建模分析与仿真（共12篇）
建模分析与仿真 篇1
0 引言
汽车碰撞过程的计算机仿真已成为汽车碰撞安全性设计与改进的重要方法和手段,因此,如何保证仿真的精度及准确性对工程应用至关重要。仿真的精度及准确性除了与有限元核心计算有关,还在很大程度上依赖于仿真模型建立的精度。
本文对某型客车车身骨架的正面碰撞过程进行了显式动力分析,并介绍了汽车碰撞仿真模型建立的一般流程与技术要点。
1 基本模型的建立
1.1 几何实体模型
由于整个客车车身骨架复杂,且有已有车型作为原型参考,所以在建模时采用自下而上的设计和装配。将车身分为左侧围、右侧围、后围、顶围和底架等分部件,先建立各分部件骨架的模型,最后将设计好的分部件装配成整车的车身骨架模型。
1.2 网格划分
将之前CATIA建立的CAD模型转化为能够导入Hypermesh的stp格式文件,然后进行网格划分,建立客车的有限元模型。为了保证整个车身单元的平顺性,减少单元不规则的过渡区,采用统一的较小的单元尺寸划分网格。
划分网格时控制壳单元网格质量为:最小尺寸(min size)=5 mm;长宽比(aspect ratio)≤4;翘曲度(warpage)≤15o;扭曲度(skew)≤40o;雅可比(jacobian)≥0.6;四边形内角(angel quad)=50o～130o;三角形内角(angel tria)=25o～110o。按照以上要求,使用Hypermesh软件的2D-Quality index面板检查单元质量,并修改不合格单元,直到comp.QI=0,此时所有单元都为透明显示的较理想单元。划分网格结束后的整车有限元模型如图1所示,共有498 562个单元,496 637个节点。
2 设置物理属性
在Hypermesh中将划分好网格的车身模型另存为.dyn文件,导入LS-DYNA的官方前处理器FEMB来继续模型网格化之后的前处理。
2.1 量纲选择
在LS-DYNA中对量纲的选择并没有明确的限定,而是通过各物理量单位之间的关系来自动匹配的。本文采用ton-mm-s-N的量纲组合。
2.2 材料
客车车身中由于后部基本上不发生变形,为减少不必要的计算时间,将其材料模型选用刚体;障碍壁选用刚体材料,并且约束其在x、y、z三个方向的平动和旋转自由度。客车车身前部变形区域均选用分段线性塑性材料模型。
在material面板使用create-structural命令创建一个材料模型,选择20.1*MAT-RIGID,设置密度为7.83×103 kg/m3,弹性模量为207 GPa,泊松比为0.28,对于赋予给障碍壁的刚体材料还需设置CMO=1,CON1=7,CON2=7使其固定。
同样的方法创建另一个材料模型,选择24.1*MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY,基本参数同上,并赋予相关数据以定义应力-等效塑性应变曲线。
2.3 单元属性
在element property面板使用create-shells命令创建一个壳单元属性,设置element formulation=2,即采用缺省的BT壳单元。
对于NIP的设置,使用缺省的厚度方向的2个积分点,但对厚度大于1.5 mm的PART,在厚度方向采用5个积分点,以得到沿厚度方向的应力分布情况;对于等厚度的壳,只需定义第一个节点的厚度值,即设置T1为此PART的厚度值。
3 边界条件设置
3.1 接触定义
CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE是一种非常稳定、精确而且方便的接触类型,广泛应用在汽车碰撞分析中,故在该车型的正面碰撞模拟计算中采用该种接触类型。进入contact面板使用create-3dimension命令,选择*contact-automatic-single-surface。
3.2 合并刚体
