虚拟试验系统（精选9篇）
虚拟试验系统 篇1
随着仿真技术特别是分布式仿真技术的发展,HLA被广泛应用于建模与仿真系统的设计与开发。HLA是美国国防部建模与仿真主计划(MSMP)倡导建立的建模与仿真公共技术框架的一部分,HLA不是针对于特定应用领域而设计的,它适用于所有领域(如试验、训练、分析等)中的建模与仿真的开发与集成[1]。但在试验训练领域,由于存在特定需求,使得HLA并不是最佳的体系结构。1995年,美国国防部试验与评估投资中心项目办公室正式发起了三军联合的“试验与训练使能体系结构”(Test and Training Enabling Architecture,TENA)项目,TENA是在HLA基础上专门针对试验训练领域的特点开发的,针对该领域的特定需求对HLA进行了扩展,提供试验和训练所需的更多特定的能力[1,2]。
由于国内靶场试验训练环境和需求的特殊性,必须自主研发试验训练体系结构中间件。文献[3]针对某虚拟试验系统,在借鉴TENA设计的基础上,提出了一种高效的多节点信息交互机制,但该设计主要针对的是节点间单个SDO(状态分布对象)属性的信息交互,而对于节点间批量的SDO属性交互缺乏支持。本文在借鉴TENA数据分发服务及文献[3]信息交互机制设计的基础上,设计并实现了一种基于数据域属性订购的批量数据交互方法,该方法支持用户自定义的数据过滤,能够屏蔽无效数据,减轻应用层的数据处理压力。
1 节点间信息交互机制
在大型分布式虚拟试验中,系统的各参试成员通过本地成员的组件完成自身功能,同时通过中间件把本成员组件的状态传递给其他参试成员[3]。在中间件中,组件被实例化为一系列的SDO对象,通过节点间SDO对象的发布订购机制来达到节点间信息交互的目的。
发布订购机制是面向数据的应用架构,其最大的优点是通信实体之间是一种异步的松耦合关系,实现了分布式系统中各交互实体之间的异步独立性[3]。在HLA中,通过实现了发布订购机制的对象类和交互类进行数据交互;在TENA中,引入了状态分布对象(SDO)的概念,它是分布式对象机制和发布订购机制结合的产物[1,4]。由此可见,发布订购机制是大型分布式虚拟试验系统中进行信息交互最常用的一种机制。
图1是一个典型的发布订购模型,信息的生产者称为“发布者”,信息的消费者称为“订购者”,二者均需要在试验前向中间件注册。试验运行时,匹配算法读取发布订购表,通过匹配关系找到与给定的发布者相匹配的所有订购者,从而将发布者的更新同步到所有订购者。
2 数据分发服务设计与实现
2.1 数据分发机制
本文所设计的数据分发服务基于发布订购机制,主要由数据域管理和数据过滤2部分组成。数据域管理通过发布订购机制进行属性域的限定,减少了无关属性的传输,并且实现了多节点属性自由组合的需求;数据过滤实现了属性值域的限定,为应用层提供有效数据。数据分发的工作机制设计如图2所示。
数据分发服务的核心部件是数据域和数据过滤器。在每个节点中都维护了一个数据域表和数据过滤器表,表中的数据域和数据过滤器一一对应。
运行前,用户按照需要创建数据域,并把需要的属性订购到数据域中,其中的属性可以来自多个节点多个SDO属性。同时,用户可以针对该数据域设置数据过滤条件,以逻辑表达式的形式给出,支持与、或、非的逻辑组合,并且支持含优先级的复杂逻辑。
运行中,借助中间件的通信服务,当被订购的属性更新时将更新值推送到订购节点,更新相应的数据域,并使用相应的数据过滤器对数据域进行过滤,如果通过过滤,则调用仿真平台注册的回调函数将数据域推送给仿真平台,否则不做推送。
2.2 数据域管理
数据域管理用于完成数据分发服务中节点间的数据交互,设计的关键在于数据域结构的设计和数据域与SDO交互的设计。
2.2.1 数据域设计
数据域结构是数据域实例化和订购属性值更新的依据,主要由数据域的描述信息、订购属性信息列表、数据内存空间3部分组成,类图如图3所示。其中,数据内存空间大小为数据域所有订购属性的属性值长度之和,以数据内存空间的起始地址为基址,加上订购属性在数据域中的相对偏移量,即为该订购属性的属性值在内存中的地址。
2.2.2 数据域与SDO的交互机制
数据域与SDO的交互是数据域管理的关键,分为运行前与运行中两个阶段。运行前进行SDO属性的订购,运行中按照订购关系做SDO属性与数据域的信息交互。运行前,如图4所示,数据域创建节点(以下简称Ms)的仿真平台(使用中间件的一个上层应用)向中间件请求SDO属性的订购,数据分发服务首先调用通知服务,将订购请求转发给相应的节点;被请求节点收到订购请求后,检查订购的合法性,如果订购合法,则将订购节点Ms加入订购属性的订购节点列表中,并回复订购成功的消息;Ms的中间件收到消息后,将请求订购的属性加入数据域中。
运行中,如图5所示,当被订购节点有属性更新时,调用中间件的更新SDO属性服务API。该API首先将本地中间件的相应SDO实例做更新,然后将其以消息的形式投递到SDO网络发送器(ACE主动对象)的消息队列中,SDO网络发送器的发送线程依次从消息队列中取出消息,解析并将其发送到订购该属性的数据域所在节点Ms;在Ms端的中间件中,SDO网络接收器(ACE主动对象)的接收线程从消息队列中依次取出消息,解析并更新到订购该属性的数据域中。
2.3 数据过滤
数据域管理实现了属性类型的过滤,数据过滤则实现属性值的过滤,通过屏蔽无关数据的交互,降低了应用层数据处理的压力。如图6所示,数据域的值域是由该数据域包含的所有订购属性组成的多维空间的一个限定子集,在实际的靶场试验训练中,该值域一般是非常大的[5,6]。但并不是值域中所有的区域都是有效的,有效区域指的是在数据域值域内部,所有满足对指定订购属性值限制的区域,它是数据域值域的一个子集,并且可能是不连续的[7]。由于数据域值域较大,如果不加限制地直接进行数据域的数据交换,将使得数据交互的效率非常低,显然数据交换应该只针对处于有效区域内的数据进行。数据过滤的关键是有效区域的限定条件和有效区域的判定。根据集合的性质,有效区域可以由n个属性值限定区间的交、并、非组合而成[8,9]。因此,有效区域的限定条件可以表示为其中m(m≤n)个属性值范围的逻辑组合,例如:P1<5.0 && (P2<0 || P2>100)。对有限区域判定的过程就是对逻辑表达式求解的过程,一般的求解方法是采用数据结构中的栈,设立操作数栈和操作符栈,依次读取表达式中的元素压入相应栈,根据运算规则出栈进行计算。但由于描述有效区域限定条件的逻辑表达式包含属性名称和属性值,对表达式的合法性检查和求解将变得十分复杂,且容易出现错误。造成困难的主要原因在于C++语言是编译执行和非解释的,无法支持动态的逻辑表达式求解。考虑到Python语言解释执行的特点,并且具有跨平台特性[10],适合用于解决该问题。在逻辑表达式求解方面,Python支持and,or,not的简单逻辑组合以及包含括号的复杂逻辑组合;在逻辑表达式合法性检查方面,可以借助Python提供的异常处理机制,当表达式非法时将抛出异常,以此来判定表达式的合法性。
应用Python进行数据过滤的工作原理如图7所示。首先,数据分发服务初始化Python环境,启动Python shell并加载进行数据过滤的Python文件;然后,数据过滤模块读取数据域和数据过滤条件,解析出数据域包含的订购属性名和属性值并置于一维向量中,同时转换数据过滤条件为符合Python规范的逻辑表达式,将一维向量和逻辑表达式作为数据过滤函数data_filt()的参数,传递给Python shell;Python shell接收到参数后,解释执行data_filt(),将逻辑表达式的解返回给中间件的数据过滤模块,如果执行过程中产生异常,则说明逻辑表达式非法,返回一个错误码给数据过滤模块。
3 实验与分析
使用3个成员构建分布式试验系统对数据分发服务进行测试,测试流程如下:
(1) 成员#443创建数据域DF_LM,订购成员#406的发布属性Pos1.Hgt,Pos2.Hgt,订购成员#407的发布属性Pos1.Lat,并设置数据域过滤条件:(#406.Pos1.Hgt<1 100.000 or #407.Pos1.Lat<102.110 000)and #406.Pos2.Hgt<1 156.000;
(2) 启动运行成员#443,#406,#407;
(3) 成员#406更新发布属性Pos1.Hgt,Pos2.Hgt,成员#407更新发布属性Pos1.Lat;
(4) 观察成员#443的数据域更新及过滤情况;
(5) 成员#406更新发布属性Pos2.Hgt;
(6) 观察成员#443的数据域更新及过滤情况。
运行情况分别如图8～图10所示。
从运行结果来看,数据域订购和更新正常,数据过滤结果正确,表明服务能够实现多节点多SDO属性的批量数据交换。
4 结 论
本文针对分布式试验训练中节点间批量数据交互的问题,设计并开发了一种基于数据域属性订购的数据分发服务,该设计支持数据域对跨节点多SDO属性的订购,并支持用户自定义数据过滤。实际应用表明,该方法能大量减少应用层对无效数据的接收,从而大大提高批量数据交互的效率。
摘要：针对某分布式虚拟试验系统中间件的批量数据交换需求,设计数据分发服务。采用数据域实现批量数据的管理,支持对多节点多SDO属性的自由组合;采用发布订购机制在数据域和SDO属性间建立交互关系,运行时根据交互关系将SDO属性的更新同步到数据域。为进一步提高数据交换的效率,采用数据过滤机制屏蔽无效数据,减轻应用层的数据处理压力,设计C++结合Python的方式进行数据过滤,相比单纯使用C++实现更为简单、灵活和安全。服务基于ACE开发,实际测试表明服务工作正常,能满足批量数据交换的需求。
关键词：虚拟试验,中间件,SDO,数据分发,数据过滤
参考文献
[1]王国玉,冯润明,陈永光.无边界靶场[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2]冯润明,王国玉,黄柯棣.TENA中间件设计与实现[J].系统仿真学报,2004,16(11):2373-2377.
