L-系统（精选12篇）
L-系统 篇1
0 前 言
步进电机是数字控制系统中的执行元件,具有转矩大、惯性小、易于控制、无累计误差和计算机接口方便等优点,被广泛应用于机器人、遥控、机械、仪表、工业控制等领域。由于传统制造工艺的影响,步进电机的步距角一般较大,约(1.5°~3°)[1],不能满足精密仪器定位等要求具有很小场合对步距角很小的场合,实现步进电机的细分驱动是减小步距角,减小电动机振动、噪声,提高电机平稳运行的有效方法。本文给出一种实用的步进电机细分驱动控制系统。系统采用单片机AT89C52为控制核心,将L6506与L298功率驱动电路集成芯片组合实现步进电机的驱动功能,同时控制数模转换芯片产生细分步参考电压,采用软硬件相结合的控制方法实现步进电机细分控制。
1 步进电机的恒流细分驱动原理
步进电机细分是通过控制步进电机各相励磁绕组中的电流,使其在0到最大相电流之间细分为多个稳定电流值,即在每次输入脉冲切换时,只改变相应绕组中的额定电流的一部分,则转子相应的每步转动为原有步距角的一部分,而额定电流分成多少次进行切换,转子就以多少步完成一个原有的步距角[2],如图1所示两相电流的单步四细分示意图。
对两相步进电机以单四拍运行时,其步进电角度θ理论值为90°,当采用四细分后其步进电角度理论值θ1=θ2=θ3=θ4=22.5°,但是实际上其步进电角度并不相同[3],并且产生的合成磁势幅值并不相等,如图2左图所示。为实现对两相步进电机的恒力矩均匀细分控制,电机内部产生幅值恒定的磁场,可分别给两相绕组输入正、余弦变化的电流, IA=Ic·sinθ,IB=Ic·cosθ,IA和Is合成幅值恒定的旋转电流矢量Is,产生幅值恒定的旋转磁势见图2右图所示[4]。因此,本文采用正弦波驱动方式来控制步进电机绕组电流的波形,使电机的相电流波形为一正弦阶梯波,这样步进电机的步进角度分辨率不再受电机相数的限制,实现两相步进电机的恒力矩均匀细分控制。
2 硬件电路实现
本文给出基于单片机的两相混合式步进电机控制系统结构框图如图3所示。
本控制系统采由AT89C52单片机将预先保存在程序存储器内部的正弦数值表按照相位差90°的顺序通过两个8位数模转换器MAX517[5]分别送到L6506的两个模拟参考电压端,按照给定旋转相序模式,单片机同时驱动步进电机,相绕组的反馈电流分别经过检测电阻R1和R2转换为电压后与两个模拟参考电压Vref1和Vref2进行比较,当检测电阻R1和R2上的电压上升到Vref1或Vref2时,L6056芯片内部比较器将其RS触发器复位,断开功率输出器,使电流经过一个回流通路逐渐变弱,等待下一个脉冲的到来,从而实现绕组中电流的闭环控制,最终实现步距的精确细分[6]。
本文设计的功率驱动电路采用L298集成电路芯片,其设计原理电路如图4所示。L298内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接受标准TTL逻辑电平信号,可驱动电压46V、每相2.5A及以下的步进电机。两个使能信号端ENA和ENB可分别控制两桥工作,每个桥的两桥臂低端三极管发射极连接在一起,相应外接端分别连接检测电阻R1和R2。设置另一输入电源,使逻辑功能部分在低电平下工作,电机绕组回路不串联电阻,这样电流上升的速度会很快.从而使绕组电流保持在额定值附近内波动,步进电机可获得良好的矩频特性[7]。由于电源电压并不是一直向绕组供电,而只是一个个窄脉冲,总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分,取自电源的能量大幅度下降,具有很高的效率,降低了发热量。
3 软件设计
系统软件部分包含正、余弦波阶梯参考电压实现,步进电机的加速、匀速、减速功能的控制和上位机接口界面设计。上位机软件设计采用visual basic 6.0 通信控件MSComm进行串行通信程序的设计[8]。通过通信控件间接调用Windows API函数通过 MAX232电平转换之后与单片机进行串口通信。上位机主要用来设置步进电机的细分倍数,实现步进电机正反转、运行速度、启停等参数。
3.1 步进电机的细分和正反转控制
正、余弦表的生成和查表是本步进电机驱动电路的细分设计的主要环节,利用C语言程序可将一个正弦波形等分成256个离散数值,并转化为二进制数据,做成表格,固化在单片机ROM内部。其计算公式(1)
undefined
式中:Y1——为细分正弦值;
Y2——为细分余弦值;
N——细分数为255;
x=0,1,2,3…255。
要实现步进角的多级细分,可采用循环增量查表法。针对该最大细分数值表Y1和Y2设置步进变量step作为索引值,程序运行时,索引值进行自我相加,然后将对应表中位置取出数值分别送入数模转换器,同时单片机驱动步进电机,从而实现一个细分步进。
步进电机采用两相八拍控制,按照给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。即 (A+)-(A+B+)-(B+)-(B+A-)-(A-)-(A-B-)-(B-)-(B-A+)-(A+).按反序通电换相[9],则电机就反转。电机换相时一定要在电机停止时操作,以免产生较大的冲击脉冲损坏电机。
3.2 步进电机的加速、减速、匀速度控制
由于步进电机的极限启动频率比较低,而运行速度比较高,以要求的速度直接启动步进电机不能正常启动,因此步进电机在整个运行过程中需要有一个加速-恒速-减速停止的过程。速度控制是通过控制系统的脉冲频率或换向周期来实现的[10]。在本系统设计中采用定时器0中断方式确定步进电机的加、减速运行频率,其中断服务子程序实现改变步进电机的驱动脉冲。定时器初值计算公式为:
THO=(65536-time)/256
TLO=(65536-time)%256 (2)
式中:time——为脉冲切换时间,通过公式(2)结合各加、减速曲线段的频率来计算装载延时初值,通过改变time值可以很方便调节步进电机的运行速度。为了缩短速度转换时间,结合各曲线段的频率通过转换为定时初值,建立一个连续的加速初值表、减速初值表分别存储在程序存储器中,恒速运行时,换相延时固定,可采用函数延时。在步进电机加速、减速的过程中不进行细分控制,仅在恒速过程中使用细分控制,其主程序和正、反转详细流程图见图5和图6所示。
4 实验总结
本系统已在光路开关控制系统中使用,系统驱动对象为2HB42系列二相步进电机,驱动电流范围为0.6 A,采用8位DAC芯片,恒速运行时细分步数最大为256,最小步进角0.42′,具有良好平滑运行性能。采用加、减速控制较好解决了步进电机低频振荡和高频出力不足的问题,能够精确控制开关阀门的位置,较好的满足系统稳定性的要求,采用L6506D+L298联合集成芯片为驱动电路可以提高驱动器的集成度,缩小体积,明显提高步进电机转动可靠性和定位准确性等优点适于小型步进电机控制的广泛应用。
参考文献
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L-系统 篇2
1.1内容监测
地面数字电视广播系统监测中内容监测指的是对于广播电视所播出的节目的`内容进行监督和管理的一种监测方法。地面数字电视广播系统的内容监测包括实时监测、录像管理、分析显示SI、新业务情况的掌握等。在进行监测的过程中这几部分的内容并不是孤立的，需要将各部分监测内容联系在一起对视频内容进行管理，确保视频播放内容的合法性，检测视频画面的播放是否正常。
1.2质量监测
地面数字电视广播系统监测中质量监测主要通过对地面数字电视广播信号的有效监测以保证信号在传播过程中的质量。质量监测的具体内容包括信道指标、图像质量、频谱使用情况等的检测。在对信道指标的监测过程中一般以EVM和MER相关参数为依据的，采用误差矢量的幅度来调制失真。图像质量监测可以分为实时视频监测和轮训监测两种。按照一定的监测标准对图像质量进行等级划分以进行图像质量的恢复。覆盖监测主要依据监测设备对信号的覆盖情况进行测试，及时发现电视广播信号受到干扰的区域，找到干扰信号的源头，采取一定的技术手段来排除对信号的干扰，提高信号的质量和系统的安全性。
1.3安全监测
L-系统 篇3
摘 要：采用计算流体力学软件 Fluent 对50 L全自动发酵罐内不同两层桨叶组合的搅拌效果进行气液两相流模拟。针对发酵罐模拟了4种桨叶组合，对比分析4种组合的速度云图，剪切速率云图以及气含率分布云图，以此优化出一种搅拌效果较好的桨型组合。根据模拟结果，初步判断组合B的混合效果最好；试验验证组合B的酶活达到193.20 U·mL-1，与原始组合相比，提高了1.1倍。
关键词：计算流体力学；50 L发酵罐；桨叶组合优化；网格划分
中图分类号：S817.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.012
发酵罐是工业上用来进行微生物发酵的设备，被广泛应用于饮料、化工、食品、乳品、佐料、酿酒、制药等行业。设计成熟的发酵罐物料与能量传递性能强，有利于发酵生产及降低能耗[1]。按照设备的类别，发酵罐可分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐，其中，机械搅拌通风发酵罐在工业上使用较多。通常，此类发酵罐的高径比大于1，罐内会装备多层搅拌叶轮，以求达到较均匀的传质混合效果和较好的气含率[2-5]。
传统发酵罐的设计主要依靠实际发酵过程中所积累的经验，试验研究手段存在投资大、周期长、测量困难、效果差等缺点[6]。因此，寻找一种能够节约成本、缩短开发周期的研究方法显得尤为重要。近年来，基于计算流体力学（CFD）的理论与方法，借助计算机进行仿真模拟的技术在发酵罐设计方面应用广泛，生物反应器的设计发展迅速[7-8]。
目前，利用计算流体力学相关软件对发酵罐内流场的研究多集中在6直叶圆盘涡轮桨、半圆管圆盘涡轮桨等径流桨，且绝大多数情况下只是对一种桨叶的两层组合甚至单层桨叶进行研究[9]。本研究对50 L全自动发酵罐设计了4种不同的2层桨叶组合，并采用CFD软件Fluent模拟气液两相流。通过综合分析计算结果，得出最优的两层搅拌器组合。
1 构建模型及设计搅拌器组合
1.1 发酵罐初步建模
需要建模的生物反应器为国强牌FUS-50L（A）发酵罐，搅拌器的类型有6直叶圆盘涡轮桨、半圆管圆盘涡轮桨以及四宽折叶轴流桨3种，所建模型见图1～2，具体参数如表1所示。
1.2 桨叶组合设计
底部桨叶是决定气液分散效果的关键[10]。本文所模拟的桨叶组合有4种，如图3所示。
1.3 模拟工况条件
模拟物料参数：见表2。
模拟工况条件：通气量 1. 2 vvm，搅拌转速为 200 r·min-1。
2 CFD构建模型及仿真计算
2.1 控制方程
CFD模拟气液两相流动的方法基于Navier-Stokes 方程建立，该方程是流体力学中描述黏性牛顿流体的方程，能展示出液体的黏度。纳维—斯托克斯方程描述作用于液体任意给定区域的力的动态平衡。方程介绍见文献[5]。
2.2 模型建立、简化及网格划分
发酵罐模型建立首先在软件CAD 2010上完成，并且可以成功导入到Fluent的前处理软件Gambit中；然后，在Gambit 2.4.6上修改简化模型，比如去掉探头和电极，以达到适合模拟计算的标准；最后，选取整个罐体及内部流体为研究对象，合理分为桨叶区域和罐体区域，在专业的CAE前处理软件ICEM CFD中采取罐体区域划分高质量结构化网格（六面体），搅拌器区域划分非结构化网格（四面体、三棱柱与金字塔混合），并充分考虑到网格敏感度[3]及计算机的计算性能，经过多次试验计算，最终确定网格总数量约为176万。
2.3 模拟方法与边界条件
模拟通气搅拌反应器的一大难题是如何处理好运动区域（搅拌桨叶和搅拌轴）与静止区域（挡板和壁面等）之间的相互作用[6]。多重参考系法（Multi-reference frame，MRF）是一种经典的处理方法， 采用两种不同的参考系分别计算，桨叶区域采用旋转坐标系，其他区域采用静止坐标系，具有计算量小、计算速度较快的特点[7]。同时，选择Eulerian-Eulerian 模型作为多相流模型，标准k-ε模型作为湍流模型。第二相为空气，设置气泡粒径为10-5 m。
边界条件中，将罐顶的液面设置为压力出口（Pressure outlet），空气分布器的进气横截面设置为速度入口（Velocity inlet），罐体内壁、挡板、搅拌轴和桨叶全部设置为无滑移壁面（No slip wall）。
3 结果与分析
3.1 4种桨叶组合速度云图的比较
图4为在1.2 vvm，200 r·min-1工况下4种桨叶组合的速度云图。从图4中不难看出，4种桨叶组合的桨叶叶端皆为高速区域。并且，各种桨叶组合都有或大或小的液相死区，组合A与组合C死区较大，组合B与组合D死区较小。
另外，组合A和组合B的特征为在两层桨叶之间的速度分布均匀，但罐顶与罐底的情况较差，顶部尤为明显；组合C和组合D的特征为罐顶部分速度分布略强于组合A及组合B，但罐体中部区域的速度控制却有所下降。经过初步分析及推论，造成区别的原因为6直叶圆盘涡轮桨与四宽折叶轴流桨的造型特征不同。
3.2 4种桨叶组合剪切速率的比较
图5为1.2 vvm，200 r·min-1工况下4种桨叶组合的剪切速率图。通过观察并与图4比较不难发现，剪切速率的分布情况与速度云图有一定的相关性，即4种桨叶组合叶端位置都存在最大剪切速率，组合B的剪切速率在4种桨叶组合中最大。需要一提的是，空气分布器附近的剪切速率也不小，也间接说明了通气对整个流场的影响。
3.3 4种桨叶组合气含率分布的比较
气含率是衡量发酵罐设计质量的一大指标。在发酵过程中，绝大多数微生物培养都要通入无菌空气进行好氧发酵；相对的厌氧发酵也有连续性或者间歇性通入氮气的发酵案例。通气不仅是给微生物培养提供必要的生理条件，而且对发酵罐的流场也有一定的影响，能提高罐内的混合效果，从而影响发酵生产。
