尔滨建筑大学, 1999.

[2]姚光镇.输气管道设计与管理[M].青岛:石油大学出版社, 1991.

[3]江茂泽, 徐羽镗, 王寿喜, 曾自强.输配气管网的模拟与分析[M].北京:石油工业出版社, 1995.

[4]李长俊.天然气管道输送[M].青岛:石油工业出版社, 2003.

[5]周游, 田贯三, 张增刚.数值解法模拟长输管道末端储气规律[J].油气储运, 2004, (7) :29-34.

[6]孙建国, 王寿喜.气体管网的动态仿真[J].油气储运, 2001, (8) :18-21.

[7]李猷嘉.长输管道末段储气量的计算与分析[J].煤气与热力, 2002, (1) :8-11.

动态模拟分析 篇2

鸟体撞击安全风挡在飞机等飞行体中是突发性和多发性的事件,有可能造成人员受伤和飞机结构受损.安全风挡结构的鸟体撞击设计与分析已经成为安全风挡设计中必须要考虑的.重要内容之一.利用非线性有限元分析程序LS-DYNA模拟了安全风挡结构的抗鸟体撞击响应过程,分析了鸟体的质量和速度对安全风挡结构的影响,为安全凤挡的设计改进和其他撞击试验提供了参考.

作 者：张月华 龚红良 作者单位：张月华(海军装备部,100841)

龚红良(海军潜艇学院研究队,266071)

动态模拟分析 篇3

一、教师在模拟上课中使用“三合一”板书技术的缘由

模拟上课根据其目的的不同，可以分为备课性的模拟上课和选拔性的模拟上课两种。备课性的模拟上课可以说是“试讲”，它的主要目的是为了提高即将进行的课堂教学的效度。公开课、优质课评比、教学大比武等上课前都会找一帮人来听，帮着提提意见和建议。在备课性的模拟上课中，教师可以使用课件，使用教学用具、学生实验记录单等。选拔性的模拟上课常使用在教师的聘用面试、职称评定、教坛新秀的评比、名师的评比等以考核选拔为主要目的的一种新型上课模式，它的听课对象不是学生而是评委老师。它的主要目的是考查教师的综合素质和课堂教学能力。我们平时讲的“模拟上课”一般是指选拔性的模拟上课。

由于模拟上课（下文都指选拔性的模拟上课）带有考核和选拔的功能，无形中对教师形成的压力是巨大的。如何在模拟上课中脱颖而出，是每个被考核者必须思考的问题。

模拟上课能够比较客观地反映被考核者的综合素质和教学能力。板书的设计能力是教师教学中一个很重要的能力。一个好的板书能够帮助执教者理清教的思路，能够帮助学习者理清学的思路，能够帮助评价者理清整节课的教学思路。所以其重要性是不言而喻的。

老师们在模拟上课过程中普遍存在“重说不重写”和“重写但不知怎么写”的两种现象。

现象一：“重说不重写”。也就是说老师们对模拟上课前主要花大量的时间和精力去准备怎么说，认为模拟上课只要说得好，评委就能量高分。还有的新教师担心自己的粉笔字的不好，不敢写。

现象二：“重写但不知怎么写”。在真实的课堂教学中，学生实验后的实验数据已填写在记录表上，教师只需要拿去展示台展示，大家就看见了。或者每组实验数据汇报教师只要在准备好的表格里输入数字就可以了。而模拟上课没有学生，也就没有数据的来源，所以教师便成了“重写但不知怎么写”。下面是教育科学出版社出版的小学科学五年级下册《摆的研究》两个教师模拟上课“研究摆锤的重量与摆的快慢的关系”的片段，我们不妨作一比较。

教师一：

实验开始！（略加停顿）实验结束！我们来汇报一下实验结果。

……

好！你们通过实验发现了什么？摆的快慢与摆锤的重量有关吗？对！摆锤的轻重与摆的快慢没有关系！

……

教师二：

实验开始！（略加停顿）实验结束！我们来汇报一下实验结果。

……请看这张表格，这些数据就是我们刚才实验得到的数据：

请第一组看一看自己组的实验数据你们通过这些实验发现了什么？哦！摆锤的轻重与摆的快慢没有关系！

第二组呢？你们不管是原来的摆锤重量、两倍的摆锤重量还是三倍的摆锤重量。

第三组呢？摆锤的轻重与摆的快慢没有关系！

第四组呢？摆锤的轻重与摆的快慢没有关系！

……

我们通过实验发现的实验结论是：摆锤的轻重与摆的快慢没有关系！

接下来我们来看看各组的数据，你们又有什么问题想问的吗？

对呀！为什么每组的数据会不同呢？你们想会是什么原因造成的呢？……是不是由于摆绳长短的不同导致的呢？我们接下来研究摆绳的长短与摆的快慢的关系。……

如果你是评委，这两位教师其他素质都差不多，从这两个不同的模拟上课片段，你会给谁高分，这是没有悬念的。那为什么大家会认为第二位教师应得高分呢？这就是他在传统的“二合一”图文并茂型的板书中增加了“数据”，使用了“三合一”的“文字+图示+数据”板书技术所得到的效果。

二、模拟上课中动态使用“三合一”板书技术的“三动”策略

“三动策略”包含三层意思：动态选择、动态生成、动态修订。

1.动态选择策略。指的是根据课堂教学的实际需要选择适合本课的板书模式，“文字+图示+数据”的“三合一”的板书并不适用于所有学科所有课型。一般来说，这种板书比较适用于科学的实验课。因为实证意识、质疑精神、逻辑思维是科学素养的三大特征，要培养学生的实证意识，就得讲证据。科学实验的现象可以作为证据，实验获得的数据更是非常重要的证据。在有些实验课的模拟上课中使用“三合一板书”技术效果会非常显著。

2.动态生成策略。指的是教师在模拟上课过程中，遵循图文并茂的板书原则，根据学生的实验，动态生成实验数据。实验数据可以通过回忆或估计写入模拟数据。不过在写入模拟数据时千万要小心，避免犯科学性错误。

3.动态修正策略。教师在板书过程中，可以对已有的板书进行修改和擦除的动态演变策略。如在教学“金属热胀冷缩吗”“地球在公转吗”等科学课，引入新课时，因为课题是问句，老师可以在问句后加上问号“？”。到课的结束，把课题的问句改成陈述句，问号改成句号。

模拟上课中动态使用“三合一板书”技术的“三动”策略强调三个性：即科学性、灵活性、变化性。在遵循科学性的前提下，灵活使用“三合一板书”。看课定板书，要量身定做，不能生搬硬套，求齐求全。有些课不需要图示，可以直接采用“文字+数据”的“二合一”板书形式;有些课没有实验数据，也可以直接采用“文字+图示”的“二合一”板书形式;有些课直接采用单一的文字型板书就足够了，就没有必要画蛇添足，非要画图和数据了。不同的课有不同的板书，设计高质量有变化的板书才能够反映出学生的学习进程，明晰教学思路，才能促使模拟上课的效果达到最佳。

（作者单位：浙江台州市椒江区教育教学发展中心

浙江建德市梅城镇初级中学）

卫星信号模拟器技术研究动态分析 篇4

卫星信号模拟器是一种精确度非常高的信号发射装置, 发射出来的信号能够被一些特殊的卫星所接收作为导航信息使用, 为导航接收装置的开发研究、数据测试创造了良好的条件, 是导航接收装置在设计与开发过程必不可少的部分。

1 卫星信号模拟器国内外研究动态

1.1 卫星信号模拟器在国内的研究状态

根据卫星导航信号模拟器可模拟的卫星通道数量的不同, 可以将模拟器分为单通道模拟器和多通道模拟器两种类型。在国家政策的支持与扶持下, 多个科研机构第一时间展开了与GPS卫星信号模拟器相关的研究。这种型号的GPS信号模拟器与以往的GPS卫星信号模拟器存在一定的差异, 根据GPS信号发射装置、计算机和信号接收装置共同组成, GPS信号发生装置由多种不同的硬件组成, 这种信号发生装置能够在同一时间产生多种多样的通道的信号。信号接收装置是GPS信号发生器核心组成部分, GPS信号发生装置所用到的各种信号都是从仿真软件计中整理得出的。