[3]杨辉,杨京礼,姜守达.一种虚拟试验系统中的多节点信息交互机制[J].计算机仿真,2010,27(6):338-341.
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[8]陆俊峰.高层体系结构中数据过滤技术的研究与应用[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005.
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[10]HETLAND Magnus Lie.Python基础教程[M].2版.北京:人民邮电出版社,2010.
虚拟试验系统 篇2
“化工过程与污染控制”虚拟仿真实验教学中心
建设规划方案
一、实验教学中心建设的基本情况
1.1 现有基础
衢州学院“化工过程与污染控制”虚拟仿真实验教学中心，依托衢州学院化学与材料工程学院应用化学浙江省重点学科、浙江衢州氟硅新材料技术创新服务平台、浙江氟硅技术研究院、应用化工技术省级特色专业、化学工程与工艺校级特色专业等学科专业平台和衢州市氟硅新材料重点实验室、衢州市生态保护与污染控制重点实验室等基础、创新不同层次的实验室，实现了虚实结合、多层次、多形式的实验教学平台。
近年来，中心立足学院自身教学与科研优势，积极创新实验教学，在充分考虑化学工程与工艺、材料加工和环境工程等专业试验的高危性、复杂性和有毒有害性等基础上，中心按照“科学规划、资源共享、重点突出、效果为先、持续发展、低消耗、零排放、易管理”的建设思路，根据“虚实结合、相互补充、以虚验实、高度仿真”的原则，积极探索了虚拟仿真试验教学平台的建设，历经多年的努力，形成了独具特色的“化工生产与污染治理”虚拟仿真实验教学体系。目前，已经建成学生技能训练场所、教师教学和科研平台、人才培养基地，实现了“教学、研究、交流”的功能，基本解决了实物装置占地面积大、维护费用高、三废产品出路等问题，也有效地解决了学生实习动手难的问题，既满足专业工程实训要求，又能实现校企交流，服务企业，同时也为卓越工程师的培养创造了条件。
化工过程与污染控制虚拟仿真实验中心现有专任教师总数28人，其中教授5人，教授级高工1人，副教授7人，高级工程师2人，高级实验师2人，副高以上职称教师比例达60.7%；具有硕士及以上学位的教师25人，具有博士学位教师14人，在读博士1人，有9位教师具有化工企业3年以上工作经历，2位教师具有3年海外博士后或访学经历。其中浙江省“千人计划”1人、浙江省级“151新世纪人才”3人，浙江省高校重点学科负责人1人，浙江省级专业带头人2人，衢州市首届高校名师1人，衢州市拔尖人才1人，衢州市115第一、二层次人才8人。中心现有实验室总面积4525平方米，是我院开展教育教学、科学研究、社会服务、文化传承的重要平台之一。近三年来中心又利用学校拨款、共建项目及自筹资金共计600余万元，购置了大量实验装置，主要用于更新陈旧仪器设备、补充仪器设备台套数，现有仪器设备1268件，固定资产总值1865万元，仪器设备的完好率达到99%以上，各实验室仪器种类齐全、配置合理，能够充分满足化工相关专业学生实验要求。
通过外购、校企合作联合开发及科研成果转化等方法拥有了化工DCS实训基地、生产二甲基硅油的中试级综合实训基地的高仿真工厂、合成氨仿真、“三废”处理单元技术与工艺的多套实物仿真模拟以及化工原理典型操作单元等共计12个可用于本科教学与培养的虚拟仿真教学软件。服务于化工工程与工艺、材料科学与工程、环境工程、高分子材料与工程、应用化工技术等5个专业，每年参与实验的学生人时数达到92480。
1.2 建设规划 1.2.1 中心建设的思路
主动适应社会发展趋势及技术特点对人才培养的新要求，按照“科学规划、资源共享、重点突出、效果为先、持续发展”的建设思路，充分发挥学科平台优势，以重点学科建设为支撑，积极利用企业的开发和支持服务能力，以共享优质实验教学资源为策略，以建设信息化实验教学资源为重点，搭建系统、完善的化工生产与污染治理虚拟仿真教学平台，虚实结合，分批建设，培养具有理论、实践和创新完美融合的应用型人才。虚实结合：化工单元装置、“三废”处理装置“，校内建设以“实”为主，以“虚”为辅；全流程生产装置建设，装置为“实”，操作为“虚”。
1.2.2 中心建设的总体目标
在原有化工原理实验、化工DCS实训基础上，融合化学工程、材料科学与工程和环境工程相关实验和设备，开发下列虚拟实验室，包括：化工原理及化工单元操作仿真实验室、化工管路装拆仿真实验室、虚拟工厂、大型仪器工作原理展示与使用仿真实验室、城市污水处理仿真实验室、电厂废气脱硫脱硝处理仿真实验室、典型工业废水处理仿真工厂。建成化学、材料与环境工程技术人才工程实践能力教育平台；在此基础上，建立一套完善、先进的开放性运行管理体制与网络运行管理平台，实现更广泛的3D虚拟仿真工厂网络在线贡献，服务于省内相关高校专业实习及企业员工培训。力争3-5年建设成为特色鲜明、功能齐全、运行高效的服务化学工程、材料工程与环境工程等各专业的省内一流虚拟仿真实验教学中心。
1.2.3 功能定位
虚拟仿真实验教学中心功能定位：
（1）面向创新性应用型人才培养的现代化实践教学基地（2）教师教学改革与探索基地（3）虚拟仿真实验教学示范基地（4）向社会提供实践训练服务基地
二、支持“十二五”实验教学示范中心重点建设的具体规划
2.1 政策措施
学校非常重视实验教学，一直把实验教学作为教学改革的重点工作来抓，学校积极推进实验教学工作，政策到位、投入大、效果好，表现在：
(1)为全面贯彻落实教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》文件精神，在实践教学方面制定一系列政策措施，以便进一步提高教学质量并实现向教学应用型学校跨越发展。
(2)加强了实验教学的组织领导，实行主任负责制，由中心主任全面负责中心的各项工作，按照统一管理、资源共享、高效利用的原则，对资源优化组合，提高设备利用率。
(3)注重教学政策激励，学校制订“高级专业技术职务破格申报规定”、“教师国内进修和攻读学位管理办法”、“教师出国培训进修管理暂行办法”、“中青年学术骨干培养计划实施办法”、“学术带头人+创新团队培养计划实施办法”等措施激励教师能力提升、实验教学改革、实验教材建设、实验教学成果培育，引导形成一支由学术带头人和高水平教授领衔，结构合理，核心骨干相对稳定，热爱教育，理念先进，教学科研能力强，勇于创新的新型实验教学队伍。
(4)实现实验教学共享平台服务，通过信息平台将中心资源通过网络公开供社会企业或个人学习，同时接受教学反馈意见。此外，中心还承担对社会企业或个人的实验培训及测试服务，实现高校优质实验教学资源社会共享、服务社会，达到协同育人的目的。
2.2 管理制度
2.2.1．组织保障
化工过程与污染控制虚拟仿真教学中心是学校的公共实验教学平台之一，学校教务处、设备管理处、科研处以及人事处等相关部门对教学安排、实验教学仪器设备、实验设施、实验教学用房、虚拟仿真教学资源的研发及中心在编人员等方面实行集中管理和调配，确保中心运行效率。衢州学院化学与材料工程学院负责中心的运行与管理，现代教育技术中心负责信息网络的技术支持与维护。
图1 中心运行结构图
2.2.2 制度保障、管理规范
中心实行统一的管理模式。包括统一规划各专业的实训内容，统一购置、使用和管理教学仪器，统一核算实训教学的经费收支，统一管理实训用房，合理使用实验室。
中心实行主任负责制，设主任1人，副主任3人，中心主任作为第一负责人主持中心的全面工作，副主任分工负责，对实验中心的各项工作进行安排、协调和督促检查。成立包含校内外知名专家、相关学科的教师、合作企业的代表以及正副主任在内的虚拟仿真实验中心发展指导委员会。
图2 中心组织结构图 具体职能与管理模式：
（1）学校对中心的日常运行经费以专项经费的形式划拨到中心，专款专用。（2）中心实验室实行开放式管理，制定有相应的开放管理制度，所有实训资源统筹调配。
（3）实验室管理责任到人，职责明确。只要承担了某实验室的管理任务，就承担起该实验室的日常管理、实训准备、仪器设备维护、低值易耗品管理和卫生清洁等工作。
学校对实训教学建立了健全的质量监控保证体系，教学督导组经常随机深入实训教学现场了解情况，征求教师和学生的意见，对实训设备、经费投入、实训环境、教学内容、方法与手段、实训教学改革、建设与管理等进行评价和信息反馈。中心制定了一系列的实训教学考评办法，对每一个岗位都确定了岗位职责和考核目标，所有受聘人员都要签订岗位聘任合同，接受年度考核。
