模拟器设计（精选12篇）
模拟器设计 篇1
摘要：为了保证地面测控系统的系统指标,尤其是针对综合基带的测速和测距的指标,设计了一套能模拟卫星轨道运行的设备,来对地面测控系统的系统指标进行验证。介绍了卫星信道模拟器的工作原理设计和信号的模拟要求,阐述了信号在空间信道传输时延及衰减表述为接收端多普勒频率以模拟目标的距离和速度的硬件和软件设计,解决了其涉及的关键技术,并提供了测试数据,最后给出了系统应用模型。
关键词：卫星信道模拟器,轨道拟合,多普勒频率,测控系统
0 引言
卫星信道模拟器通过对中频信号进行处理,完成空间信道传输时延、空间信道衰减、射频多普勒频率以及信号与信噪比的模拟。其功能的实现与其输入的具体信号体制无关,可以适用于各种中频信号的处理。并且利用其与应答机设备的组合,可以在没有卫星的条件,模拟卫星的运行轨道和运行方式,从而来验证地面测控系统的综合基带设备在低轨卫星、中高轨卫星、探月和深空探测条件下的测距、测速数据正确与否,进而确保上述方面的地面测控系统指标的验证。
1 系统设计
卫星信道模拟器承担的主要任务是:卫星信道模拟器可装载理论卫星弹道数据或给定的曲线,从而对目标距离、时延、多普勒、电平信号和空间白噪声进行模拟,以验证测控设备的测距、测速数据正确与否。依据卫星信道模拟器承担的主要任务,从其功能上划分为3部分:① 轨道根数方式。输入接收站的站址坐标、轨道根数及时间初值,根据轨道根数模拟出目标的距离、速度、加速度和信号的幅度变化;② 设定曲线方式。输入目标最近距离、最远距离、速度、加速度值、距离初值及时间初值,根据三角波理论或正弦波理论曲线,模拟出目标各个时刻的距离及幅度;③ 单独控制方式。对信号的各个动态进行单独控制,上下行信号的功率衰减、多普勒频率、距离、噪声和功率衰减;
要完成卫星信道模拟器所承担的任务,卫星信道模拟器包括硬件和软件两部分。其中,硬件部分由一台CPCI(紧凑型PCI)工业控制计算机、自研制板卡构成;软件部分由系统监控软件、FPGA(现场可编程门阵列)数据处理软件和DSP(数字信号处理)数据处理软件组成。
卫星信道模拟器的硬件部分由中频采样部分、采样数据存储和回放部分、时钟控制部分、中频输出控制部分组成,软件部分由板内监控通信控制部分和计算机监控部分组成如图1所示。
1.1 硬件设计
中频采样部分:采用高速A/D(模数转换)采样芯片,将中频模拟信号转换为数字信号;
采样数据存储和回放部分:依据模拟卫星轨道与地面接收站的距离远近,分为两部分:① 中低轨模式:使用FPGA内提供的双端口RAM(随机存取存贮器)或FIFO(先进先出存取存贮器)实现数字信号的存储和回放;② 高轨、探月及深空模式:使用FPGA内的双端口RAM或FIFO作为数据缓存,通过DMA(直接内存存取)模式使用PCI数据总线,直接访问计算机内存实现数字信号的存储和回放。依据RAM的大小来决定初始距离的范围;
时钟控制部分:控制采样数据存储和回放部分的读写时钟,通过改变读写时钟的速率,来实现对卫星速度的模拟;
中频输出控制部分:采用高速上变频器芯片,将加入时延的数字信号恢复发送出去,同时利用芯片的幅度控制实现空间电离层信号衰减的模拟。利用DDS的BPSK(二相移相键控)模式输出的中频信号来模拟白噪声。
硬件控制过程如下:① 上电初始化完成后,开始数据采样;② 依据监控下达的命令,从规定时刻起开始存储数据;③ 依据监控下达的命令,从规定时刻起开始回放数据,加入多普勒频率和幅度控制;④ 依据监控下达命令,结束存储和回放数据流程。
1.2 软件设计
板内监控通信控制部分:接收计算机下发的命令,依据下发命令的参数,生成模拟的卫星轨道和运行方式,模拟卫星轨道的运行;
计算机监控部分:将在界面接收的命令参数,通过PCI总线下发到自研板卡的监控通信控制部分,并显示模拟数据的图形。
软件控制过程如下:① 系统初始化,完成计算机内自研板的上电自检和程序加载,同时建立与计算机的通信;② 依据系统传来的外时码,将计算机和自研板的时码进行同步;③ 通过卫星信道模拟器的显示控制界面,选择所要模拟的轨道模式,中低轨模式或高轨、探月深空模式;④ 确定轨道模式后,选择所要模拟的功能模拟方式,轨道根数方式、设定曲线方式和单独控制方式;⑤ 接收界面设定参数;⑥ 依据界面设定参数,生成模拟出的卫星轨道和运行方式;⑦ 模拟运行拟合出的卫星轨道和运行方式;⑧ 轨道模拟运行结束。卫星信道模拟器的软件控制流程如图2所示。
2 关键技术
2.1 卫星轨道模拟
卫星运动的轨道是通过地心平面上的椭圆,且椭圆的一个焦点与地心相重合。卫星的轨道可有六个基本参数(又称轨道根数)来完全描述和确定:
① 长半轴α:轨道椭圆长轴之半,它确定了卫星轨道的周期;② 倾角i:轨道平面与地球赤道平面之间的夹角,常以地心至北极方向和轨道平面正法向之间的夹角来度量,i=900;③ 轨道偏心率e:轨道椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值,其大小在0～1之间,e=0为圆轨道;④升交点赤经Ω:春分点与升交点对地心的张角,在赤道面内度量;⑤ 近地点幅度ω:升交点与近地点对地心的张角,在轨道面内度量;⑥ 过近地点时刻tP:卫星经过近地点的时刻。
上述6个基本参数中,α和e决定卫星轨道的大小和形状,i和Ω决定卫星轨道平面在空间的位置,ω决定椭圆在轨道面上的方位,tP决定卫星在轨道上的时间关系。
在已给定6个轨道参数的情况下,可以拟合出卫星运行的轨道,从而确定任意时刻t的卫星位置及其运动速度。
2.2 空间电离层模拟
2.2.1 空间电离层延迟模拟
电离层传播延迟对地面测量设备对卫星位置的确定(包括卫星到测站距离和卫星的速度)是有影响的,如果对卫星运行精确模拟,就必须对其进行补偿。而空间延时带来的初始距离的模拟依靠于数据的采样时钟的频率,Rq=c/fs,式中Rq为距离量化精度;c为光速(299792458m/s);fs为中频采样部分的采样时钟频率。
确定带通采样频率fs的一般结论为:
式中,fC为信号的中心频率;B为信号带宽;
根据系统的要求选择适当的采样时钟频率,有助于提高目标与接收站之间初始距离模拟的精度。
2.2.2 空间电离层信号衰减模拟
无线电波在空间传播随着距离的延长,信号强度会越来越弱,信号频率和传输距离是决定信号强度衰减的2个因素。
输入接收机的功率可以表示为:
上式右边被分成了三项,分别与发射机、接收机及自由空间距离有关。GR是接收天线的全向功率增益;EIRP是发射天线的有效全向辐射功率; Lr=(4πR/λ)2是电波的自由空间损耗,它与传播距离R的平方成正比,与波长λ的平方成反比。
以dB表示的自由空间损耗值[FSL]为:
式中,R为传输距离(km);f为传输频率GHz。
通过输出信号的幅度变化,来模拟根据目标与接收站之间距离远近所达到不同的衰减在信号上的表现。
2.3 多普勒频率偏移的模拟
当发射机与接收机相对运动而彼此接近时,接收机所收到的信号频率fR将高于发射信号频率fT;而当彼此远离时,接收信号频率fR将低于发射信号频率fT。这种由于相对运动而使接收频率不同于发射频率的现象,称为“多普勒效应”。
多普勒频率fd为接收频率与发射频率之差,即
式中,v为卫星的径向速度;c为光速;fT为发射信号频率;径向速度v的极性约定为:当目标(发射机)与接收机彼此靠近时,v的极性为负,而彼此远离时,v的极性为正。
设地面发射站发射信号频率为f1=Mf0,f0是频标源输出频率,M为倍频数。考虑到多普勒频率,星载应答机接收频率为:
式中,vT是发射站与飞行器间的径向速度。由于vT/c≤1,故应答机接收频率f2与f1相差很小,若直接将f2再转发到地面,则会引起应答机接收信号和发射信号相互间的干扰,为此,一般将f2乘上一个转发系数N/M,即
将f3作为应答机的转发频率。地面接收站的信号频率为:
接收站接收信号的多普勒频率为:
因为vT·vr<<c2,故上式可简化为:
当发射站和接收站设在一起时,上式又可进一步简化:
由多普勒公式
2.4 高速数据采集传输
由于卫星信道模拟器的模拟的初始距离范围很宽,当初始距离很大时,经A/D采样后得出的中频数字信号存储会占据很大的存储空间,由于大容量的存储芯片难以获得而且价格昂贵。从而选择使用直接内存存取(DMA)的方式。采用DMA方式可以把A/D转换数据直接写入系统内存,不需要CPU的参与。特别适合应用于大量数据的高速采集存储传输。DMA有两种类型:系统DMA和总线主控DMA。总线主控DMA通常用在PCI设备中。DMA方式工作有以下几个步骤:① 硬件初始化;② 分配内存;③ 确定中断事件类型;④ 开始DMA模式数据传输。
3 性能测试结果分析
性能测试结果如表1和表2所示。其中距离的精度测量结果,为静态测试结果。
对测试结果分析后可以得出结论,卫星信道模拟器的性能测试结果,能够满足地面测控系统指标的验证的要求,可以作为地面测控系统的测试设备,尤其对综合基带设备的测速和测距的测量精度能够提供可靠保障。
4 系统应用模型
在探月工程中,探月飞行器与测量站之间的距离远,飞行时间长,传输时延大。探月飞行器的飞行距离为350 000～400 000 km之间,传输时延为τ=2R/c(τ为星地时延,R为飞行器与地面的径向距离,c为光速)。
考虑上述因素,在距离较大情况下,为体现出时延对系统测速和测距的影响,要求距离初值的存储量较大,从而采用PCI总线高速接口总线主控DMA方式直接对内存进行读写。
设中频信号为fIF=70 MHz、带宽为B=4 MHz,考虑PCI总线高速接口的限制,选取中频采样时钟的频率为ClkSAMP=11.2 MHz、A/D采样位数为12位,PCI总线高速接口数据吞吐速率为256 Mbps。
在探月工程中,以卫星信道模拟器和中频标校终端设备以及应答机信道设备联合工作,如图3所示。将地面测控系统的综合基带设备测量数据的记录结果和卫星模拟器设备模拟数据的记录结果进行比较,从而验证地面测控系统的综合基带测距、测速数据的正确与否,测量精度是否符合系统指标。
5 结束语
卫星信道模拟器的设计原理以及信号的模拟要求,详细阐述了卫星信道模拟器进行模拟实际卫星信道的硬件和软件设计方法和关键技术,以及如何提高设备的设计精度。通过测试数据说明了卫星信道模拟器能够满足对地面测控设备的系统指标验证。最后结合工程应用模型,表明卫星信道模拟器能够对地面测控设备的系统指标验证起到良好的支持作用和可靠保障。
参考文献
[1]周智敏,李企舜.现代航天测控原理[M].长沙:国防科技大学出版社,1998.
[2]赵业福.无线电跟踪测量[M].北京:国防工业出版社,2003.
[3]杨小牛,楼才艺,徐建良.软件无线电跟原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
模拟器设计 篇2
卫星系统的复杂性是卫星模拟器研制的难点.针对面向功能方法的.不足,提出了面向时象的卫星模拟器设计方法,并使用OMT技术进行了卫星模拟器建模示例.