1.2 卫星信号模拟器在国外的研究状态

我国GPS卫星信号模拟器的研制相对国外一些发达国家起步较晚, 但是, 现在已经很多厂家提供多个系列的产品, 比如英国Spirent公司开发研究的GSS和STR系列卫星信号模拟设备、美国CAST公司开发研究的数字信号系列的卫星模拟装置、雅虎公司研制的GJ100、GS600、GS5410系列等。从这些产品可以看出目前国际上高端GPS卫星信号模拟器的开发研究状况。

2 卫星信号模拟器研究的技术现状及发展趋势

2.1 卫星信号模拟器技术现状

从现在的市场发展状况可以看出卫星信号模拟器的发展模式, 主要有下列两种。

1) 基于软件的模式:在这种运营模式下, 所有和导航相关的信息和信号都是通过计算机处理获得, 包括对各种模型的数据和信号都是通过计算机软件进行计算处理后, 存储在相关设备中进行保存。

2) 基于软硬件结合的模式:在这种运营模式下, 计算机软件主要负责整理和计算相关的信息与信号, 然后运用与信号相一致的参数控制硬件对整理的信息进行分析, 发射出卫星信号。北京航空航天大学张其善等研究开发的高动态信号模拟器就是运用了这种模式。卫星信号模拟器的这两种形式都存在各自的优点, 对我国卫星信号模拟器的研究和发展有很大的帮助。

2.2 卫星信号模拟器发展趋势

卫星信号模拟器是一个全新的系统装置, 就目前来看, 其功能还无法满足所有用户同时接受信号的要求, 还有很多关键技术不够成熟, 需要进一步进行完善。对于目前卫星信号模拟器存在的问题和缺陷, 对未来卫星信号模拟器进一步发展我们需要做到以下几点:开发使用多模卫星信号收集整理功能, 对于多模卫星接收机的GPR功能、定点收索能力进行验证和测试;监视和掌控接收机在高频率环境中对信号收集、跟踪和识别的能力, 特别是在频率突然变化的状态下对卫星信号进行准确的定位与识别;运用仿真器发射一种专门跟踪一些特殊信号的装置, 对接收机系统程序的分析准确程度进行更加科学有效的验证。建立不同类型的误差模型, 然后根据对误差模型进行具体细致的实验与测试, 并根据实验所得结果逐渐完善各种误差模型, 使信号模拟器的工作环境与具体效果相互对应;减少接收机运动模型在工作过程中的误差和错误。除此之外, 可以根据实验所得结果增加信号接收机对多种错误信息的识别和筛选;另一方面, 则根据信号模拟器的运动轨迹对数据构建进行筛选和识别;使卫星导航的定位与追踪功能得到更新和升级。在开发研究定位与跟踪卫星信号模拟接收器方面, 为跟踪和定位导航计划的检验和测试提供经验和方法。选取正确有效的差分信息整理收集方案, 充分发挥出信号模拟器的测量系统功能, 使天线模型功能更加完整。并着重研究天线方向敏感程度及覆盖面积对信号的干扰问题, 构建出科学有效的数学模型, 从而对天线信号的敏感程度进行深入研究, 分析不同载体形态对卫星信号的接受方式。有些信号载体在飞行测试期间姿态角变会随着时间的变化而改变, 使得接收机天线对空间的覆盖面积也出现一些错误的判断, 严重的时候就会导致部分或全部卫星无法正常接受和处理信号。

3 结语

我国关于卫星信号模拟器的研究还处于初级阶段, 虽然进展显著, 但是还有一些技术性问题尚未突破, 在下一阶段, 需要针对卫星信号模拟器的技术规范与指标要求进行深入研究, 促进卫星信号模拟器技术水平的提升。

摘要：详细介绍卫星信号模拟器在国内外的研究状况, 总结得出一些相关的理论知识, 根据这些理论知识对卫星信号模拟器未来的发展趋势进行详细的探讨。

关键词：卫星信号模拟器,技术研究,应用

参考文献

[1]孙亚伟, 曹乃森.全球卫星导航系统GPS GLONASS伽利略的对比研究[J].信阳农业高等专科学校学报, 2009 (2) .

[2]王克平, 边少锋, 翟国君, 等.Galileo与GPS卫星导航系统的性能比较研究[J].海洋测绘, 2008 (6) .

[3]常青, 张伯川, 陈向东, 等.高动态GPS信号模拟器信号强度问题研究[J].电子与信息学报, 2007 (4) .

动态模拟分析 篇5

黄河宁夏段COD及氨氮污染动态分布模拟探讨

通过对近10年来黄河宁夏段污染源的`统计和分析,选择在最不利的水文条件下,利用一维和二维水质模型对COD及氨氮污染动态分布进行了模拟,结果发现,用一维水质模型模拟黄河宁夏段COD及氨氮的沿程浓度与实际监测值有较好的一致性.同时探讨了模型的降解系数、边界条件及黄河宁夏段COD和氨氮的沿程浓度的动态变化.

作 者：云飞 李燕 杨建宁 杨振西 Yun Fei Li Yan Yang Jianning Yang Zhenxi  作者单位：云飞,杨建宁,Yun Fei,Yang Jianning(宁夏环境信息中心,宁夏,银川,750004)

李燕,杨振西,Li Yan,Yang Zhenxi(宁夏环境监测中心站,宁夏,银川,750021)

刊 名：宁夏大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NINGXIA UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2005 26(3) 分类号：X21 关键词：黄河   COD   氨氮   模型   模拟  

直流动态电路分析 篇6

1、程序分析法：

基本思路是“部分→整体→部分”

“部分→整体”指：某部分电路的阻值发生变化时，整体电路的总电阻也发生变化，且变化情况一致（由电阻的串并联知识可知）。通常电源电动势和内阻不变，所以R外变化后，由I=E[]R外+r 可以判断出总电流I和路端电压的变化情况。

“整体→部分”指：知道总电流I和路端电压U的变化情况后，由部分电路的欧姆定律可以进一步讨论各支路的电流、电压的变化情况。用这种方法判断时，前几步是固定的：即：

例1 在图1所示的电路中，R1、R2、R3和R4皆为定值电阻，R5为可变电阻，电源的电动势为E，内阻为r。设电流表A的读数为I，电压表V的读数为U。当R5的滑动触点向图中a端移动时，则：（）

A．I变大，U变小 B．I变大，U变大

C．I变小，U变大 D．I变小，U变小

解析：当R5的滑动触点向图中a端移动时，R5↓（部分）→R总↓由I总=E[]R总知I总↑→U↓即电压表读数变小；（整体）由于I总↑→R1两端电压U1↑=I总R1、 U3↑=I总R3所以R4两端电压U4= U-（U1+ U3）变小，流过R4的电流I4↓，而流过电流表的电流I=I总- I4，则I↑（部分）。选A。

点评此种解法的特点是思路清晰，逻辑严谨，表述清楚，紧扣原题已知条件和电路结构特点，没有附加任何其它设定，因此结论的正确性不容置疑。只是它对解题者的全面分析推理能力提出了较高的要求。虽然如此，但此种解法仍是首选方法。

2、直观分析法

即直接应用“部分电路中R、I、U的关系”中的两个结论。

①任一电阻R阻值增大，必引起该电阻中电流I的减小和该电阻两端电压U的增大。

R↑→ I↓U↑

②任一电阻R阻值增大，必将引起与之并联的支路中电流I并的增大和与之串联的各电阻电压U串的减小。

R↑→I并↑U串↓

例2在图2所示的电路中，电池的电动势为E，内阻为r，R1和R2是两个固定的电阻，当可变电阻的滑片向a端移动时，通过的R1的电流I1和通过的R2的电流I2将发生如下的变化（）