除了严格执行中心的各项规章制度外，中心还专门成立了实训教学工作小组评价和监控实训教学工作，通过对不同层次实训课程考核，实现对学生学习效果的评价。通过在线预习检查，现场教师抽查，考察学生的预习和对实训的了解程度；通过实训过程中的巡视指导、结果检查，考察学生分析和解决问题的能力；通过批改实训报告，考察学生对实训过程、实训方法的掌握程度；通过期末实训考试，考察学生在实训要求理解、实训方案设计等多方面的表现，评判学生的实践能力。
另外，中心还建立健全的质量监控保证体系，教师测评制度和学生评教系统。建立完善的教师测评制度。比如：主任听课制、期中检查、期末总结、学生测评、督学听课、意见反馈等。年终由考核小组对中心全体教师和实验室技术人员进行年度考核；设立学生评教系统，每学期末，学生无记名填写教学情况调查表，由相关人员统计后，记入老师教学档案，并将学生意见反馈给中心主任、课程责任人或者老师本人，以利改进。
2.3 经费投入
中心日常建设与运行经费由学校负责拨付，学校将积极努力从各种途径筹集建设资金，继续通过“中央财政支持地方高校发展专项资金”、实验室建设经费、专业建设经费、教学经费为中心正常运转、软件开发及更新、实验实习教学提供经费，并积极争取相关企业经费支持。此外，推动自主开发软件的商业化运行，为中心筹集更多的经费。具体如下：
(1)省教育厅、省财政投入支持实验教学示范中心建设经费：300万元。
(2)实验室建设经费：60万元。
(3)专业建设经费：20万元
虚拟试验系统 篇3
电器科学的发展和电器产品的更新换代对电器产品性能的测试手段提出了越来越高的要求。随着计算机技术的飞速发展, 计算机在各行各业的应用也越来越普及。这既给电器产品性能测试水平的提高提供了有效的手段, 也使电器产品测试的计算机化势在必行。虚拟仪器技术很好地适应了这一朝流。
1 虚拟仪器
虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术发展起来的新型高科技产品, 代表着当今仪器发展的最新趋势。随着计算机技术特别是微机的快速发展, CPU处理能力的增强, 总线吞吐能力的提高和标准化以及显示器技术的进步, 人们逐渐意识到可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好的完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡, 就可以把传统仪器的所有功能模块都集成在一台计算机中。这样软件就成为了虚拟仪器的关键, 任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能与规模, 这就是美国国家仪器公司 (National Instrument Ltd.简称NI) “软件就是仪器” (Software is Instrument) 一说的来历。
虚拟仪器是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器, 是对传统仪器概念的重大突破, 是仪器领域内的一次革命, 是将来仪器产业发展一个重要方向。
2 Lab VIEW
虚拟仪器系统技术的基础是计算机系统, 核心是软件技术。Lab VIEW是美国国家仪器公司推出的可视化的虚拟仪器系统开发平台。它是一种基于G语言的革命性的图形化开发平台, 主要用于数据的采集、分析、处理和表达。Lab VIEW还是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。
Lab VIEW最大的特点就是图形化编程。其程序被叫作“可视化仪器” (VIs) , VIs由三部分组成, 即前面板 (panel) 、块状图表 (diagram) 和图标/连接口 (icon) 。前面板用于人机交互, 也即控制参数的设定 (入口) 和输出结果的显示 (出口) 。程序员可应用各种与真实仪器前面板相当类似的控制端和显示端, 如旋钮、开关、按键和图形等来“画”出自己想要的面板, 而无需任何编程。每个前面板有一个对应的块状图表, 它定义了在入口和出口之间的数据流向, 也即是Lab VIEW程序的执行顺序。编程的主要工作也正在于此, 但是由于Lab VIEW采用图形化编程, 使用图标表示功能模块, 图标间的连线表示在各功能模块间的数据传递。所以编写程序时, 只需从功能模块中选用不同的函数图标, 然后再以线条相互连接即可。整个编程运用流程图式的语言来“画”出源代码, 使整个程序如同流程图一般简单、直观, 避免了传统程序语言线性结构和严格语法的困扰。图标/连接口以图标来代表在上级虚拟仪器的块状图表中的子虚拟仪器, 而连接口终端决定了流入和流出子VI的数据流。
Lab VIEW的强大功能归因于它的层次化结构, 用户可以把创建的VI程序当作子程序调用, 以创建更复杂的程序, 而这种调用的层次是没有限制的。Lab VIEW的目标是简化程序的开发工作, 让工程师和科学家能够充分利用PC机快速简洁地完成自己的工作。
3 系统构成
机车电器产品通断能力试验有着其特殊性, 系统不仅要完成主回路触头试验电压在2200伏以下及试验电流在5000安以下的各种直流、交流 (单、三相) 通断能力试验工况的数据采集与处理工作, 还要能完成辅助触头通断试验在110伏试验电压、几个安培的试验工况下的数据采集与处理, 就是同一种电器产品在通断能力试验过程中试验工况也较复杂。为了保证数据采集的精度, 针对不同的工况采用相应规格的霍尔传感器进行信号隔离。计算机控制数据采集卡对隔离后的信号进行采样, 采样信号经A/D变换后, 转化为数字量并存入计算机的缓存中。对缓存数据读取、计算处理, 可以得到需要的测量结果。测量结果和信号波形可以显示、存储, 也可通过磁盘或者打印输出。
根据机车电器触头通断能力试验特点和要求组成的系统硬件结构见图1, 其特点是以虚拟仪器技术为基础, 具有结构简单、功能扩充容易、使用维护方便的优点。
数据采集卡采用NI公司的PCI-MIO-16E-1, 该板卡支持PCI总线。PCI总线的数据宽度为32位, 可以升级为64位, 支持线性或跳跃式触发寻址, 操作的最高频率为33MHz, 并且可以与处理器/存储器子系统完全并行的操作。这些特性意味着PCI总线除了支持较高的操作频率外, 每一次数据的读写节拍可以完成4/8个字节的数据传输, 同时PC计算机CPU的运行时间与数据的传输时间可以重叠。操作于PCI总线上的数据采集卡可以进一步缩短虚拟仪器数据获取系统的死区时间。PCI-MIO-16E-1数据采集卡有16路模拟输入, 单通道最大采样率1.25M S/s, 输入精度12位, 输入范围、输入增益可选。
信号隔离部分的TET霍尔传感器模块测量精度优于0.5%, 线性度优于0.1%, 温度漂移小于10-4o In/℃, 带宽为0~100k Hz, 响应时间小于1μs, 跟踪速度di/dt高于50A/μs, 能够保证真实信号的重现。
4 VI程序设计
VI程序是用Lab VIEW6.0i在WINDOWS2000操作系统下开发的, 采用了面向对象、模块化、多线程等编程技术, 有利于系统的功能扩展和试验要求变化时的程序修改。Lab VIEW使用图形化编程语言编程, 执行程序的顺序是由模块之间的数据流决定的, 而不是传统文本语言的按命令行次序连续执行。因此功能模块VI子程序的编制是关键。根据系统功能功能模块分成两大类:数据采集与数据处理。
系统的试验数据采集与处理只是针对通断过程的一段信号, 因此数据的采集要有可控性。启动数据采集操作采用两种方式:软件触发和条件检索。软件触发就是执行该VI, 数据采集或输出就开始。PCI-MIO-16E-1驱动程序将采到的数据以循环方式存入缓存, 同时检查每个采到的数据点以确定它是否满足指定的升降压条件, 如果条件符合的话驱动程序将返回一个开始操作的数据, 这就叫做条件检索。数据采集时, 采样设备、采样通道、采样率、触发方式、触发电平、预触发数据量和触发等待时间可以设置。
数据处理任务包括结果计算、波形处理和报告处理。每一个试验任务用一个子VI程序模块来完成, 子VI程序可以无限次的被调用, 这极大地简化了程序结构。由于电器触头通断试验的特殊性, VI程序在运行过程中调用计算模块自动进行试验结果地计算。试验波形可以进行水平放大、垂直放大与局部放大处理。任意波形点能手动捕捉并实时显示其坐标。因而实现试验波形的全面分析。试验波形的处理包括显示、存储和打印。报告处理子VI程序中试验报告自动生成, 也允许手动输入试验信息, 包括试验项目、试验样品生产厂家等。报告处理可以在线完成, 也可离线进行, 前提是先存储试验波形。