由于客车后部不同PART都采用刚体来模拟,而部分PART之间是通过节点耦合的形式模拟连接的,即PART间存在共同节点,而两个刚体是不能共用同一节点的,这时两刚体需要通过*CONSTRAINT-RIGID-BODIES关键字进行合并。
进入B.C.面板,使用constraint-rigid bodies命令,将有共同节点的两个刚体部件分别设为主、从PART,即完成刚体的合并。
3.3 定义初速度
缩短车身和刚性墙接触前的“空跑”距离可以大大节省计算时间,因此在建立刚性墙有限元模型时将车和刚性墙“紧贴”在一起,仅预留一个壳单元厚度级别的小间隙以防止初始穿透。
参考我国碰撞安全法规CMVDR294,初速度设置为50 km/h,即13 888.89 mm/s。
4 质量缩放
为减小计算量,需要人为地控制LS-DYNA时间步长,即质量缩放。在不改变有限元模型的前提下,加大实际计算步长。壳单元模型中最小时间步长Δtmin为:
undefined。 (1)
其中:lmin为最小单元长度;c为材料的声速,undefined,E为材料弹性模量,v为材料泊松比,ρ为材料密度。
由式(1)可知,通过调整该单元的密度可增大它的时间步长。在LS-DYNA中,可通过关键字*CONTROL-TIMESTEP中参数DT2MS来人为地控制时间步长,通过输入期望的实际计算时间步长,程序自动增加对应单元的密度。使用质量缩放可以显著地降低求解时间,但某些单元密度的增加必然导致有限元模型整体质量的额外增加,一般情况下,应控制质量增加在5%以内。经过多次试算, DT2MS设置为-1.8×10-6比较合适,其中,负号表示仅对小于指定时间步长的单元进行质量缩放,以减小对模型惯性的影响。
表1为质量缩放前后对比,可看出质量缩放只是轻微地增加了模型质量,却节省了将近一半的CPU时间。
5 计算结果后处理
在模型提交计算完成后,可以通过LS-DYNA的后处理软件LS-PREPOST来获得需要的结果信息。
碰撞过程分析了总能量、动能、内能、沙漏能、滑动界面能的变化过程,如图2所示。碰撞过程总能量保持平衡,80 ms以后,动能和内能不再变化,碰撞过程结束。在分析中沙漏变形的出现使结果无效,所以应尽量减小和避免,最好控制在5%以内;滑动界面能应当避免出现负值,因为出现负值很可能是存在初始渗透,它将导致不切实际的接触行为。从图2中可以看出,沙漏能和滑动界面能都是符合要求的。
整车碰撞后的等效应力云图如图3所示。碰撞后,客车前部变形较大,多处出现较大的应力,大部分能量由客车前围和底架纵梁吸收。
图4为前纵梁变形云图。从图4可以看出,作为正面碰撞吸收能量的主要部件前纵梁变形严重,且发生了不规则的变形,导致整个部件进入欧拉弯曲变形模式,失去原有的能量吸收能力。因此,前纵梁是结构改进的重点,应该预先使结构的某些部位弱化或强化,从而引导结构在碰撞时朝着褶皱压缩的方向发展,以起到很好的变形吸能作用。
客车中部某节点的加速度变化情况如图5所示。碰撞过程中车体的加速度是一项重要的评价指标,加速度峰值的大小、出现峰值的时间和变化的剧烈程度直接影响乘车人员的人身安全。所以致力于碰撞安全的改进应尽可能减小加速度峰值,并使其变化趋于平缓。
6 结论
结合CATIA、Hypermesh、FEMB三种软件各自的优势,通过stp和dyn文件格式进行数据交换,建立了客车车身的正面碰撞有限元模型;将模型递交LS-DYNA程序计算,并使用LS-PREPOST软件对计算结果进行后处理分析;对客车正面碰撞安全性进行了初步评估,并浅谈了改进的方向;为汽车碰撞仿真建模以及建模软件的结合使用提供了一些参考。
摘要：建立了某型客车车身骨架几何实体模型与碰撞有限元模型;基于著名的显式动力分析程序LS-DYNA,对其正面碰撞过程进行了求解分析;并在现有商业建模软件的基础上,讨论了碰撞仿真建模中的一些应用技术要点。
关键词：碰撞,仿真建模,LS-DYNA
参考文献
[1]钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,1994(1):1-6.