A．I1变大，I2变小 B．I1变大，I2变大C．I1变小，I2变大 D．I1变小，I2变小

解析：当可变电阻的滑片向a端移动时，引起该支路电阻增大，则该支路电流减小，即I2减小；则与之并联的电阻R1的电流增加，即I1变大。选A。

3、极端分析法

即因变阻器滑动引起电路变化的问题，可以将变阻器的滑动触头分别滑至两个极端去讨论。

例3 如图3所示的电路中，K闭合时，A、B、C三只灯均正常发光，当可变电阻R0的滑动触头向左移动时，A、B、C三灯亮度变化下列叙述正确的是：（）

A．A灯变亮 B．B灯变亮

C．C灯变亮 D．无法判断B灯变亮还是变暗

解析：当滑动触头在R0的最右端时C灯不亮，则R0的滑动触头左移时C灯变亮；当滑动触头在R0的最左端时C灯与R0的并联电阻增大，则与之串联的各电阻电压减小，B灯变暗；与之并联的支路电流增大，则A灯变亮。答案选AC。

4、特殊值分析法

对于某些双臂环路问题，可以采取带入特殊值去判定，从而找出结论。

例4 如图4所示的电路中，当滑动变阻器的滑片从最左端向右移动时，各灯亮度如何变化？（电源电动势一定）

解析：假设三个灯泡与滑动变阻器的总电阻都为2Ω，电源内阻不计，电源电动势为10V，则滑动触头在最左端时，电路中总电流I总=E[]R总=3A，则A灯消耗的功率PA=IA2R=8W，B灯消耗的功率PB= IB2R=18W，C灯消耗的功率PC= IC2R=2W；当滑动触头移到中间位置时，I总/=E[]R总/ =20[]7，此时A、B、C三灯消耗的功率分别为：PA=PC=200[]49，PB=800[]49；当滑动触头移到最右端位置时PA= 2W，PB=18W，PC=8W，由此可见当滑动变阻器的滑片从最左端向右移动时A灯不断变暗，B灯先暗后变亮，C灯不断变亮。

太阳能炕热过程动态模拟 篇7

关键词：太阳能炕,加热系统,动态数值模拟,蓄热质量

1 引言

火炕在中国北方广泛地使用,大约85%的农村家庭使用火炕进行采暖[1,2]。但是传统火炕存在空气污染和热效率低下问题。本文提出了一种新型的太阳能炕并建立了相应的数学模型。基于此模型,研究了炕表面温度和炕对室内供暖负荷的影响。

2 数学模型

图1是炕系统和房间的简图。房间尺寸是4m×4m×2.6m;南墙有一个1.2m×1.2m的窗户;周围墙体材料是普通砖,其厚度为0.24m;地板和天花板是混泥土,其厚度是0.1m。在此研究中地板的温度假设为15℃。炕的尺寸为4m×1.8m×0.22m,其中从底部到炕表面各层的尺寸为0.08m、0.03m、0.02m、0.06m和0.03m。

图2是房间和炕系统的热网络差分图,太阳能炕离散为3部分(每部分由一个热容和两个热阻组成)。节点1代表房间空气温度,节点2代表炕表明温度;节点6代表四周墙体;节点7代表炕表面;所有表面与室内空气进行对流换热(热阻R12,R17,R18和R16));节点2和节点6之间的辐射换热热阻R26。S代表进入房间被各表面吸收的太阳辐射。R10代表通过窗户由空气渗漏引起的热阻。在此模型中假设70%的太阳辐射被地板和炕表面吸收,其余部分被其它各表面吸收[3]。假设热源大小由炕表明设定温度Tsp与炕表面实际温度T2之差确定,即:

qaux=Kp(Tsp-T2) (1)

式中Kp为一个常数,大小由房间供热负荷确定。热网络差分图各节点的差分方程为[4,5]:

${\rm T}{}_{i,p+1}=\frac{\text{Δ}t}{C{}_i}\left[q{}_i+{\displaystyle \sum }\frac{{\rm T}{}_{j,p}-{\rm T}{}_{i,p}}{R{}_{i,j}}\right]+{\rm T}{}_{i,j}(2)$

式中C是热容;j代表所有与 节点i相连的节点;q是热源;p代表时间;△t代表时间步长,它的选取由如下式确定:

$\text{Δ}t\le \min \left[\frac{C{}_i}{{\displaystyle \sum _j}\frac{1}{R{}_{i,j}}}\right](3)$

在此模拟中,室外空气温度和太阳辐射假如下:

To(t)=(5cos(ωt+3π/4)-5) (4)

$q{}_{solar}=\frac{500\cos (\text{ω}(t-43200))+|500\cos (\text{ω}(t-43200))|}{2}(5)$

式中:$\text{ω}=\frac{2\text{π}}{84600}$;t为时间。

3 模拟结果和讨论

按上述模型对上述系统进行了3d(共72h)的模拟。由于第一天的结果受初始条件的影响,因此结果讨论取后2d的数据进行。本文对以下两种情况进行了模拟:案例1:炕表面设定温度为25℃;案例2:炕表面温度温度设定为25℃但经过64h后,炕不加热。

图3和图4为案例1的结果,从图3中可以看出房间空气温度波动很小,波动范围在17～19℃之间。因此房间的热舒适度大大提高;水管表明温度不超过40℃,因此太阳能热水很适合作为炕加热的热源。图4表明热负荷的最大值和最小值分别在早上5点左右和中午12点左右。

图5为案例2的结果,从图中可以清晰看到在炕在晚上停止加热后房间空气温度仍然保持在舒适的范围内。可以设想如果选择合适的蓄热质量,房间空气温度波动将减少并保持房间温度在舒适的范围内。由此可见炕的蓄热能改善房间的热舒适度。

4 结语

运用热网络差分方法对带有太阳能炕系统的房间进行了数学建模。在设定炕表面温度的情况下,利用特定气象数据,对房间热负荷和炕的蓄热特性进行了研究,得到了如下结论:在炕表面温度设定为25℃时,房间空气温度保持在18℃左右并在全天内温度波动较小,大大改善了建筑房间的室内舒适度。太阳能炕水管表面温度不超过40℃,这意味着太阳能热水系统可以用于太阳能炕加热的热源。选取合适的太阳能炕的蓄热质量,房间空气温度的波动将减少并使得房间空气温度在晚上炕不加热的情况下保持舒适的范围内,这表明太阳能炕是太阳能在建筑上利用的良好载体。

参考文献

[1] B.Chen,Z.Zhuang,X.Chen,X.Jia,Field survey of indoor thermal environment of rural residences with coupled Chinese kang and passive solar wall heating in northeast China[J].Journal of Solar Energy,2007,81(6):781～790.

[2]Zhi Zhuang,Yuguo Li,Bin Chen,Jiye Guo.Chinese kang as a do-mestic heating system in rural northern China-A review[J].En-ergy and Buildings,2009(11):111～119.

[3] A.K.Athienitis.Numerical Model of Floor Heating system[J].Ashrare Transactions,1994,13(3):1024～1029.

[4] Athienitis,A.K.,Sullivan,H.F and K.G.T.Hollands.Discrete Fourier series models for building auxiliary energy loads based on network formulation techniques[J].Solar energy,1987(39):203～210.

动态训练模拟器液压控制装置系统 篇8

长期以来,坦克手的培训都是利用真实的坦克和场地进行的,这样的训练尽管具有实地演练优势,但是坦克行进路线和路况少,耗油量大。坦克兵动态训练模拟器正是为了弥补实地演练的一些缺点,辅助培训坦克驾驶员而设计的。本文以美国战后第三代主站坦克M1A1艾布拉姆斯坦克为目标,介绍了一种坦克兵动态训练模拟器液压控制部分的设计流程。为了增加模拟训练的真实感,模拟器采用高性能嵌入式控制系统实现液压系统的控制,增加训练模拟器的动作实时性和地面多种行驶姿态,并利用三个液压缸支撑一个平面的设计,形成三自由度的运动姿态模拟。

模拟训练器的液压伺服系统如果采用模拟系统,其响应快,但由于参数调整非常难,自适应性差,以及参数漂移等问题使得模拟系统难以保证长期可靠运行。用数字系统代替模拟系统的难点在于三路油缸的实时和同步控制。本文设计了一种嵌入式控制器——嵌入式平板电脑ZY-100作为人机界面和控制器,以期实现液压伺服系统的可靠性和实时性要求。三自由度控制的复杂运算采用烟台中宇航空液压有限公司的嵌入式控制器完成,实现计算机、PLC和触摸屏显三合一,这样使集成化高、连线少、体积小、厚度只有20 cm,而一般的三自由度控制器都比较厚,虽然嵌入式液压控制研究已有许多在国内外公开发表的文章[1,2,3,4] ,但具有如此小体积、高集成化、三自由度复杂运算的控制器在国内期刊上鲜见发表。