用户界面采用Windows窗口, 操作面板模仿真实的仪器面板, 具有强大的人机交互功能。
5 数据误差处理
5.1 同步数据采集
系统要求对外部信号进行同步采样。目前采样的同步方法主要有硬件同步、软件同步、定时采样3种。硬件同步的精度最高, 但它要求采样装置具备专用同步电路, 价格偏高;软件同步精度次之, 它也需要电网频率跟踪测量环节;定时采样不需要任何附加同步电路, 但同步误差大, 一般不用于高精度测量场合。
PCI-MIO-16E-1数据采集卡采用的是循环扫描采样的方式, 这里采用了软件同步的方式。若数据采集卡的采样频率为100k Hz, 如果用循环采样则相邻通道之间的信号采样时间误差为10μs (1/100k) 。假定对一个两通道为50Hz信号进行采样, 那么信号周期为20ms (1/50) , 则硬件采样的通道之间相位误差为0.18° (10μs/20ms*360°) 。随着被采样信号的频率增大, 相位误差增加。处理方法有两种, 一种是在信号频率一定的情况下加大采样频率来减小误差, 但是采样频率受到硬件的限制, 而且不能完全消除误差;一种是在数据处理过程中根据通道数、信号频率和采样频率的变化进行软件补偿。系统采用了后一种方式。同样的原理, 对于直流信号也可以采用软件补偿方式。系统通过软硬件相结合的方法达到了同步数据采集的效果, 这在实际使用过程中得到了验证。
5.2 硬件抗干扰
干扰的来源:高电压大电流通断试验现场的电磁干扰, 来自电源的地线干扰, 输入信号的差模和共模干扰等。
硬件抗干扰措施:用电子管交流稳压电源和UPS电源抑制系统电源的干扰;计算机外壳、传感器电源外壳等单点接地;输入信号线采用双绞屏蔽导线并将屏蔽层单端接地;信号采用差分方式输入;输入信号端连接一阶低通滤波器。
5.3 随机误差的消除
软件抗干扰技术作为硬件方法的必要补充, 其优越性已在工程应用中逐步体现出来。软件抗干扰技术是利用程序设计手段排除进入微机化仪器中的电磁干扰, 其实质使利用计算机的存储功能和高速运算能力, 使含微机化仪器的测量系统自动识别错误状态和信息, 同时采取一定措施, 以保证测量系统正常、有效的工作。在各类电磁干扰中, 很多干扰信号是瞬时存在的, 其时间间隔、幅度、传播途径等行为特征存在随机性, 上述提及的硬件抗干扰措施并不能完全抑制。
滑动平均值滤波可以去除波形数据中的干扰毛刺。它采用队列作为采样数据存储器, 队列长度固定为n, 每测得一新的数据, 将其放入队尾, 同时扔掉原队首的一个, 这样队列中总有n个“最新”数据, 求其算术均值, 作为测量结果。一般情况下, 使用该算法会减慢数据处理的速度。为此, 不要每次采样后都累加队列中的n个采样值, 可将上一次累加的结果 (Yn-1) 保存, 进行新的采样之后, 只要从原来累加值中减去队首的采样值 (X1) , 再加上最新的采样值 (Xn) 即可得到新的累加值 (Yn) , 除以n即得结果。实际运用取n≥10的值得到很好的效果。
接通和分断判真。采用如图2结构的一种简单循环结构对电器触头的接通点或分断点进行判断。Xn为试验波形数组元素, X0为零值点, d是循环次数, n0是数组中接通点或分断点的下标。如果条件满足, 则判断成立;如果条件不满足, 继续判断, 直到条件满足。对判断条件的适当设置可以排除干扰得到实际的接通点和分断点。
通过上述的软硬件抗干扰措施, 试验数据的处理能够准确的完成。
6 应用
系统自投入使用以来, 进行了机车电器触头各种工况的通断能力试验。从使用情况来看, 该系统性能稳定、工作可靠。该测试系统的投入使用, 提高了数据处理的精度, 避免了因频响低而造成的试验参数失真的情况。计算机强大的数据处理能力缩短了试验周期, 提高了检测数据的科学性和准确性, 降低了试验人员的劳动强度, 大大提高机车电器产品通断性能的测试水平。在测量过程中, 测得的各参数的准确度为:电流±0.5%、电压±0.5%、时间常数±0.5ms、功率因数的累计相角误差不超过1°。
7 小结
在高速发展的信息时代, 传统的测试仪器已不能满足数据域测试的要求。采用虚拟仪器技术的电器通断能力试验数据采集与处理系统, 充分地利用了PC机的硬件资源, 以软件代替部分硬件, 使测量仪器的硬件结构更加简单。系统有效地提高了测量准确度, 且使仪器更趋智能化、集成化、多功能化。
摘要：以当今流行的虚拟仪器技术为基础, 设计了一套电器通断能力试验数据采集与处理系统。文章从虚拟仪器及其软件开发平台LabVIEW出发, 叙述了系统的基本组成和原理, 特别阐述了VI程序模块化设计特点和数据处理方面的一些措施。
关键词：虚拟仪器 (VI) ,数据采集 (DAQ) ,模块化,LabVIEW
参考文献
[1]杨乐平, 李海涛, 肖相生等.LabVIEW程序设计与应用.北京:电子工业出版社.
[2]北京中科泛华测控技术有限公司.计算机虚拟仪器图形编程LabVIEW试验教材.
[3]清华大学电机系虚拟仪器实验室, 北京中科泛华测控技术有限公司编译.LabVIEW用户指南.
[4]何希才.传感器及其应用电路.
[5]林德杰, 林均淳, 许锦标, 曾宪云.电子工业气测试技术.北京:机械工业出版社.
虚拟汽修仿真教学系统 篇4
中国已成为全球汽车的第一大市场，快速发展的汽车工具为我国经济注入了一支强心剂，拉动了各个产业的发展，随着我国汽车保有量的不断攀升，另一个问题已经浮出水面——汽车维修维护。
不仅是现有的4S店，社会上的各类大大小小的汽车维修店如雨后春笋般涌现，而汽车维修维护人才却极为缺乏，近年来汽车工业和汽车技术不断发展，新能源汽车也不断普及，对汽车的维修维护提出了更高的要求。作为汽修人才培养的主力：职业院校，如何解决社会汽修人才的问题，成为了最大的教学要求。
汽车作为一个高度机电一体化的产品，内部结构非常复杂，需要全面了解汽车的结构和运行原理，才可能对维修维护有深刻的认识和技能，利用先进的IT技术，使用虚拟汽车教学培训系统，对培养汽修人才有着巨大的促进作用。
凤凰创壹虚拟汽车教学培训系统以3D互动方式直观展现汽车的基本结构和工作原理，以及虚拟拆卸与安装（每一步互动操作都有相应的语音解说或提示）。并提供3D互动 故障诊断及考核功能。本系统包含汽车机械常识、汽车文化、汽车的美容与装饰、汽车电子电工技术应用、汽车结构与拆装、汽车使用日常维护、汽车的修理、汽车 性能检测、汽车故障诊断九大模块：（1）汽车机械常识包含量缸表的使用、曲轴的测量、汽缸的测量；（2）汽车文化包含汽车驾驶的演示和汽车驾驶的实训；（3）汽车的美容与装饰章节包含的主要课程（汽车清洗、汽车护理、汽车漆膜修补、汽车车身装饰、汽车室内装饰、车身电器的装饰等）；（4）汽车电子电工技 术应用主要包含电源系统绘制与连接、启动系统绘制与连接、点火系统绘制与连接、照明系统绘制与连接；（5）汽车结构与拆装包含整车拆装，发动机拆装，发电 机拆装，发电机拆装（含工具），自动变速器原理，变速器内部展示与拆装，汽车整车展示与拆装，汽车底盘展示与拆装等（所有拆装均包括：自动拆卸，自动安 装，手动拆卸，手动安装。其中自动拆卸，自动安装是为了让学员学习整个拆装过程，手动拆卸，手动安装是为了学员练习对所学拆装步骤的熟悉度）；（6）汽车使用日常维护包含调整点火正时、交流发电机各部件的检修、启动机故障诊断与排除、前照明灯的检查与排除、电动门窗故障诊断与调整等。（7）汽车的修理包 含汽油泵拆装、分电器拆装、曲柄连杆机构拆装、活塞环更换、喷油器拆装、汽油机竣工验收、柴油机竣工验收、气缸压力的测量、变速器的拆装、前桥拆装、转向 器拆装桑塔纳主减速器拆装、东风制动阀拆装、交流发电机拆装、分电器拆装、四缸发动机拆装、以及制冷剂进行泻放、添加及抽真空等常见汽车修理内容；（8）汽车性能检测功能模块可让学员在三维互动的场景中学习动手进行制动性能检测、灯光性能检测、汽车尾气性能检测、侧滑性能检测、蓄电池性能检测、交流发电机 性能检测、启动机性能检测、点火性能检测、点火能量检测等性能检测；（9）汽车故障诊断包含机械故障，电控故障，电器故障。机械故障主要检查器件磨损间 隙，裂纹，变形，老化等故障（包括冷却系统，润滑系统，启动系统，点火系统等故障）；电控故障检查发动机控制和各个系统控制反馈信号的检测，查看各个功能 传感器的故障（防盗系统，燃油系统，排气系统，点火系统，空气供给系统等故障）；电器故障检查各个系统的电器原件故障(如雨刮喷水系统，灯光照明系统，仪 表系统，启动系统，充电系统，玻璃升降系统，电动后视镜系统等故障)。本系统还提供排除故障过程中需要用到相关仪器仪表，例如：汽车故障检测仪，示波表，千分尺，内径千分尺等三维互动模型。