作 者：吴振宇 熊晓将 宋秋静 WU Zhen-yu XIONG Xiao-jiang SONG Qiu-jing 作者单位：中国空间技术研究院・北京・100094 刊 名：飞行器测控学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF SPACECRAFT TT & C TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 27(2) 分类号：V411.8 关键词：面向对象 卫星 模拟器
飞行模拟器主操纵机构的仿真设计 篇3
关键词：主操纵机构仿真设计误差分析虚拟装配参数化设计
中图分类号：V217文献标识码：A文章编号：1007-3973(2011)006-098-02
1引言
飞机的主操纵机构用于控制飞机飞行轨迹和姿态，由升降舵、副翼和方向舵的操纵机构组成。在航空模拟器中，主操纵机构的准确定位和操纵性直接影响到模拟器的飞行品质和飞行员的受训质量，所以，主操纵机构的仿真设计在整个模拟器研制过程中非常重要。
飞行模拟器主操纵机构是操纵系统中一个很重要的机构，设计时需要考虑的因素较多，不仅需要考虑功能方面的要求，还需考虑强度、刚度等方面的要求，从而导致其设计难度较大。现代设计系统的一个主要要求在于已有设计的可再使用性，所以解决该问题的有效方法之一就是采用知识驱动的设计方案，建立先进的设计平台。这不仅可以提高产品质量，缩短研制周期，降低设计成本，而且对减轻劳动强度也是十分有益的。
2仿真设计
飞行模拟器操纵系统由主操纵机构、辅助操纵机构、操纵负荷系统等部分组成。主操纵机构由驾驶杆、脚蹬机构、连杆机构和摇臂机构组成。
2.1主操纵机构主要构件的分析
主操纵机构的传动机构通常分为软式、硬式和混合式三种。其中硬式传动机构主要由摇臂和传动杆等构件所组成。
2.1.1摇臂
摇臂主要用来传递力、位移或改变它们的大小和方向，有的仅作支撑用。结构形式通常包括单摇臂、双摇臂和复合式摇臂。
2.1.2传动杆
传动杆又称拉杆，由两端耳片接头(或耳环螺栓)和管材组成。通常把一端或两端耳片接头设计成螺纹连接，便于微调杆长，进行系统装配。
2.2主操纵机构传动比的计算与分析
以驾驶杆做俯仰运动的行程为例进行计算与分析。驾驶杆俯仰运动的行程为11，操纵负荷的行程为12，传动比为n，
n= 11/ 12
n为一个固定值。在驾驶杆和操纵负荷之间，需要经过多个摇臂的转接，由于安装空间的限制等因素，摇臂的长度不同，在设计摇臂的长度时，既要考虑安装空间的需求，也要考虑传动比。
传动比的数值是衡量飞行模拟器的操纵品质的重要参数之一。传动比的数值不宜过小，也不易过大。如果比值太小，则操纵输入量小，输出量大，这种飞机对操纵过于敏感，难于精确控制；如果比值过大，则操纵输入量大，输出量小，飞机对操纵反应迟钝，容易使飞行员产生错误判断。如果飞机在作机动飞行时，不需要飞行员复杂的操纵动作，驾驶杆力和杆位移都适当，并且飞机的反应也不过快或者过分的延迟，那么就认为该飞机具有良好的操纵性，该传动比也是合理的。
2.3主操纵机构力的传递的分析
2.3.1驾驶杆力的传递分析
当飞行员推拉驾驶杆时，驾驶杆产生了位移，通过拉杆和摇臂的传递，将位移传递给操纵负荷的连接杆，此时操纵负荷的拉／压传感器产生会产生力信号，位移传感器产生位移信号。计算机根据驾驶杆的位移量和飞机当时的飞行高度和速度值，计算出所需的驾驶杆力，该力信号经控制器转换成电枢电流，于是在电机中产生电磁转矩，再经传动机构传到驾驶杆上与外力矩相平衡，系统便会处于一种新的平衡状态。
2.3.2脚蹬力的传递分析
脚蹬力的传递原理和驾驶杆力的传递相同，不再赘述。
2.4主操纵机构力的传递误差的分析与解决方法
2.4.1摇臂的累积误差的分析
(1)累积误差的产生
在飞行模拟器中，由于现有的操纵负荷系统的体积较大，座舱内设备较多，驾驶杆和操纵负荷力的传递需要经过摇臂多次转接才能实现。在理论上，摇臂只受到径向力的作用，不会产生不可接受的误差。在实践当中，由于安装定位精度、摇臂自身重力和加工精度等的原因，摇臂在转动过程中，会产生间隙和其它方向上的分力的影响。经过多个摇臂的转接后，误差便会累积，进而影响摇臂传递的力的准确性。
(2)累积误差的消除
在实践中，由于人工定位的局限性，误差是不可能被完全消除的，但是，我们可以经过其它途径，尽量的减少误差。如图1，摇臂与摇臂座的连接使用了轴承，可大大减小摇臂与摇臂座的摩擦力，在摇臂的两个端面采用双轴承定位，可以减小摇臂轴向摆动，避免产生较大的轴向扭矩。
2.4.2拉杆的累积误差的分析
(1)累积误差的产生
拉杆作为传递力的一个部件，在力的传递过程中同样很重要，拉杆是摇臂与摇臂之间、摇臂与驾驶杆之间连接的桥梁，拉杆的刚性及拉杆与摇臂等的连接方式在传动过程中也会产生误差。
(2)累积误差的消除
拉杆是传递摇臂与摇臂之间力的部件，拉杆与摇臂之间有两个接触面，因为操纵要求联动，力的传递需要改变方向，这对装配定位精度的要求就很高，相对的成本也就会很高。在设计之时就应该考虑实际的装配情况。
解决这个问题的办法是选择合适的关节轴承。关节轴承与摇臂、拉杆的连接方式如图2：
当拉杆与摇臂装配后，拉杆在关节轴承的可转动范围内可以自由的摆动，很方便拉杆与摇臂的连接，大大降低了装配的要求，同时也降低了由于装配带来的摩擦、卡滞等现象。
在选用关节轴承的时，普通的民用关节轴承径向间隙较大，多次转接后累积误差较大，影响操纵的可靠性和稳定性，而航标关节轴承径向间隙很小，满足设计需要，所以，在摇臂和拉杆的连接中均选用航标关节轴承。
3主操纵机构的参数化设计和虚拟装配
前面已经分析了主操纵机构的组成、力的传递、累积误差的消除等，但在实际的设计过程中通常会遇到这样或那样的问题，如零部件的干涉、碰撞等许多问题，常用的CAD等平面软件在解决这些问题时效率相当低。
CATIA是集CAD／CAE／CAM于一体的通用软件，具有强大的CAD、CAM功能，基于完全的三维实体复合建模、特征建模和装配建模技术，能够设计出复杂的产品模型，可用于整个产品的开发过程。
3.1零件参数化设计
参数化设计方法的目的是存储设计的整个过程，从而设计出一族而不是单一的产品模型。在计算机辅助设计系统中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同，映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。因此，在对零件进行拓扑结构归类的基础上建立参数化模型，保证设计过程中几何拓扑关系一致，同时提取几何特征参数并进行用户化命名，建立几何信息和参数的对应机制，通过编辑参数值直接或间接修改几何实体，实现参数化设计。Catia环境下，可通过catia／partdesign提供的相应功能编辑零件参数，从而编辑几何
实体，来实现参数化设计。如图3，只要在"partdesign"环境下打开零件，进入草图编辑窗口后，编辑图中的a或b的数值后，退出草图后，就可以生成一个新的零件。
3.2虚拟装配
虚拟装配技术是在虚拟设计环境下，完成对产品的总体设计进程控制并进行具体模型定义与分析的过程。它可有效支持自顶向下的并行产品设计、可制造性设计和可装配性设计，以缩短产品开发周期。
3.2.1虚拟装配的概念
“虚拟装配”(Virtual Assembly)是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。虚拟装配是在计算机上完成产品零部件的实体造型，进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程，并通过统一的产品数据管理，实现产品三维设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统一。
3.2.2虚拟装配在主操纵机构设计中的应用
(1)总体设计阶段
根据主操纵机构总体设计要求以及基本的设计参数，建立主操纵机构主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段主要包括以下基本步骤：
1)根据已知的主操纵机构的理论数据，建立各部件的相对位置关系；
2)布置各部件的主要结构部分的初始模型(摇臂、转轴等)；
3)根据联动关系，初步布置、建立初始模型。
本阶段结束时，必须冻结已经建立的产品主模型空间，作为研制工作的基础。
(2)装配设计阶段
这是主操纵机构模型具体建立阶段。本阶段主要包括以下基本步骤：
1)建立主操纵机构主体结构简单的实体模型；
2)定义具体结构装配的分解线路；
3)定义部件之间的连接界面；
4)用简单实体方式，进行初期布局；
5)建立模型间的装配约束关系：
6)进行主操纵机构三维实体模型的具体设计：
7)进行计算机装配，干涉检查，如果有干涉，需要重新进行装配或者修改模型的几何要素。
(3)详细设计阶段
本阶段完成主操纵机构所有零件的设计工作，保证主操纵机构所有零件干涉自由。本阶段包括以下基本内容：
1)完善主操纵机构三维实体模型的细节设计；
2)进行主操纵机构模型的计算机装配、干涉检查，做到模型干涉自由。
4结束语
一种负载模拟器的设计 篇4
航天产品测试时, 需要模拟实际工作环境为其施加负载力, 用以考核产品的各项性能指标是否符合设计、使用要求。负载模拟器有很多种, 按加载元件的不同, 分为电液式负载模拟台、电动式负载模拟台、机械式负载模拟器等型式。电液式负载模拟台工作频带高、输出能力强, 但结构较为复杂, 维护费用也较高。电动式负载模拟台具有小信号跟踪能力强、加载分辨率高的特点, 一般适合小载荷工作。机械式负载模拟器结构简单、成本低, 虽然不能跟踪气动载荷, 但它能够提供一定的阻力或阻力矩, 在小回路仿真试验环境中应用仍较为广泛[1,2]。
机械式负载模拟器一般通过弹性元件变形产生的弹性力来模拟工作负载, 此时弹性元件需在弹性变形范围内工作, 且弹性元件疲劳特性要求很高。弹性元件常采用板式弹簧、扭簧、扭杆等型式。根据弹性系数是否可改变, 又分为定刚度和变刚度负载模拟器[3]。
机械式负载模拟器虽然结构简单, 但目前国内研制和使用的机械式负载模拟器在开展航天产品的环境试验时, 存在可靠性差、测试时间常数偏大及双向不对称等问题, 与国外产品有一定差距。
2 负载模拟器的结构
一种机械式负载模拟器 (简称负载模拟器) 用于某型航天产品力矩模拟与测试, 其结构如图1所示。扭杆1共16根, 扭杆为产生扭矩负载的弹性元件;固定架2用于负载模拟器的接地;航天产品通过中心接头3来传递扭矩;铰接头4用于将扭杆串行联接, 并最终与固定架、中心接头并行联接。负载模拟器制造时, 通过压力机将扭杆头部压入各接头连接孔中, 其联接为过盈配合, 平均过盈量约为0.05mm。
1.扭杆2.固定架3.中心接头4.铰接头
研制负载模拟器的难点集中在两个方面, 一是扭杆材料, 材料性能直接影响工作可靠性;二是扭杆两端头部与中心接头、铰接头连接方式, 其工艺性非常关键。国外设计、制造的负载模拟器扭杆与铰接头等的连接主要采用圆柱面过盈压入法, 其工作性能非常可靠。国内研制的负载模拟器, 扭杆与铰接头连接常采用圆柱面过盈连接、异型面结合两种形式, 其中圆柱面过盈连接方式对于负载模拟器的装配工艺要求较高。
3 扭杆的设计[4]
3.1 扭杆的刚度
对于各向同性材料, 在弹性变形工作范围内, 等截面圆形扭杆刚度用kl来表示, 单位为N·m/ (°) 。扭杆纯扭转时, 刚度
式中, T为传递扭矩, G为材料的切变模量, Ip为圆形截面的极惯性矩, l为扭杆有效工作长度。
利用式 (1) 计算得到负载模拟器中单根扭杆刚度kl=10.35N·m/ (°) 。由式 (1) 可知, 扭杆的刚度与切变模量、极惯性矩 (扭杆直径) 、有效工作长度有关;钢材切变模量基本相同, 采用优质钢材并不能提高扭杆扭转刚度。