1 动态训练模拟器的工作原理

坦克兵动态训练模拟器液压部分是由三个液压伺服缸支撑一个平面,使其能形成三自由度的运动,以模拟坦克在不同的地面上的行驶姿态。其中,三个油缸的运动轨迹由用户在人机界面预先设置,计算机产生三路数字电压信号,分别经过D/A变换、放大,转换成电流信号去控制三个伺服阀的开度和方向,从而独立控制三个油缸的运动方向和速度,使底部的三路油缸控制顶部平台做三自由度的运动。为了能够正确调整油缸的移动,通过与油缸相连的位移传感器的反馈信号构成各自由度位置闭环控制,将油缸位移电压信号与计算机输出信号比较,然后根据差值信号,纠正油缸移动的实际位置。因此,位移传感器输出的是负反馈信号。本文计算机经D/A转换后的输出电压为0～10 V。开路状态下, D/A转换后的输出电压0～10 V对应油缸移动距离0～200 ms,且D/A输出与油缸移动距离成正比;位移传感器的输出为0～10 V,对应油缸0～200 ms的移动距离,且与油缸移动距离成正比。

为保证油的顺利流动和油泵的正常工作,在油箱里油泵到油缸的通道中设置了人工控制溢流阀。溢流阀中的油压及油泵中的液位将通过压力传感器和液位传感器送到计算机实时监控。如果发现油压过高或过低,通过旋转溢流阀开关,可以改变输油管管口的大小,调整油压,使油压满足正常工作要求。如果液面过低,计算机将产生报警信号,同时送出关机信号,关掉油泵驱动电机。

另外,油温的范围也会影响油泵的正常工作,系统通过油箱中的温度传感器提取温度信号,并送计算机处理;当油温较高时,系统将输入冷水使油降温;如果油温超过一定温度,计算机将报警。当油温较低时,停止送水。

整个系统的原理框图如图1所示。

2 系统设计

2.1 硬件

坦克兵动态训练模拟器的硬件系统包括开关电源、嵌入式控制器、液压缸、放大器、伺服阀、油缸、液位传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、油箱、油泵、溢流阀等。

2.1.1 计算机

系统采用了嵌入式平板电脑ZY-100作为人机界面和控制器,它集微处理器、PLC、触摸屏、A/D转换、D/A转换为一体。模拟训练器通过底部的三路油缸控制顶部平台的运动,油缸的运动轨迹由给定的计算公式得出,控制的难点在于三路油缸的实时和同步。该油缸是通过伺服阀的开度和方向以及位移传感器的反馈来确定运动位置,达不到实时性要求就无法对油缸位置进行精确的控制。平台的位置由三路油缸共同决定,如果不能做到三路油缸同步,也就无法得到设想的运动轨迹,达不到预定的目的。

液压伺服系统控制效果好是因为采用模拟系统(响应快),但由于参数调整非常难,自适应性差,以及参数漂移等问题使模拟系统难以保证长期可靠运行,用数字系统代替模拟系统时,只有当数字系统采样时间和响应(循环周期)时间达到1～2 ms时基本上与模拟系统一样,达到1 ms时,效果更好。为了满足液压系统的实时性和稳定性要求,先后试验过工控机、PLC 等多种控制平台,但是大多不能满足苛刻的实时性要求,最终采用自行研制的响应快、可靠性高的嵌入式系统,设计了嵌入式控制器——嵌入式平板电脑ZY-100作为人机界面和控制器。

该控制器通过选用12位高精度的模拟量输入/输出端口,直接与CPU进行通信,响应速度快。位移传感器送过来的电流信号,能迅速转化成位移量,获得油缸的当前位置,与给定的目标位置进行比较输出,控制油缸的运动。在CPU强大的计算能力支持下,从采集、转换、比较到输出,总共耗时不到0.5 ms。采用ZY-100外部选配的模拟量输入/输出端口,不但很好地满足了实时性要求,也降低了硬件成本。

ZY-100带有色彩丰富的人性化界面,可以对设备的运行情况进行实时监控。简单方便的触摸屏控制方式,使安装和操作变得十分简单。

嵌入式控制器指标如下:

(1) 24路可编程TTL电平开关量输入输出;

(2) 16路单端/8路双端模入;

(3) 4路独立模出;

(4) 3路计数通道。

2.1.2 电源与接地

本文采用明伟牌开关电源,输出电压分别为±9 V,±24 V,+5 V。其中,±9 V供给三路电压/电流放大器;24 V供给溢流阀和三路伺服阀。

系统配有UPS,保证系统不断电。为了保证可靠接地,本文采用了模块化布局。

启动电机时有三角型接法到星型接法的转换,需要延时6 s;电机启动后需要延时2 s再启动通道阀和系统阀,同时给稳压电源通电。

2.1.3 PLC

为了增加带负载的能力,微处理器产生的控制和报警信号通过PLC输出。该输出控制电机启动、停止;控制溢流阀的开启、停止;当温度过高时,输出报警信号。

2.2 软件

系统软件在LabWindows/CVI软件平台开发,支持的操作系统是Windows 9x和Windows 2000,硬件要求 Intel Pentium 166 B,内存128 MB,128 MB以上CF卡和多功能数据采集卡。该软件可根据设定的曲线模式,输出数据到电液伺服阀,模拟坦克的颠簸振动效果。系统可实现数据采集、状态检测、曲线显示、闭环反馈输出等功能。

软件的功能之一是使计算机产生不同的电压波形,以控制伺服阀的开度和方向有:时速45 km/s,67 km/s颠簸路面;时速30 km/s;49 km/s凹凸路面;加速行驶;左后、右后左前、右前倾斜。

3 结 论

本文实现了M1A2主战坦克的各项参数指标模拟包括:时速67 km/s颠簸路面;时速48.3 km/s凹凸路面;7 s的时间内将速度由0～32 km/s加速;爬坡31°,通过高1 m的左垂直墙、左后、右后、左前、右前倾斜。

该设计主要有三个特点:

(1) 三自由度控制这种程度的复杂运算来用烟台中宇航空液压有限公司的平板电脑完成,实现了计算机、PLC和触摸屏三合一,集成化高、连线少、性能稳定、体积小、厚度只有20 cm,较一般的三自由度控制器体积小得多,并且克服了用模拟控制系统实现时由于参数调整非常难,自适应性差以及参数漂移等问题使得模拟系统难以保证长期可靠运行的缺点,克服了一般用数字系统代替模拟系统时难于三路油缸的实时和同步控制的缺点。另外,数字控制系统较模拟控制系统更加灵活,在以后进一步的研制中,可以根据具体情况,通过编程,增加更多的控制功能。

(2) 软件编程使人机界面操作平台实现了傻瓜式操作,减少学习设备的训练强度。

(3) 模拟的道路状况可通过实时采集数据输入到计算机。目前,正在进行该产品的升级换代,将使新一代产品的功能更加完善,性能更加稳定。

本文设计的M1A2型主战坦克的坦克兵动态训练模拟器,界面操作简单,运行稳定,实时性好,较好地满足了对坦克手的模拟训练要求。实验效果表明,该坦克兵动态训练模拟器可以灵活地模拟坦克经过的各种地形,可以成功地用于坦克兵动态模拟训练。