[2]钟志华,张维刚,曹立波,等.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3]张金换,杜汇良,马春生,等.汽车碰撞安全性设计[M].北京:清华大学出版社,2010.
[4]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京:兵器工业出版社,2003.
[5]尚晓江,苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.
[6]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[7]詹才浩.CATIA V5应用教程[M].北京:清华大学出版社,2008.
建模分析与仿真 篇2
大 大 学 学
学 学 生 生
实 实 验 报 告 实验课程名称
物流系统建模与仿真
开课实验室
物流工程实验室
学 学
院
自动化
年级
专业班
程 物流工程 2 班
学 学 生 生
姓 姓 名
段竞男
学
号
201 ２4 ９12
开 开 课 时 间
2014
至１５
学年第 二
学 学期 期 总 总
成 成 绩 绩
教师签名
自动化 学院制 《 物流系统建模与仿真 》实验报告
开课实验室：
****年**月**日 日 学院 自动化 年级、专业、班 12级物流工程2班 姓名 段竞男 成绩
课程 名称 物流系统建模与仿真 实验项目 名
称 产品测试工艺仿真与分析实验 指导教师 张莹莹 教师评语
成绩
一、实验目得 通过建立单存放区域、单处理工作台得简单模型,了解 5 个基本建模步骤。学习使用统计分析工具.二、实验原理 某工厂车间对三类产品进行检验。这三种类型得产品按照一定得时间间隔方式到达。随后，不同类型得产品被分别送往三台不同得检测机进行检测，每台检测机只检测一种特定得产品类型.其中，类型 1 得产品到第一台检测机检测,类型２得产品到第二台检测机检测,类型 3 得产品到第三台检测机检测。产品检测完毕后,由传送带送往货架区,再由叉车送到相应得货架上存放。类型 1 得产品存放在第 2 个货架上，类型 2 得产品存放在第 3 个货架上，类型 3 得产品存放在第 1 个货架上。
三、使用仪器、材料
一台ＰＣ机,ｆlｅｘsiｍ软件 四、实验步骤
1)创建模型布局
使用鼠标将需要得对象从对象库中拖放到正视图窗口中,根据需要使用鼠标改变对象位置、大小与转角。
2)连接端口
按下键盘上得“A“键，用鼠标拖放在对象间建立输出端口-输入端口连接；方向为从流出实体得对象到流入实体得对象;模型中得对象发出与接收实体需要这种连接。
3)编辑外观、设置对象行为
(1)参数窗口（Parameteｒs Ｗindｏw）
双击对象（或在右键菜单选择 Pａramｅters）
；用于对各种对象得自身特性得设置、编辑。
(2)属性窗口(Ｐropertieｓ Windｏｗ）
右键单击对象,在弹出菜单中选择 Ｐrｏpertieｓ;用于编辑与查瞧所有对象都拥有得一般性信息。
(3)模型树视图(Model Tree Vｉew)模型中得所有对象都在层级式树结构中列出;包含对象得底层数据结构;所有得信息都包含在此树结构中。
4)重置运行
(1)重置模型并运行
(2)控制仿真速度（不会影响仿真结果）
检测机器 1 检测机器 2 检测机器 3 传送带 传送带 传送带 货架 1 货架 2 货架 3 产品 1 产品 2 产品 3
(3)设置仿真结束时间
5)观察结果
(1)使用“Statiｓtics”(统计)菜单中得 Reｐｏrts anｄ Statiｓtics(报告与统计）生成所需得各项数据统计报告.(2)其她报告功能包括：对象属性窗口得统计项;记录器对象;可视化工具对象;通过触发器记录数据到全局表。