从图6中可以看出，4种桨叶组合的气含率分布都有各自的特点。
组合A在两个桨叶之间的区域，气含率分布较好，但是罐顶区域及罐底区域分布较差，原因可能是6直叶圆盘涡轮桨的径向作用能力较强，轴向作用能力较弱；组合B的气含率分布与组合A相似，但是罐底区域的分布较好，充分说明了半圆管圆盘涡轮桨不仅径向作用强，而且有不错的轴向混合效果[11]；组合C在罐顶部分区域的分布较好，两个桨叶之间的区域混合不足，也是由于四宽折叶轴流桨的构造所决定的；组合D较组合C罐底分布有所改善，罐顶及两桨叶之间区域气含率分布有所降低，说明不同桨叶组合相互会产生影响，从而影响整个流场的情况。
3.4 验证试验
通过以上分析综合评测4种桨叶组合的混合能力，初步判断组合B的作用效果最好。以重组大肠杆菌产α-环状葡萄糖基转移酶实际发酵试验对4种桨型组合进行验证。
试验结果表明，组合B的菌体生长情况以及酶活都要高于组合A（原始桨叶）：组合B的酶活达到193.20 U·mL-1；组合A的酶活达到175.64 U·mL-1。组合C与组合D的发酵情况并不乐观，不如组合A的发酵效果，因此具体数据不在这里给出。
另外需要一提的是，由于组合C与组合D的上层桨叶具有较强的轴向作用，而罐体的中部又没有相对较强的径向作用，因此在发酵过程中产生了大量气泡，气泡较组合AB多出3倍以上。此现象给随后的研究提供了参考。
4 结 论
（1） 通气不仅能给微生物培养提供必要的生理条件，而且对发酵罐的流场也有一定的作用，能改善罐内的传质情况，促进发酵生产。
（2）不同桨叶组合可产生不同流场，并且会产生或大或小的液相死区。不同的桨叶类型、组合、安装位置、通气条件等会产生不同位置和大小的液相死区。
（3）两层桨叶组合对发酵罐内的流场控制稍显不足，还是要通过建立三层桨叶甚至四层桨叶的组合来提高发酵罐的整体性能。
（4） 经实际发酵验证后，组合B的酶活为组合A的1.1倍。
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扩展L-系统树木多态模拟研究 篇4
关键词：L-系统,自然景观模拟,三元素集
0 引言
L-系统[1]被广泛应用于自然景观模拟中, 是在给定描述规则与初始状态前提下, 利用迭代算法生成字符序列, 对字符序列进行几何解释来描述植物的拓扑结构。文献[2]实现了三维景物的模拟算法, 结果非常逼真。文献[3]模拟树木受自然环境影响而产生的趋光性和屈地性, 用IFS算法模拟植物纹理, 实验结果比较逼真。文献[4]利用L-系统实现对三维树木的模拟及利用Perlin噪声函数模拟风场, 提出了模拟树枝在风中运动的有效方法。文献[5-8]中利用L-系统, 在对产生式改进的前提下实现了植物自然生长的模拟。从参考文献分析得到, L-系统已经实现了植物自然生长和风中摇曳等现象的模拟, 然而缺少诸如风过大时树木折断现象的模拟。
为了更生动地描述植物生长的随机性, 将L-系统进行扩展, 可以得到更加逼真的模拟效果。为了更好地模拟树枝断裂的随机性, 在字符序列的几何解释中引入两个控制扩展参数。为了对花草树木修剪进行更贴近现实的模拟, 将字符统计迭代算法引入到L-系统中。
1 扩展单规则形态模拟
L-系统龟解释原理:首先定义字符集合, 然后给定初始字符串, 迭代后生成新的字符串。对生成的新字符串中的所有字符按照一定规则进行几何解释, 最终形成植物形态。
单规则L-系统指产生式只有一个, 利用给定的表1单规则产生式, 在不加扩展参数的情况下, 得到如图1所示的单规则分形图。
但分形图是上下文相关的, 形态确定, 不完全符合自然景观随机生长形态万变的规律。在分形的过程中, 加入扩展参数rand () %L (L为迭代后树形拓扑结构字符串的长度) , 使最终的分形结果更符合自然景观的随机性。利用给定的表1单规则产生式在加入扩展参数的情况下, 可得到如图2所示的单规则分形图。
2 景观多态模拟
景观在自然生长过程中呈现多种形态, 比如风吹折枝现象、景观修剪等。
2.1 折枝形态模拟
在风力过大时, 树枝折断是常见现象, 具有一定的随机性, 即断裂的位置不确定, 朝哪个方向断裂不确定。为了能够更好地模拟树枝断裂的随机性, 在字符序列的几何解释中引入两个控制扩展参数:rand () %L、rand () %360。其中参数rand () %L用于确定树木断裂的位置, L为树形拓扑结构字符序列的长度;参数rand () %360用于确定树木断裂的方向, 也就是风的方向。
利用产生式"F→F[F][+F][---F]F[++F]F", 迭代次数为3, 偏转角为20°, 没有扩展参数的条件下, 得到图3 (a) 所示的原始分形图, L=8001。加入扩展参数rand () %L和rand () %360后, 形成不同位置和不同方向上的树枝断裂分形图, 见图3 (b-d) 。
由以上模拟结果看出, 树枝折断现象在断裂位置和断裂方向上呈现了一定的随机性, 很好地模拟了现实。
2.2 景观修剪形态模拟
在自然环境下, 为了美观, 常常需要对花草树木进行修剪。为了使花草树木修剪更加贴近现实, 将字符统计算法引入到L-系统中。
对于每次迭代, 在生成的字符序列中加入字符统计算法, 统计相邻两个字符是相同字符的概率和种类。连续两个字符是"FF"的概率为P (F) , 连续两个字符是“++”的概率是P (+) , 连续两个字符是“--”的概率是P (-) 。如果连续两个出现相同字符, 便进行字符替换。替换规则是:“FF→F”、“++→+”、“--→-”。在替换过程中, P (F) 、P (+) 、P (-) 不断发生变化, 呈递减趋势。查找替换结束的条件是:经过有限次字符替换, 整个字符串不再存在连续两个相同的字符, 即P (F) 、P (+) 、P (-) 全部变为0。
字符统计算法是一个三元素集, 其表达式为:V1≤V, w, P>
其中V是迭代后替换前的字符序列, V1是经过一次查找替换过程后的字符序列, w是字符集合
, 一个合理的分形树必有P (F) +P (+) +P (-) ≠1。自然景观的修剪过程就是遵循表达式V1≤V, w, P>求V1的过程, 把每次的字符集合V1进行几何解释, 形成相应的分形图形, 便实现了自然景观修剪过程的形态模拟。
对产生式F→“F[+F]F[+F-F][-FFF+F]”, 经过1次迭代, 字符统计算法结果如表2。可以看出, P (+) 和P (-) 的概率始终为0, 即不存在连续两次出现“+”和“-”的情况。
其中:
U1=F[+F]F[+F-F][-FFF+F][+F[+F]F[+F-F][-FFF+F]]F[+F]F[+F-F][-FFF+F][+F[+F]F[+F-F][-FFF+F]-F[+F]F[+F-F][-FFF+F]][-F[+F]F[+F-F][-FFF+F]F[+F]F[+F-F][-FFF+F]F[+F]F[+F-F][-FFF+F]+F[+F]F[+F-F][-FFF+F]]
U2=U3=F[+F]F[+F-F][-FF+F][+F[+F]F[+F-F][-FF+F]]F[+F]F[+F-F][-FF+F][+F[+F]F[+F-F][-FF+F]-F[+F]F[+F-F][-FF+F]][-F[+F]F[+F-F][-FF+F]F[+F]F[+F-F][-FF+F]F[+F]F[+F-F][-FF+F]+F[+F]F[+F-F][-FF+F]]
U4=U5=U6=F[+F]F[+F-F][-F+F][+F[+F]F[+F-F][-F+F]]F[+F]F[+F-F][-F+F][+F[+F]F[+F-F][-F+F]-F[+F]F[+F-F][-F+F]][-F[+F]F[+F-F][-F+F]F[+F]F[+F-F][-F+F]F[+F]F[+F-F][-F+F]+F[+F]F[+F-F][-F+F]]
用相同的原理对经过3次迭代的字符序列进行字符统计和计算, 把每次替换后的字符序列进行几何解释, 形成相应的分形图形, 在不加扩展参数的情况下, 偏转角30°, 修剪过程的形态模拟如图4。图4 (a) 为原始景观, 图4 (b) 为经过一次修剪后的景观, 图4 (c) 为经过二次修剪后的景观。由于经过4次迭代生成的字符序列长度L=140 240, 因此省略字符统计和替换结果。
由上可见, 在迭代后的字符序列中, 根据需要加入字符统计算法, 可以实现花草树木修剪过程的模拟, 更加逼真地表达现实世界的多样化。
3 结语
为了更好地模拟树枝断裂的随机性, 在字符序列中引入两个控制扩展参数, 并对L-系统中的字符序列进行新的龟解释, 实现了树枝断裂现象的模拟。同时, 将字符统计迭代算法的三元素集应用于字符序列中, 通过有限次迭代替换, 实现了花草树木修剪过程的模拟。实验结果表明, 通过调整L-系统中的扩展参数可以得到拓扑结构相同但形态差异较大的模拟结果。算法简洁, 实现手段简单, 参数使用灵活, 使折枝和修剪模拟更贴近于现实。
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L-系统 篇5
摘要
第1章 变频恒压供水的现况
1.1国内外变频供水系统现状 1.2变频供水系统的发展趋势
目录
第2章 变频调速恒压供水分析
2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍 2.2调速系统的构建
2.2.1 调速原理
2.2.2 变频恒压供水频率变化分析
2.3节能分析
2.3.1 水泵的基本参数和特性 2.3.2 水泵调速运行的节能原理
第3章 恒压供水系统
3.1系统概述
3.2控制系统的组成
3.3恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理
3.3.1单台变频器控制单台水泵 3.3.2恒压供水系统的工作原理 3.3.3恒压供水系统
3.4 变频调速恒压供水系统的特点 3.5变频器
第4章 可编程控制器PLC 4.1可编程控制器PLC的定义
4.2可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向 4.3控制系统的硬件设计 4.4控制系统的软件设计
4.4.1软件设计
第5章 PLC控制系统的设计
5.1概述
5.2输入输出 分配
5.2.1输入口 5.2.2输出口 5.2.3辅助触点
5.3控制系统功能介绍
5.4恒压供水系统的流程图
5.5控制系统的可靠性及应用程序设计
5.5.1程序的优化设计 5.5.2应用程序的设计 5.5.3故障检测程序的设计
第6章 触摸屏同步监控 6.1概述
6.2触摸屏工作的特点与应用领域 6.3触摸屏指示灯同步监控程序设计
6.3.1控制系统设计步骤 6.3.2应用程序设计 6.3.3同步监控设计
第7章 系统调试
7.1变频器关键参数的设定
7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试 7.3触摸屏同步监控测试
参考文献
摘要
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。
近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。钦州市是广西壮族自治区的港口城市，随着城区的扩大和工农业的发展，钦州市城区用水量急剧上升，城区居民生活用水和工业用水总量从1994年的1700多万吨激增到2000年的7500多万吨。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题(如图 1.1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水解水企业关心的焦点问题之一。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.1PLC的变频调速恒压供水系统的目的和意义
恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能:(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒 ；(5)在线调整 PID参数；(6)泵组及线路保护检测报警、信号显示等。
关键词：变频调速 ；恒压供水； PLC
第一章
1.变频恒压供水的现况
1.1国内外变频供水系统现状
恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备 有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.2变频供水系统的发展趋势
变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
第二章
2.变频调速恒压供水分析
2.1变频恒压供水的工艺调节过程介绍
变频恒压供水所用水泵主要是离心泵，而普通离心泵如图2.1所示:叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
2.2调速系统的构建
水泵的调速运行构建，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线或二者同时改变来实现的。
水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。气水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节系统。详细划分如下:
目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力 祸合器调节、绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等