虚拟试验系统 篇5
一、土工虚拟仿真试验室的系统设计
土工虚拟仿真试验室的系统设计包括试验室平台搭建和虚拟仿真试验开发。
1. 土工虚拟仿真试验室平台搭建。
平台采用的是基于Web的B/S架构, 客户机上只要用一个浏览器 (Internet Explore、Firefox、Chrome) 就可以了。该模式最大的优点在于, 用户可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件, 只要有一台能上网的电脑就能使用。服务器端采用PHP+MYSQL技术, 在浏览器端采用Ext 2.0javascript库进行开发, 使用ajax技术使浏览器端与服务器端通信。
搭建由学生、教师、管理员三界面组成的网络试验平台, 包含试验演示系统、试验仿真操作系统、试验结果记录系统、试验结果评阅系统、成绩反馈系统、后台管理系统等, 如图1所示。
2. 虚拟仿真试验开发。
开发11个高交互、高仿真的土工虚拟仿真试验:土的含水率试验 (烘干法) 、土的密度试验 (环刀法) 、土的比重试验 (比重瓶法) 、击实试验、颗粒分析试验 (筛析法) 、颗粒分析试验 (密度计法) 、直接剪切试验 (快剪法) 、土的压缩试验、变水头渗透试验、浅层平板载荷试验、十字板剪切试验。
试验系统采用Flash作为开发工具。开发出和实体仪器形似并具备其对应实体的所有特性或功能的虚拟仪器;具备真实土样一切物理性质的虚拟土样。试验的仿真模拟操作:学习者可以自主选择仪器和土样, 在虚拟界面上进行试验, 如图2、图3和图4。
二、土工虚拟仿真试验室的过程设计
在传统课程以及真实试验教学中, 教师都会按照一定的教学过程来实施教学活动, 在虚拟仿真试验系统中, 为学习者的学习活动设计了以下几个部分。
1. 用户登录。
在虚拟试验室中, 学习者必须是通过用户界面与虚拟试验进行交互。构建了和谐友好、方便操作、逼近物理原型的试验环境。如图5~图9。
2. 试验过程模拟。
虚拟试验过程模拟与仿真阶段, 学习者通过鼠标选择工具栏的工具和土样, 拖曳到试验操作界面中, 按照自己的步骤进行虚拟仿真试验, 虚拟仪器会显示出试验数据。将试验数据记录在试验记录表中, 并处理试验数据, 得出试验结果。提交试验记录表。试验过程中不设置错误提醒, 即使过程错误虚拟试验也能进行下去, 如操作者发现操作试验过程错误, 可重新操作。这种过程模拟更接近真实操作过程, 学生不是被牵着鼻子。进行探究式学习, 有助于提高学生的自主学习能力, 发现问题、解决问题的能力。
3. 试验评价。
教师登录到虚拟试验室中, 可以查看学生提交的试验报表, 给出分数和评语。学生在我的成绩中可以看见成绩和评语。通过虚拟试验, 学习者可以分析虚拟试验的进程、描述自己的感觉和反应, 以判断自己对概念的掌握程度以及分析问题、解决问题能力的提高程度。同时, 把虚拟情境与真实世界相比较, 把虚拟试验和实际应用相联系, 使得学习者在虚拟试验中掌握的概念和解决问题的方法迁移到真实试验环境之中。
三、结论
1. 突破了空间和时间的限制, 实现了继续教育实践教学的开放性。
对于在职在岗的绝大部分继续教育学生而言, 相对集中安排进行的试验实训直接与他们的工作时间发生了冲突而使工学矛盾更为尖锐。利用基于网络的土工虚拟仿真试验室, 学生只需一台可以上网的电脑, 就可随时随地进行虚拟仿真试验。
2. 节约现实教学资源, 共享教学资源。
土工虚拟仿真试验室投入少、收益大, 实现了实践教学内容的重复实践。在虚拟仿真试验室学生能完成在线试验记录、试验结果提交、成绩查询;教师能完成试验报告的批阅。实践教学手段与组织管理方式的现代化, 缓解了实践教学中学生人数多与指导教师人数少的矛盾。
3. 解决了继续教育网络学习无法动手操作、达不到实践教学效果的问题。
继续教育网络试验多数拘泥于文字和图片的表现, 或者偶尔配以简单动画、视音频的辅助。真正基于网络的实时操作性的试验寥若晨星, 多数网络试验都是演示性质的, 学生多是通过浏览网页或者观看多媒体教学来了解试验过程, 不能达到预定的试验目的, 对学生理解所学知识的帮助也不够理想。学生利用土工虚拟仿真试验室, 通过操作虚拟仪器进行试验, 并得到了试验原始数据, 学生可以输入试验界面上的试验记录表中, 通过公式计算即可得到试验结果, 也可输入试验记录表内。试验结束后, 学生对试验结果进行存盘提交。教师可以进行评阅, 对试验做出评判。通过动手试验, 培养了学生选择试验仪器、独立操作、观察现象、正确测量、试验数据处理与误差分析等方面的能力, 以及分析和解决问题的能力, 增强了实践教学效果。
摘要：土工虚拟仿真试验室应用于继续教育网络教学, 突破了时空限制, 节约了现实教学资源, 弥补了实践教学条件的不足, 大大提高了实践教学的效果。文章以选择土工试验作为研究对象, 通过利用目前比较成熟的WEB技术、多媒体技术、虚拟仿真技术构建了一个基于网络的土工虚拟仿真试验室, 实现了试验相关知识的辅助学习、试验过程的模拟仿真操作、试验记录表的提交、试验后的教师批改评语、学生查看成绩等网络化的虚拟试验教学和管理功能。
关键词：土工虚拟仿真实验室,继续教育,实践教学
参考文献
[1]郭桂苹, 南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学, 2010, (05) .
[2]朱文强.虚拟实验技术的研究与探讨[J].科技广场, 2010, (03) .
虚拟试验系统 篇6
弹射起飞方式可将舰载飞机短距起飞所面临的一系列技术难题加以分割并分别解决,使舰载飞机短距起飞技术的实施更加简单、可行。目前,国外学者将舰载机弹射起飞相关的研究成果成功应用在F-14和F/A-18上,但出于技术保密等方面的原因,所能获得的资料很少。 国内学者对舰载飞机弹射起飞的一些领域进行了研究,建立了基于三自由度方程的动力学模型[1,2],并在其基础上分析了各个分量对弹射起飞的影响,如起落架突伸问题[3,4]、航母运动的影响[5,6]、起飞特性分析[7,8,9]及机舰适配特性[10]等,但尚未涉及弹射过程中的动力学耦合问题。本文针对我国未来舰载机离舰起飞的迫切需求,以某型飞机为研究对象,应用多体动力学仿真软件LMS Virtual.lab建立了舰载飞机弹射起飞的六自由度虚拟样机模型,并将前起落架系统柔性体化,通过大量的仿真计算,分析目标飞机的弹射起飞安全性、弹射起飞时的动力学特性、钳制杆分离时前起落架的动力学响应、航母运动对前起落架受力的影响等。
1 数学模型
1.1 舰面摇荡数学模型
航空母舰受风浪等因素的影响,会产生各种不规则的运动,将航母看作是具有六自由度的刚体,选取一个以船体平均前进速度移动的参考坐标系Oc0Xc0Yc0Zc0(Oc0Xc0轴的正方向为航母前进方向)和一个与船体固结在一起的动坐标系OcXcYcZc,设两者在没有摇荡运动时互相重合,如图1所示。其中,对舰载机起飞影响较大的是横摇、纵摇和垂荡三种运动[11,12]。深水中,波浪的波形可以假设为坦谷水波。在坦谷水波中,舰船纵摇(αc)、横摇(βc)和垂荡(yc)三个运动ηi(t)均可采用如下简化模型进行近似表示:
ηi(t)=Aisin(ωit+φi) (1)
i=αc,βc,yc
式中,Ai、ωi、φi分别为舰船运动自由度i的幅值、频率和初始相位角。
航母在海浪中时,上述三种运动同时存在,但在一定的范围内,舰船在海浪中的运动可以看作是上述3个运动的合成[3,11,12]。
1.2 弹射起飞数学模型
舰载机的弹射起飞程序是:升降机把飞机提升到飞行甲板上,飞机动力滑行到弹射起飞点,挂弹射钩并钳制释放钩,钳制杆分离后,飞机在设定推力状态下弹射加速滑跑,在弹射冲程末端脱钩,依次进入舰面突伸和两轮滑跑阶段,最后离舰起飞。
舰面弹射滑跑时,飞机前起落架受力如图2所示,其中,钳制力FR在飞机与钳制杆分离后为0,往复车的牵引力FT在弹射行程内为时间的函数,Fp为发动机推力,FD为飞机阻力,FL为飞机升力,m为飞机质量,Fm为主起落架支反力,Ft为前起落架支反力。
1.2.1 对象飞机的六自由度运动方程