五、实验过程原始记录((数据、图表、计算等))
1、运行结果得平面视图:
2、运行结果得立体视图
３、运行结果得暂存区数据分析结果图:
第一个暂存区
第二个暂存区 由报表分析可知 5 次实验中，第一个暂存区得平均等待时间为 1１、４6，而第二个暂存区得平均等待时间为１3、0２，略大于第一个暂存区,由此可见,第二个暂存区得工作效率基本上由第一个暂存区决定。
４、运行结果三个检测台得数据分析结果图,三个检测台得 statｅ饼图：
（１)处理器一：
由实验结果分析可得,处理器一只有５3%得时间处于工作状态，有３２、3％得时间就是处于闲置状态,并且该处理器得准备时间较长，占总时间得 14、7％,这些数据表明该处理器得运行速度完全能满足,甚至超过系统得要求，可以适当得选择更处理速度慢一点得处理器来降低系统成本。
（2）处理器二:
由实验结果分析可得,处理器二只有 16、９％得时间处于工作状态,有６6％得时间就是处于闲置状态，并且有 1７、1％得时间处于准备时间,以上数据说明处理器二闲置时间过长，工作效率低，不能很好地配合物料二得到达速度。
(3）处理器三
由实验结果分析可得，处理器三得只有１６、9％得时间处于工作状态，有 66、1%得时间就是处于闲置状态,并且有 16、9%得时间处于准备时间，以上数据说明处理器三得工作效率低,不能很好地配合物料三得到达速度，可以适当得降低处理器三得处理速度。
六、实验结果及分析
１))对得到得数据做简单分析，提出改进措施。
答:通过对实验数据分析,发现现有得机器设备得设置基本能满足系统得要求，但工作效率低，大大浪费了设备得工作能力,可以适当得提高物料得到达速度，或者降低三台处理器得处理速度.2 2）
讨论：本实验根据三个处理器得统计信息,通过状态图分析各处理器得工作状态，通过暂存区材料得平均等待时间，分析这个检测流程得效率如何？就是否存在瓶颈？如果存在,怎样才能改善整个系统得绩效呢？ 答：由报表分析可知５次实验中，第一个暂存区得平均等待时间为 11、46，而第二个暂存区得平
均等待时间为 13、02,略大于第一个暂存区,由此可见，第二个暂存区得工作效率基本上由第一个暂存区决定。处理器一只有５3%得时间处于工作状态，有 32、３％得时间就是处于闲置状态,并且该处理器得准备时间较长,占总时间得１４、7%,这些数据表明该处理器得运行速度完全能满足,甚至超过系统得要求,可以适当得选择更处理速度慢一点得处理器来降低系统成本。由实验结果分析可得，处理器二只有 16、９%得时间处于工作状态,有 66%得时间就是处于闲置状态,并且有 17、1％得时间处于准备时间，以上数据说明处理器二闲置时间过长，工作效率低，不能很好地配合物料二得到达速度。由实验结果分析可得,处理器三得只有 1６、9%得时间处于工作状态，有 66、1%得时间就是处于闲置状态，并且有１6、9%得时间处于准备时间，以上数据说明处理器三得工作效率低,不能很好地配合物料三得到达速度，可以适当得降低处理器三得处理速度。整体来瞧,整个检测流程效率不高，但就是并不存在瓶颈，能够达到系统得要求,但工作效率低，大大浪费了设备得工作能力,可以适当得提高物料得到达速度，或者降低三台处理器得处理速度.《物流系统建模与仿真》实验报告
开 ：
开 课 实 验 室 ：
年 年
月 月
日 日 学院 自动化 年级、专业、班 １２级物流工程２班 姓名 段竞男 成绩
课程 名称 物流系统建模与仿真 实验项目 名
称 多产品多阶段制造系统仿真与分析实验 指导教师 张莹莹 教师评语
成绩
一、实验目得 假定在保持车间逐日连续工作得条件下，对系统进行 365 天得仿真运行（每天按８ 小时计算)，计算每组机器队列中得平均产品数以及平均等待时间。通过仿真运行,找出影响系统得瓶颈因素，并对模型加以改进。