2.2.1 调速原理
水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种.(1)节流调节
节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡板的开度，使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。
节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前各种离心泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节方式所取代。
(2)动叶调节
采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节得以实现。对于大型的泵，可以采用液压传动调节。动叶调节的优点是:在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效率。缺点是:动叶调节机构复杂，控制自动化程度低;成本高，通常适用大容量水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。
(3)改变机泵运行台数调节
改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵进行并联运行，来满足供水量要求.优点是:它不改变电机和水泵的电气及机械结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。缺点是:不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启停电机;电能损失较大。因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量调节方式取代。2.2.2变频恒压供水频率变化分析
由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动，启动频率低，启动电流小，因
此，除了对供水机泵和供水管网有保护作用，对供水电机和电网也有良好的保护作用。供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如表2.2所示。
2.3节能分析
恒压供水系统的基本特性。根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看出用水流量和供水流量处于平衡状态时系统稳定运行。在供水系统中采用变频调速是由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式节能效果显著.最后从理论上分析了采取变频恒压供水方式对供水安全积极作用:可以消除水锤效应，减少电机电网冲击，延长系统的运行寿命。
2.3.1水泵的基本参数和特性
在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起.在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为 “装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的孤立水泵。在水泵结构和理论中，有一些评价水泵性能的参数，供水系统的主要参数如下:流量(Q):单位时间内流过管道内某一截面的水流量，在管道截面不变的情况下，其大小决定于水流的速度。常用单位是时/m访。供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。其常用单位是m。轴功率(几):水泵轴上的输入功率(电动机的输出功率)，或者说是水泵取用的功率。
供水功率(几):供水系统向用户供水时所消耗的功率几你叨，供水功率与流量和扬程的乘积成正比:
式中Cp一 比例常数。
工作效率为，):水泵的供水功率Pc和轴功率界之比，如式2.6所示。这里所说的水泵工作效率，实际上包含了水泵本身的效率和供水系统的效率。其根据实际供水的扬程和流量算得的功率，是供水系统的输出功率。
其中有效功率是指单位时间内通过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效功率。转速(n卜水泵叶轮的转动速度。
根据水泵理论，如图2.3所示.2.3.2 水泵调速运行的节能原理
由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进水口抽真空，所以在进水口的真空值为0.水泵进水口与出水口都沿水平方向放置，位置差为0。水泵在正常工作时，动能的变化相对较小。考虑这些具体情况，上式可以改写为:
由于水泵是由一台交流感应电动机带动运行的，电机的转速与水泵的转速相同。电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。在电机理论中，感应电机的机械
功率为:
在变频调速时，由于磁通中m不变，从电机公式(212)可以看出，要使主磁 通中m保持不变，则UI/fl必须保持不变。
因此在变频调速过程中.电压应该与频率成正比例变化，设
代入式(2.n)得
根据能量守恒定律，有
水泵装置在变频调速的工作状态下运行时，有: 其中杯为电机的效率。所以，从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大，从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。为了保持供水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速;当用户的用水量减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大，为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率.由于用户的用水量是始终在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来讲，在每个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在一个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管网中的压力恒定。
第三章
3.恒压供水系统
3.1 系统概述
供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：
（1）维持水压恒定；
（2）控制系统可手动/自动运行；
（3）多台泵自动切换运行；
（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；
（5）在线调整PID参数；
（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等；
3.2 控制系统的组成
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(P比统)、变频器和电控设备三个部分,如图3.1 a、在恒压供水节电智能控制系统中,通过三菱变频器实现调整水泵的转速来调整水泵的压力和流量，在一天当中除了供水高峰时段外，其它时间都是运行在很低的频率状态下，即使在用水高峰时段也未必是运行在50Hz，因此可以大幅度的节能。同时,实现自动增泵、停泵、轮换、自动保护等功能；
b、通过UNO2050的串口，读取变频器的PID设置参数、当前运行参数和各种报警，并通过MODEM和电话网传送到上位控制中心；
c、在收到现场报警后，控制中心可以远程的控制UNO2050，进行变频器的启停控制。
图3.1恒压供水控制系统的组成
3.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理
恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制1台水泵的简单控 制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，下面将分别加以叙述：.3.3.1单台变频器控制单台水泵: 单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一台水泵。由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。该控制方案的控制原理框图见图3.2，电路见图3.3。
值得一提的是，在国外或国内少数大企业，也有一种每台变频器只带一 台水泵的运行方式，但它的控制方式与上面是不同的，这些泵站往往是同时配备了多台变频器配多台水泵，采用集中控制的办法，这种变频系统与国内水泵站常用的一台变频器控制单台水泵的工作方式是完全不一样的。在这种系统中，由于有多台变频器，各水泵既可以同时变频运行，也可以分别工频运行，使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式，不过在成本上，也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。(2)单台变频器控制多台水泵
利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理见图3.4。
3.3.2 系统功能说明
控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1一2一3一4一1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有 1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态 1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 3.3.2恒压供水系统的工作原理
变频恒压供水系统采用一台变频器拖动两台大功率电动机，可在变频和工频两种方式下运行；一台低功率的电机，作为辅助泵电机，启动方式：为避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压。启动前变频器要复位。
变频调速：根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC发出指令1号泵自动切换到工频电源运行，待1号泵完全退出变频运行，对变频器复位后，2号泵投入变频运行。
多泵切换：根据恒压的需求，采用无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。在PLC的程序中，通过设置变频泵的工作号和工频泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增泵或减泵。在用水量较小的情况下，采用辅助泵工作。为了避免一台泵长期工作，任一泵不能连续变频运行超过3小时。当工频泵台数为零，有一台运行于变频状态时，启动计时器，当达到3小时时，变频泵的泵号改变，即切换到另一台泵上。当有泵运行于工频状态，或辅助泵启动时，计时器停止计时并清零。
故障处理：能对水位下限，变频器、PLC故障等报警。PLC故障，系统从自动转入手动方式。
3.3.3恒压供水系统
系统由变频器、PLC和两台水泵构成。利用了变频器控制电路的PID等相关功能，和PLC配合实施变频一拖二自动恒压力供水。具有自动/手动切换功能。变频故障时，可切换到手动控制水泵运行。
控制过程：水路管网压力低时，变频器启动1#泵，至全速运行一段时间后，由远传压力表来的压力信号仍未到达设定值时，PLC控制1#泵由变频切换到工运行，然后变频启动2#泵运行，据管网压力情况随机调整2#泵的转速，来达到恒压供水的目的。当用水量变小，管网压力变高时，2#泵降为零速时，管网压力仍高，则PLC控制停掉1#工频泵，由2#泵实施恒压供水。至管网压力又低时，将2#泵由变频切为工频运行，变频器启动1#泵，调整1#泵的转速，维修恒压供水。如此循环不已。
图3.4为恒压供水系统结构图
3.4 变频调速恒压供水系统的特点 恒压供水是指用户段不管用水量大小总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。
变频恒压供水的工艺调节过程介绍：泵组的切换开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1＃泵变频启动，转速从 开始随频率上升，如变频器频率到达，而此时水压还在下限值，延时一段时间（由 内部时间继电器控制，目的是避免由于干扰而引起误动作）后，1＃泵切换至工频运行，同时变频器频率由 滑停至，2＃泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3＃、4＃泵；若开始时1＃泵备用，则直接启2＃变频，转速从０开始随频率上升，如变频器频率到达，而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2＃泵切换至工频运行，同时变频器频率由 滑停至，3＃泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4＃泵；若1＃、2＃泵都备用，则直接启3＃变频，具体泵的切换过程与上述类同。同样，如水压在上限值，若３台泵（假设为1＃、2＃和3＃）运行时，3＃泵变频运行降到，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1＃泵停止，3＃泵变频器频率从 迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2＃泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式，理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而我们这次的设计的系统中，要求直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高供水品质。