本文中,气动力坐标系采用的是欧美常用的稳定性坐标系,它与机体坐标系的关系如图3所示,注意到飞机在稳定性坐标系中vz=0,则飞机运动过程中的六自由度微分方程式(省略了下标s)可写为
式中,F、M、I、v、
舰载飞机气动力在稳定性坐标系中的分量可表示为
Ψ=Cd,Cl,Cs
Γ=Cp,Cr,Cy
式中,ρ为空气密度;A′为飞机升力面面积;lΓ为升力面至焦点的距离;FCd、FC l、FCs分别为阻力、升力和侧力;TCp、TCr、TCy分别为俯仰转矩、滚转转矩和偏航转矩。
1.2.1 钳制杆分离载荷的确定
钳制杆的极限分离载荷为[13]
FR=1.35(Fp,max+24470.6+0.2G)/cos θ (5)
式中,Fp,max为包括加力在内的飞机的最大推力,N;G为最大设计重量,N;θ为钳制杆载荷线和甲板之间的夹角。
1.2.2 发射杆牵引力[14,15,16]
与钳制杆分离后,飞机在发射杆牵引力和发动机推力共同作用下向前滑行。发射杆牵引力的大小在确定弹射质量和最小弹射末速度后查询文献[15]可得到,其中最小弹射末速度vcat,min为不包含发动机推力作用下的弹射末速,即
vcat,min=vmin-vWOD,min-vET (6)
式中,vWOD,min为最小甲板风速,vWOD,min=27km/h;vET为弹射末速的推力增量对双发飞机的取值,vET=11.1km/h。
1.2.3 前起落架突伸数学模型
起落架缓冲装置(由轮胎和缓冲器组成)存储的能量主要为缓冲器和轮胎内的空气被压缩而转变的势能。当飞机滑行至弹射行程末端,发射杆与往复车分离,起落架缓冲装置中存储的能量被释放出来,使前起落架突伸,飞机在滑跑过程中迅速抬头达到起飞所需要的迎角,缓冲器中的能量主要耗散于油液阻滞损失Eyz、摩擦力的损失Et、飞机重心高度上升所做的功EG、飞机的动能Ek[17,18,19,20,21](飞机垂直运动所形成的动能和转动所形成的动能)。
选取经典的二质量弹簧-阻尼器系统为前起落架突伸运动的力学模型,同时假设油液不可压缩,油孔缩流系数为常值,取缓冲器全压缩状态时各质量的质心位置为坐标原点,规定垂直向上方向为正,如图4所示,其中,m1为起落架上部质量,m2为起落架下部质量,x1为起落架上部质量的位移,x2为起落架下部质量的位移。
前起落架的双腔式缓冲器模型的结构形式和工作机理在文献[18]中有详细的论述,主起落架原理与前起落架相同,本文不再赘述。作用在活塞杆上的缓冲器载荷由四部分组成[17,18]。
(1)空气弹簧力Fkq。突伸第一阶段中,高低压气腔联动;突伸第二阶段中,低压腔工作而高压腔静止,故空气弹簧力
式中,Aa为空气腔有效压气面积(高低压气腔的取值相同);pL0、pU0分别为低压空气腔和高压空气腔的初始压力;VL0、VU0分别为低压空气腔和高压空气腔的初始体积;s1为缓冲时高压腔开启的临界行程;VL1为行程s=s1时低压腔的体积;γ为空气多变指数。
注意到行程s与质量块位移之间的相对关系,应有
s=smax-(x1-x2) (8)
式中,smax为缓冲器最大行程。
(2)油液阻尼力Fyz。油液阻尼力的计算公式为
式中,Ad为油针插入主油孔时有效过油面积;Ah为活塞有效压油面积;cd为油孔缩流系数;ρ为油液密度;
(3)缓冲器内外套筒之间摩擦力Ff。在弹射过程中,由于发射杆牵引力的作用,前起落架存在有垂直于支柱轴线的分力N,所以摩擦力Ff应包括皮碗的摩擦力Ff1和轴套的摩擦力Ff2。Ff1可认为主要是由缓冲器内部的空气压力引起的,其经验计算公式为
其中,摩擦因数μm1在0.1～0.2之间,本文取0.15。Ff2在LMS Virtual.lab中是关于活塞杆半径、活塞杆接触长度、N及相对运动速度的函数。
(4)前起落架支反力Ft。Ft(N)在给定初始充气压力的情况下仅是轮胎压缩量δ的函数,本文选取的轮胎特性函数为
式中,W为轮胎断面宽,cm;D为轮胎直径,cm;pr、p0分别为轮胎的额定充气内压和实际充气内压,104Pa。
式(11)的误差在5%左右,较符合我国飞机轮胎的压缩特性[19]。
1.3 甲板风的影响
在有风的条件下,若以vw表示风速,v代表飞机相对于空气的速度,则飞机相对于地面的速度为v+vw。将vw写成矩阵的形式:
式中,wx0、wy0、wz0为海面风速的三个分量;wx(x,z),wy(x,z)、wz(x,z)为船体相对于地面速度的三个分量。
2 算例飞机弹射滑跑起飞特性分析
按照上述数学模型,在LMS Virtual. lab中建立了刚柔耦合的虚拟样机模型,使用一对点和柔性曲线约束副(flex point curve joint) 来模拟前起落架活塞杆和外筒的相对运动。
2.1 算例飞机发射载荷数据
对于算例飞机,发动机加力推力为122.6kN,最大起飞质量为19 100kg,最小起飞速度为75m/s。在32℃条件下,根据相关规范要求选取发射载荷和分离载荷,在忽略由前起落架、往复车、钳制杆的局部偏心所引起的各种载荷的条件下,发射过程中飞机重心的加速度如图5所示。
长的发射杆和柔性前起落架使有效侧向刚度系数减小,飞机相对于弹射中心出现轻微的侧向不安定,但在这种侧向不安定变坏以前,飞机已完成整个弹射过程。
2.2 舰面运动对弹射起飞的影响
2.2.1 纵摇对弹射起飞的影响
纵摇给弹射起飞带来了附加问题,它给飞机一个牵连角速度和牵连角加速度,相当于让飞机在一个变坡度的跑道上起飞,此时的受力情况与甲板无纵摇时相比发生了较大变化。纵摇不仅改变了弹射起飞离舰速度的大小,同时也改变了离舰速度的方向。
从离舰后的航迹曲线(图6)可以看出,航迹倾角一般先降至谷底,经一段时间后开始增加,这与纵摇引起离舰垂直分速度的变化有关。经计算,算例飞机的最大下沉量产生在相位φ=147°附近,此时相对原点的下沉量Δh=5.4m,相对舰首的下沉量为1.9m。
2.2.2 垂荡和纵摇耦合对弹射起飞的影响
垂荡实质上是舰面的一种升沉运动,会使弹射起飞的最大下沉量增大,因此,考虑垂荡与纵摇的耦合作用时,飞机的下沉量将变得更大,甚至可能影响安全起飞。算例飞机在纵摇相位为147°,甲板沉浮频率在0.8rad/s,峰-峰值为1.37m,初始相位角为110°时,相对原点的下沉量Δh=8.4m,较仅有纵摇作用时增加了3m,相对舰首的下沉量为2.3m,较仅有纵摇作用时增加了0.4m。飞机航迹曲线如图7所示。3s后的爬升率为12m/s,如图8所示。
3 弹射动力学响应分析
3.1 下蹲载荷
算例飞机在与钳制杆分离后,主起落架上有较大的“下蹲”载荷,形成一个使飞机抬头的转动力矩,如图9所示。这一结果对采用阶梯式主起落架油气缓冲器的方案是有特别意义的。
这种减震器在接近静平衡位置有很大的载荷范围而又有非常小的起落架行程。
3.2 分离载荷对动态响应的影响
仿真结果表明,飞机与钳制杆分离时,前起落架缓冲器压缩量受分离载荷大小的影响,当分离载荷增大时,其响应位移增大,算例飞机的分离载荷F′由4.4MN增大至6.0MN时,位移增大11%,如图10所示。
3.3 钳制杆断裂力对舰载飞机的影响分析
3.3.1 钳制杆断裂时的动力学响应
在发动机以最大推力将飞机推向空中时,受钳制杆系统的限制,前起落架向后弯曲,这种变形存储了大量的应变能,形成了一个巨大的弹簧(如图11所示,活塞杆放大倍数为10,外筒放大倍数为100),变形的方向与随后由往复车加载到发射杆上的载荷所产生变形的方向相反。钳制杆分离时,存储能量反弹的效应对前部某些结构施以较大的载荷,并对飞行员产生垂直过载。如图12所示,在分离时,分离力与起落架结构频率的耦合会加剧这一过程。
3.3.2 钳制杆分离力衰减速度的影响
如图13所示,延长钳制杆分离力的衰减时间可以减小分离时前起落架活塞杆位移,对算例飞机前起落架轮胎刚度和钳制杆断裂力的衰减时间进行优化后,活塞杆相对外筒的运动的幅值由132mm减小至96.5mm,减小比例为26.9%。
4 结论
(1)算例飞机弹射离舰速度为80m/s,大于最小起飞速度75m/s;在纵摇和沉浮耦合时的最大下沉量为2.3m,小于允许的最大下沉量3m;最大下沉之后3s的爬升率为12m/s,远大于应达到的爬升率故满足准则要求,可保证舰载飞机安全起飞。
(2)长的发射杆和柔性前起落架使有效侧向刚度系数减小,飞机相对于弹射中心出现轻微的侧向不安定,但在这种侧向不安定变坏以前,飞机已完成整个弹射过程。
(3)在与钳制杆分离后,主起落架上有较大的“下蹲”载荷,形成一个使飞机抬头的转动力矩。这一结果对采用阶梯式主起落架油气缓冲器的方案有特别意义。该减震器在接近静平衡位置,有很大的载荷范围和非常小的起落架行程。