3.2 扭杆的连接
扭杆与铰接头连接多采用圆柱面过盈方式, 设计负载模拟器时, 应计算两者所需结合长度、结合直径、传递力矩所需过盈量等。
对于文献[4], 当传递扭矩为T时, 所需的最小结合压强
式中, lf为结合长度, df为结合直径, μ为摩擦系数。
而包容件 (即铰接头等) 不产生塑性变形所允许的最大结合压强
式中, a为系数, 取a=0.5;σs为屈服强度。
若所设计的负载模拟器的扭杆传递最大扭矩400N·m, 扭杆与铰接头、固定架结合后不发生相对转动, 计算可得pfmin=360.3MPa, 而pfmax>500MPa, pfmin
采用温差法或压入法装配时, 两者要求的最小过盈量不同。若采用温差法装配, 计算所需最小过盈量δmin=0.047mm。采用压入法装配, 结合面加工精度应尽可能高, 计算可得最小过盈量δmin=0.0496mm, 所需压入力Pxi=20244N。
4 负载模拟器静力学分析
根据某型航天产品测试要求, 设计的负载模拟器主参数包含扭转刚度、最大扭转角、响应时间常数等。
负载模拟器在产品测试时, 各扭杆变形比较复杂, 各扭杆变形通过经典公式计算很难开展。本文通过有限元法计算得到负载模拟器的强度和刚度, 并对其循环寿命进行了估算。
4.1 静强度与刚度分析
利用Solid Works软件的Simulation模块, 将扭杆过盈压入铰接头、固定架孔中, 扭杆与铰接头、中心接头、固定架设置面接触组, 摩擦系数取0.15, 自适应划分网格。在有限元计算时, 为节省内存, 提高运算速度, 负载模拟器上安装1/4数量的扭杆与铰接头, 模拟器固定方式与实际工作方式一致。
在中心接头处施加20°扭转角, 按小型位移分析计算, 得到图2所示角载荷应力云图。在中心接头处施加100N·m扭矩, 经过计算, 得到图3所示扭矩载荷应力云图。
在负载模拟器中, 各个扭杆变形形式不同、变形程度不一, 产生的应力相差很大。在扭杆与中心接头相连处, 最大应力约为1000MPa, 安全系数仅为1.3~1.5;而在扭杆与固定架连接处, 最大应力约为710MPa, 安全系数约为1.8~2.0。测试过程中, 负载模拟器扭杆的破坏几乎都发生在与中心接头相连的扭杆头部附近, 计算结果也显示该处安全系数最低。
负载模拟器工作时, 中心接头绕着固定架中心孔同轴心转动, 固定架限制两侧扭杆的运动, 各扭杆之间相互连接、相互影响。在固定架中心, 中心接头的扭转直接带动扭杆发生弯曲、扭转变形, 其变形最大, 受力也最大。计算应力云图显示, 扭杆应力沿轴向分布不均匀, 接近头部 (根部) 处产生的应力较大, 这主要是叠加了弯曲变形产生复合弯扭所致, 即扭杆横截面不但有切应力, 还应分布有正应力。
在专用刚度测试仪上, 对扭杆连接采用圆柱面过盈、异型面 (近似椭圆) 接合两种方式的国产负载模拟器进行静刚度测试。通过对负载模拟器施加一定扭矩, 利用力矩传感器[5]读取扭矩值, 再计量转角变化, 计算得第一种负载模拟器实际静刚度约为19~20N·m/ (°) , 与有限元计算结果基本相符, 验证了有限元计算的正确性;而第二种负载模拟器实际静刚度约为17~18N·m/ (°) 。经分析, 第二种负载模拟器静刚度较低的原因, 为异型面—即椭圆型“孔、轴”的加工及配合使两者之间难以产生合适的过盈量, 不能在传递扭矩时像圆柱面过盈法结合可靠, 异型面之间仍有微量的相对转动, 降低了整体负载模拟器的静刚度。因此, 负载模拟器应尽可能采用圆柱面过盈结合方式连接。
4.2 疲劳寿命估算
负载模拟器在环境试验中, 失效形式主要为中心接头处扭杆根部断裂、扭杆与铰接头之间相对转动等问题, 导致测试失败或出现测试数据中响应时间加长及负载力不对称等, 可能造成对测试产品性能的误判。
通过对负载模拟器的受力分析可知, 扭杆在低于其屈服极限循环应力下工作, 失效形式为高周疲劳失效。利用有限元软件, 计算最大扭转角20°时的负载模拟器疲劳寿命如图4所示。
由图4可知, 越接近中心接头的扭杆, 寿命越低, 最低理论循环寿命为5×104次。负载模拟器的扭杆发生断裂失效, 表现在与中心接头连接的扭杆断裂概率很高, 固定架边缘处扭杆不易失效。
产品的高温试验, 因瞬间温度梯度很低, 温度冲击较小, 而低温下的疲劳强度一般随温度的降低而有所升高, 但结构钢易在低温下因微小裂纹发生快速脆断[4], 因此, 低温环境试验对负载模拟器的失效不能忽略。产品实际测试时, 因材料低温脆性的影响, 负载模拟器工作循环次数远低于理论最低循环次数, 实际寿命仅约为理论值的25%~50%。
5 结论
扭转刚度、最大扭转角、响应时间常数等常作为评价机械式负载模拟器性能的主要参数, 负载模拟器的静刚度、寿命可通过有限元法来设计及估算。负载模拟器的选材、制造工艺水平, 尤其是扭杆与各元件之间的可靠连接, 是研制该型负载模拟器的关键因素, 而如何提高国内该类负载模拟器工作的可靠性, 还需要进一步地试验与研究。
摘要：负载模拟器通过弹性元件变形产生的弹性力来模拟工作负载, 弹性元件需在弹性变形范围内工作, 且弹性元件疲劳特性要求很高。负载模拟器在测试时, 各扭杆发生变形比较复杂, 不是简单的弯曲或扭转变形。文中利用有限元法, 计算得到某型负载模拟器的刚度及疲劳寿命, 指出此类模拟器的设计与制造要点。
关键词：负载模拟器,扭杆,有限元,刚度,疲劳寿命
参考文献
[1]朱伟.电动负载模拟器控制方法研究[D].西安:西北工业大学, 2005.
[2]王巍, 李雄峰.机械式反操作负载模拟器优化设计与仿真[J].北京航空航天大学学报, 2011 (2) :161-166.
[3]符文星, 等.弹簧杆刚度对电动负载模拟器的性能影响研究[J].弹箭与制导学报, 2009 (4) :286-288.
[4]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004.
模拟器设计 篇5
陆地移动通信由于受地形、环境等因素的影响，其衰落机理是非常复杂的。但在移动通信信道模拟器模拟的众多信道参数中，呈频率选择性的瑞利衰落占主要地位。即实现信号包络的瑞利分布和相位的均匀分布是信道模拟的核心。
2.1.1 实现瑞利衰落的数学原理
设一个随机过程ξ(t)可以表示为：
式（1）中ξc(t)与ξs(t)分别为ξ(t)的同相分量和正交分量。
可以证明：一个均值为零的窄带平稳高斯过程，其同相分量ξc(t) 和正交分量ξs(t)同样是平稳高斯过程，且均值都为零，方差也相同。另外，在同一时刻得到的ξc(t)与ξs(t)是不相关或统计独立。还可以证明：一个均值为零，方差为σ2ξ的平稳高斯窄带过程，其包络的一维分布服从瑞利分布，其相位的一维分布服从均匀分布，并且就一维分布而言，两者是统计独立的。
综上所述，一个均值为零的平稳高斯窄带过程，其包络的一维分布服从瑞利分布，其相位服从均匀分布，且两者是统计独立的。同时，一个均值为零的窄带平稳高斯过程也可由两个同为平稳高斯过程的同相分量和正交分量合成。
2.1.2 单径瑞利衰落
设单径衰落信道输入为：
式（2）中A(t)和θ(t)分别为频率ωc的载波信号的实际幅度调制和相位调制。用X(t)和Y(t)两个相互独立而分布相同的高斯随机变量调制，输出信号So(t)可以表示为：
于是随机包络R(t)是瑞利分布，随机相位φ(t)在0～2л范围内均匀分布。
由上面的推导可以看出：对输入信号进行正交调制，即为单径无频率选择性瑞利衰落模拟，可实现输入信号的振幅和相位按要求随机干扰，从而实现（3）式所示的数学模型。
2.1.3 多径瑞利衰落
为了简化分析，设输入为一单频正弦信号
经多径传输，输出为：
式（7）中：αi为幅主加权系数，τi是时延，φi是随机相位，N是径数。
在仅有二径的情况下，输出幅度为：
即二径存在时延差，△τ≠0，合成信号场强随频率ω变化。在实际移动通信信道中，由于多径传输，各径时延不同，相对时延差也就不同，从而造成频率选择性衰落。
2.2 多径传播
2.2.1 多径传播径数选择
在移动通信中，存在两个以上的散射体时，接收信号必存在频率选择性衰落。本模拟器使用三径，即能产生三路互相独立的衰落，以便较真实地模拟实际通信环境。
2.2.2 多径传播时延值的确定
典型的实测多径时延最大值为20μs[1]，国内测试结果为15μs，而均方根时延在10μs左右[1，2，3]。本方案采用多种延时灵活选择以便接受实际信道的均方根时延。总延时最小为0.2μs，最大为10.2μs，且包含一直达通路（延时为0）。
2.3 电波传播路径损耗的确定
目前人们对陆地移动通信传播路径损耗预测一般都使用奥村经验模型。但是奥村模型适用范围为：频率100MHz～1500MHz，基站天线高度30m～200m，移动台天线高度1m～10m，传输距离1km～20km。而研制的模拟器所针对信号频率为70MHz，基站天线高度为18m。这与奥村模型适用范围不符，故该模型不能直接应用于本方案。
美籍华裔通信专家李建业先生提出了电波传播预测的Lee模型。该模型不对基站天线高度作具体限制，其思路是先求得区域与区域之间的.信号传输损耗，再求得具体地点点到点之间的传输损耗。
由于本模拟器模拟的是一般环境下的典型路径损耗，不需精确模拟特定到某地区的点到点传输。所以Lee模型的区-区电波损耗计算适用于模拟方案，不需再作误差修正。
用Lee模型计算传播损耗需预先知道各环境下传播距离1英里（或1km）处的确定损耗值。而模拟器模拟的是一般环境，不必一一实地测量，故先用奥村模型计算一般环境下传达室播距离1km处的典型值，再转换运用于Lee模型中。也就是说，所研制的模拟器综合运用奥村模型和Lee模型计算电波传播损耗。
具体传播损耗量如表1所示。
表1 电波传播的路径损耗
传播距离1km8km15km25km传播损耗直线路径69dB87dB91dB93dB城市环境98dB134dB145dB154dB准郊区环境91dB127dB138dB147dB开阔地环境75dB111dB122dB131dB2.4 多普勒频移
在移动通信中，多普勒频移是普遍存在的现象，
fd=v/λ (9)
式（9）中v是移动台速度，λ为信号的波长。对于一个信道路径在方位上均匀分布的实际信道而言，射频率谱的形状为：
式（10）中ωd是移动台运动产生的最大多普勒频移对应的角频率，即：
为了产生这个频谱，用来调制的高斯噪声必须有低通频谱，如式（12）所示：
3 信道模拟器的实现方法
由前面的论述可知，本移动通信信道模拟器的主要功能是瑞利衰落、多径传播、电波传播路径损耗、多普勒频移等。
3.1 瑞利衰落的实现方法
根据式（1）可知，瑞利衰落的实现方法是将输入信号用两种不相关的低频高斯噪声正交调制模拟包络呈瑞利分布、相位呈均匀分布的瑞利衰落，输出信号的功能谱由低频高斯噪声的频谱决定。多径瑞利衰落可以由单径瑞利衰落经延时后合成。
3.1.1 低频高斯噪声的产生
由式（10）确定的带通高斯过程频谱如图1所示。
对应的低通高斯过程频谱如图2所示。
考虑到式（12）表示的滤波器频响不是有理分式，无法直接构造，只能采用数字逼近的方法。由参考文献[2]可知，所需滤波器的频响应为：
H(s)=1/[(0.897s 2+0.31s+1)(0.897s 2+0.31s+1)(0.31s+1)]
图3显示了H(s)的频响与理想滤波器的频响区别。
将上述模拟滤波器进行交换，得到对应的FIR滤波器抽头系数。
使用MATLAB软件生成高斯白噪声，将这个白噪声输入上面FIR滤波器，滤波器输出即为所需要的窄带高斯过程。
将该窄带高斯过程输出置DA，经平没滤波、放大、阻抗匹配，输入下一级处理。
3.1.2 正交调制的实现
实现正交调制的方法有多种，本移动信道模拟器实现正交调制方法采Mini公司的I/Q调制器。其结构如图4所示。