二、实验原理 某制造车间由 5 组机器组成，第 1,2,3，4,5 组机器分别有３，２,4,3，1 台相同得机器。这个车间需要加工三种原料，三种原料分别要求完成４、3 与５ 道工序，而每道工序必须在指定得机器组上处理,按照事先规定好得工艺顺序进行。
概念模型参考如下：
三、使用仪器、材料
一台ＰC 机，flexsｉm 软件 四、实验步骤
1)创建模型布局 使用鼠标将需要得对象从对象库中拖放到正视图窗口中，根据需要使用鼠标改变对象位置、大小与转角。
2)连接端口 按下键盘上得“A”键，用鼠标拖放在对象间建立输出端口—输入端口连接;方向为从流出实体得对象到流入实体得对象；模型中得对象发出与接收实体需要这种连接。本实验此步骤为关键环节，连接线较复杂，故连接端口时应注意保持清晰思路.机器 1 机器 1 机器 1 暂存区 机器 2 机器 2 暂存区 机器 3 机器 3 机器 3 机器 3
暂存区 机器 4 机器 4 机器 4 暂存区 机器 5
暂存区 1 2 3
3)定义对象参数(1)定义Ｓource 在模型中，共有 3 个Ｓource 实体，每个Ｓource 对应一类原料,也就就是说，一个 Source 生成一类原料.我们需要设置每个 Souｒce 实体，使得每类原料得到达间隔时间满足系统得要求。
(2)分别按照要求定义机器组１、机器组 2、机器组 3、机器组 4、机器组 5、暂存区参数。
4)模型运行
(1)设置 Expeｒiｍenter
(2)重置模型并运行 5)观察结果 仿真进行过程中，可以瞧到红、黄、蓝三种不同颜色得原料从系统中流过,经过不同机器组得加工,最后离开系统。
仿真运行到１７52０0 单位时间得时候，自动停止。
五、实验过程原始记录((数据、图表、计算等）
1、运行结果得平面视图: 2、提供运行结果得立体视图：
3、提供运行结果五个暂存区数据分析结果图
由数据图可知第一个暂存区得为 物料输入量为 888 ８,平均数量为 0、６3, 最大等待时间达到了 241、、94，平均等待时间为 12、5，由此可见暂存区一得货物 状态较为空闲，不就是 系统得瓶颈。
为 由数据图可知第二个暂存区得物料输入量为 1117 ３,平均容量为 1 ９67、0 ４, 最大等待时间为 630１ １7、1４ ４为，平均等待时间为 30３ ３ ８８、42, 由此可见暂存区二得货物周转率较高, 处于比较忙碌得状态，非常 容易成为系统得瓶颈。
由数据图可知第三个暂存区得物料输入量为５ ５8 ３５,平均数量为 0、11，最大等待时间达到了 1２ ２4、25,平均等待时间为 3、４0, 由此可见暂存区三得效率较高，较为适应系统得要求。
为 由数据图可知第四个暂存区得物料输入量为 3604，平均数量为 5、6２ ２，最大等待时间为１ １64 ２、37，平均等待时间为 273、55，由此可见暂存区四货物周转率高，并且运行效率高, 能够适应系统得要求，安排合理。
由数据图可知第五 个暂存区得物料为 输入量为 7 ２08,平均数量为２ ２43、75, 最大等待时间为 1 ０９3６、85,平均等待时间为 5956, 由此可见暂存区五 容易造成货物得堆积与等待，不 能够适应系统得要求，安排 不够 合理, 为该系统得瓶颈.六、实验结果及分析
对得到得数据做简单分析，提出改进措施：
暂存区 1 2 3 4 5平均等待时间 12、50 30388、42 3、40 273、55 5956