3.5变频器
根据工艺要求，建议配用ABB ACS600系列变频器。ACS 600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。主要技术数据：
功率范围：2.2-3000kW 电源电压：380/400/415/440/460/480/500VAC 3相±10%； 电源频率：48-63Hz 控制连接：2个可编程的模拟输入（AI）；1个可编程的模拟输出（AO）；5个可编程的数字输入（DI）；2个可编程的数字输出（DO）。连续负载能力：150% In，每10分钟允许1分钟
串行通讯能力：标准的RS—485接口可使变频器方便地与计算机连接。保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通讯故障保护、AI信号丢失保护等。外型结构紧凑，安装方便。产品经过多种电气安全规范认证，符合GE、UL及质量认证体系ISO9001和ISO4001等。
变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。ACS600变频器内置PID、PFC、预磁通等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间，减少出错。
第四章
4.可编程控制器PLC
4.1 可编程控制器PLC的定义
可编程控制器PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它可以采用可以编程的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术等操作的指令，并能通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于拓展其功能的原则而设计。
4.2 可编程控制器PLC的发展阶段及发展方向
全世界几乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一个品牌就要使用对应的编程器。有多少种品牌的PLC，就要有多少种编程器。（国内现在出了一些国产PLC，是仿制国外一些品牌PLC的，这些是可以使用被仿制品牌的编程器的。）
手提编程器价格昂贵，而且编程使用指令操作（不能用梯形图），可读性不高，非常不方便。
所以，做工程的人大多会使用电脑来对PLC编程。需要说明的是，使用电脑编程还需要有配套的程序下载连线。也是每个品牌都有专门线的（互不通用）。但是这种连线比起手持编程器来说，不知道便宜多少。
任何一款手提电脑都可以用来做PLC编程，前提是 1 支持串行通讯安装相应品牌PLC的编程软件。
4.3 控制系统的硬件设计
本系统的硬件结构如图2所示，它由6台水泵、17个远程I／O分站、1个控制柜(包括变频器、PLC、4个16点DI模块、2个16点DO模块、3个8点AI模块、1个8点AO模块和1个以太网模块等)、1套压力传感器、各种保护装置以及供电主回路等构成。其中，PI。C模块和变频器模块是系统的控制核心。
4.4 控制系统的软件设计
根据功能要求, PLC控制系统的软件设计方案主要采用顺序控制继电器指令,软件设计主要包括加速、恒速、减速三段梯形图。其中主程序流程图如图6所示,加速部分流程图如图7所示;恒速部分采用P ID算法,减速部分与加速部分类似。
4.4.1 软件设计
系统软件设计主要包括上位机监控软件设计和下位机PI。C控制软件设计。上位机与下位机之间通过以太网方式通信，共同完成整个控制系统的现场流程控制和远程监测管理功能。上位机控制系统主要实现远程监测和管理功能，利用组态软件进行组态，通过具体运行工况动态显示、实时数据获取及显示、历史数据存储与打印、故障报警等功能，实现整个系统的集中监测和控制。
由于供水系统是一个惯性较大的系统，不需要过高的响应速度，因而在PI。C程序的设计思想上查询方式为主，中断方式为辅。其具体程序流程如图3所示。
核心技术：该恒压系统采用PID控制，具体结构如图4所示。其流程如下所述：当系统开始工作时，首先接通变频器，然后通过接触器把水泵电机接入变频输出电路，实现电机软启动；同时，安装在供水管网出水I：1的压力传感器将水压转换为4～20 mA的电信号，PLC根据给定值与测量值的偏差大小，按照
PID控制器的控制策略选择原则，在压力允许范围内，由变频器调整电机转速达到调节压力的目的。在超出压力允许的范围内，通过结构调整，再结合变频达到调节压力的目的。
当用户用水量增加时，使得水管压力下降，此时PLC输出相应控制信号，使变频器带动水泵电机升速，直至变频器输出至工频，把更多的水送往出水管网。电机由变频到工频的转换时间应尽可能短。而电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。因此，应在电路设计与软件设计中，考虑变频与工频接触器的互锁。通常，PID连续控制算法表达式为
具体到本例中，K。一0．18，K．=o．08，Kd=1，压强设定值为0．32 MPa，则其控制效果曲线如图5所示。
此外，根据日用水量变化情况，用水高峰集中在早、中、晚3个时段，而在深夜用水量处于低谷。因此，如果改变不同时段的压力给定值，就能更进一步地起到节能的作用。
4.4.2 程序设计步骤
初始化程序: LD SM0.0 // 开机始终为ON MOVB
16#9,SMB30
file://自由口通信，选择9600波特，8位数据位，无校验 MOVB
16#2, VB0 file://预设PLC地址 MOVD
&VB1000, VD20
file://设置接收缓冲区，将其首地址传给指针VD20 MOVD
&VB1200, VD30
file://设置发送缓冲区，将首地址传给VD30 MOVD
VD20, VD24 file://指针值保存 MOVD
VD30, VD34 MOVB
8, SMB34
file://设置8ms的定时器0时基中断 ATCH
0,8
file://接收字符连接到中断0，连接静止线定时器和接收器 ATCH
1,10
file://定时中断0，连接到中断1 ENI
file://开中断
为了保证通讯接收的可靠性，程序采用前导符，PLC地址，静止线接收，结束字符。首字符的确认可通过设置前导符来完成，并且通过比较还可以剔除部分干扰字符。首字符确认: Network 1
file://判断前导符 LD
SM0.0 AB<>
SMB2, 16#40
file://不是前导符则跳出中断 RETI Network 2
file://终止定时中断 LD
SM0.0 DTCH
file://断开时基中断 Network 3
file://是前导符则连接中断3 LD
SM0.0 AB=
SMB2, 16#40 ATCH
3, 8 静止线是通讯过程中的一个检测用时间，即设定的数据传输过程中无任何数据的任意2点的间隔时间。静止线的设计和处理包括长度的确定及定时器和接收器的设计。INT_
// 静止线定时器 LD
SM0.0 ATCH 1, 10
file://静止线定时器采用8ms的时基中断。INT_1
// 静止线接收器 LD
SM0.0 ATCH 2, 8 file://开始接收字符 尾字符的确认和校验处理: Network 1 // 接收及计算校验码 LDN M0.0 LDB<>
SMB2, 16#2A
// 判断是否为第一个结束符 MOVB
SMB2，*VD24
file://不是则保存数据并计算异或值 XORW
SMW1, AC0 INCD
VD24 INCD
VB40 Network 2
file://如果是第一个结束符，则对M0.0置位，并跳出中断，file://接收下一个字符，看是否为第二个结束符 LDN
M0.0 AB＝
SMB2,16#2A S M0.0, 1 MOVB
SMB2, AC1 RETI Network3 LD M0.0 AB<> SMB2, 16#0A
file://判断第二个结束符，如不是则继续执行 AB<> SMB2,16#2A
file://判断又是第一个结束符？不是则执行保存数据，file://异或运算，并对M0.0复位。XORW
AC1, AC0 MOVB
VB300, *VD24 INCD
VD24 MOVB
SMB2, *VD24 XORW
SMW1, AC0 INCD
VD24 INCD
VB40 INCD
VB40 R M0.0, 1 RETI Network 4
file://如果又是第一个结束符，则上一个是有用的数据，需要保存 LD M0.0 AB= SMB2, 16#2A XORW AC1, AC0 MOVB VB1300, *VD24 INCD VD24 MOVB SMB2, AC1 RETI Network 5
file://如前一个为2A，现在接收到0A，则接收完毕，启动延时中断 LD
M0.0 AB= SMB2, 16#0A DTCH
file://断开接收状态，准备组织发送 MOVB
20, SMB34 ATCH
5, 10
第五章
5.PLC控制系统的设计
5.1 概述
与传统的继电器-接触器控制系统相比，PLC控制系统具有更好的稳定性，控制柔性，维修方便性，随着PLC的普及和推广，其应用领域越来越广泛。特别是在许多新建项目和设备的技术改造中，常常采用PLC作为控制装置。PLC控制电路
系统采用S7-200PLC作下位机。S7-200PLC硬件系统包含一定数量的输入/输出(I/O)点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。输入点为6个，其中水位上、下限信号分别为I0.0、I0.1。输出点为10个，O0.0-O1.0对应PLC的输出端子。对变频器的复位是由输出点O1.0通过一个中间继电器KA的触点来实现的。根据控制系统I/O点及地址分配可知，系统共有5个开关量输入点，9个开关量输出点;1个模拟量输入点和1个模拟量输出点。可以选用CPU224PLC(14DI/10DO)，再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO)。
5.2 输入输出分配
PLC输入端子板是将机床外部开关的端子连接转换成I/O模块所需的针形插座连接，从而使外部控制信号输入至PLC中。同样，PLC输出端子板是将PLC的输出信号经针形插座转换外部执行原件的端子连接。
5.2.1 输入口
其输入口I模块组的的输入元件组成是由;控制按钮、行程开关、接近开关、压力开关、玩控开关组成。输入又分为如图；
图为输入的接线方式
a)汇点式输入b）分组式输入
5.2.2 输出口
其输入口O模块组的的输入元件组成是由；接触器、继电器、来组成的。而输出方式又分为如图；
图为输出接线方式
a）分组式输出b）分隔式输出
5.3 控制系统功能介绍 最大限度的满足被控对象的控制要求。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
保证控制系统安全可靠。考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
5.4 恒压供水系统的流程图
5.5 控制系统的可靠性及应用程序设计 该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现恒压调速供水，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。
PLC通信程序S7-200PLC硬件功能完善，指令系统丰富。可为用户提供多种通讯方式:PPI方式，MPI方式，自由通讯口方式等。应用自由通讯口方式，使S7-200PLC可以与任何通信协议已知，具有串口通讯的智能设备和控制器(如打印机、变频器、上位PC机等)进行通信，也可以用于两个CPU之间简单的数据交换。该通信方式使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加灵活、方便。采用PLC自由通讯口方案，PLC工作于从站，PC处于主站模式，PLC从站只响应来自主站的申请。主站向PLC从站发送指令格式的报文，读指令00为向从站PLC申请产生于PLC的数据，读取水压，频率，变频泵号，工频台数，辅助泵状态等数据;写指令01为向PLC传送产生于主站的数据，包括压力设定值和控制器输出值。在自由口通信模式下，通信协议完全由用户程序控制。通过设定特殊存储字节SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允许自由口模式，用户程序可以通过使用发送中断、接收中断、发送指令(XMT)和接收指令(RCV)对通信口操作。
5.5.1 程序的优化设计
增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，PLC 给出控制信号，PLC 的Y0 失电，变频器的FWD端子对CM 短接，变频器的自由制动停车，切断变频器输出，延时500ms 后，将主水泵与变频器断开，延时300ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，再延时200～300ms PLC 的Y0 得电，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。