3.2 多径传播的实现
为了实现对多径传播的模拟，采用了Mini公司的功率分配器（简称功分器），将输入信号进行分路。首先对输入信号进行二路功率分配：一路模拟直达通道；另一路再进行三路功率分配，经这不同延时及窄带高斯正交调制，再进行功率合成，输出信号模拟多径传播。
在本信道模拟器中，传播路径的选择、延时选择通过控制模拟开关进行。
3.3 模拟路径损耗的实现
为了模拟传播的路径损耗，本信道模拟器选用固定衰减器与数控衰减器进行组合控制实现。实现衰减量控制的依据是表1。
3.5 多普勒频移的实现方法
由3.1的结论可知，多普勒频移可以通过控制窄带高斯过程的频谱实现。在本模拟器中，通过改变窄带高斯过程的DA转换速率可以实现对窄带高斯过程的频谱控制，从而实现多普勒频移的模拟。
3.6 系统控制及人机界面的实现
系统控制采用基于单片机AT89C52的嵌入式操作系统，可实现对数据控衰减器、模拟开关等的控制，通过对键盘、液晶习实现良好的人机界面。
4 结论
4.1 总体介绍
本信道模拟器的总体结构如图5所示。
信号输入后，分成两路：一路作为直达支路；另一路经延时后，又被分成两路，其中一路用I/Q调制器调制上两路相经独立的低频高斯噪声，其输出的信号包络呈瑞利分布，相位呈均匀分布，由此实现了单径无频率选择性的瑞利衰落；另一路送到下一个延时单元，重要上述过程。各种I/Q调制器输出在合路器相加，其输出信号幅度包络呈瑞利分布，相位呈均匀分布。加上最初的直达信号，还可模拟莱斯信道。模拟实际路径损耗通过控制数控衰减器实现。在直达和延时路径中，分别叠加上可调白噪声，以实现输出信噪比可调。
4.2 功能指标
4.3 主要指标测试方法说明
4.3.1 瑞利衰落测试方法
用TEKTRONIX示波器TDS3052观察模拟器输出波形，如图6所示，可见其包络呈瑞利分布。
4.3.2 衰落波形相位分布测试方法
用Lecroy公司的LC584A示波器测试李沙育图形，图7为该存储示波器积累10s光点扫描的图像。该图用两路相互正交的低频高斯噪声分别控制示波器水平和垂直偏转得到。因为噪声的偏转控制呈90°相对取向，所形成的显示图与此模拟器输出的瑞利衰落信号的随机可变向量的极坐标是等效的。图7中关于原点的任意固定半径圆弧上，光点强度的均匀性表明相位是均匀分布的。
4.3.3 其它指标测试方法
荟萃模拟精英 探讨设计经验 篇6
2009年9月，高性能模拟半导体产品的设计和制造领导厂商美国Intersil公司继连续四年在国内20个城市成功举办模拟精英研讨会之后，今年再次将此活动扩展到新的地区，除了曾经举办过的西安和成都两个城市之外，首次来到长沙、沈阳、郑州和武汉四个城市，为这些城市的模拟精英带来与专家面对面互动的机会。
为了更好地帮助各地模拟工程师了解最新的技术发展趋势和工程应用技巧，Intersil公司特意从美国请来应用工程副总裁黄旭东和应用工程主管梁志翔博士两位模拟电源方面的技术专家，为参会者带来主题为“LBD照明电源的设计”，“高速信号处理解决方案”，“汽车及手持设备的电源管理”，“运算放大器结构及应用”，“面向工业应用的隔离电源解决方案”，“光敏传感器和仪表解决方案”和“高效率高密度直流／直流转换器的设计考虑”等七场演讲，就这些应用领域中的模拟技术发展趋势、应用设计技巧和开发注意问题等，与六地共计近千名模拟精英进行深度探讨。
受到金融海啸的影响，许多半导体公司大幅压缩了市场推广活动，在这样的背景下，Intersil公司依然如此大规模地举办全国模拟精英巡回研讨会，就此问题，Intersil中国区总经理陈宇先生坦言，虽然公司的业务不可避免地受到影响，但在公司层面上，产品研发和市场投入一直没有停顿和减少，而具体到中国市场，Intersil公司的业务依然保持增长的势头，因此公司更要大力进行市场推广活动。中国市场正在涌现越来越多的中小客户和新兴电子技术热点地域，举办这样的巡回研讨会就是希望能够尽快贴近这些新兴的客户，实现与客户的面对面沟通，从而实现覆盖更多客户的市场手段。这次选择的六个城市，都是经过公司深入考虑选择的，一方面这些城市的电子工业发展程度很高，市场需求旺盛，另一方面这些城市也是中小客户集中地域，并且对Intersil产品了解兴趣很浓厚的几个地域。
谈到Intersil在本次巡回研讨会上的收获，陈宇认为，最大的收获是让各地的新客户和新工程师认识和深入了解了公司产品的特点和优势，同时也收获了许多工程师在实际工作中遇到的问题，这有助于公司更好地改进产品设计和服务手段，从而为客户提供更满意的技术支持和产品服务。在本次研讨会上，Intersil公司的主题报告不仅仅是基于技术和产品的介绍、更主要的是每个技术都会给出至少一个参考解决方案，这也代表了公司的一个技术服务的思路，即以提供尽可能全面和尽可能完整的产品解决方案对中小客户提供强有力支持，特别是联合本地的一些分销商进行完整参考设计和解决方案的设计，降低了客户应用产品的门槛，加速了客户产品的开发过程，从而让客户更满意。
Web结构挖掘算法模拟器设计 篇7
Web结构挖掘是通过研究网页之间的链接结构来发现网络的组织结构和链接关系中隐藏的知识。随着互联网的迅猛发展和快速普及, Web上蕴藏的海量信息为数据挖掘提供了无比丰富的资源。其中, Web结构挖掘主要是从Web组织结构和链接关系中推导信息、知识。挖掘页面的结构和Web结构, 可以用来指导对页面进行分类和聚类, 找到权威页面、中心页面, 从而提高检索的性能;同时还可以用来指导网页采集工作, 提高采集效率。
本文对Web结构挖掘技术进行深入的学习研究, 探讨Web结构挖掘中的关键算法, 设计一个算法模拟器, 以使Web结构挖掘适应对海量数据分析与挖掘。
Web结构挖掘算法
Web结构挖据采用目前数据挖掘领域中的一些经典算法作为本模拟器所要实现的算法对象, 主要有关联规则和聚类两大类算法。
1 关联规则
关联规则是用来发现大量数据中项集之间的关联或相关联系。其形式化定义如下:
设I={i1, i2, …, im}是由m个不同项目组成的集合, 称为项集.设任务相关的数据D={t1, t2, …, tn}是事务数据, 其中ti称为一个事务, 是项的集合.每一个事务都有一个唯一的标示符, 称作TID.设X中包含K个项, 则X被称为K-项集。而关联规则是形如X=>Y的蕴含式, 其中X∈I, Y∈I, 并且X∩Y=φ。
由上面定义可知, 关联规则挖掘问题就是在事务数据库D中寻找具有最小支持度和最小置信度的关联规则.关联规则的挖掘是一个两步的过程。
(1) 找出所有频繁项集。
(2) 由频繁项集产生强关联规则。
2 聚类
在数据挖掘中, 聚类分析能作为一个独立的工具来获得数据分布的情况, 观察每个簇的特点, 集中对特定的某些簇做进一步的分析。此外, 聚类分析还可以作为其它算法 (如特征和分类等) 的预处理步骤, 这些算法再在生成的簇上进行处理。
本文主要对层次聚类中的凝聚算法以及划分聚类算法中的K-均值聚类算法进行分析。
2.1 层次聚类
层次聚类是按照一定的相似性判断标准, 合并最相似的部分, 或者分割最不相似的两个部分, 如果合并最相似的部分, 那么从每一个对象作为一个类开始, 逐层向上进行聚结, 直到形成唯一的一个类;如果分割最不相似的两个部分, 那么从所有的对象归属在唯一的一个类中开始, 逐层向下分解, 直到每一个对象形成一个类。
2.2 划分聚类
与层次聚类技术不同, 划分聚类生成的是在同一层次上的若干个聚类。如果想要生成K个聚类, 采用划分方法可以一次找到所有的K个聚类。而传统的分层方法是把一个聚类分成两个或者把两个聚类合并成一个, 这样一步一步生成一个系统树图。当然, 用分层方法也可以在系统树图的某一层上生成K个聚类。
算法模拟器实现
应用这些算法从模拟数据资源中发现模式或关系, 并最终以图形的方式将结果显示出来。
挖据模拟器系统设计利用matlab中所需要用的函数以及在vc中设计CApriori View类所需要建立的函数实现, 建立一个名为Apriori的应用程序, 并设置vc的头文件搜索路径和库文件搜索路径。
算法模拟器运行效果如下图所示:
结束语
多波束视频信号模拟器的设计 篇8
雷达目标模拟是系统模拟技术与雷达技术相结合的产物, 雷达回波信号可以认为是由发射波形经过延迟和多普勒频移后的复现波形所构成。模拟技术广泛用于对雷达系统的调试、性能评价。采用雷达目标模拟技术, 可以缩短雷达的研制周期, 减少雷达的研制费用等。实时雷达信号模拟的应用贯穿于雷达的研制、调试和操作使用的各个阶段。
单波束视频信号模拟器产生多普勒模拟信号, 并通过对发码的数字延时模拟一定距离的回波延时, 但不模拟各信道间的相位关系。
对于雷达回波信号为多路接收信道的回波信号, 目标信号在各信道间有一定的相位关系, 波束形成分机利用这种相位关系完成多波束接收。为了更好的模拟回波信号, 验证波束形成情况, 需要模拟各信道间的相位关系, 因此有必要设计多波束视频信号模拟器。
基于DDS (直接式数字合成) 与FPGA相结合实现雷达目标模拟技术, 提出了一种多波束视频信号模拟器的实现方法。雷达目标回波信号主要包括三种信息:幅度信息、频域信息、时域信息。在三种信息的处理上, 目前都有相应的技术途径, 如幅度模拟可由大动态的程控衰减器实现, 目标多普勒频率可通过DDS实现, 也可以通过高速数字信号处理系统的运算实现。相对幅度和频率信息的实现而言, 距离延迟的实现在过去相对较难。以往的方法是采用声表面波延迟的方法来实现, 但信号质量较差, 带宽较窄。现在实现的方法较多, 可以在数字信号处理系统中通过延时控制来实现。
1. 设备组成
1.1 系统结构
本系统可模拟多路回波信号, 设计上采用四块视频信号模拟板组合来实现。每块视频信号板对应着2个通道——每通道分I、Q两路共4路信号的模拟, 这样, 信号模拟器可生成8个通道共16路模拟信号, 用来模拟某系统的输出, 用来调制对应的信号处理器。多波束视频信号模拟器由上述四个视频信号模拟单元、同步控制单元、对外控制接口和计算机上的交互软件等组成。系统的构成框图与连接关系如下图1所示。
如图1, 设备包括1块主控视频信号模拟板和3块从视频信号模拟板 (每块板可模拟4路信号) 。为保证各路信号的一致性, 所有视频信号板采用相同的PCB设计。一个视频信号模拟板作为主控板, 用来与上位机进行通信并产生同步信号发送给各从板, 以同步所产生的各路信号。背板实现电源变换和基准时钟同步功能。背板为各视频信号板提供统一的基准时钟, 并将外部输入的伪码和码钟送入各视频信号板, 用一个并行总线口传递控制数据、同步各板的信号及为各板供电。
视频信号板可对伪码进行延时和调制;可以将发码调制到一个低频多普勒频率;以此来实现视频信号的动目标模拟。多波束视频信号模拟器可以对目标的俯仰角、速度、距离等参数进行模拟, 与计算机通过RS232接口进行数据通信。通过计算机提供的人机交互界面, 进行参数设置和状态显示。模拟器根据上位机设定的目标参数生成视频信号。
计算机上的终端监控软件与模拟器采用串口进行通信, 半双工, 终端软件完成对设备的自检、初始化、参数查询和参数设置的功能。用户按下软件界面的自检按钮, 监控软件完成对设备各部分的自检, 并显示各部分的自检结果。软件刚启动时对设备进行自检一次, 并对设备参数进行初始化设置。
按下参数查询命令后, 监控软件向模拟器发送参数查询命令, 模拟器返回当前的目标参数, 监控软件将当前参数显示在界面上。
进行参数设置时, 监控软件先向模拟器发送相应的设置命令, 监控软件再向模拟器发送参数查询命令, 模拟器返回当前的目标参数, 并将当前参数显示在界面上。
1.2 视频信号模拟板
视频信号模拟板为整个系统的核心部分, 视频模拟信号产生基于DDS技术来实现, DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可实现多种数字与模拟调制的优点。