本文的研究成果不仅为坦克兵训练模拟器的进一步完善打下基础,也为诸如飞机、太空舱等其他类型的训练模拟器的研究提供了参考。

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PQ阀控液压系统动态特性模拟 篇9

橡胶密炼机及其上下辅机是现代橡胶工业的主要炼胶设备,至今已有近百年的发展历史。当前绝大多数的橡胶都是由橡胶密炼机炼制的。橡胶是各行各业发展不可或缺的产品,不同行业对橡胶的性能、形状、纹理、色泽和寿命等有着不同的需求。因此混炼生产线应具有高度的适应性以满足多元化的市场需求。橡胶混炼技术正发生着日新月异的变化。运用超声波技术对橡胶混炼全过程进行实时监控是当前较新的、可灵活有效地控制橡胶混炼速率和质量的方式之一[1]。通过建立相应的热力学和流变方程,可对橡胶密炼机混炼过程的各个方面进行较为准确的描述,从而为合理设置混炼过程的各项参数提供理论依据[2]。我国的橡胶密炼机生产厂家在对国际橡胶密炼机技术进行引进和吸收的基础上,对自己的橡胶密炼机产品进行了大量的技术改进和创新,如采用了各种构型的转子(销钉转子、同步转子、可调距转子)、液压上顶栓、液压式转子端面密封、PID温度自动控制系统、计算机全自动监控等。目前我国生产大型橡胶密炼机的公司主要有大连冰山橡塑机械公司和益阳橡胶塑料机械公司等,其产品已经实现系列化。

电液比例压力流量复合控制阀又称PQ阀,它将压力控制和流量控制有机地结合在同一阀块内,最大限度地简化了阀块结构和体积。PQ阀既可实现对输出流量进行比例控制,又能实现系统压力的比例调节,被广泛地应用于塑料机械、冶金、炼胶等行业,可满足特殊工艺要求,实施效果明显[3,4]。

新型的集压力、流量比例调节于一体的PQ阀具有复合度高、性能稳定、能耗低等特点。在液压系统中采用PQ阀可以大大降低系统成本,同时便于安装和调试。PQ阀不仅在性能上可与由若干传统液压元件(如溢流阀、减压阀、节流阀等)构成的复杂系统相媲美,而且价格也可以被国内市场接受。PQ阀用来对橡胶密炼机上顶栓输出压力和移动速度进行比例控制。采用PQ阀控液压系统,生产者可对混炼室内部压强进行灵活设定,进而确保了炼胶质量,满足了产品多元化的需求。

现有市场上的PQ阀普遍存在动态响应稳定性不足的缺点。即在混炼过程中当对PQ阀进行比例流量调节或比例压力调节时,由于液压系统内部固有的液容性元件和液感性元件的作用,系统不能迅速达到调定状态,或者输出量经过剧烈震荡后才稳定在调定值上。当采用PQ阀时,液压系统的控制性能对PQ阀的动态响应稳定性的要求较为严格。

本研究将针对橡胶密炼机中用于控制上顶栓的PQ阀控液压系统进行研究,探讨该阀的控制原理,利用仿真软件MATLAB中的Simulink模块对其分别进行流量调节和压力调节动态模拟,为合理设置控制系统的相关参数,提高橡胶密炼机液压系统的控制能力提供参考依据。

1 PQ阀在橡胶密炼机系统中的应用

PQ阀既可对输出流量进行比例调节,又可对系统压力进行比例控制。虽然不同的PQ阀在大小、外观、性能指标等方面不尽相同,但是基本工作原理是相同的(如图1所示)。

由于PQ阀同时具有压力阀及流量阀的功能,因此在应用中具有如下特点:

(1) 进行压力调节时,溢流量太少会导致系统压力不稳定。溢流阀工作时要保证适当大的溢流量。当节流阀的通流截面积很小时,在保持所有因素都不变的情况下,通过节流口的流量会出现周期性脉动,甚至造成断流,这就是节流阻塞现象。节流口的阻塞会使液压系统中执行元件的速度不均匀。因此每个节流阀都有一个能正常工作的最小流量限制,称为节流阀的最小稳定流量[5]。

(2) PQ阀的回油T口必须直接与油箱相连,当负载无压力或PQ阀不工作时,油液由T口直接流回油箱,泵处在卸荷状态,起到节能作用。

(3) 在工程实际应用中,阀中一般都配置有安全阀。当系统压力达到限压压力时,安全阀RK就与溢流阀M构成先导溢流阀,限制系统的最高压力,起到保护系统的作用。此功能使PQ阀控液压系统无需单独设置大规格的系统溢流阀[6]。

本研究对象是某公司生产的PQ阀,其采用电和位置对流量复合反馈的新型原理,最高使用压力35 MPa,最大流量650 L/min,压力控制滞环小于±1.5%,重复精度小于1%,流量控制滞环小于±1%,重复精度小于1%,具有工作范围广、控制精度高等优点。另外,该阀还可以与计算机相连,构成机、电、液一体化的高性能系统。

2 PQ阀控液压系统数学模型的建立

2.1 功率键合图

功率键合图是一种功率流图,其优点一方面在于它对功率流描述上的模块化结构与本身各部分物理结构以及各种动态影响因素之间有直观的一一对应的关系,另一方面在于它与系统的动态响应数学模型(状态方程)之间存在着严格的逻辑上的一致性,即根据功率键合图,并依照一定的规则,可推导出系统的数学模型[7]。因此,在为橡胶密炼机PQ阀控液压系统建立相关的数学模型、进行动态特性分析之前,首先应当建立与该系统相对应的功率键合图(如图2所示)。

2.2 状态方程的建立

在建立状态方程之前应首先明确系统中的状态变量。系统的状态方程是一阶微分方程组,且由功率键合图可知,只有储能元件(容性元件C和感性元件I)中两个变量间才有导数或者积分关系,故应从C元和I元各自的变量间取一个变量作为状态变量。系统中C元和I元的数量之和为6,因此有6个状态变量,且须针对这6个状态变量列出6个微分方程来描述系统的动态响应特性。

根据以上关于状态变量、系统微分方程和未知参数的讨论可最终确定描述PQ阀控液压系统动态响应特性的状态方程为:

$\{\begin{array}{l}V{}_{C1}=15000-2885V{}_{C1}-\frac{10000}{6.06-16.2x{}_{31}}V{}_{C1}+\\ 2885V{}_{C2}+\frac{1}{17.2-46x{}_{31}}V{}_{C3}-4650{\rm P}{}_{12}-\\ 115000x{}_{31}\sqrt{V{}_{C1}}(x{}_{11}\le x{}_{10})\\ V{}_{C1}=15000-2885V{}_{C1}-\frac{10000}{6.06-16.2x{}_{31}}V{}_{C1}+\\ 2885V{}_{C2}+\frac{1}{17.2-46x{}_{31}}V{}_{C3}-4650{\rm P}{}_{12}-\\ 115000x{}_{31}\sqrt{V{}_{C1}}-115000(x{}_{11}-0.1)\sqrt{V{}_{C1}}(x{}_{11}\le x{}_{10})\\ V{}_{C2}=2885V{}_{C1}-273623V{}_{C2}+9.5V{}_{C3}+\\ 5106{\rm P}{}_{12}-115000X{}_{21}\sqrt{V{}_{C2}}\\ V{}_{C3}=\frac{10000}{6.06-16.2x{}_{31}}V{}_{C1}+270700V{}_{C2}+\\ \frac{10000}{6.06-16.2x{}_{31}}V{}_{C3}-1727{\rm P}{}_{42}-19V{}_{C3}\\ {\rm P}{}_{12}=17654V{}_{C1}-19383V{}_{C2}-500x{}_{11}-300\\ x{}_{11}=1626{\rm P}{}_{12}\\ {\rm P}{}_{42}=1383V{}_{C3}-k{}_{\text{拴}}v{}_{42}\end{array}$

3 PQ阀控液压系统的动态特性模拟

液压系统和元件的仿真算法可归结为以下3种基本形式:信号流法、基于方程法和能量端口法。Matlab/Simulink是控制理论与控制工程及计算机仿真的强有力的工具,在系统仿真、分析与设计方面得到了广泛应用[8,9,10],是利用信号流法对系统进行仿真的软件。

3.1 仿真程序图

采用Simulink默认的ode45解法器,适用于大多数连续或离散系统。根据PQ阀控液压系统状态方程及其相关参数绘制的Simulink仿真程序图如图3所示。其中,x21和x31为系统输入信号,状态输出窗口Q和P分别代表PQ阀控液压系统的输出流量和输出压力。通过观察P和Q在不同输入信号下的响应曲线,可以对该系统的稳定性进行研究。其他状态变量的响应曲线可通过点击相应的状态变量显示窗口来获得。