5.5.2 应用程序的设计
在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时
候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、液位等)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。
5.5.3 故障检测程序的设计
对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等故障给出报警，并做出相应的故障处理。
(1)欠水位故障：进入P0 处理模块，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。
(2)压力上下限报警：输出报警信号，报警信号30s 内未解除，则进入P0 处理模块，停止全部的电机运行。信号解除则自动运行以下程序。
(3)变频器故障：变频器出现故障时，对应PLC 输入继电器X5 动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID 调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20 分钟。
第六章
6.触摸屏同步监控
6.1 概述
6.2 触摸屏工作的特点与应用领域 6.3 触摸屏指示灯同步监控程序设计 6.3.1 控制系统设计步骤 6.3.2 应用程序设计 6.3.3 同步监控设计
第七章
7.系统调试
7.1 变频器关键参数的设定
(1)变频转工频开关切换时间TMC 设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。
(2)上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。
7.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试
(1)对五台供水系统进行PLC自动控制改造，实现供水的远程控制和生产设备的集中控制。
(2)在改造原有系统的基础上，将供水系统电机的直接启动控制方式改为变频控制，减小对系统电网的冲击和节约能源。(3)制定具体实施的控制方式、设备启停步骤、软件功能、通讯方式、功能扩充、报警系统（故障诊断、显示、排除）。
(4)采用相应的控制算法，实现供气的恒定，提高供气质量和效率，保证供水系统的安全供水。
（二）系统控制功能要求如下：
(1)实现调度指挥操作生产自动化；
(2)实现设备顺序控制，减少供水起、停时间，并对各设备的运行状态进行自动检测，实现设备的故障自动诊断和保护，从而提高生产效率；
(3)实现供水组的自动控制，这主要包括：单台供水系统的自动启停，电机组的顺序启停控制，空压机组的集中控制和保护，提高生产效率；
(4)增强软、硬件功能，保证整个系统的安全性和可靠性，并具有一定的先进性和代表性。
（三）集控系统要求如下：
1、集控系统的基本功能
1)系统的控制方式
为方便灵活地对所有设备进行控制，主要工艺流程设备的运行采用五种控制方式：
远程自动控制：由集控室开启设备起、关闭命令，实现现场相关设备的按流程变频恒压供水控制；
远程单遥控：由集控室发出单台设备起、关闭命令，实现设备之间单个切换运行，用于特殊设备的单个起、关闭控制；
紧急关闭：当现场或集控室出现故障，需要立即对分系统停车关闭时，由程序或现场实现紧急停车控制，在现场操作与在集控室操作PLC的执行是等价的。需在集控室进行复位后才能重新开启。
2)集控系统的顺序启、停控制步骤
开启前的操作
a、控制方式选择：集控方式下，PLC执行用户程序的全部控制功能。单个方式下，PLC仅执行模拟显示功能。
b、流程选择：当选定自动控制流程后，PLC将检测有关输入状态，判断参与该流程控制的恒压供水系统，设备工作方式，以及保护点状态等是否满足开启条件，若条件具备，则先发出信号“系统准备开启”。否则将对所检测出的故障点，作出多方位报警。
c、远动设备：对不需参予时序起动，或难以进入顺序开启过程的设备，可以在开启前按闭锁关系远动控制起动该设备。开启过程控制
a、当前述指令操作完毕，系统准备就绪，发出开启指令，所选PLC变频恒压供水系统在指定的开启方式下进入供水控制过程。
b、在供水过程中出现故障时，供水指令自动撤除并报警，已起设备保持运行，在短时间排除故障后，可从故障设备继续起车；否则可全部停车。c、对供水过程的时间累计并显示。
系统运行的闭锁控制
a、在运行过程中出现故障时，系统闭锁保护、报警。b、对系统有效工作时间自动统计，显示。c、对各种保护、运行参数实时检测。
供水过程控制 a、当系统对任一流程供水停车指令后，PLC将按用户程序完成停车功能控制。b、对供水过程累计时间及总停车时间显示。
3)故障报警系统
a.当设备发生故障或运行条件不满足时，能根据闭琐关系控制设备供水，并在监控操作站上显示故障原因。
b.报警方式：现场使用电笛报警、集控室内使用语音报警，并能够即时显示报警清单。如图;
7.3 触摸屏同步监控测试
结束语
变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。
在此感谢老师对我们的指导以及对变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统的了解和认识。随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持网管中水压的基本恒定。变频恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器、触摸屏及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定并能明确的监控，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动化程度高，明确监控，高效节能的优点，在高速科技发展的今天使得小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益。此致
敬礼
参考文献
争夺1.6L之王 篇6
798，这个曾经废弃的工厂，如今已经成为玩艺术的人们梦想开始的地方，奔腾B50的梦想也从这里开始。一汽轿车对这款车充满期待。
发动机走成熟路线
进入2009年，国家鼓励小排量汽车发展的政策接踵而至。一汽轿车当然不愿意错过这个机会。在1.6L减免购置税的政策出台的同时，奔腾B50的研发和生产已基本到位。下线、上市，顺理成章。
据介绍，一汽轿车在奔腾B50的整车开发过程中，整合了多家国际汽车研发团队，以及零部件供应商资源。“让消费者有驾驶B级车的感受，这就是1.6L排量车型的理想标准。”张丕杰如是说。他希望自己的车能成为“1.6L之王”。按照这位一汽轿车总经理的说法，1.6L排量的车型属于家用车的黄金排量。其理想标准就是省油、节能环保。
据一汽轿车提供的资料显示：奔腾B50搭载的一汽一大众BWH 1.6L发动机源自德系动力，其最大功率可达76kw，最大扭矩达145Nm，这些数据的确可以与许多1.6L发动机匹敌。
事实上，奔腾B50的发动机走了保守成熟路线。业内人士认为，按照一汽轿车“国内保有量最大，超过230万台”的说法，奔腾BS0的发动机实际上是沿用了速腾与新宝来的1.6L发动机，这款发动机的动力输出和技术含量方面都谈不上先进。在实际使用上的动力和能耗应该和目前的两款同“心”车型差别不大，奔腾显然看重的是这台机器的“稳定，耐用”。
德系血统优势
既然是想称“王”，就要服众，PK掉实力强劲的对手。
不妨来关注下“肉少狼多”的10万元车型区间，以B50 9.88万元～12.58万元之间的定价来看，可算大胆。雪铁龙世嘉、标致307、大众新宝来、斯柯达明锐，均是操控好手。B50的底盘虽然源自马自达，但日产骐达、丰田卡罗拉都是省油健将，B50想在一线市场打开局面艰难也不现实，放下身板避开风口浪尖的车型才是“王”道。于是一汽轿车瞄准了同级别市场上的活跃分子：伊兰特悦动、凯越。
伊兰特悦动配备的CVVTN变正时气门功能，虽然与主流的WT-i以及VTEC技术还存在差距，但在实际油耗上会略强于B50，当然，B50在空间上的优势则要高出悦动一筹；新凯越的DOHC 16气门发动机在油耗上则要稍逊一筹。两款车目前都有固定的消费人群和较大的保有数量，相同点在于动力总成均源自韩国。如果对手定位为韩系车型，奔腾宣扬的德系血统优势就会体现，加上日后不得不服软的价格战，打开局面就容易得多。
稳定可靠的发动机，自主品牌中更为扎实的底盘，一汽奔腾最大程度发挥自己的资源优势给B50好的身板，国内市场之大不足以应验“成王败寇”的道理，奔腾有机会争取也有机会成就自己的“天下”。
一切皆看价格。
预置3％降价空间
从销量上看，奔腾B50的对手个个都不是软柿子。
伊兰特悦动一上市，就取代伊兰特成为北京现代的主力车型，每月超过1万辆以上的销量就是事实；新款凯越自上市以来，通过促销手段，销量也一直不错，几乎成为上海通用的支柱车型。来自汽车工业协会的数据显示，4月份新凯越和悦动以2.35万辆、2.29万辆分列销量榜前两位，尽管这包括了其他排量的销售数据，但这两个数字足以让BS0感到压力，
于是，奔腾B50祭起价格的利器。
在竞争日益激烈的1.6L市场，价格往往起到关键作用。在经过了大量市场调研和目标消费群体的心理估算值后，一汽轿车将奔腾B50的价格定在9.88万元～12.58万元之间。葛树文认为，这样的定价是为了奔腾B50在1.6L这个市场上有一定的竞争力，让消费者能够感受到很高的性价比。
从当天公布的价格来说，B50与竞争对手公开的市场指导价至少有10000元到15000元的差距。但与此同时，竞争对手又在纷纷降价。有数据显示，凯越的售价已降至9.32万元，悦动的售价也降至9.11万元，只有新宝来的价格高于B50。奔腾B50的市场指导价不存在什么优势。
葛树文其实早打好了算盘：”我们已经预置了未来3％的降价空间。”这样的竞争力还是很明显的。
“拿来”成功案例
说到今年的市场，葛树文的心里却没了底：“现在最难的就是对市场作出准确的预测。”他表示，以现在国家的政策和市场的需求来看，销量增长是一定的。但作为我们这样一个品牌来说，我们应对市场不能靠预测，因为我们更多的是靠快速反应。只要有变化，我们就去对应。这样才是应对现在不可预测市场的最佳办法。
葛树文的说法已经在B70身上得到了验证。从上市初期并不被人看好，随后降价、改款、再降价，B70已经完成了质的突破。可以肯定的是，一汽轿车已经从2008年奔腾B70的营销上学到了奔腾这个自主品牌的“品牌定位”和“产品定价”策略。2008年，奔腾B70经过一些列价格调整之后终于获得了丰厚的回报，去年全年47750辆的销量足以让奔腾B70跨入中级车市场第二军团中，奔腾B70在新的价格体系和营销策略下的成功，也必将影响到奔腾B50的整个定价策略和营销思路。
与此同时，竞争对手的成功，不失为一个好案例，学学北京现代和上汽的“小九九”吧。伊兰特悦动自2008年4月份上市至今，完成了对伊兰特的更新换代，比竞争对手新凯越先行一步抢得商机，在上市推广的首战中，伊兰特家族小胜一筹。而新凯越也不甘落后，刚上市就爆出“恐怖”销量数字，试图通过一连串的数字来让对手心理上产生压力。也难怪，当时在价格方面，二者都是上市不久的新车，过早展开价格战难免会自掉身价，而且对各自的品牌形象也有所损害，但是竞争还要继续，那就得另谋他路了。这样的案例，一汽轿车是不是也能“拿来主义”?
葛树文毫不掩饰对这个款新车的期望：3万辆。而这个销量目标，在葛树文看来似乎略显保守，“3万辆的销售目标只是其目前的一个大致的投放，未来会运用更多的市场手段，把这款车的销售量拉大。”
基于L系统的树木建模与仿真 篇7
近年来, 许多文献都对L系统在三维场景中的应用进行的论述。文献[1]对树木分枝的粗细度进行了讨论;但其对同一分枝的底端和顶端采用相同的宽度值, 导致父枝和子枝之间过度不够平滑, 缺乏真实感。文献[1—3]对树木分枝的随机性进行了讨论, 但只讨论了分枝半径和长度等参数的随机性, 未对生成分枝的产生式规则的随机性进行讨论。文献[4—6]使用参数L系统对分枝的细节进行控制, 但参数需要在字符串重写前输入, 因此每次修改参数, 对树木形态结构进行微调时, 都会涉及字符串重写和参数的重新计算, 可交互性不强。文献[2, 4, 5]使用N个矩形面片拼接而成的圆柱台结构来近似模拟分枝, 且对于所有分枝均采用相同的面片数, 对于人眼较敏感的分枝 (如主干等) 细节程度不够;而对于人眼容易忽略的部分 (较细较短的枝干) 又造成了不必要的资源浪费。
针对上述算法暴露出的问题, 提出一种改进的L系统方法, 并以实验对比的方式对改进的有效性进行论证。
1 L系统
1968年, 匈牙利生物学家Lindenmayer首次提出了L系统[7]。L系统的核心是字符串的并行重写。通过对植物的观察与研究, 总结并提炼出用于描述植物拓扑结构的字符串, 并将其作为起始字符串。根据预先定义的字符串重写规则, 依次对字符串中的字符进行重写。经过有限次的迭代之后, 即可得复杂植物模型的字符串表示形式。
L系统是由一个有序三元组G=
2 改进的L系统绘制流程
通过研究发现, 影响L系统树木绘制性能的因素主要集中在以下两方面:
1) 递归的进行字符串重写时, 与内存进行大量的交互。
2) 根据生成的重写字符串进行龟图解释时, 产生大量的分形计算。