所设计的视频信号模拟器每板都使用一片AD公司的AD9959单片四通道DDS集成电路。AD9959含有四路DDS单元, 最高工作频率可达500M, 每一路的频率、相位、幅度都独立可控, 其各通道之间的隔离度优于65dB, 且支持多片之间的同步。基于这种灵活性, 就可以校正由于PCB布局布线、滤波和放大等模拟处理带来的信号之间的失衡。所有的通道都共用一个系统时钟, 因此可保证各通道的同步性。
视频信号模拟单元的原理框图如图2所示。
视频信号模拟单元主要由MCU (微控制器) 、FPGA、DDS模块、幅度控制和对外控制接口等组成。MCU完成与上位机的通信, 接收上位机所发的信令, 将计算后得到的各控制参数送入FPGA, 并将设备当前参数和工作状态发送至上位机。FPGA完成寄存器读写、延时控制、频率相位控制等功能, 产生各控制时序信号以及各板之间的同步信号, 控制各个DDS通道产生所需的信号, 各通道的信号经由DAC (数模转换器) 转为模拟信号, 滤波后, 又通过一个数控衰减器输出, 用来对信号的幅度进行控制。视频信号模拟板还可接收外部输入的伪码, 对其进行延时和调制。
数控衰减器采用AD公司的集成电路, 它由8位数据线控制, 理想动态范围可达80dB以上, 步进为0.375dB。这样, 就可以对所产生信号的输出幅度进行精确和大动态范围的控制, 以满足系统的使用要求。
1.3 多通道模拟原理
本系统可产生8通道共16路模拟信号, 模拟接收的多路回波信号。对于雷达中回波信号为多路接收信道的回波, 目标信号在各信道间有一定的相位关系。下图3为各阵元接收信号示意图。
设N个接收阵元沿一个直线布设, 相对于阵轴法线的θ的方向上, 两阵元的波程差引起的相位差为:
所以针对某一个θ角, 只需要根据式 (1) 计算出阵元间的相位差ψ, 并使各模拟通道多普勒信号相位差为ψ就可以模拟各阵元接收到的目标回波信号。达到模拟目标俯仰角的目的。
2. 测试与分析
2.1 测试方法
在设备设计调试完成后, 对其所产生的各路信号进行了测试。测试的内容包括各路信号的多普勒频移、各通道之间的相位偏移以及输出幅度等。测试框图如下图4所示。
在进行多普勒频移和相位偏移测试时, 先不加伪码信号, 用计算机上的交互软件对模拟器参数进行设置, 用Agilent示波器观察所输出信号的波形, 测试中用的是Agilent公司的数字示波器, 其采样率可达1GSa/s, 可对两路信号的相位差进行较精确的测试。示波器的两路输入分别接模拟器的两路输出信号, 以通道I1路的相位为基准, 分别测其余15路与I1的相位偏移。通过软件改变多普勒频率、输出信号幅度等设置参数, 用频谱仪来测试各路信号的频率和幅度值;
用伪码发生器输入伪码信号, 利用频谱仪观察输出调制信号的波形, 用示波器同时观察发码和输出信号, 调节距离延时, 观察输出信号与发码的相对延时变化。
2.2 结果与分析
设备的各项测试结果不能在此全部列出, 只列出了部分测试结果。由于所设计的是多波束模拟器, 比较关注各信道模拟信号之间的相位关系, 因此给出了各路之间相位偏移的一部分测试结果, 表1列出的数据是在表中所示的两个频率之下, 俯仰角设置分别为2°和10°时, 通道1~4中I与Q各路信号之间的相位测试结果, 通道5~8各路信号的测试结果就不在此一一列出。各路相位都以第1通道I路的相位为基准。表2列出的是对通道1的所产生频点的测试结果和信号经过数控衰减器后的幅度测试结果。
由上表可见, 各通道之间的相位偏移与上面1.3节公式1的计算结果相一致, 各通道I路和Q路之间的相位差为90度, 测试结果最大误差为0.7度, 在允许的范围之内, 表明其正确模拟了雷达回波信号在各信号间的相位关系。除此之外, 对设备其它参数的测试结果也均满足要求。测试结果表明, 所产生的信号频率精确, 频谱干净稳定。各路信号所模拟的多普勒频偏、各信号之间的相移、距离延时、信号幅度均达到了使用要求。系统性能稳定, 能够较真实地模拟雷达信号。
所设计的系统目前已经用于雷达接收机的调试, 运行性能稳定。
3. 结束语
多波束视频信号模拟器基于DDS与FPGA技术相结合的硬件设计, 整个系统采用板卡式结构, 各路视频信号的生成使用相似的硬件电路。目前本设备在某种雷达研制的调试和检验过程得到了应用, 效果良好, 系统的各项性能可以满足应用要求。
雷达目标模拟器作为雷达的一种辅助设备, 它的应用越来越受到重视, 所以对通用雷达模拟器的研究也会逐渐的丰富起来。所研究的内容只涉及了这一领域的一部分, 对通用雷达模拟器的研究必将会随着雷达系统的发展, 以及模拟技术的发展而逐渐充实。在将来的模拟器设计中可以进一步从通用化、仪表化和可扩展等方面进行研究。
参考文献
[1]AD公司AD9959Data Sheet.2005Analog Devices, Inc.
[2]丁鹭飞雷达原理[M].西安电子科技大学出版社, 2002
[3]杨剑峰多波束形成的信号接收系统设计.电子科技[J].2009, 24 (4) :39-41
智能断路器模拟器的设计 篇9
关键词：断路器模拟器,STM32f100,Modbus通讯协议
0 引言
电力系统中,配电是一个极其重要的环节。配电系统包括变压器和各种高低压电器设备,低压断路器是电力系统中应用最广泛且是最重要的电器设备之一,它在供电和配电系统中主要担负输配电控制、切断故障电流、保护电网和用电设备的安全运行等工作[1,2]。
继电保护工作中,为方便调试,模拟断路器的出现就显得很有必要。模拟断路器不仅可以完全实现普通断路器对继电保护系统发出的通断信号做出反馈,对普通断路器进行通断控制和测试,对保护装置进行检测,确保保护装置的无误稳定的工作,在提高继电保护工作效率的同时,延长了模拟断路器的使用寿命。
传统的模拟断路器,主要表现在位置一旦确定就不能再改变,而且性能也不是特别符合生产和工作中的需求[3]。基于8bit的单片机的断路器,很难满足目前的要求。DSP逐渐运用到智能模拟断路器中,可是,性价比不高。自从ARM公司推出Cortex-M3后,其价格优势就比较明显了,M3主要是面向低成本和高性能的MCU应用领域,其可选的产品型号也较多,价格也较便宜。本设计便是在STM32f100微处理器的平台上,设计一种新型的智能模拟断路器[4]。
1 系统总体方案设计
本设计主要用来解决备用电源自投设备的调试和继保调试等实际工作中经常遇到的各种实际问题。在现有的断路器的基础上,以STM32f100为控制中心,设计出一种智能型的模拟断路器,实现了按键、无源开入量和485通讯协议三种方法控制主回路的通断,能够实时显示电路的通断状态,同时可以实现开关量的输出。工作过程中,模拟断路器以其完善的功能和特点,不仅可以实现断路器的功能,而且可靠性更高,操作更加简单,性能更加优良。
系统功能分析的基础上,结合实际的需要,将整个系统分为以下9个模块:STM32f100控制模块、AC220V电压输入模块、按键模块、无源开入量模块、通信模块、AC220V电压输出模块、开关量输出模块、LED显示模块、电源模块,系统总体结构功能框图如图1所示:
2 系统的硬件电路设计
2.1 电源模块
在3.3V电源转换中,输入电源DC24V,经过DC-DC转换芯片WRB2405降到5V电压,再通过电容滤波得到较稳定的5V电压[5]。然后,经过低压差线性稳压器AMS1117-3.3转换成标准的3.3V,通过电容滤波得到稳定的3.3V电源[6]。
在C+5V电源转换中,在DC-DC转换芯片WRB2405将DC24V降到5V电压的基础上,再经过DC-DC电源隔离模块B0505LS-1WR2输出稳定的5V电源。
2.2 通讯模块
RS485通信模块中,通过芯片SN65LBC184的两个引脚DE和RE实际接收的高低电平判断单片机是接收信号还是发送信号,如果是低电平,则单片机接收信号,反之,单片机发送信号。同时,为减少外界对系统的干扰,SN65LBC184芯片接收和发射端的信号通过高速光耦HCPL0600有效隔离,控制端通过PC817进行隔离。
2.3 主回路分合闸控制模块
主回路分合闸控制模块中,通过来自微处理器的信号控制光耦的通断,从而控制单相主线路的导通与关断。同时采用承受电压高达350V的光耦隔离器件KAQY210,将微处理器和高压电路隔离,减小电路干扰,增强稳定性。
2.4 主回路分合闸状态显示模块
模拟断路器分合闸状态显示模块中,输入端为低电平时,光耦导通红灯亮,绿灯灭;反之输入为高电平时,光耦不导通,红灯灭,绿灯亮。
在两个LED灯的一端,同时加上24V电压,其中绿灯和二极管1N4148串联接入支路中。由于红色发光二极管的压降为2.0~2.2V,绿色发光二极管的压降为3.0~3.2V,二极管1N4148抬高绿灯的导通电压,使得两个LED灯不能同时点亮。同时在主回路中加上2K的电阻进行限流保护。
在输入控制部分,采用线性光电耦合器PC817作为隔离元件,使电路中的之前端与负载完全隔离,以增强安全性,减小电路干扰。主回路分合闸状态显示模块电路如图2所示:
2.5 主回路得失电LED显示模块
模拟断路器的主回路得失电显示电路中,在单相与零线之间接入一个发光二极管,串入一个限流电阻,同时,在发光二极管的两端反并联一个保护二极管,防止回流烧毁发光二极管。
单相电压在220V左右,串入一个大小100K功率为2W的电阻进行保护,为防止反向击穿,用最大输入反向峰值电压为1000V的二极管IN4007进行保护。流过发光二极管的电流大约为3~5m A,保证发光二极管的正常工作。
2.6 开入量模块
无源开入量模块中,通过DSPin1或DSPin2与公共端的连接控制光耦PC817的通断,从而把无源开入量的分闸/合闸信号送给处理器进行逻辑控制主回路的断开/闭合。
2.7 开关量输出控制模块
两路继电器状态输出控制模块中,通过单片机发出的控制信号控制光耦TLP127的通断,从而控制继电器两路常开信号的分合状态。同时,光耦TLP127对24V继电器和单片机进行隔离,减少电路干扰。
3 系统软件设计
软件设计中主要用到的处理器的资源有I/O口的输入输出、定时器2中断、定时器3中断和串口3中断等。软件代码的编写在很多的地方都调用STM32F20x_Std Periph_Lib_V3.5.0编程固件库,在程序代码的编写中通过适时的调用固件库的封装函数,可以避免了直接去操作底层的寄存器,这样大大缩短了设计周期,对编程人员来说省时又方便。
软件设计分为四个部分,即主程序模块、信息采集模块、通讯模块、逻辑信息处理模块。
通讯模块采用Modbus RTU通讯协议,采用RS485总线通讯,通过处理通讯信息得到模拟器的分合闸控制信息,本部分主要利用两个中断完成,一个是定时器2的中断,另一个就是串口3的接收中断。在信息采集模块,通过定时器3设定一个时间片来定时外部调用通讯控制信息、同时采集无源开入量控制信息和按键控制信息,并将三种不同控制方式的分闸信号进行或运算,再将三种控制方式的合闸信息进行或运算,分别把两个或运算的结果分别赋值给两个分合闸的变量,用于逻辑信息模块的调用;逻辑信息处理模块通过外部调用信息采集模块的分合闸的控制变量,进行逻辑控制,主要是实现模拟断路器的逻辑自保护的功能。
主程序的流程图如图3所示。
4 结束语
本文介绍了基于STM32f100断路器模拟器的设计,实现了预期的功能,使得智能断路器在功能的多样性、判断准确性、实时性、人机交互及二次开发的便利性等方面都会有极大的改进。本设计仍还有一些部分内容可以再细化和优化,如考虑过压保护器件TVS管的漏电流情况以及监控主回路电压得失信息的检测电路等内容,就要再完善电路的设计,从而完成更多的功能。
参考文献
[1]黄永红,张新华.低压电器[M].北京:化学工业出版社,2007,3-8.