3.2 流量调节的动态特性模拟及分析

进行流量调节动态模拟时,首先向比例溢流阀RY输入一个恒定的电信号,使阀芯位置固定,然后向比例减压阀E的主阀芯输入阶跃电信号。

在PQ阀控液压系统流量调节过程中,在由静止状态过渡到某指定工作状态时振荡剧烈,稳定性较差,最大百分比超调量为107.43%;当由某一工作状态过渡到另一工作状态时稳定性良好,最大百分比超调量为0.77%。同时,两个不同工作状态下系统的稳态输出值,表明:PQ阀控液压系统的流量调节功能,即在将比例溢流阀RY的阀芯位置固定时,若增大比例减压阀E的阀口开度,则作用于溢流阀F并使其开口大小改变的油液压力增大,节流阀F的液阻随之减小,系统输出流量增加。

3.3 压力调节的动态特性模拟及分析

进行压力调节时,首先向比例减压阀E主阀芯输入一个恒定的电信号,使阀芯位置固定,然后向比例溢流阀RY的阀芯输入阶跃电信号,则阀芯位置随之产生瞬时变化。

在PQ阀控液压系统压力调节过程中,在由静止状态过渡到某指定工作状态时振荡剧烈,稳定性较差,最大百分比超调量为60.64%;当由某一工作状态过渡到另一工作状态时稳定性良好,最大百分比超调量为0.07%。两个不同工作状态下系统的稳态输出值,表明:PQ阀控液压系统的压力调节功能,即在将比例减压阀E的主阀芯位置固定时,若减小比例溢流阀RY的阀口开度,则溢流损失减少,系统输出压力增大。

4 结束语

对PQ阀控液压系统进行动态特模拟,旨在探索该系统的动态特性,了解影响系统动态响应特性的参数,为提高其控制性能提供理论依据。在系统参数优化过程中,本研究采用了Matlab/Simulink模拟软件,通过反复模拟,找出影响系统动态响应稳定性的参数,并进行合理调整。系统在接收外部信号、从静止状态过渡到某一工作状态过程中会产生较强的振荡。其根本原因是PQ阀控液压系统内部存在储能元件(如弹簧),可以储存和释放能量。因此系统总是要经过一定的响应时间后才能达到平衡状态。经过优化的PQ阀控液压系统对橡胶密炼机上顶栓的控制能力大大提升,可使其更快、更稳定地响应外部输入电信号,实现了提高炼胶质量、提升产品竞争力的目的。不仅如此,橡胶工业是工业领域的重要组成部分之一,制胶能力的提升必将带动其他相关产业(如汽车工业)的发展,进而对整个国民经济产生积极影响。

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动态模拟分析 篇10

机械运动模拟一般采用自动式或交互式。自动式运动模拟就是通过对传动件的运动形式进行设置, 通过系统的模拟功能及动画制作展现连续的运动模拟;交互式运动模拟则是通过建立传动件之间的运动关联, 在Flash系统中由操作者控制交互地实现的运动。

但是, 限于软件功能或是由于某些机械传动配合约束的计算处理过于复杂, 导致机械传动的运动模拟困难或不够直观。为此在对实例进行二维建模的基础上, 通过机构的运动模拟与分析, 介绍了Flash环境下纺织机械的运动模拟实现方法。

1模拟方法

1.1 Flash软件

所谓的模拟是借助于各种软件, 对某个对象的一种描述, 这里对纺纱机械仿真动态模拟式借助于Flash软件实现的。利用Flash软件将各种主要纺纱机械, 按照实物尺寸以一定的比例缩放后, 并对其部件运转进行帧的设定。帧是组成Flash动画的最基本的单元, 所谓帧就是影像动画中最小单位的单幅影像画面, 相当于电影胶片上的每一格镜头。

1.2部件模拟简化

由于所做的动态模拟是在不失真的情况下的一种最简化的模拟, 所以在模拟过程中一些主要的机件需简化处理。对于其他一些非主要部件, 为了使图像更加清晰突出主要部件, 可以省去。下面是对纺织机械一些主要构件的简化绘制方法。

1.2.1打手

纺织机械的打手包括抓棉打手、综合打手、豪猪打手等, 显然这几种打手都有不同的结构形式, 如:抓棉打手是由打手轴、隔盘、端盘等组成的锯齿刀片的齿数由内向外分为三组;而豪猪打手在打手轴上装有19个圆盘, 每个圆盘上固装有12把矩形刀片等。但在实际的模拟过程中为了简化处理, 并使所做的模拟能够较为清晰的展现出来, 均对其做了如图1所示的简化处理。

1.2.2罗拉

罗拉是纺织机械中对纤维集合体喂入、输出、牵伸等过程重要的机件, 外形为圆柱形棍子。但各种罗拉的尺寸、沟槽形式、表面处理工艺不尽相同, 模拟中为了简化, 对罗拉做如图2所示的简化处理。

1.2.3旋转显示

为了能显示旋转部件的旋转状态和转速, 一般需对旋转件的中心主体的色泽明暗过渡, 例如图1b, c和图2a, b。或者在旋转件的中心主体画上弯箭头指示, 如图3所示。

2纺织机械的简易图及动态模拟

2.1多仓混棉机

以FA022型六仓混棉机为例, 其主要由梳棉风机、配棉道、活门、储棉仓、网孔板、光电管、回风道、混棉通道等机件组成, 其简易图见图4。

1输棉风机2配棉道3挡板活门4光电管5给棉罗拉6打手7出棉口

图4中, 按照棉流路线, 经过初步开松的原棉由输棉风机1喂入配棉道2, 并由挡板活门3的开闭逐个进入储棉仓。当棉仓内的原料达到一定高度时, 原料将仓前后隔板上部分网孔板堵塞, 该仓静压升高, 当气压升至某一定值时, 微压差开关控制气动机构关闭活门, 同时自动打开下一棉仓的活门, 原料进入下一仓。如此顺序喂料直到喂满最后一仓。在第二仓观察窗上装有光电管4, 当最后一仓喂满原料而第二仓原料存量低于光电管高度时, 则喂料工作转入第一仓, 本机开始下一循环工作。当光电管仍被原料遮住, 则总活门关闭, 直到原料低于光电管高度才重新开始喂棉。在各仓底部均有一对给棉罗拉5和一只打手6, 原料经开松后落入混棉通道内被前方气流输出。

在动态模拟过程中, 给棉罗拉所用的帧数为40帧, 而打手所用的帧数为20帧。

2.2豪猪开棉机

以FA106型豪猪开棉机为例, 其主要工作机件有:凝棉器、给棉箱、光电管、木罗拉、给棉罗拉、豪猪打手、尘格、风门等。根据豪猪开棉机主要机件工艺参数及相关资料, 做出豪猪开棉机简易图如图5所示。

1凝棉器2储棉箱3光电管4出棉口5木罗拉6给棉罗拉7豪猪打手8尘格9风门

图5中豪猪开棉机主要部件的运转过程为:机台上部附装凝棉器1, 光电管3使棉箱2保持一定的储棉量, 木罗拉5使原棉初步压缩后输送给金属给棉罗拉6, 给棉罗拉受弹簧加压紧握棉层接受豪猪打手7的打击、分割、撕扯, 棉块以较高的速度多次撞击在尘格8上, 杂质落入前后尘箱, 经开松、除杂的原棉被下一机台凝棉器吸引由出棉口4输出。

在动态模拟中豪猪打手帧数为8帧, 给棉罗拉、木罗拉均为32帧, 凝棉器为8帧。

2.3梳棉机

以FA231型梳棉机为例, 其主要机件有:棉卷罗拉、给棉板、给棉罗拉、刺辊、刺辊分梳板、锡林、固定盖板、道夫, 压辊、剥棉罗拉等。根据梳棉机的工艺参数, 做出简易图如图6所示。