受文献[4—6]的启发, 为了减少不必要的字符串重写和分形计算数量, 将传统L系统方法中字符串重写和龟图解释这两个紧密结合的过程拆分为两个不同的阶段, 分别命名为预处理阶段和绘制阶段。
预处理阶段执行类似于传统方法的字符串重写操作, 但无需输入参数, 且不进行参数计算。将传统方法中的输入参数和参数计算的过程放置到绘制阶段, 因此修改参数对树木进行微调将不再需要对字符串进行重写。
绘制阶段涉及My Parameter、Lnode、Tree Node三种数据类型, 其中My Parameter用于存储用户输入的分枝长度、分枝半径、分枝缩放比等相关参数;Lnode是一个链表类型, 其中rewritechar用于保存当前字符, Lnode Para保存字符进行龟图解释时, 分形计算得到相关参数, 当系统判断树木形态结构未发生变化时, 可直接调用此信息, 避免大量不必要的分形计算;Tree Node中para用于存储上一帧中读取的参数, Tree Info存储上次分形计算得到的参数。Lnode, Tree Node数据结构定义如下:
用户输入的参数以My Parameter的形式进行保存供系统调用。每一帧绘制前将My Parameter中的参数与Tree Node中的para进行比较, 如果参数不同, 表明树的形态发生了变化, 则进行龟图解释时重新进行分形计算, 并将分形计算得到的数据存储在Tree Node的Tree Info中, 绘制树木;若参数相同, 说明树的形态未发生变化不需要再进行分形计算, 则直接调用Tree Node的Tree Info中上次分形计算得到的数据进行绘制。
改进的L系统的流程图如图1。
如图1所示在三维龟图的解析及分形计算中, 当遇到“[”“]”字符时分别执行入栈和出栈操作。这里建立一个包含枝干半径、枝干长度、当前点坐标、方向向量四个参数的结构体Scale Node。当遇到“[”时, 表明即将绘制当前枝条的子枝, 即把ScaleNode类型的数据入栈, 并执行分枝长度和半径的缩减计算 (即Lnew=Lold×l_scale, Rnew=Rold×r_scale) 。当遇到“]”时即表示子枝已绘制完成, 现在需要绘制父枝, 则对Scale Node数据执行出栈操作, 获取父枝条空间坐标、方向向量、以及枝干半径和长度。
3 分枝结构的改进
现使用n个矩形面片拼接成的圆柱台来模拟树木的分枝。
通过上述参数方程, 赋予θ不同的值求出圆柱台中所有矩形面片的顶点坐标, 并使用Open GL的GL_QUADS图元构造出n个矩形面片。
文献[2, 4, 5]使用类似的圆柱台结构来模拟树木的分枝。通过对真实场景中树的主干、一级分支、二级分枝等观察发现, 树枝的粗细度和长度都会随着分枝级别的增加而减小。从人类视觉的角度, 人眼对于较大的物体较为敏感, 而较小的物体则容易忽略。因此这种固定面片数圆柱台结构来模拟分枝的形式对于主干, 一级侧枝等, 细节描述不够;而对于较小的枝条又会造成资源的极度浪费。因此本文在使用圆柱台来模拟树木分枝的情况下提出了一种面片消减算法 (slices-compression, SCA) 来解决上述问题。
为了使人眼能够察觉的枝条具有良好的细节, 而易被忽视的枝条不会造成大量资源的浪费, 因此选取如下函数来表述递归深度和面片数之间的函数关系如下
变量x为递归的深度, 变量y为此递归深度的分枝所使用的面片数, n为面片数的最大值, ε为敏感因子。应用上述抛物线函数, 可以很好的满足主干, 一级分枝, 二级分枝这些较易被察觉的分枝具有较多的面片数, 且面片数递减不明显, 从而保持较高的细节;而较小较细易被忽视的分枝由于其递归深度较高, 因此使用的面片数较少。由二叉树的性质可知, 分枝数随着递归深度的增加呈现指数型增长, 因此具有较高细节的分枝由于其递归深度较小, 在总分枝数中只占极小的一部分;而绝大多数的分枝为递归深度较高的分枝, 应用SCA算法可以使这些占绝大多数却不易被人眼所察觉的分枝使用较少的面片数, 这样在保证树木细节的情况下, 大大减少了需要绘制的矩形面片数。
4 分枝的随机性的改进
L系统绘制的树木具有高度的自相似性, 而真实场景中的树木往往受到内因和外因的共同影响, 造成各级分枝形态结构的差异。为了更好地模拟真实场景中的树木, 需要对树木的分枝添加一定的随机性。文献[1—3]分别对分枝半径、长度、夹角等参数加入了一定的扰动因子来构造树木的随机性。本文区别于上述方法, 为了模拟真实场景中分枝顶芽死亡无法生成新分枝的情形, 设置多种不同的分枝产生式, 并对产生式赋予一定的概率因子, 通过随机函数随机对产生式进行选取, 以获得更好的随机性。改进后的字符串重写规则如下:
1) 设置递归深度, 选取主元 (初始字符串) 。
2) 判断是否达到递归深度, 若是则4) , 若否则执行3) 。
3) 对字符进行重写。
(a) 若当前字符与一个或多个产生式的前驱相匹配, 则使用随机函数随机选取产生式规则, 并用产生式规则的后继来代替当前字符。指针后移, 重复步骤3) ;
(b) 若字符非空且无产生式前驱与当前字符相匹配, 则保留当前字符。指针后移, 重复步骤3) ;
(c) 若字符为空, 则已到数组末尾, 递归深度加一并转向步骤2) 。
4) 将生成的重写字符串以数组的形式进行保存。
5 树叶的绘制
树的分枝不断递归生成下一级分枝, 当达到树的最大递归深度时, 在最后一级枝条的末端绘制树叶。树叶的绘制流程如下:
1) 将真实树木的树叶进行处理, 将背景颜色设置为黑色, 并以24位bitmap的格式进行保存。
2) 逐像素点进行判断, 如果RGB值小于所设定的阈值, 则将其Alpha通道设置为0, 表示其为透明, 开启混合时将由其他背景代替;若RGB值大于所设定的阈值, 则将其Alpha通道设置为0x FF, 即混合时这部分像素完全不透明。
3) 将bitmap纹理进行插值运算依次映射到边长为Size的矩形方框中, 并将方块旋转适当的角度, 设置叶片的材质, 开启混合。
6 实验结果及分析
实验的硬件环境为:Pentium Dual-Core E5400, 2 G内存, Nvida Geforce GT430显卡。
软件环境为:VS2010, Open GL。
6.1 实验一
图2为本算法与文献[1]中对枝干控制效果的对比图。如左图可以看出文献[1]算法中分枝顶端和底端采用相同的半径, 而父枝顶端的半径与子枝底端的半径不相等, 造成了父枝与子枝间过度的不平滑。而本算法 (右图) 中分枝顶端和底端存在一定的缩放比, 且父枝顶端半径等于子枝底端半径, 所产生的树木更具真实感。
6.2 实验二
使用本文提出的面片消减算法对分枝面片数进行消减。在保证树木具有良好细节的情况下, 对人眼易忽略的分枝进行面片消减。如图3, 绘制一棵递归深度为11, 最大面片数为50的树木。左图为使用文献[2, 4, 5]中圆柱台结构绘制的树木, 绘制速度为64帧/s, 每帧绘制时间为15.63 ms。而右图采用本算法在保证高细节的情况下, 绘制速度为412帧/s, 每帧绘制时间为2.42 ms, 且如表2所示, 本算法使用的面片数相比文献[2, 4, 5]方法要大大减少。
6.3 实验三
与文献[1—3]算法相比, 本文对分枝的随机性进行了改进, 赋予不同的产生式以不同的概率因子。可以很好的模拟树木生长过程中顶芽死亡无法抽出新枝的情形。图4左边第一棵树为传统方法生成的树木, 余下三棵为本算法生成的树木。所应用的生成规则如下。
6.4 实验四
使用本算法生成的多种三维场景中的树木如图5所示。
7 结语
对传统的L系统绘制流程进行了改进, 减少了用户交互时候造成的大量字符串重写, 并通过TreeNode结构体的设置减少了大量不必要的分形计算。提出了一种分枝结构的面片消减算法, 在保证分枝高细节的情况下极大的减少了需要绘制的面片数量, 进一步提高绘制速度。对重写规则设置一定的概率因子, 使得生成的树木更具随机性。然而本文对自然环境对树木的影响, 树木间的资源竞争, 以及将树木应用于大规模场景的渲染中研究还较少, 是今后进一步研究的方向。
参考文献
[1] 丁欢, 万旺根, 王道臣.基于改进分形L系统植物自然现象的研究.计算机仿真, 2009;26 (1) :200—204
[2] 徐肠凯, 徐文华.基于L系统的真实感树木生成算法与实现.计算机应用与软件, 2012;29 (7) :231—234
[3] 朱岳, 邹北冀, 刘结, 等.基于三维分枝模型的树木模拟.计算机工程与科学, 2006;28 (7) :46—48
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[6] 刘宪鹏, 凌筱清, 金小进.基于L系统的树木仿真.计算机仿真, 2012;29 (7) :247—251
L-系统 篇8
乌拉特中旗气象局从2005年8月1日正式完成由701-59型探空仪到L波段电子探空仪的转型, 至今已稳定运行了三年多, 根据这几年的L波段系统运行的实际工作经验, 就怎样提高气球的施放高度谈一些看法。
影响气球施放高度的因素很多, 包括天气状况、雷达运行的可靠性、探空仪 (含回答器、回答器电池) 质量、探空气球的质量和充灌过程的操作方法等等。
1 提高球炸率的方法
1.1 保证雷达系统的正常运行
按照雷达日常维护手册的要求, 定期做好雷达日、月、季度及年维护, 如:经常擦洗汇流环 (特别在下雨或沙尘暴过后) , 做好雷达与经纬仪的对比观测, 定期做好雷达的标校等, 以保证雷达系统的正常运行, 不影响探测质量。
1.2 保证施放的仪器质量
L波段系统使用的GTS1型电子探空仪, 采用的是全电子传感器和负载波二进制数字代码遥测的方法, 具有探测精度高、采样速度快、抗干扰能力强等特点。它不需要象59型探空仪那样提前检定仪器。在气球施放前直接作基测即可, 所以要求值班员在施放前的准备工作中更要认真细致, 能够及时发现仪器故障, 目前乌拉特中旗气象局出现最多的是温压湿的突然变性和仪器脉冲的断开, 所以要求值班员在7 (19) 时00分把仪器装配好悬挂在放球点, 密切观察仪器的信号和脉冲是否正常, 以便发现问题及时更换仪器。
1.3 电池的准备
GTS1型电子探空仪使用的是镁氯化亚铜注水式电池, 电池准备的好坏直接影响探空仪的工作性能, 浸泡电池时要根据不同的季节来调整盐水的浓度和浸泡的时间, 在夏季, 盐水相对淡一些, 电池电压一般在14V~16V之间;在冬季, 盐水相对浓一些, 电池电压一般在18V~22V之间。电池一般在放球前25分钟浸泡, 且每次侵泡电池的盐水不宜过浓, 侵泡的时间适当长一点较好, 以便电池能够充分激活。
1.4 计算机系统
L波段系统中的雷达操作、大量探测数据的处理、报文的编发等都完全依赖于计算机软件 (放球软件和数据处理软件) , 所以要求值班员要掌握计算机的基本知识, 还要注重日常维护 (如病毒的防御等) , 计算机系统正常运行是保证放球质量的重要保障。
2 气球升速的控制-掌握合理的净举力
为了保证气球在高空保持一定的升速 (规范要求一般控制在400m/min左右, 气球升速若从某层开始至记录终止, 升速均小于150m/min或大于600m/min, 则以后记录不再整理) , 需要在气球中充灌氢气使之上升, 其中气球排开同体积空气的重量, 减去同体积氢气的重量, 称为总举力, 总举力减去气球和所携带的探空仪等附加物的重量后叫做净举力。
净举力与升速的关系近似于对数曲线, 到达一定的净举力以后, 随着净举力的增加, 升速却变化不大, 反而因为充气过多, 使得气球过早爆炸, 影响探测高度。而净举力过小, 则会造成升速过慢甚至若遇到恶劣天气造成气球下沉, 影响施放高度。所以掌握合理得气球升速对于气球的施放高度有着重要的影响。根据多年经验 (使用750g (120号) 气球) 净举力一般应控制在1600g左右, 并根据当天的天气状况, 在l00g范围内适当调整, 平均升速控制在320m/min~380m/min为宜, 以获得较为理想的施放高度。
3 掌握正确的充灌气球方法
(1) 充灌气球的时间应该在施放前一小时至半小时内进行, 并注意控制合理的均匀的充灌速度, 一般控制在20min~30min为好, 若充气速度过快, 气球的球体会快速的膨胀和抖动, 对球皮的橡胶弹性有一定的损害, 同时, 因为乌中旗气候干燥 (特别是在春冬季节) , 氢气在流动过程中会产生静电, 速度过快, 摩擦生热, 还会产生安全隐患。
(2) 注意一定要充灌冷却的氢气, 因为热氢气在气球内会使得球体局部受热, 破坏球体原有的流线型而出现探空员俗称的“偏头”现象, 并使球皮厚薄不匀, 在高空球体膨胀后, 过早爆炸, 降低了探测高度。
(3) 为了防止橡胶球皮老化, 生产厂家在出厂时在气球内放了许多滑石粉, 所以在球体充灌过程完成后, 一定要将积聚在球嘴附近的滑石粉尽可能的清除掉, 也就是减少了附加物的重量, 在相同的总举力时保持相对较大的净举力。
(4) 在绑扎气球嘴的时候, 注意扎绳的位置要尽量接近平衡器, 这样可以适当增加球体的膨胀空间, 有利于提高施放高度。
4 气球球皮的存放和日常维护
(1) 气球在运输和存放过程中, 应避免阳光直接照射和与油类、酸碱等有损橡胶质量的物质混放。
(2) 气球的存放时间不宜过长, 一般应在出厂后一年半以内施放, 避免球皮老化造成的影响。
(3) 乌中旗冬季气温很低, 气球库房内没有保温设施, 所以在使用前一个星期, 将气球置放在温度20℃左右的房间内, 使其恢复弹性。
(4) 在充气时, 对于球皮要轻拿轻放, 避免球皮在地面拖擦时造成伤害。
总之, 在L波段系统运行过程中, 注意以上问题, 平时多注意积累经验, 就能较为有效地提高气球的施放高度, 可以为天气预报、气象服务提供更多更准的高空探测资料。
参考文献
[1]俞卫平, 章澄昌.L波段 (1型) 高空气象探测系统业务操作手册[M].北京:气象出版社, 2005, 2.