[2]何瑞华.我国低压断路器现状与发展方向[J].电气技术,2009(6):9-13.
[3]何瑞华.我国断路器现状与发展动向[J].电气技术,2009,6(6):9-13.
[4]曹云东,矫莉.基于高速ARM低压断路器的控制器设计[J].沈阳工业大学学报,2008,2(6):245-248.
[5]MORNSUN Science&Technology Ltd.WRB2405S-1W Datasheet[EB/OL].http://cn.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=WRB2405S-1W.
一种迎角模拟器设计研究 篇10
迎角也称为攻角,它反映飞机轴线与气流方向间的夹角。迎角大小与飞机的升力和阻力密切相关,当达到临界迎角时,飞机将失速,所以飞行控制中迎角的测量十分重要。一方面,将迎角信号输送给仪表显示或送到失速告警系统,供飞行员观察; 另一方面,飞控系统引入迎角信号以限制最大法向过载。飞控系统地面模拟试验最重要的环节为半实物仿真,而试验中飞机运动由计算机仿真实现,无法直接带动迎角传感器。为使迎角传感器进入闭环试验,从而给飞控系统提供模拟的飞机迎角信号,必须研制一种迎角模拟器进行驱动。
1主要技术指标
由于试验中迎角模拟器的主要作用是将模拟的飞机迎角信号引入飞控系统,故迎角模拟器设计的主要技术指标有转角范围、位置精度和系统工作频带等,具体指标确定方法如下:
1) 转角范围
迎角模拟器转角范围须大于飞机的迎角范围,考虑到民机实际迎角范围不大,可参考传感器测量范围将模拟器设计为有限转角: - Φ° ~ + Ф°。
2) 位置精度
迎角模拟器位置精度需要比迎角传感器精度高一到两个量级,考虑到传感器的精度量级为十分之一度,模拟器定位精度设计为角秒级: ± θ″。
3) 系统工作频带
迎角模拟器的系统频宽须大于飞机运动的最大频率。根据飞机纵向短周期和荷兰滚最大速率确定飞机的最大频率,一般取3 ~ 5倍作为模拟器的系统频宽,为输入正弦信号Asin( 2πft) ,幅值 ± A°,其中幅频误差│ΔA/A│≤10% ,相频误差│ΔФ│≤10°。
2机械台体设计
2.1迎角传感器工作原理
民机常用的风标式迎角传感器结构原理如图1所示,传感器由具有对称剖面并随气流变化而转动的翼形叶片 、 放大传动机构和电位计构成 。 翼形叶片与放大传动机构的轴固连,传动机构的另一端与电刷固连 。 当飞机以一定的迎角飞行时,作用在叶片上下表面的气动力不相等,产生压差,使叶片绕轴旋转,直到中心线与迎面气流方向一致为止。叶片转角就是飞机当时的迎角,经放大传动机构,带动电刷转动,输出与迎角成比例的电信号[1]。
2.2台体结构设计
根据迎角传感器工作原理,采用专门设计的夹具将迎角传感器的风标与电机转轴机械连接,利用电机对迎角传感器进行驱动,这种连接只要电机能够带动迎角传感器风标转动即可。迎角模拟器台体设计为单轴卧式回转台,主要由安装座、工作台面、电机、编码器、夹具、支架、迎角模拟器、底板等组成,如图2所示[2], 电机、编码器布置在安装座内部。
迎角模拟器的动力采用一个直流力矩电机直接驱动,电机定子安装在安装座上,电机转子与回转轴系直联,回转轴前端安装工作台面,与主轴法兰连接销钉定位,工作台面上安装夹具,用于驱动迎角传感器。支架与回转安装座共用底板,保证驱动电机与迎角 传感器同轴。 台面材料采用优质铝板 材, 以减少转动惯量,满足指标要求; 底座材料采用高强度优质铸铝; 轴系通过一对P4级精密角接触球轴承支撑[3]。转台所需控制电缆连接器安装在底座上,便于维护。转角 ± Ф°外安装电气和机械限位保护。在台面零度位置有定位器锁紧装置,便于负载安装和锁紧状态断电。
2.3驱动电机选择
电机的选择直接影响迎角模拟器的最大加速度、最大速度、 频带指标,同时影响到台体的结构和尺寸设计,因此电机的选择是结构方案初步确定的首要工作。电机的力矩波动是制约低速平稳性和速率精度、速率稳定度的重要因素。而钕铁硼直流力矩电机力矩波动小,线性度好,电气时间常数小; 并且力矩大,过载能力强,快速反应性好。因此选用这种力矩电机有利于低速性能,速度稳定性及频率响应等要求的实现。电机选型计算如下:
首先建立机械台体三维模型,得到台体的转动惯量J1和迎角传感器的转动惯量J2。
按照位置伺服方式计算:
最大角速度 = A2πf
最大角加速度
最大力矩
式中A , f— 正弦信号Asin ( 2πft ) 的幅值和频率;
J— 转动惯量 。
按照最大角加速度计算:
最大力矩M2= J × ε = ( J1+ J2) × ε/57. 3
式中J , ε— 转动惯量,最大角加速度 。
最后按以上两种计算方式的最大力矩,选取合适的直流力矩电机并留有余量。
3控制系统设计
3.1控制系统硬件设计
控制系统是实现迎角模拟器性能指标和功能的最关键部分。 控制系统硬件包括工控机、运动控制卡、功率放大器、电机、编码器以及供电电路、控制电路等。控制系统硬件框图如图3所示。
在硬件配置上,采用工控机加高性能运动控制卡相结合的方式。工控机用于为操作者提供人机界面,完成除运动控制之外的所有系统管理和控制,主要包括运动管理,通讯,在线检测、安全保护、故障诊断,数据处理等。运动控制卡选用美国Delta Tau公司研制的PMAC - Lite - 2轴运动控制卡,采用数字伺服控制方式,可快速计算系统的控制规律,由高精度D/A输出经功放驱动后给执行电机,实现系统的实时控制。桂林星辰公司的SC系列直流伺服功率放大器实现对直流力矩电机的控制,并接收台体的速度反馈信号,进行速度综合[4]。海德汉高精度光电编码器作为系统的主反馈元件,对轴角运动进行测量与反馈。
3.2控制策略
控制系统采用位置、速度和电流三闭环伺服控制策略。电机驱动电流与直流伺服功率放大器构成电流闭环,改善电机的工作特性和安全性。光电编码器信号经过转换处理后构成速率闭环, 以改善执行元件控制特性的线性度和动态特性。位置闭环是控制系统的主回路,光电编码器作为系统的主反馈元件,与PMAC运动控制卡构成数字式角位置伺服回路,控制执行元件的运动, 满足迎角模拟器的各项动态性能指标[5]。同时引入速度和加速度前馈,使系统具有良好的动态特性和克服干摩擦扰动的能力[6]。图4表示了控制策略的简化框图。
3.3光电编码器选择
轴角运动的测量与反馈是实现迎角模拟器运动控制的关键技术之一,选用高分辨率、高精度、宽速率范围的光电编码器作为角运动测量与反馈部件。编码器选择的原则是: 测量精度应能满足指标要求; 安装尺寸和方式应能适应结构要求; 输出信号方式与控制器接口的匹配性能; 为了保证低速和跟踪性能需要,适当提高测量分辨率; 安装与调整的工艺性。选用的光电编码器主要技术参数如表1,相关计算如下:
1 ) 角位置测量分辨率
2) 根据编码器测量误差 ± θ″1、测量分辨率 Δθ 和安装误差 ±θ″2,得到角位置定位精度
3) 信号频率
编码器输出信号最高频率取决于测量分辨率和最高转速,信号最高频率计算如下:
而PMAC运动控制卡最高处理信号频率为80 MHz。
δθ < θ 并且f < 80 Hz,则可以满足系统位置精度的要求。
4结束语
基于工作过程的模拟教学设计 篇11
关键词：基于工作过程；模拟教学；IT服务外包
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1005-1422（2014）04-0087-02
一、基于工作过程的模拟教学的必要性
基于工作过程的模拟教学是由工作实际来确定典型的工作任务，并为实现任务目标由学生模拟完整的工作程序的教学实践活动。近年来，中等职业教育都以培养学生职业能力为目标，很多中等职业技术学校大力推行工学结合、校企合作的培养模式，通过顶岗实习的形式，加强学生的生产实习和社会实践，在日常教学中也不断推行教育教学改革，以突出学生专业技能、综合能力及综合素质的培养。基于工作过程的模拟教学是加强学生专业技能培养的最直观、最有效的教学法。通过学生的模拟活动，可以使学生熟悉企业的工作流程，了解行业规范，了解人才需求，从而增强学生的学习兴趣，也有利于学生进行职业人生规划。在进行模拟教学前，首先要对行业现状进行深入的调研，了解行业的发展动态及企业的人才需求，本文主要以当前IT行业中比较热门的IT外包业务为基础探究基于工作过程的IT服务外包业务模拟教学。
二、IT行业现状分析
IT全称Information Teachnology，意为“信息技术”，包括计算机、网络、通讯等信息领域的技术。随着互联网技术的迅速发展和日渐成熟，信息技术已经成为我们工作和生活中的一个重要部分，信息产品已经深入到各行各业，然而信息技术的日新月异，信息产品的迅速推陈出新及使用时出现的千变万化的问题，使得企业面临IT系统难以维护的难题，如何减轻维护压力，从而专注企业的核心业务成为企业的重要战略之一。20世纪90年代，美国著名管理学者德鲁克曾预言：“在未来10年至15年之内，任何企业中仅做后台支持而不创造营业额的工作都应该外包出去。” 在此形势下，IT服务外包业务应运而生，并在2000年后成为一个持续快速成长的行业。据统计，企业如果选择IT服务外包业务，通常可节省65%以上的人员开支和人力资源管理成本，从而使企业更专注于核心业务并获得更为专业和全面的稳定服务。
IT服务外包，就是企业战略性地选择外部专业和服务资源，以替代内部部门和人员去承担企业IT系统或系统涉及的业务流程的建设、运营、维护和支持，包括信息咨询、软件升级、硬件维修等全方位的服务。以IT服务外包为背景，设计基于工作过程的模拟教学，可以让学生对当前IT业的运作有更深刻的理解，为进入IT行业奠定基础。
三、工作过程剖析
模拟教学实施的前提是学生具备满足工作需要的专业知识和技术服务能力，明确工作任务及工作流程，然后进行合理的人员安排，分配工作任务进行角色扮演。
（一）技术能力要求
对于一个中大型企业而言，IT服务包括软件的安装与调试，桌面设备（台式机、笔记本、打印机等）的维护服务，网络设备及服务器的维护等，一般需要包括以下3方面的能力要求：（1）桌面支持及应用管理：要求具备计算机应用基础、计算机网络基础、计算机桌面操作系统的基本知识，能熟练进行系统的安装与调试、邮件系统配置与管理、网络安全设计和网络安全配置与管理、病毒防护系统的部署与配置、常用软件的安装与排错。（2）系统管理：包括网络基本架构的实现与管理、网络服务器操作系统的安装配置与管理、目录服务的实现与管理、数据库配置与管理。（3）硬件维修：熟悉计算机硬件基础和原理，能进行笔记本、台式机、服务器存储故障的诊断与维修，熟悉外部设备的原理及常见故障的维修。
（二）工作流程
IT服务外包业务主要涉及计算机软、硬件的安装与维护，网络搭建与维护及其他桌面设备（打印机、扫描仪）的维护，工作的内容包括接收客户的服务请求，根据客户需要作出响应，服务进度的跟进及服务质量反馈。
（三）岗位需求
根据服务的工作流程，IT外包项目的工作岗位可以划分为：项目主管、项目协调、硬件工程师、网络工程师、软件工程师等。（1）项目主管：负责整个项目的管理工作，确保全部工作在预算范围内按时优质地完成，制定工作计划、项目执行计划、人员配置计划、工作分解结构，上级与下级之间的协调。（2）项目协调工作内容包括：接收内部用户和内部IT的服务请求，为客户提供统一的服务接口，统一电话号码、专用报修邮箱等。（3）硬件工程师的工作包括： PC设备维护，PC故障诊断及排除，外设设备维护，电话设备维护等（4）网络工程师的工作包括：网络设备管理维护，网络资源、用户的管理，服务器设备日常维护，网络故障的排除等。（5）软件工程师的工作包括：PC操作系统的安装与维护，驱动、系统补丁安装，Windows 7操作系统，Office 2007、Outlook等常见软件技术支持，防病毒软件的安装及病毒的查杀等。
四、工作过程教学的实施
模拟教学是将教学融入到职业情境中，实现对整个工作过程的模拟，在这个过程中，学生是角色的扮演者，是工作的承担者，在项目完成过程中学生可以获得相应的工作经验，学会解决问题的方法；教师是任务的传达者，是工作的指导者，是过程的组织者，需要鼓励学生通过协作完成任务，并对学生的工作过程给予评价。
教学实施过程可以分为五个阶段：（1）教师引出工作任务，剖析工作过程，讲述必要的知识，准备相关的资料等；（2）师生共同确定人员分工，先划分成几个小组，小组内根据工作岗位进行分工，每个小组既是项目组成员，也是客户的扮演者，需要给其他小组提出服务请求；（3）学生模拟工作过程，创设故障现场，向其他小组提出服务请求，接收到服务请求的小组，根据服务流程解决故障，完成服务任务，整个过程中教师作为指导者，解惑释疑；（4）制定评价标准，师生共同评价学习成果；（5）教师对模拟教学过程进行总结，引入新知识、新内容，学生自主创设新情境。
五、教学效果评价
基于工作过程的教学，突破了传统的以教师为中心的授课模式，教学中强调以学生为主体，学生在做中学，做中想，做中总结，充分调动了学生的学习积极性。IT外包服务项目有典型的工作任务，工作流程清晰，目标明确，容易理解，学生在角色扮演的过程中，通过接受服务请求，响应服务请求，能很好了解整个工作流程，实践了专业技能；通过小组成员互相合作解决问题，可以培养团队合作精神，学会解决问题的方法；工作过程中还要涉及与客户的沟通、交流，遵循服务规范，有利于学生建立良好的职业素质。
参考文献：
[1]丁度坤.关于工作过程导向教学法的几点思考[J].中国科教创新导刊，2011（25）.