(4)分离的动态响应情况与分离载荷的大小有关,减小分离载荷可以减小分离时的动态响应。
(5)钳制杆分离时,前起落架的储能效应能对前部某些结构施以最大的弹射加载,并对飞行员产生垂直过载;钳制杆分离时,与起落架结构频率的耦合会加剧这一过程;延长钳制杆分离力的衰减时间可以减小前起落架活塞杆位移。
摘要：基于多体动力软件LMS Virtual.lab建立了某型飞机弹射起飞的刚柔耦合虚拟样机模型,使用一对点和柔性曲线约束副来模拟活塞杆和外筒的运动,分析了目标飞机的弹射起飞安全性及弹射过程中飞机的动力学响应。仿真表明:目标飞机的舰首下沉量能够满求,可以安全起飞。纵摇和垂荡的耦合会使飞机舰首下沉量增大;分离时的动态响应情况与分离载荷的大小和衰减速度有关。
虚拟试验系统 篇7
卸料装置是红枣自动分选机的核心硬件之一,功能是对已判定等级的水果实施自动分级卸料,使不同等级的水果在不同分级出口脱离水果输送线[1]。现有的卸料装置有气动式卸料、推挽式和组合式输送卸料装置2-4]。气动式水果分级装置的卸料速度较慢[3,4]。推挽式分级机构用步进电机作为执行器,需要增加单独的控制装置[2]。组合式输送卸料装置能够实现水果的平稳卸料,但需要设置独立的卸料台,致使水果分选机的整体结构复杂[4,5]。本文设计了一种执行机构简单可靠的卸料装置,并应用多体动力学软件ADAMS建立卸料装置的虚拟样机模型,对杠杆长度进行虚拟单因素试验,并进行了不同质量红枣的卸料试验,为卸料装置的设计与性能研究提供了一个可行的方法。
1 卸料装置的设计
目前,我国种植范围和产量最大的鲜食枣品种为冬枣,其尺寸和果质量如表1所示[6,7]。针对冬枣的外形尺寸,输送装置配套选用C208A型输送链,每个外链节上安装一个输送装置,任意两个前后相邻的输送装置均可托起并搓动1个红枣。
1.1 电磁铁选型与卸料杠杆
设计分选速度为5个/s,普通直流牵引电磁铁的操作频率无法满足应用要求[8],故选择GS32型电磁铁,其工作频率为16Hz,行程末吸力约为10N。由于GS32为拉动式电磁铁,其额定行程仅为5mm,无法满足实时卸料要求,故设计卸料托杆铰接在衔铁末端(如图1所示),并在销孔处与机架铰接。卸料托杆左段为斜直线,以适应红枣输送装置间距小的特点,右段母线为R=102mm的圆弧,使卸料过程更平滑。为研究其卸料性能,设计3个行程放大倍数分别为4,3,2的卸料托杆,分别称其为托杆1、托杆2和托杆3。电磁铁本体固定在机架上,卸料托杆将衔铁的直线运动转化为绕销孔的转动。经过计算,所需电磁铁的最小吸力为1.144N,满足使用要求。
1.电磁铁本体 2.衔铁 3.销孔 4.卸料托杆
1.2 卸料装置的工作原理
卸料装置的结构如图2所示。
1.红枣 2.橡胶滚轮 3.托架 4.输送链 5.卡座6.卸料托杆 7.电磁铁 8.导轨 9.光电开关
当输送装置运动到图像采集区域时,布置在该区域导轨两侧的摩擦带将滚轮托起并将其搓动;同时,相邻两个滚轮带动其上方的红枣转动,使得高速摄像机采集到完整的红枣表面图像。在经过图像采集阶段后,滚子在自重作用下回到低位,红枣下落到架托上,同时图像处理系统将相应的等级信号传递给控制系统。当携带红枣的输送装置运动到相应的分级口时,若等级控制信号为高电平且光电开关被触发,则电磁铁得电并托起托架卸料端,红枣滑落输送装置并进入缓冲料斗。
2 卸料装置虚拟样机的建立
冬枣的果实近椭圆形,果面平整光洁,果质量8～35g[6,7]。依据其特点,在CATIA中建立了2个冬枣的数字模型,如表2所示。
将SimDesinger嵌入CATIA的DUM模块,利用CATIA装配组件时建立的约束自动生成ADAMS中对应的约束关系,建立该装置的虚拟样机。由于MD.ADAMS材料库中没有尼龙和橡胶,分别按照文献[9]中的参数定义,并依次给各零件选择对应的材料。
2.1 定义驱动和运动副
给各零部件定义运动副,给输送链条和红枣定义如图2所示方向的恒定驱动260mm/s。ADAMS中有两种计算碰撞接触力的方法,分别是补偿法和冲击函数法。补偿法需确定惩罚系数和补偿系数,其中对惩罚系数的取值要求较高,仿真时容易发散,且更适用于连续接触方式[10]。因此,本文选用适于计算间歇接触的冲击函数法计算碰撞接触力,其计算公式为
IMPAC=
(1)
式中 k—接触刚度;
x—两个接触物体的距离;
x1—位移开关量,用于检测碰撞是否发生,当x1小于x时,接触碰撞发生。
托架和卸料托杆的材料均为尼龙,其接触刚度为3 800N/mm,根据工程实践经验取接触约束的参数,如表3所示。
若将卸料托杆与衔铁销轴连接处设置为带间隙的,接触约束会大幅延长仿真时间,为使运动模型简洁清晰,将衔铁的直动规律转化为卸料托杆的转动规律特性。在卸料托杆与机架铰接处,定义回转驱动Motion1。卸料动作完成后,作用在衔铁末端的弹簧使其迅速归位。为避免由于开始的冲击造成速度突变,卸料托杆的转角位移驱动以阶跃函数STEP施加,即
STEP(time,0,0,0.011,0)+STEP(time,0.011,0,0.025,-22.62d)+STEP(time,0.025,0,0.043,0)+STEP(time,0.043,0,0.063,22.62d) (2)
由于MSC开发的SimDesinger构建于CAITA V5体系,能够以集成和可扩展方式获取ADAMS的数据,故选用SimDesinger作为从CATIA到ADAMS的数据交换软件,将其嵌入CATIA的DUM模块,利用CATIA装配组件时建立的约束,自动生成ADAMS中对应的约束关系,从而建立该装置的虚拟样机,见图3所示。
2.2 创建虚拟传感器
该虚拟样机中,将传感器虚拟模型上表面的中心点定义为Marker_1点,选择距其最近的托架半球形端部的中心点为Marker_2点,并按表4创建虚拟传感器Sensor_1。
3 卸料装置的虚拟试验
3.1 试验指标
通过对输送装置几何尺寸和红枣外形特点的研究,取最大红枣纵径的1/2为长度,绕输送装置正视图的外轮廓做包络圆,并将所得结果乘以安全系数1.5。可确定红枣顺利卸料的条件为:当红枣落回初始位置同水平面时,其侧向位移L大于50mm;同时,将红枣最大上升高度H作为辅助评价条件。
3.2 创建仿真脚本
由于仿真过程涉及到传感器和回转驱动的启用与失效,交互式仿真无法完成此功能,故需创建仿真脚本,其执行流程如图4所示。
3.3 卸料装置的初步仿真
在后处理界面中,分别插入两个视角的仿真视频,并应用ADAMS的plotting控件绘制出红枣在垂直于运动方向的竖直平面内的下落轨迹(后面简称下落轨迹)。如图5(c)所示,该模型顺利完成了红枣卸料过程。
3.4 不同长度卸料托杆的虚拟单因素试验
重复试验,分别引入3个长度不同的卸料托杆模型,以红枣B为试验对象,并比较其下落轨迹,如图6所示。
在Cam3模型下,L仅为8mm,红枣又落回到托架上,并在滚动至托架左端后掉离托架,没有实现卸料目标;在Cam2模型下,红枣在卸料过程中与托架端部发生了小面积接触的2次碰撞,对红枣有损伤且不利于接料斗收集红枣,故不采用该模型;在Cam1模型下,L和H分别为60mm和100mm,既实现了卸料又未与分选装置发生2次碰撞,因此选用行程放大倍数为4的卸料托杆Cam1。
3.5 不同质量红枣的虚拟对比卸料试验
分别将红枣B和红枣S的数字模型导入卸料装置,虚拟样机进行仿真试验,将其下落轨迹分别导入Matlab中进行绘图,如图7所示。图7中,细横线代表红枣重心初始位置所在的水平线。红枣S在卸料托杆作用下的L值为72mm,大于红枣B的60mm,且H值稍有降低。由此可知,该分选装置可满足8～35g红枣的分选。
4 结论
1)设计了以电磁铁为执行器的卸料装置,建立了基于ADAMS的卸料装置的虚拟样机模型。
2)进行了杠杆长度的虚拟单因素试验,得到该模型在卸料托杆行程放大倍数为4时卸料效果最优的结论。此时,果质量35g红枣的高度为100mm,同水平侧向位移为60mm。
3)进行了不同质量红枣的虚拟对比卸料试验,结果表明,该模型能够将8～35g的红枣顺利卸料。
参考文献
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[6]刘孟军,汪民.中国枣种质资源[M].北京:中国林业出版社,2009.
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[9]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.