L-系统 篇9
1 使用方法
1.1 计算机正确对时
当L波段放球软件开启之前, 需要做好计算机设置时间的检查工作, 以防因为时间的问题而导致放球迟缓。例如:当完成探空基测时发现时间出现了错误, 应该马上将L波段放球软件退出, 准确的修改计算机时间, 之后重新进入也需要重新做基测。
1.2 将电池浸泡
通常在夏季时, 应该控制水温在40℃左右, 浓度大约在3%, 且不能有太强的电流, 在350m A左右;可是一旦到冬季, 就应该将水的温度适当的升高, 应该控制在50℃左右, 浓度控制在5%左右, 电压为26V左右, 当电流值在500m A以上时, 利用此方法所浸泡的电压具有稳定性强以及波动幅度小的特点。
1.3 确定放球地点
当风向发生变化时, 对放球点进行变换极其重要, 这样就不会出现雷达丢球以及气球低空过顶的现象出现, 能够有效确保雷达从地面开始一直到高空可以一直跟踪气球不间断, 最终可以得到准确完整的资料。
1.4 输入基测数据
当放球后, 进行数据的处理, 但是此时在数据处理系统中却发现基测数据不正确, 可是却显示出基测是合格的, 当出现这种现象时, 就表明值班员的某些操作可能不正确。所以在进行具体的操作时, 一定要按照具体的操作规程来进行相应的操作, 当基测合格后将基测开关关闭, 不可以重新按基测开关。这样就可以有效避免在判断仪器是否合格的过程中出现变量比较值错误的情况。
1.5 探空信号非常不稳定
信号的跳动频率非常大, 还会出现短时间的突失, 此时需要将频率转换为手动, 不断的反复调整, 以防出现雷达丢球的现象。在放球时, 当探空仪载波频率发生了非常大的变化或者出现跳动频率时, 在这时探空信号又不连续, 这时就应该考虑是否应该丢球。当遇到这些情况时, 需要进行手动调频, 且范围要大, 首先将“天控”键转换为手动方式, 这时雷达就不会出现跑位, 当频率恢复后, 在将其转为自动方式。
1.6 装配电子探空仪
在装配电子探空仪的过程中, 应该密切关注温度的变化, 因为温度如果过高或者过低都可能导致测距的凹口出现问题。夏季当气温在25℃左右时, 应该做好促进散热的准备, 此时需要做的是将电池泡沫盒盖的一个角掰掉;当到了冬季气温下降时, 再将盒盖安好保持温度正常。
1.7 准确输入仪器序列号
在放球结束后, 此时仪器序列号显示没有任何异常, 可是在数据处理系统中却显示异常。这主要是由于在检查完序列号之后, 对仪器参数进行校正的过程中, 应该将基测箱与仪器连接好, 当确定序列号稳定时, 按下“确定键”。当仪器装配完成之后, 挂在放球点, 此时将雷达天线与仪器对准, 将增益与频率转换为自动, 只需要序列号二次校对即可。
2 常见问题
2.1 示波器显示出现凹口
在放球前, 发现示波器出现凹口, 但是过了几分钟之后却发现没有凹口, 出现这类问题的主要有两种原因:
2.1.1 仪器的自身问题, 此时就需要密切关注高度发生的变化, 防止跟踪丢球, 造成探空信号的错乱。
2.1.2 没有将雷达发射高压开关开启, 当确定时球没有炸裂,
应该马上将雷达发射高压开启, 然后用探空高度来计算先前的测风记录, 当时如果发现时球已经炸裂, 此时就需要应用无斜距的方法来计算全部的测风记录。
2.2 报警灯一直闪烁
当将探空仪施放后, 发现报警灯一直在闪, 将旁瓣抓球这种情况排除的情况下, 主要有以下两种可能:
2.2.1 假如计算机所显示出来的气高与雷达的高度二者之间的
差距非常大, 而且二者之间仍然在不断地变化, 这样就证明气压存在着飞点, 并且都是连续存在着, 这时所需要做的就是将气压飞点进行删除。
2.2.2 二者之间的高度非常大, 并且气高保持不变, 这就表明
没有准确输入地面瞬间气压读数, 只要将进行修改之前的数据进行恢复即可。
2.3 信号不断发生跳变, 数据显示异常
在进行放球时, 发现仰角或者方位角突然发现变化, 或变大或变小, 探空信号的强度也发生了变化, 时有时无, 有时信号甚至会彻底消失, 这时判断有可能为丢球或者旁瓣。当出现这种状况时, 应该立即对频率或者增益进行合理调整, 将天控转换为手动状态, 之后做好后续的角度调整工作, 最后将天控开关转换为自动。
3 总结
L-系统 篇10
1 工作原理
工作时雷达向探空球发出询问信号, 而后接收回答器的应答信号, 根据每一对问答信号的间隔时间和信号来向, 运用雷达测距测角技术测定每时次探空气球的空间位置, 由此计算得到高空风向、风速。气球上携带具有温、压、湿反应灵敏的传感器元件的探空仪, 完成各高度层气象要素的采集, 形成电参量。转换电路对电参量采样编码形成探空码, 由回答器发回雷达[1]。
2天馈系统功能说明
天馈系统由天线和馈线组成。四面呈菱形空间分布的抛物面天线组成天线系统, 由天线传动装置控制, 作左右方位转动和上下俯仰转动[1]。馈线系统则由可调移相器、和差环、调制环、高频旋转关节、环行器、限幅器等到组成。雷达发射时, 高频电磁能经环行器、高频旋转关节、和差网络、可调移相器, 最后送到上、下、左、右四个抛物面天线上, 集中成束地向空间定向辐射。接收时, 应答器发射的信号, 由四个抛物面无线接收后按相反的路径, 经限幅器后送到接收机。
雷达测角采用假单脉冲体制[1], 和差环将4个天线所接收的信号叠加得到和信号, 提取目标偏离天线形成的角误差信号;调制环由程序方波控制, 将从和差环获取的角误差信号以50Hz的速率调制在和信号上, 得到与偏扫体制雷达相似的信号[1]。此信号经接收机放大、解调即可得出反映目标偏离无线电轴的角误差信号。利用垂直面上的两天线获取的误差信号推动俯仰电机而测得仰角;利用水平面上两天线获取的误差信号推动方位电机而测得方位角。
3 典型故障与分析处理
3.1 天线定向不动信号正常, 转动时信号起伏不定
天线定向不动时信号正常, 说明程序方波有正常输出, 转动时信号起伏则考虑旋转关节接触不良。用沾酒精的纱布分别清洗滑环、滑环刷以及高频旋转关节。
3.2 天线跟踪不准, 示波器四条亮线两两不齐
(1) L波段雷达是通过和差环所获取的角误差信号来完成天线控制, 因此雷达自动跟踪正常时, 显示器上的四条亮线始终两两对齐 (上和下、左和右分别对齐) [2], “上”、“下”、“左”、“右”的程序方波幅度相同。四条亮线两两不齐, 出问题的一般是高出的两路亮线。用示波器检查“上”、“下”、“左”、“右”四路程序方波, 测量天控板 (11-6) 6XP1插头中的3、4、5、6脚, 此4路输出分别对应上、下、左、右四路程序方波, 如示波器显示脉冲方波幅度高电平>5V, 低电平<-1V, 周期20ms, 说明这一路程序方波输出正常。
(2) 如发现方波幅度有偏差, 首先应检查天线座和差箱的开关管套上的二极管VK105是否接触不良, 是否被击穿。如果VK105被击穿, 造成开路, 则会导致波束无法正常偏扫, 直接后果是电轴大范围偏移, 造成测角不准。打开天线座和差箱先进行防潮检查, 如有积水, 擦干, 用电吹风吹干和差箱内的器件。用万用表测试二极管, 若故障将其更换, 而后重新校正光电轴。如VK105完好, 需进一步检查这一路对应的馈线是否有进水或短路现象。
(3) 如馈线无进水或短路现象, 故障原因可能出现在WT9电缆上, 造成程序方波无法正常传送。检查WT9电缆, 如因断裂导致短路或断路, 则更换WT9电缆。
(4) 如在第一步测试中示波器未测得程序方波, 说明11-6板上对应该路没输出, 更换11-6备份板。
3.3 雷达近地面自动跟踪正常, 仰角抬升后自动跟踪失败
(1) 据现象分析, 雷达近地面自动跟踪正常, 说明主控箱11-6板工作正常。雷达方位自动跟踪正常, 低仰角自动跟踪, 说明天线电机正常。考虑天线工作时转动和天气因素使电缆晃动, 随时间累积电缆受损导致雷达故障, 问题有可能出在WT9电缆。关闭雷达电源, 打开主控箱, 拨出11-6板, 接上转接板, 此时上、下、左、右检查点对应转接板的第3至6脚。低仰角时, 用万用表测量这四脚的正反向四路空载阻值基本相同;天线仰角抬高到40至45度之间时, 再测量转接板第3至6脚空载阻值, 发现第5、6脚断路。到天线座, 拧下底部的WT9电缆插头, 测量第10至13线芯, 发现第12、13线芯有断路现象, 可判断WT9电缆到主控箱的某一电缆线已损坏, 将WT9电缆全部更换。
(2) 如更换电缆后仍未完全消除仰角抬升后丢球现象, 且故障发生频率、丢球仰角均不固定, 偶发率高, 需进一步往前端检查。从记录中发现仰角数据大部分在高仰角时漂移, 放球时四条亮线在高仰角阶段两两不齐串扰严重, 因更换过WT9电缆, 故检查馈源。停机后检查四个馈源均无进水, 故采取交换馈源位置的方法来确定故障所在。顺时针交换四个馈源, 开机跟踪高仰角有源目标物, 左、右两路信号 (下转第279页) (上接第277页) 串扰严重;停机后再交换上、右两馈源, 开机观测发现上、下两路信号串扰严重。故可判定上馈源故障, 拆下上馈源, 检查发现极化定位有偏差, 调整极化方向, 重新标定雷达, 放球观察, 信号有所增强且无串扰。
3.4 探空气球在近地面移动方位变化较小雷达能自动跟踪, 但向某一方向跟踪效果差
依该雷达工作原理, 雷达控制天线朝角误差减小的方向运动来实现自动跟踪功能, 天线往某方向跟踪效果差, 说明该方向角误差信号有误, 可如此检查:
(1) 依照4.1中描述的方法用示波器检查四路程序方波是否输出正常。
(2) 如程序方波正常, 关闭雷达电源, 拨出11-6板, 接上转接板, 用万用表测量检查点正反向四路空载阻值, 如角误差有误方向对应检查点的阻值与其他点不同, 打开和差箱测量该路二极管VK105是否正常。
(3) 检查电缆是否接触不良, 如电缆正常, 检查对应方向可调移相器。雷达自动跟踪过程中, 有时天线抖动会使可调移相器直导体松动, 导致移相器与电缆接触不良。紧固直导体, 重接电缆, 测量四方向检查点阻值是否一致, 如一致只需校正好光电轴, 故障解除。
参考文献
[1]南京大桥机器厂.GFE (L) 1型二次测风雷达原理与维修[J].2003 (2) :3-5
“1.6L以下”应当细分 篇11
随着年底的临近,以鼓励汽车消费拉动内需的汽车低税及补贴政策还能否在明年继续实行,已经成为汽车行业未来的关注点。作为今年经济复苏的增长点,今年全国汽车销量虽然大增,但全国汽车消费税并未因此获得增收。因此,我认为下一步我们应该着重研究车购税与消费税的关系。