[2]姜大源.关于工作过程系统化课程结构的理论基础[J].职教通讯，2006（01）.
[3]李玮.情景模拟教学法对管理学教学的启示[J].教育探索，2008（07）.
[4]王云峰.模拟教学法在职业教育实训教学中的应用[J].乌鲁木齐职业大学学报，2011（04）.
[5]刘宇熹，陈尹立.IT服务外包理论、方法与实务[M].北京：清华大学出版社，2010.
责任编辑 何丽华
摘 要：基于工作过程的模拟教学是加强学生专业技能培养的有效方法，通过深入研究当前比较流行IT服务外包业务，剖析IT服务外包业务的工作过程，设计项目需要的工作岗位，从而实施对基于工作过程的IT服务外包业务模拟教学。
关键词：基于工作过程；模拟教学；IT服务外包
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1005-1422（2014）04-0087-02
一、基于工作过程的模拟教学的必要性
基于工作过程的模拟教学是由工作实际来确定典型的工作任务，并为实现任务目标由学生模拟完整的工作程序的教学实践活动。近年来，中等职业教育都以培养学生职业能力为目标，很多中等职业技术学校大力推行工学结合、校企合作的培养模式，通过顶岗实习的形式，加强学生的生产实习和社会实践，在日常教学中也不断推行教育教学改革，以突出学生专业技能、综合能力及综合素质的培养。基于工作过程的模拟教学是加强学生专业技能培养的最直观、最有效的教学法。通过学生的模拟活动，可以使学生熟悉企业的工作流程，了解行业规范，了解人才需求，从而增强学生的学习兴趣，也有利于学生进行职业人生规划。在进行模拟教学前，首先要对行业现状进行深入的调研，了解行业的发展动态及企业的人才需求，本文主要以当前IT行业中比较热门的IT外包业务为基础探究基于工作过程的IT服务外包业务模拟教学。
二、IT行业现状分析
IT全称Information Teachnology，意为“信息技术”，包括计算机、网络、通讯等信息领域的技术。随着互联网技术的迅速发展和日渐成熟，信息技术已经成为我们工作和生活中的一个重要部分，信息产品已经深入到各行各业，然而信息技术的日新月异，信息产品的迅速推陈出新及使用时出现的千变万化的问题，使得企业面临IT系统难以维护的难题，如何减轻维护压力，从而专注企业的核心业务成为企业的重要战略之一。20世纪90年代，美国著名管理学者德鲁克曾预言：“在未来10年至15年之内，任何企业中仅做后台支持而不创造营业额的工作都应该外包出去。” 在此形势下，IT服务外包业务应运而生，并在2000年后成为一个持续快速成长的行业。据统计，企业如果选择IT服务外包业务，通常可节省65%以上的人员开支和人力资源管理成本，从而使企业更专注于核心业务并获得更为专业和全面的稳定服务。
IT服务外包，就是企业战略性地选择外部专业和服务资源，以替代内部部门和人员去承担企业IT系统或系统涉及的业务流程的建设、运营、维护和支持，包括信息咨询、软件升级、硬件维修等全方位的服务。以IT服务外包为背景，设计基于工作过程的模拟教学，可以让学生对当前IT业的运作有更深刻的理解，为进入IT行业奠定基础。
三、工作过程剖析
模拟教学实施的前提是学生具备满足工作需要的专业知识和技术服务能力，明确工作任务及工作流程，然后进行合理的人员安排，分配工作任务进行角色扮演。
（一）技术能力要求
对于一个中大型企业而言，IT服务包括软件的安装与调试，桌面设备（台式机、笔记本、打印机等）的维护服务，网络设备及服务器的维护等，一般需要包括以下3方面的能力要求：（1）桌面支持及应用管理：要求具备计算机应用基础、计算机网络基础、计算机桌面操作系统的基本知识，能熟练进行系统的安装与调试、邮件系统配置与管理、网络安全设计和网络安全配置与管理、病毒防护系统的部署与配置、常用软件的安装与排错。（2）系统管理：包括网络基本架构的实现与管理、网络服务器操作系统的安装配置与管理、目录服务的实现与管理、数据库配置与管理。（3）硬件维修：熟悉计算机硬件基础和原理，能进行笔记本、台式机、服务器存储故障的诊断与维修，熟悉外部设备的原理及常见故障的维修。
（二）工作流程
IT服务外包业务主要涉及计算机软、硬件的安装与维护，网络搭建与维护及其他桌面设备（打印机、扫描仪）的维护，工作的内容包括接收客户的服务请求，根据客户需要作出响应，服务进度的跟进及服务质量反馈。
（三）岗位需求
根据服务的工作流程，IT外包项目的工作岗位可以划分为：项目主管、项目协调、硬件工程师、网络工程师、软件工程师等。（1）项目主管：负责整个项目的管理工作，确保全部工作在预算范围内按时优质地完成，制定工作计划、项目执行计划、人员配置计划、工作分解结构，上级与下级之间的协调。（2）项目协调工作内容包括：接收内部用户和内部IT的服务请求，为客户提供统一的服务接口，统一电话号码、专用报修邮箱等。（3）硬件工程师的工作包括： PC设备维护，PC故障诊断及排除，外设设备维护，电话设备维护等（4）网络工程师的工作包括：网络设备管理维护，网络资源、用户的管理，服务器设备日常维护，网络故障的排除等。（5）软件工程师的工作包括：PC操作系统的安装与维护，驱动、系统补丁安装，Windows 7操作系统，Office 2007、Outlook等常见软件技术支持，防病毒软件的安装及病毒的查杀等。
四、工作过程教学的实施
模拟教学是将教学融入到职业情境中，实现对整个工作过程的模拟，在这个过程中，学生是角色的扮演者，是工作的承担者，在项目完成过程中学生可以获得相应的工作经验，学会解决问题的方法；教师是任务的传达者，是工作的指导者，是过程的组织者，需要鼓励学生通过协作完成任务，并对学生的工作过程给予评价。
教学实施过程可以分为五个阶段：（1）教师引出工作任务，剖析工作过程，讲述必要的知识，准备相关的资料等；（2）师生共同确定人员分工，先划分成几个小组，小组内根据工作岗位进行分工，每个小组既是项目组成员，也是客户的扮演者，需要给其他小组提出服务请求；（3）学生模拟工作过程，创设故障现场，向其他小组提出服务请求，接收到服务请求的小组，根据服务流程解决故障，完成服务任务，整个过程中教师作为指导者，解惑释疑；（4）制定评价标准，师生共同评价学习成果；（5）教师对模拟教学过程进行总结，引入新知识、新内容，学生自主创设新情境。
五、教学效果评价
基于工作过程的教学，突破了传统的以教师为中心的授课模式，教学中强调以学生为主体，学生在做中学，做中想，做中总结，充分调动了学生的学习积极性。IT外包服务项目有典型的工作任务，工作流程清晰，目标明确，容易理解，学生在角色扮演的过程中，通过接受服务请求，响应服务请求，能很好了解整个工作流程，实践了专业技能；通过小组成员互相合作解决问题，可以培养团队合作精神，学会解决问题的方法；工作过程中还要涉及与客户的沟通、交流，遵循服务规范，有利于学生建立良好的职业素质。
参考文献：
[1]丁度坤.关于工作过程导向教学法的几点思考[J].中国科教创新导刊，2011（25）.
[2]姜大源.关于工作过程系统化课程结构的理论基础[J].职教通讯，2006（01）.
[3]李玮.情景模拟教学法对管理学教学的启示[J].教育探索，2008（07）.
[4]王云峰.模拟教学法在职业教育实训教学中的应用[J].乌鲁木齐职业大学学报，2011（04）.
[5]刘宇熹，陈尹立.IT服务外包理论、方法与实务[M].北京：清华大学出版社，2010.