1棉卷罗拉2棉卷3棉卷架4给棉罗拉5刺辊6锡林7盖板8道夫9剥棉罗拉10转移罗拉11上下压辊12喇叭口13大压辊14圈条器

图6中, 梳棉机棉卷2置于棉卷罗拉1上, 并借与棉卷罗拉之间的摩擦而逐层缓慢退解, 沿给棉罗拉4进入给棉板与给棉罗拉之间, 棉层因给棉罗拉的回转而喂给刺辊5, 接受开松和分梳。被刺辊抓取的纤维与锡林6相遇, 锡林将刺辊表面的纤维剥取下来, 在盖板7和锡林的针齿共同作用下, 将棉束梳理成单纤维, 并充分混合, 清除细小杂质。被锡林针齿携带的纤维, 经过前下罩板与道夫8相遇, 部分纤维凝聚到道夫表面, 而残留于锡林表面的纤维, 与新喂入的纤维一起, 再进入锡林、盖板工作区。由道夫表面所凝聚的纤维层, 被剥棉罗拉9剥下后, 通过导棉装置10、11进入喇叭口12集拢成条, 并通过大压辊13, 然后在圈条器14作用下, 有规则地圈放在棉条桶中。

动态模拟中给棉罗拉、棉卷罗拉、锡林、道夫帧数为40帧左右, 剥棉罗拉、转移罗拉、压辊为30帧左右, 刺辊为16帧。

2.4粗纱机

以FA401型粗纱机为例, 其主要机件有条桶、导条辊、喇叭口、牵伸装置、前罗拉、锭翼等。根据粗纱机主要机件的相关参数做出FA401型粗纱机简易图如图7所示。

1棉条桶2导条辊3导条板4导条器5牵伸装置6后罗拉7下皮圈8中罗拉9上皮圈10前罗拉11锭翼12锭子13筒管14粗纱

如图7所示, 熟条从条桶1引出, 经导条辊2、导条板3和导条器4喂入牵伸装置5。熟条在此被牵伸至规定线密度的须条, 然后由前罗拉10输出, 经锭翼11加捻成粗纱, 最后被引至筒管13卷绕成管纱。

在模拟过程中主要机件所用的帧数分别为:导条辊, 前、中、后皮辊, 均为40帧;前、中、后罗拉, 均为30帧;龙筋升降运动, 100帧;锭翼, 40帧。

2.5细纱机

以FA506型细纱机为例, 其主要机件有吊锭、导纱杆、横动喇叭口、牵伸装置、锭子、导纱钩等。可分为牵伸装置、加捻卷绕装置、成形装置等三部分。根据相关参数做出细纱机简易图如图8所示。

1粗纱2导纱杆3牵伸装置4导纱钩5钢丝圈6钢领7细纱

图8中粗纱1自吊锭上的粗纱管退绕后, 经导纱杆2、横动导纱喇叭, 喂入牵伸装置3, 经牵伸后的须条由前罗拉输出, 经过导纱钩4, 绕过钢丝圈5, 卷绕到紧套在锭子上的筒管上。钢丝圈每转一转, 给须条加上一个捻回, 同时, 因钢丝圈的转速落后于纱管的转速, 再结合钢领板的升降运动, 使前罗拉输出的须条有规律的卷绕在纱管上。

在模拟过程中主要机件所用的帧数分别为:前罗拉、前皮辊, 均为20帧;中罗拉、中皮辊, 15帧;后罗拉、后皮辊, 10帧。

3结语

动态仿真模拟是目前所应用的比较广泛的一种研究事物运动规律的一门学科, 它摒弃了机械中与其运动不相关的部分, 把机械运转过程简单而又清晰地展现在读者面前, 加深了读者对动态过程的认知。如上针对纺纱机械的动态模拟, 希望对纺织专业和非纺织专业读者学习纺织工艺能够有一定的引导作用。

摘要：动态模拟是目前比较常用的一种对事物运动规律进行模仿的方法。试结合纺织机械的特点及工艺流程, 对纺纱各工序主要机械的参数及相互间的运动配合进行了描述, 并根据分析利用Flash软件做出了纺纱机械的动态模拟。

关键词：动态模拟,纺织机械,纺纱机械,Flash软件

参考文献

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[3]董奎勇.纺纱机械设备的技术进步[J].纺织导报, 2007, (11) :19-28.

动态模拟分析 篇11

近年来,计算机的自然景物模拟在游戏、电影、动漫、虚拟现实等众多领域的广泛应用而成为计算机图形学的一个重要分支,植物作为自然景物中最常见的现象之一,模拟的方法是应用数学和图形学领域的一个重要课题。传统的欧氏几何所描述的只是光滑的、可微性的规则形体,这类形体在自然界里只占极少数,自然界里普遍存在的形体大多数是不规则、不光滑、不可微的,对于这样的自然景物,用传统的欧氏几何理论来描绘已无法实现。1983年美国学者Reeves提出的粒子系统建模方法是模拟不规则景物的有效方法[1],它适合用来模拟山、水、树丛、草地等模糊的随机图形,而在单株自然植物的模拟中却无能为力;1968年美国生物学家Lindermayer提出的L-系统以形式化的语言描述植物的结构和生长[2],它能简洁地描述植物的拓扑结构,例如枝条和花序的结构,但难以模拟复杂的植物形态;1981年美国科学家Witten和Sander提出的DLA模型主要用于模拟各种分形生长和凝聚现象[3],它可以用来模拟植物根系的生长和海藻类植物的形态结构;迭代函数系统IFS是分形理论的重要分支[4],最早来源于1981年Hutchinson对自相似集的研究,美国科学家M.F.Barnsley于1985年发展了这一分形构型系统,并引入到图像合成领域,由于植物自身结构的自相似性,利用IFS可以逼真地模拟各种植物形态。本文主要研究了IFS模型,利用IFS建模方法,在VC++6.0环境实现蕨类植物叶和树木的模拟,详细讨论了动态IFS图像的生成原理,并利用双缓冲技术实现了随风摇摆的蕨叶和生长的树木模拟。

1 迭代函数系统IFS模型

1985年美国科学家M.F.Barnsley首先应用一组仿射变换族模拟自然景物,并将仿射变换集称为迭代函数系统(IFS)。IFS的基本思想是,分形具有局部与整体的自相似性,也就是说局部是整体的一个小复制品,只是在大小、位置和方向上有所不同而已,而数学中的仿射变换是一种线性变换,正好具有把图形放大、缩小、旋转和平移的性质。因此,产生一个复制品的过程就相当于对图形做一次压缩仿射变换。从原则上来说,任何图形都可以用一组压缩仿射变换来描述或生成。

1.1 仿射变换

仿射变换[5]的公式表示为:

$\{\begin{array}{l}x{}_{n+1}=ax{}_n+by{}_n+e\\ y{}_{n+1}=cx{}_n+dy{}_n+f\end{array}n=0,1,2$,… (1)

式中(xn,yn)是仿射变换前的坐标点,(xn+1,yn+1)是仿射变换后的坐标点。a、b、c、d是变形系数,e、f是平移系数。

仿射变换的齐次坐标矩阵表示为:

$\left[\begin{array}{l}x{}_{n+1}\\ y{}_{n+1}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}a& b& e\\ c& d& f\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{l}x{}_n\\ y{}_n\\ 1\end{array}\right](2)$

仿射变换可以通过一系列原子变换的复合来实现,包括平移、比例、对称、旋转和错切。所以仿射变换可以理解为对坐标点进行比例、旋转、平移后取得的新坐标值。仿射变换矩阵$\left[\begin{array}{ccc}a& b& e\\ c& d& f\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$等于平移变换矩阵$\left[\begin{array}{ccc}1& 0& e\\ 0& 1& f\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$乘以比例变换矩阵$\left[\begin{array}{ccc}S{}_x& 0& 0\\ 0& S{}_y& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$乘以旋转变换矩阵$\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & -\sin \theta & 0\\ \sin \theta & \cos \theta & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$,矩阵相乘的次序由具体的仿射变换确定。

令t=[x y 1]T,设A为一个三阶矩阵:

$A=\left[\begin{array}{ccc}a& b& e\\ c& d& f\\ 0& 0& 1\end{array}\right]a,b,c,d,e,f\in R(3)$

式中R是实数集合。又设平面上一个点(x,y),则仿射变换可为:

W(t)=At (4)

对平面上两个点t1和t2,如果:

d(W(t1),W(t2)) ≤s.d(t1,t2) 0≤s<1 (5)