现在我们将1.6L作为黄金排量,一定程度上改变了消费者原有的消费观念,以前很多人认为开小排量车没有面子,现在国家大力倡导,很多政府企事业单位领导带头购买,从而让中国人放下了固有的“大车面子大”的传统观念。
而明年可以考虑将1.6L以下车型市场细分。去年1.4L以下车型生产了216万辆,占1.6L以下车型总量的51.45%;今年1-7月1.4L以下车型生产了292万辆,占1.6L以下车型总量的50.86%。从数据上可以看出,1.4L以下车型占到很大比例,如何让更广的消费群体享受到更大的优惠是值得我们思考的。
由于现在的车企为追求市场规模而将产品结构集中于受政策优惠的小排量车型上,这就导致车企面临严酷的竞争,因此有可能采取降价措施,使得汽车产品的盈利能力随之减少。汽车企业未来在这一方面将面临更大的压力。
当前汽车产销两旺属于政策影响所致,相当于今年已经提前开发了市场的消费潜能。一旦明年不再实行今年的汽车优惠政策,汽车市场是什么态势还无法确定。
今年上半年,中国汽车市场出现井喷,国际各大汽车集团都把振兴的希望寄托在中国市场,而国内的自主品牌也不甘落后,欲在火爆的车市中大显身手。于是,国际各大汽车集团前赴后继地加大了对中国市场的投资,国内诸多车企也不约而同地走上了产能扩张之路。
根据各车企已经公布的规划,到明年,国内14家主流汽车企业的产能储备之和高达1582万辆,而今年,中国汽车产业全年的总销量将在1100万辆左右,其中乘用车年销售量尚不足1000万辆。产能明显过剩。
另外,明年国内汽车市场的不确定性因素也在增加。不确定性因素主要表现在以下几个方面:一是中国的宏观经济先于全球复苏,但对于车市的政策效应还能不能持续?二是影响车市的股市,多头行情能持续多久?三是油价对中国车市的影响有多大?由此可见,明年车市还会不会像今年这样大好还是个问题。如果大家继续争相扩产,那么过剩产能必将困扰明年车市。
当然事物总是两面的,过剩产能会给厂商带来压力,但对老百姓来说是好事一件。与国际车价相比,现在的车价还是高的,产能的增加可以拉低车价,给消费者带来实惠。
更为重要的是,油价上涨等使用成本的上升制约了汽车消费。近年来车价逐步下调的利好,其实早已被油价上涨、维修费用过高、车价下移致使车辆快速贬值、违章罚款高等经济成本的上升所抵消,而停车难、道路拥堵、车辆利用率不高等时间成本的损失更难以计算。特别是近来油价的快速走高,对汽车销售影响较大,改变买车或推迟买车计划的消费者都不在少数。
L-系统 篇12
大豆根系作为大豆的重要器官之一,在大豆整个生长发育、生理功能和物质代谢中发挥着重要作用。由于根系生长环境的特殊性,使得作物根系的研究远远滞后于地上部分,虚拟植物克服了传统方式下试验周期长、环境因素难以控制的缺点,大豆根系的虚拟研究具有重要现实意义。
本研究以大豆根系为研究对象,在实验室进行盆栽试验,在大豆生长的不同时期采取挖掘法进行根系数据采集,测定大豆根系的长度、粗度以及数量;基于试验采集数据,根据大豆根系生长呈S形曲线的特点,基于逻辑斯蒂方程进行回归分析,获取大豆根系的生长方程;根据大豆根系形态结构具有自相似性特点,设计大豆根系L系统,在VC++环境下利用OpenGL技术实现了大豆根系拓扑结构模型的构建及可视化模拟。
1 大豆根系形态特征与生长特性
1.1 大豆根系形态特征
大豆的根属于直根系,由主根、侧根和不定根3部分组成。主根是由种子中的胚根伸长而成,侧根是由主根产生的分枝,由主根直接生长而成的根为一级侧根,一级侧根产生二级侧根,依次类推,每级侧根都有与主根相似的形态特征。L系统在描述具有自相似的植物拓扑结构和生长规律上具有很大优势,为计算机模拟植物的真实感图形提供了强有力的工具,本文采用L系统进行大豆根系模型构建。
1.2 大豆根系生长特性
大豆根系生长呈S型曲线变化,是一个“慢—快—慢”过程,即慢生长、快速生长和衰老3个阶段。苗期的根系是由几条向四周近似于平行扩展的支根和垂直生长的主根组成,自现蕾期始,侧根大量产生,并由近似于平行扩展开始转入向下的垂直生长,到鼓粒期时,根系中新生根的生长已基本停止,此时大豆根系呈钟罩状分布。大豆根系生长过程符合逻辑斯蒂方程,逻辑斯蒂方程作为数学模型描述的一种理论,对于生长呈S形特征的曲线,提供了一种行之有效的问题解决方法。
2 大豆根系生长规则提取
2.1 逻辑斯蒂方程
逻辑斯蒂方程是生物数学家P.F.Verhulst于1938年为研究人口增长过程而导出。其特点是开始增长缓慢,而在以后的某一范围内迅速增长,达到某限度后,增长又缓慢下来。曲线略呈拉长的S型,尤其在描述生物体生长数量变化上具有明显优势。大豆根系生长呈S型曲线变化,其生长过程符合逻辑斯蒂方程。
限于篇幅的原因,对于逻辑斯蒂方程的演绎过程与生长曲线方程的推导从略。逻辑斯蒂方程的基本形式为undefined,K和μ都是经验参数,只能按所得数据用逻辑斯蒂方程本身拟合来予以确定。在求导逻辑斯蒂方程时,参数K和μ可以用最小二乘法求得,而对于Wm,可取3对观测量(t1,w1),(t2,w2),(t3,w3)代入求得。
2.2 材料与方法
选取东北地区有代表性的大豆品种东农49进行盆内有土种植,在不同生长时期采取挖掘法从盆中取出,然后将其植入预先准备好的营养液中进行无土栽培试验,并用数码相机拍摄已获取根系数据,测量并记录大豆根系的生长情况。
本试验主要进行了大豆主根长度的测量,对于侧根长度由于其数量与长度都有很强的随机性,可以采用如下经验公式求得
侧根长度=(最长侧根长度+最短侧根长度)/2×侧根条数×0.618
在大豆长出2片子叶后,采取挖掘法将整株大豆从土壤中取出,在不损坏根系的前提下,移植到事先准备好的培养液中进行无土培养,此时大豆主根长度为4.8cm。其中,主根在6cm处向下突然变细,与侧根区分不明显。在培养液中根系生长数据经测量后,记录如表1所示。
采用逻辑斯蒂方程对测得的试验数据进行拟合,利用综合优化软件对所要拟合的非线性生长模型进行曲线拟合,得到的大豆主根生长的非线性回归方程为
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通过输入测量值得到的拟合曲线呈现明显的S形,如图1所示。
从图1中可以看到测量值与最优计算曲线偏差很小,由这些测量点连接生成的曲线与最优计算生成的曲线基本吻合,曲线拟合度较高,得到的逻辑斯蒂生长方程能够较好地反映大豆主根的生长规律。
3 大豆根系拓扑模型的可视化实现
由于根在生长过程中粗度以及生长角度都会随时间发生相应变化,而且主根与侧根在形体上存在明显差异,因此对主根与侧根的生成分别进行处理。
3.1 大豆主根拓扑结构
大豆主根具有明晰的粗度变化,拓扑结构可以看作是从上至下半径逐渐缩小的圆柱体,主根的每一段可以用一个倒置的圆台进行表示,主根的每个断面都是一个圆截面;主根可以由无数个圆台组合逼近来表示,圆台的长度l越小则得到的图形就越平滑,就越接近于真实大豆主根。
基于以上分析,在大豆根系拓扑结构程序设计中要充分考虑主根的三维可视化效果,主根的绘制可以利用OpenGL提供的画圆柱函数进行实现,其基本语法格式为:
auxSolidCylinder(GLdouble radius,GLdouble height)
参数radius为圆柱的半径,用来表示主根的粗度,参数height为圆柱的高,用来表示主根的长度。对于主根长度随时间变化,在程序中设置一个时间变量t,主根长度用变量mainrootlen表示,基于试验数据计算得到的逻辑斯蒂方程,则主根生长方程可表示为mainrootlen=169.531 9/(1+34.886 6·exp(-0.329 3·t)),利用OpenGL技术在VC++环境下绘制图形,为使生成的主根形态更加逼真,在程序中采用随机函数使其实现弯曲变化。
3.2 大豆侧根拓扑结构
侧根与主根相比,其根系粗度较细,而且随着侧根的生长其粗度变化不明显,在程序设计中可以用画线函数进行绘制,为达到平滑侧根生长曲线的目的,采取以若干线段替代直线的方法,每两条线段之间具有一定夹角。
为使得生成的图形更加具有随机性,在线段与角度绘制时,以当前生长点方向加上或者减去随机值实现,不仅能够实现平滑侧根的目的,也实现了角度变化的随机性,使得生成图形更加逼真、自然。
3.3 大豆根系L系统设计
由于大豆根系的复杂性,对于公理以及产生式规则的提取,需要考虑主根的粗度及其随时间的变化、侧根的弯曲度及随机性等因素,为了处理的方便,根系L系统在设计时区分了左右侧根,具体L系统设计如下:
其中,V为本L系统设计的字母表,ω为初始公理,主根规则产生式为P1,主根生长量为F,主根生长点为A;左侧一级侧根规则产生式为P2,生长量为E,生长点为L;右侧一级侧根规则产生式为P3,生长量为G,生长点为R;左侧二级侧根产生式规则为P4,P5,相对于当前一级侧根的左右二级侧根生长量分别为C,D,生长点分别为N,M;右侧二级侧根产生式规则为P6,P7,相对于当前一级侧根的左右二级侧根生长量分别为I,H,生长点分别为Y,X。各生长量的长度和宽度值由其对应生长点的参数s,w决定,s0,w0为初始值,rL,rR为左右侧根生长量的变化比率,rs为不同层次同一级根系的变化比率,rw为根系粗度的变化比率。角度参数α,β分别为主根与左右一级侧根的夹角λ,γ为左侧一级侧根与其产生的左右二级侧根的夹角,ρ,σ为右侧一级侧根与其产生的左右二级侧根的夹角,φ为侧根偏转角度,即控制侧根的弯曲度。符号“+”代表以当前生长点方向进行逆时针旋转,“-”代表以当前生长点方向进行顺时针旋转。“[”和“]”分别代表将当前状态信息进行入栈和出栈。
基于设计的大豆根系L系统,在VC++6.0开发平台下,借助OpenGL强大的三维图形和模型库进行构建,系统充分考虑根系间夹角、侧根弯曲度和根系生长量的变化,并采用随机函数实现各量值的随机变化,从而使生成的图形具有更好的视觉效果,随机生成的大豆根系拓扑模型如图2所示。
4 结论
文章讨论了大豆根系虚拟模型的构建方法,设计了大豆根系的L系统,并在VC++环境下采用OpenGL技术实现了其可视化,分析了各参数对根系模型的影响,生成的大豆根系图像具有随机性,在形态结构上与真实根系图像比较接近。但是,试验数据是在没有考虑水分、光照等环境因素下获取的,加之根系数据采集手段的局限性等因素,与自然环境下的数据之间还存在一定的差异,在后续的研究工作中,应进一步结合大豆根系的生理特征进行模拟,为大豆根系模拟研究提供技术支持。
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