责任编辑 何丽华
摘 要：基于工作过程的模拟教学是加强学生专业技能培养的有效方法，通过深入研究当前比较流行IT服务外包业务，剖析IT服务外包业务的工作过程，设计项目需要的工作岗位，从而实施对基于工作过程的IT服务外包业务模拟教学。
关键词：基于工作过程；模拟教学；IT服务外包
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1005-1422（2014）04-0087-02
一、基于工作过程的模拟教学的必要性
基于工作过程的模拟教学是由工作实际来确定典型的工作任务，并为实现任务目标由学生模拟完整的工作程序的教学实践活动。近年来，中等职业教育都以培养学生职业能力为目标，很多中等职业技术学校大力推行工学结合、校企合作的培养模式，通过顶岗实习的形式，加强学生的生产实习和社会实践，在日常教学中也不断推行教育教学改革，以突出学生专业技能、综合能力及综合素质的培养。基于工作过程的模拟教学是加强学生专业技能培养的最直观、最有效的教学法。通过学生的模拟活动，可以使学生熟悉企业的工作流程，了解行业规范，了解人才需求，从而增强学生的学习兴趣，也有利于学生进行职业人生规划。在进行模拟教学前，首先要对行业现状进行深入的调研，了解行业的发展动态及企业的人才需求，本文主要以当前IT行业中比较热门的IT外包业务为基础探究基于工作过程的IT服务外包业务模拟教学。
二、IT行业现状分析
IT全称Information Teachnology，意为“信息技术”，包括计算机、网络、通讯等信息领域的技术。随着互联网技术的迅速发展和日渐成熟，信息技术已经成为我们工作和生活中的一个重要部分，信息产品已经深入到各行各业，然而信息技术的日新月异，信息产品的迅速推陈出新及使用时出现的千变万化的问题，使得企业面临IT系统难以维护的难题，如何减轻维护压力，从而专注企业的核心业务成为企业的重要战略之一。20世纪90年代，美国著名管理学者德鲁克曾预言：“在未来10年至15年之内，任何企业中仅做后台支持而不创造营业额的工作都应该外包出去。” 在此形势下，IT服务外包业务应运而生，并在2000年后成为一个持续快速成长的行业。据统计，企业如果选择IT服务外包业务，通常可节省65%以上的人员开支和人力资源管理成本，从而使企业更专注于核心业务并获得更为专业和全面的稳定服务。
IT服务外包，就是企业战略性地选择外部专业和服务资源，以替代内部部门和人员去承担企业IT系统或系统涉及的业务流程的建设、运营、维护和支持，包括信息咨询、软件升级、硬件维修等全方位的服务。以IT服务外包为背景，设计基于工作过程的模拟教学，可以让学生对当前IT业的运作有更深刻的理解，为进入IT行业奠定基础。
三、工作过程剖析
模拟教学实施的前提是学生具备满足工作需要的专业知识和技术服务能力，明确工作任务及工作流程，然后进行合理的人员安排，分配工作任务进行角色扮演。
（一）技术能力要求
对于一个中大型企业而言，IT服务包括软件的安装与调试，桌面设备（台式机、笔记本、打印机等）的维护服务，网络设备及服务器的维护等，一般需要包括以下3方面的能力要求：（1）桌面支持及应用管理：要求具备计算机应用基础、计算机网络基础、计算机桌面操作系统的基本知识，能熟练进行系统的安装与调试、邮件系统配置与管理、网络安全设计和网络安全配置与管理、病毒防护系统的部署与配置、常用软件的安装与排错。（2）系统管理：包括网络基本架构的实现与管理、网络服务器操作系统的安装配置与管理、目录服务的实现与管理、数据库配置与管理。（3）硬件维修：熟悉计算机硬件基础和原理，能进行笔记本、台式机、服务器存储故障的诊断与维修，熟悉外部设备的原理及常见故障的维修。
（二）工作流程
IT服务外包业务主要涉及计算机软、硬件的安装与维护，网络搭建与维护及其他桌面设备（打印机、扫描仪）的维护，工作的内容包括接收客户的服务请求，根据客户需要作出响应，服务进度的跟进及服务质量反馈。
（三）岗位需求
根据服务的工作流程，IT外包项目的工作岗位可以划分为：项目主管、项目协调、硬件工程师、网络工程师、软件工程师等。（1）项目主管：负责整个项目的管理工作，确保全部工作在预算范围内按时优质地完成，制定工作计划、项目执行计划、人员配置计划、工作分解结构，上级与下级之间的协调。（2）项目协调工作内容包括：接收内部用户和内部IT的服务请求，为客户提供统一的服务接口，统一电话号码、专用报修邮箱等。（3）硬件工程师的工作包括： PC设备维护，PC故障诊断及排除，外设设备维护，电话设备维护等（4）网络工程师的工作包括：网络设备管理维护，网络资源、用户的管理，服务器设备日常维护，网络故障的排除等。（5）软件工程师的工作包括：PC操作系统的安装与维护，驱动、系统补丁安装，Windows 7操作系统，Office 2007、Outlook等常见软件技术支持，防病毒软件的安装及病毒的查杀等。
四、工作过程教学的实施
模拟教学是将教学融入到职业情境中，实现对整个工作过程的模拟，在这个过程中，学生是角色的扮演者，是工作的承担者，在项目完成过程中学生可以获得相应的工作经验，学会解决问题的方法；教师是任务的传达者，是工作的指导者，是过程的组织者，需要鼓励学生通过协作完成任务，并对学生的工作过程给予评价。
教学实施过程可以分为五个阶段：（1）教师引出工作任务，剖析工作过程，讲述必要的知识，准备相关的资料等；（2）师生共同确定人员分工，先划分成几个小组，小组内根据工作岗位进行分工，每个小组既是项目组成员，也是客户的扮演者，需要给其他小组提出服务请求；（3）学生模拟工作过程，创设故障现场，向其他小组提出服务请求，接收到服务请求的小组，根据服务流程解决故障，完成服务任务，整个过程中教师作为指导者，解惑释疑；（4）制定评价标准，师生共同评价学习成果；（5）教师对模拟教学过程进行总结，引入新知识、新内容，学生自主创设新情境。
五、教学效果评价
基于工作过程的教学，突破了传统的以教师为中心的授课模式，教学中强调以学生为主体，学生在做中学，做中想，做中总结，充分调动了学生的学习积极性。IT外包服务项目有典型的工作任务，工作流程清晰，目标明确，容易理解，学生在角色扮演的过程中，通过接受服务请求，响应服务请求，能很好了解整个工作流程，实践了专业技能；通过小组成员互相合作解决问题，可以培养团队合作精神，学会解决问题的方法；工作过程中还要涉及与客户的沟通、交流，遵循服务规范，有利于学生建立良好的职业素质。
参考文献：
[1]丁度坤.关于工作过程导向教学法的几点思考[J].中国科教创新导刊，2011（25）.
[2]姜大源.关于工作过程系统化课程结构的理论基础[J].职教通讯，2006（01）.
[3]李玮.情景模拟教学法对管理学教学的启示[J].教育探索，2008（07）.
[4]王云峰.模拟教学法在职业教育实训教学中的应用[J].乌鲁木齐职业大学学报，2011（04）.
[5]刘宇熹，陈尹立.IT服务外包理论、方法与实务[M].北京：清华大学出版社，2010.
飞行模拟器仪表仿真的设计与实现 篇12
近几年我国航空工业发展迅速, 我国已经成为仅次于美国等国的航空大国。同时航空事业的蓬勃发展对飞行员的数量和素质都提出了更高的要求。飞行模拟器正是训练飞行员的重要地面训练设备, 是经济、高效、安全的训练方式, 世界上各主要航空航天大国都研制了大量的飞行训练模拟器[1]。设计和制造具有自主知识产权的飞行模拟器可以逐渐缩小我国同世界各航空大国的技术差距, 使我国不仅是一个名符其实的民航大国, 更是一个民航强国。
本文对飞行模拟器的仪表系统进行仿真设计和实现, 它可作为飞行模拟器前期设计的雏形, 在所有的硬件都没有设计之前进行理论的验证工作。飞行模拟器虚拟仪表系统的开发应该具有一定的灵活性, 良好的平台可移植性和较高的实时交互性, 故而对系统软件开发环境提出了较高的要求。并且, 为了提高虚拟仪表系统真实感, 界面的逼真度需要着重注意。
2 开发平台简介
本文是在Window XP平台下, 使用GL Studio 4.1与Visual Studio2005实现基于PC的虚拟仪表系统的仿真, 力求通过对仪表的仿真达到既能满足飞行模拟器对环境逼真这一客观条件的需求, 又尽可能降低成本的目的。为了保证开发的速度、质量, 应用的可扩展性、可移植性、稳定性, 选用Di STI公司的GL Studio作为虚拟仪表的主要开发工具。
GL Studio软件是美国Di STI公司在2000年5月正式发布。该软件致力于为全球提供创新的人机接口 (HMI) 开发工具和解决方案[2]。它在Windows下的开发编译环境就是Microsoft的Visual Studio, 应用便捷, 可以编译生成.ex e可执行文件、.dl l动态链接库或Active X控件。GL Studio可用来开发虚拟维修训练器、驾驶舱和仪表板, 还可以用于快速原型机开发, 安全关键的嵌入式开发。总而言之, GL Studio适于任何需要人机接口的领域。
GL Studio的一般开发有9步:拍摄, 生成纹理, 规划制图, 命名对象, 生成组件, 产生事件, 生成代码, 测试和集成。把欲仿真的实物面板、按钮、开关等通过数码相机等拍照, 再用图片处理工具做成纹理图片, 这是之前的准备工作。完成之后就要用GL Studio创建控件雏形, 在控件上粘贴制作好的纹理, 定义其行为属性, 模拟真实情形。还可以直接使用GL Studio提供的绘图控件, 把它们拖到绘图板上, 定义各控件的行为逻辑, 显示模式等达到效果。
3 仪表系统开发
仪表开发按总体设计来讲需要从仪表图形建模、内部驱动程序设计、外部网络接口的开发和处理按键消息这四个方面进行实现。而按工程实现的划分的话, 分五大步骤, 开发流程如图1。实体仪表被抽象成GL Studio仪表类后, 为其添加控制逻辑、控件驱动方式, 实现软件对图形的驱动。通过UDP通讯协议通讯, 实现数据交互。如果仿真结果有偏差, 需要在GL Studio和VC++工程中修改, 然后再次编译、链接, 生成可执行应用。
3.1 图形设计
图形设计是在仪表开发的第一步, 要将大量的飞行信息在有限的仪表面板上显示, 特别要注意布局简洁、合理、醒目等。现在应用成熟的飞行仪表界面设计有很多, 可以从中借鉴, 取其精华。以主飞行显示器 (PFD) 为例, 主要向驾驶员提供飞机姿态、飞行航向、飞行高度、飞行速度、工作状态、工作模式等信息。为了显示完整信息, 设计时要特别注意图符、文字的结合。设计大体布局见图2, 采用飞机姿态指引指示 (ADI) 和水平状态指示 (HSI) 组合显示方式。
3.2 创建模型
开发仪表和控制面板, 根据模拟真实飞行, 在仿真面板上完成各种图形、字符及相关飞行参数的显示, 因此必须建立标准字符库和图片库。图形画面是整个虚拟座舱实现的基础, 也是首要工作。
(1) 制作纹理。首先要采集真是纹理数据, 然后用Photoshop处理, 获得符合要求的png格式纹理贴图[3]。由于GL Studio对中文汉字输入支持不完善, 所以把汉字也制作成纹理图片, 这样还能提高渲染效率。
(2) 实体模型建立。建立仪表图形、画面显示符号的模型, 先要把每个仪表页面的模型的位置和内部层次关系弄清楚, 进行初步规划。每个对象都是多边形组成, 使用GL Studio提供的基本图形元组合完成, 通过旋转、剪切、扭曲等操作, 能嫁接合成复杂的实体。对于模型中不可模拟的细节, 还可以用图片纹理替代, 以达到逼真度的要求。
显示模块画面完成, 下一步就要给定义逻辑结构、动作程序、执行用户事件、时间或数据事件触发的响应动作, 实现实时驱动。这一步一般都是和画面模型创建交叉进行。
3.3 驱动代码编写
对象的行为事件是各个成员函数的集合, 受外部数据的控制, 但行为事件本身的驱动程序是在仪表内部描述实现, 每个仪表都有自己独立的行为。一般旋转可以使用Dynamic Rotate () 函数进行控制。发动机指示和机组告警系统中燃油、油量、液压等的指针旋转可以使用Move Object () 函数来完成。读数可以使用Va String () 函数来完成。下面介绍主要的驱动方式的实现过程。
(1) 旋转 (以横滚刻度尺为例) (如图3所示) 。
首先在界面的Code区域, 用右键选择“Add”选项, 然后点击“Property”选项, 在出来的空白表格内填入成员函数的名字为In dicator, 类型为fl oat, 然后自动派生的成员变量的名字为_indicator。在该成员函数的“set”方法中添加下面代码:
(5) 数据传递 (以转速为例) 。
由于调用了复用组件.dll动态链接库, 所以数据传递要用到Resource () 函数。例如转速在发动机指示和机组告警的启动画面和主画面都需要显示, 所以将其单独做成一个.dll组件, 然后启动画面和主画面各自调用它。外部数据先传递到启动画面和主画面, 然后由它们再传递到转速组件, 控制转速的指针和颜色根据外部数据做出相应的响应。
4 结语
本文应用GL Studio人机交互软件, 在平台下编译, 完成飞行模拟器仪表系统的仿真的设计和实现。该能应用于飞行模拟器的演示系统中, 满足飞行仿真的实时性和交互性, 增加飞行模拟器的仿真逼真度。可以给其他飞行模拟器仪表系统的开发提供一定的参考。
参考文献
[1]邓林, 李海玉, 孙延君.计算机仿真技术应用于飞行模拟器的特点和发展趋势[J].电脑编程技巧与维护, 2011, (16) .
[2]Distributed Simulation Technology Inc.GL Studio version 3.0user’s guide[M].Orlando, FL:DiSTI, 2005.
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