对某集合X中所有不同点t1和t2都成立,那么就说仿射变换W是压缩的。式中d(t1,t2)表示两个点t1和t2之间的距离,s是其对应的压缩因子。

压缩仿射变换主要是用于控制生成的图形不发散。压缩仿射变换可以使一个图形产生它的一个复制品,可将原图分解为几部分,每一部分都看作是在不同仿射变换下的复制品。这种分解与尺度无关,即原图经压缩仿射变换后仍然可以对局部图形进行类似分解。一个压缩仿射变换族的组合称为IFS,一组IFS决定一幅图像的生成。

1.2 非确定性算法

前面的仿射变换中,每个变换含有6个参数a、b、c、d、e、f。这种算法称为确定性算法,该算法有很大的局限性。实际的分形图像是由随机迭代算法给出的,这种算法在原来的IFS中增加一组概率数,称为带概率的迭代函数系统,若令压缩仿射变换族为{Wi}(i=1,2,…,n),其中每一个压缩仿射变换被调用的概率P不一定相同,这种概率称为伴随概率,各压缩仿射变换对应的伴随概率为1>Pi>0(i=1,2,…,n),且有:

${\displaystyle \sum _{i=1}^n{\rm P}}{}_i=1(6)$

压缩仿射变换族Wi和对应的伴随概率Pi确定了IFS码,IFS码由6个压缩仿射变换系数a、b、c、d、e、f和伴随概率P组成。

2 静态IFS图像的构造

压缩仿射变换族{Wi}控制了图形的结构和形状,因为压缩仿射变换的形式是相同的,所以不同的图形仅取决于压缩仿射变换的系数,即不同的IFS码决定不同的图形。IFS码具有强大的构图功能,通过IFS码可以得到植物的形态。IFS的编码方法有解线性方程组的编码法、旋转和位移变换的编码法以及拼贴方法[6]。

2.1 蕨类植物叶

通过表1中的IFS码,用迭代函数系统模型可以获得蕨类植物叶,在VC++6.0环境下利用MFC编程实现,结果如图1所示。

静态蕨叶的核心编程如下:

首先定义一个二维数组Code[7][7]用来存储表1中的IFS码。double Code[7][7];并令:

以上程序中的循环次数控制迭代次数,图1(a)、(b)、(c)分别为迭代1万次、10万次、50万次得到的蕨叶效果图。可以看到,迭代结果是随机落下的点渐显出的IFS图像。

2.2 树木的生成

通过表2中的IFS码,用迭代函数系统模型可以获得树木,在VC++6.0环境下编程实现,结果如图2所示。

静态树木的核心编程与静态蕨叶类似,二维数组Code[7][7]用来存储表2中的IFS码,在屏幕像素点着色时为了得到一棵彩色的树,用到了带概率的随机颜色RGB(x×500×R,R×50,y×30×R)。

图2为迭代100万次得到的树木效果图,在将点x,y映射到屏幕上的一个点时,根据不同的概率和不同的x、y值对屏幕上的该点着相应颜色。

3 IFS动态植物模拟

上面得到的是静态分形图像,对于实时动画,则可以用带参量的IFS来处理,所谓带参量的IFS,就是在仿射变换矩阵里,加进变量成份。前面提到,一组IFS决定一幅图像,任一IFS码的微小变化,都会引起最终生成图像的变化,这种影响取决于各IFS码在整个IFS中的作用,利用这一特性,人为地调节、控制IFS码,使图像按预期的方向变化,再将一系列不断变化的图像连续起来,就生成了动画。仿射变换中的比例系数、位移系数、旋转系数对控制图像的变化分别起着不同的作用。因此可根据动画的需要,在相应的系数中加入参数来实现控制。

3.1 随风摇摆的蕨叶

表1中的W2是产生大量叶子的主要变换。随风摇摆主要是叶子的左右旋转变换,由仿射变换中的旋转系数起作用,现在令:

$W{}_2\left[\begin{array}{l}x\\ y\\ 1\end{array}\right]=r\cdot \left[\begin{array}{ccc}\text{c}\text{o}\text{s}k\theta & -\text{s}\text{i}\text{n}k\theta & 0\\ \text{s}\text{i}\text{n}k\theta & \text{c}\text{o}\text{s}k\theta & 1.6\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}x\\ y\\ 1\end{array}\right]$

因为r.cosθ=0.85和r.sinθ=-0.04,所以可得r=0.0850941,θ=0.047024,将参数k的范围限定在kθ[-2,2],分别取k=-2.0,-1.0,-0,1.0,2.0时,在VC++6.0环境下编程,产生的图像分别如图3所示。

随风摇摆蕨叶的编程在静态蕨叶编程的基础上引入带参数k的表达式来代替表1中W2的a、b、c、d值。

为了产生连续的实时动画效果,在VC++6.0环境下编程实现时,定义一个定时器变量,每隔0.5秒触发一次,让参数k从0开始每次加0.1,当k≥2时,再每次减0.1,当k≤-2时,再每次加0.1,如此反复,每当k值变化的同时就调用双缓冲区技术实现IFS图像的绘制,这样在屏幕上就可以看到连续摇摆的蕨叶。随风摇摆的树木实现方法与此类似,但因树木有树杆和树枝,同样的风力对树的各分支影响不同,实际情况是对树的上面分支影响大,对树干影响小,所以计算时可以给树的各分支设不同的风力加权因子来实现。

3.2 生长的树木

表2中的IFS是实现静态树木,要想实现实时动态生长的树木效果,需要将仿射变换得到的x,y映射到屏幕上时不断地按比例放大,从而产生树木图像将不断地放大,达到动态生长的效果,这可以用仿射变换中的比例系数来控制,即:

$W\left[\begin{array}{l}x\\ y\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}s{}_x& 0& 0\\ 0& s{}_y& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}x\\ y\\ 1\end{array}\right]$

当sx和sy相等时,产生的图像将按比例放大或缩小,否则将会变形。在VC++6.0环境下实现时,可以使用一个参数s表示sx和sy,当s的值增大时,图像将按比例放大。为了清楚显示树木的生长效果,以下截图将全窗口显示,图4中分别为s=1,2,3时的树木大小。

与上述随风摇摆的蕨叶动画实现相似,为了产生连续的实时树木生长效果,在VC++6.0环境下编程实现时,可定义一个定时器变量,每隔0.5秒触发一次,让参数s从0开始每次加0.2,当s=4时,停止生长,每当s值变化的同时就调用双缓冲区技术实现IFS图像的绘制,这样在屏幕上就可以看到一颗慢慢长大的树木。

4 实验结果

实验表明,带参数的IFS的确可使图像发生预期的变化,如果让参数在适当的范围保持连续变化,则动画效果良好。由于各IFS码在图像生成过程中发挥着不同的作用,或平移、或旋转、或缩放,因此可根据动画的需要有针对性地调整相应的系数,而加权因子的加入可分别对图像不同部分进行控制,使动画效果更逼真。

5 结 语

虚拟植物在农学、林学、生态学、植物学等许多领域都有着广阔的应用前景,重点是植物建模与动态植物模拟的研究,自然界中的植物虽然形态各异,却大都具有自我相似的物质结构。IFS系统作为分形理论的一个重要分支,可以逼真地模拟各种植物形态。本文基于IFS模型在VC++6.0环境下构造出静态蕨叶和树木,利用其双缓冲技术,形象逼真地模拟了随风摇摆的蕨叶和生长树木的动画效果,但这仅是对单株植物的模拟研究,以后的工作中将进一步考虑对植物群落的模拟,以及对随风飘落的树叶或花朵的模拟。

摘要：植物作为自然景物中最常见的现象之一,模拟的方法是应用数学和图形学领域的一个重要课题。迭代函数系统IFS是分形理论的重要分支,由于植物结构的自相似性,利用IFS(Iterated Function System)可以逼真地模拟各植物形态,简述几种模拟植物的方法,主要研究迭代函数系统IFS模型,并在VC++6.0环境下基于IFS模型构造出静态蕨叶和树木,详细讨论利用带参量的IFS随机系统实现动画的过程,并利用双缓冲技术,形象逼真地模拟随风摇摆的蕨叶和生长树木的动画效果。实验结果表明,带参数的IFS可使图像发生预期的变化,如果让参数在适当的范围保持连续变化,则动画效果良好。

关键词：迭代函数系统,IFS,树木模拟

参考文献

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