虚拟试验系统 篇8
在信息和网络技术高速发展的今天, 虚拟技术被广泛运用到社会的方方面面, 同样在店里系统中, 虚拟技术也发挥着日益重要的作用, 可以说, 在时至今日的电力系统中, 虚拟技术已经普及到生产和服务的各个领域, 在电力系统中, 电力设备作为主要的电气配备是非常关键的, 如果突发事故, 在修理上要占用大量的时间, 其影响是十分严重的。为此, 我们必须对电气设备的绝缘状态加强监管, 要在事故发生后, 第一时间确定故障的属性和部位是至关重要的。互联网的发展和计算机技术的普及和快速进步, 在故障的诊断中发挥了巨大的作用, 这样一来, 测试系统和计算机网络技术形成了一个完整的综合体。这使得电气设备故障诊断水平也得到了实质上的提高。为了及时且确切的判断出设备的故障的部位和性质, 就要在实验室分析的前提下, 尽量运用话联网等相关的网络信息。在这种态势下, 实验室与电力系统的各种部分通过计算机系统进行联合, 对电力系统故障的诊断, 其准确度要利用自动化系统所提供的信息。
1 进行故障模拟要运用实验室的硬件
在通常情况下的电力系统, 出现故障一般分为两类, 一种是简单故障, 其次是复合故障。简单故障说的是在电力系统正常工作模式下, 设备的某一点, 发生了断相或者短路的状况;复合故障是意思是两个或多个简单故障的叠加和组合。短路是供电系统中出现频率最高的重要事故。在短路的状况下, 因为总阻抗的大幅度减少, 所以短路电流估计会出现较大值。短路电流的强大力量可以产生热和电动力效应, 这会造成电气设备遭到破坏的不良后果;在短路点附近, 电压明显的降低, 会导致供电被迫中断和其他严重的影响;短路点处的电弧有烧毁电气设备的潜在可能;假如是发电厂附近部分发生短路的故障, 有可能致使整体电力系统的运行崩溃, 后果不堪设想。不对称接地短路会产生零序电流, 会在附近的线路通讯网络制造感应电势, 对通讯产生极大干扰, 对人身和设备的安全具有严重威胁。为了减少短路的带来的危害以及缩小事故波及的范围, 必须要对短路电流加以计算, 以解决如下相关问题:1) 要确定主要的运行方法和适宜的主结线方案;2) 正确地切除短路故障应该整定和选择继电保护装置;3) 运用载流导体以及电气设备;4) 机械强度和稳定性必须用短路电流进行校验。
2 基于虚拟技术的高压实验室自动测试系统
在虚拟高压实验室中, 运用最新的试验和诊断技术与互联网网络技术有机的结合, 这在诊断和维护设备方面, 为电力设备的维护人员大大的提供了方便, 可以高效的运用远程维护进行细致的工作。可以为用户观测设备是否正常运行, 并做出及时的维护方案。我们的用户可以轻松的连接互联网, 既可以方便的享受相关的服务;其次, 在诊断技术升级或者需要弥补之前的技术漏洞, 通过技术人员对程序做出修系统更新之后, 用户第一时间就能享受最好的技术服务。我在国, 电力系统一直以来实行着预防性试验制度, 其隶属于阈值诊断的范围内。变电设备在检修的过程中, 一项非常重要的内容就是对绝缘电阻的测量;在系统中变电设备的添加中, 也都设置了绝缘电阻测量的被容。
3 充分利用实验室相关软件对故障进行模拟和分析
电力系统在遭受干扰之后, 系统中的各个电气的参数会出现变化, 这是要运用电力系统暂态仿真, 对其趋势做出相应的了解。故障暂态仿真用来对短路的故障线路和故障点的电流以及电压的运行情况进行模拟。以单相电路为分析目标进行操作暂态仿真, 以显示在开关的闭合和打开时的电气参量的基本情况。电气开关是非常重要的一部分, 它控制着系统的多数的重点部位, 对电力系统的平稳运行起着非常重要的基本保障作用。在投入正常运行之前, 要经过多种试验, 对其的工作性能进行多种检验。电气开关的通断性能体现在两个方面, 即接通和分断的质量, 在接通的瞬间, 动静触头之间会相互碰撞, 这可以引起断续电弧, 最后导致触头腐蚀。再分断的瞬间, 基于电流的急剧作用变化, 会发生持续燃弧以及产生过剩的热量, 可以说分断瞬间的危害是相对来说十分严重的。操作暂态的意思的当断路器、负荷开关、熔断器以及隔离开关运行的同时, 如果在电网中进行一次操作, 那么电力系统的某些部件会出现彼此链接或相互背离的情况。操作对于一个切换设备而言, 可以是开断和闭合两种操作。在闭合操作做完一次之后, 暂态电流会流过系统;而在一次断开的操作之后, 工频电流被遮断的状态下, 会有一个暂态恢复电压, 在遮断设备的端子上出现。从切换设备的端子角度来说, 电流和电压振荡的振幅是由电脑的配置决定的。因为开关电弧是一个繁杂的化学和物理的过程, 它设计到物性的变化、无知的组成以及电磁场的分布等等, 所以说, 运用MATLAB来分析电弧现象是具有广阔前景的。
4 结论
现代计算机技术和仪器设备技术的高速发展产生了如今的虚拟仪器, 是一项非常重要的技术发明, 虚拟仪器是由虚拟仪器软件资源、实验室硬件资源、计算机硬件资源三个部分结合组成的。再以电脑为核心构建起技术支持的平台, 通过软件编程进行相关的测试功能。所以说, 软件是非常重要的应用武器, 这也表现出测试技术与计算机网络技术的邮寄结合的作用是非常良好的。在未来的电力技术发展中, 我们要积极的区创新和发现, 运用实践和探索来提高虚拟技术的高电压试验技术的水平, 用以在社会电力服务中发挥更大的作用, 促使其更好更快的发展和应用。
参考文献
[1]周武仲.电力设备维修诊断与预防性试验[M].北京:中国电力出版社, 2008 (9) .
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[3]苏鹏声, 王欢.电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析[J].电力系统自动化, 2008 (2) .
虚拟试验系统 篇9
试验与测试技术在武器装备产品研制和定型中, 是度量和评价的技术。随着装备研制生产的全寿命周期由单一机械化向信息化的发展, 虚拟试验技术已成为试验领域中的重要技术方向, 在方案、验证、研制、生产部署、综合保障的应用中越来越发挥重要作用。
二﹑虚拟试验技术的地位和作用
虚拟试验技术改变了传统的试验模式。过去是必须现有实物才可以进行试验验证, 而虚拟试验使整个试验方法发生了根本变化, 原来试验模式过程要经过画图设计、产品加工、实装试验, 试验未通过必须重新设计修改, 导致装备的试验定型周期非常长, 试验效益低下。而虚拟试验将试验验证环节前移, 通过设计建模试验, 迭代改进模型, 然后生产再进行最后实装试验, 从而降低研制风险, 缩短研制周期。初步统计, 设计阶段80%以及以上的缺陷能够通过虚拟环境给消除掉。
虚拟试验技术能够实现设计、分析、试验验证的一体化。过去在产品的开发阶段, 才能支持进行试验, 利用虚拟试验就可以从概念设计阶段到系统研制阶段, 都可以进行试验。如美国第四代战斗机开发的流程, 其概念设计、结构模型、气动力分析, 一直到几何设计、技术状态冻结、以后状态的仿真设计, 都采用虚拟试验进行一体化设计研制。
虚拟试验技术可以减小技术成熟度评价验证投资。在目前装备投资体系中, 在技术成熟度进入技术研制的时候, 才有相应的条件进行试验评价, 在成熟度评价定义里面, 从第三级开始有关键功能和特性的验证, 到第四和第六级是在相关环境下进行相关模型的研究, 这些阶段投资经费只有科研费和预研费, 无法满足评价验证的费用, 通过虚拟试验技术可以在这一阶段发挥重要作用。
三﹑国内外虚拟试验发展的趋势
3.1国外的发展趋势
美国国防部经过从1991至2007年先后试验与科技计划、试验与评价的核心投资计划和联合任务试验环境的能力建设的制定实施, 已逐步建立和完善的虚拟试验体系架构, 即TENA。TENA是一个整个试验任务中的通用技术平台, 不仅可以完成对装备的研发进行试验验证, 还可以实现试验靶场联合任务的响应和对作战的试验。美国通过十几年的努力, 为了验证TENA的体系架构, 在2002年的军事演习中美国空军和陆军第一次在靶场集成TENA, 后来在2003年的西部靶场训练和2005年在瑞华达州和新墨西哥州等靶场, 都纳入到了TENA系统, 2007年建立实施的联合战场动态调节和2009年的联合任务能力中已经支持虚拟分布式联合试验。实际上, TENA的实施推动了美国整个试验与评价的转型, 虚拟试验技术已经成为军方装备研制生产乃至作战计划环节一个必不可少的工具。
3.2国内的发展现状
虽然国内相关研究起步较晚, 但从开始试点虚拟试验的方法和技术研究和应用到自己的虚拟试验验证体系VITA的构建, 虚拟试验技术都得到重视和快速发展。国内先后围绕几个关键领域开展虚拟试验技术研究并取得了一定成果, 一是虚拟试验的对象建模技术, 二是虚拟试验环境技术, 三是实验平台集成。但相比较而言, 我们在相关技术领域还存在着一定差距:一是国内现在虚拟试验还没有像美国TENA一样完整的体系架构, 目前异构的虚拟试验还不能完全满足试验和评价的要求, 尤其是评价的要求。第二就是国内虚拟试验综合环境还没有完全建立和完善起来, 特别是在环境架构体系下各种试验环境体系还需进一步研究和建设, 第三通过以实物数据和虚拟试验数据进行融合, 或者两个进行评估合乎预估, 对实物进行验证的能力不足。 (下转82页) (上接85页)
4.对虚拟试验发展的思考