平均数量 0、63 1967、04 0、11 5、62 243、75 由数据图可知第一个暂存区得物料输入量为 8８88，平均数量为 0、63，最大等待时间达到了241、94，平均等待时间为１2、5,由此可见暂存区一得货物状态较为空闲,不就是系统得瓶颈.由数据图可知第二个暂存区得物料输入量为１１173,平均容量为 1967、04，最大等待时间为 63017、14,平均等待时间为 30388、42，由此可见暂存区二得货物周转率较高，处于比较忙碌得状态，非常容易成为系统得瓶颈.由数据图可知第三个暂存区得物料输入量为 5835,平均数量为０、11，最大等待时间达到了 1２4、２5,平均等待时间为 3、4０，由此可见暂存区三得效率较高,较为适应系统得要求。由数据图可知第四个暂存区得物料输入量为 36０4,平均数量为 5、62,最大等待时间为 1642、３7，平均等待时间为 2７3、５5，由此可见暂存区四货物周转率高,并且运行效率高，能够适应系
统得要求,安排合理.由数据图可知第五个暂存区得物料输入量为 72０8，平均数量为 243、75,最大等待时间为 1０936、85,平均等待时间为 595６，由此可见暂存区五容易造成货物得堆积与等待,不能够适应系统得要求,安排不够合理,为该系统得瓶颈.由数据分析可知暂存区二、五就是系统得瓶颈所在，应该提高暂存区二、暂存区五得处理前一道工序速度,即增加工序一与工序二得机器数量，以此来提高工序 1、2 得处理速度，或者调整物料加工得顺序,从而提高整个系统得运营效率。
《物流系统建模与仿真》实验报告
开课实验室：
****年**月**日 日 学院 自动化 年级、专业、班 １2 级物流工程 2班 姓名段竞男 成绩
课程 名称 物流系统建模与仿真 实验项目 名
称 混合流水线系统仿真与分析实验 指导教师 张莹莹 教师评语
成绩
一、实验目得 主要掌握单台处理器在处理多种产品时对于处理顺序以及时间参数得设置.熟悉先进先出这种存储模式得控制方法.二、实验原理 多对象流水线生产有两种基本形式。一种就是可变流水线，其特点就是:在计划期内，按照一定得间隔期,成批轮番生产多种产品；在间隔期内，只生产一种产品,在完成规定得批量后,转生产另一种产品。另一种就是混合流水线,其特点就是：在同一时间内,流水线上混合生产多种产品。按固定得混合产品组组织生产,即将不同得产品按固定得比例与生产顺序编成产品组。一个组一个组地在流水线上进行生产。
三、使用仪器、材料
ＰC 机一台,flexsiｍ 软件 四、实验步骤
1)创建模型布局
从左边得实体库中依次拖拽出所有实体（一个 Source，５个 Quｅｕe,1２个 Pｒｏceｓｓoｒ，一个Ｃonveｙor，一个Ｓｉnｋ)放在右边模型视图中，调整至适当得位置,如图所示:
2)连接端口
根据流动实体得路径来连接不同实体得端口.按住键盘上得“A”键,与前面章节得操作一样,按上图中得箭头所指向依次连接各个实体.分别(注意方向)从 Sｏurｃe 连到 GeneｒalQueｕe，GeneｒalQuｅue 连到ＧenｅｒaｌMachine1，GｅnｅｒalＱuｅuｅ连到 GenerａlMａchine2, GeneralＱueue 连到 GenerａlMaｃｈine3，ＧｅｎｅralMａｃｈiｎe1 连到 DrillinｇQueue，GeneralMacｈine2 连到 DriｌlingQｕeue，GｅｎｅrａlＭａcｈinｅ3 连到 DrillｉngQueuｅ，DrillｉｎgQueue 连到 DｒillinｇＭａchine1，DriｌlinｇQueｕｅ连到 DrillingMａchｉne２,DrillinｇQueue连到DriｌlingMachine３,DriｌlｉngＭachine1连到ＭillｉｎgQｕeuｅ,ＤriｌlinｇMaｃhｉｎe2 连到 MilliｎgQｕeue,DrｉlｌinｇMacｈine3 连到ＭilｌｉngQｕeue,MiｌｌinｇＱueｕe 连到 MilｌｉnｇＭachine１，MillingＱueｕｅ连到ＭilｌｉngＭaｃhine2,ＭillinｇMaｃhiｎｅ1 连到 GriｎdiｎgQuｅue,ＭiｌlingＭａchine２连到 GrindｉngＱｕeue，ＧrｉndｉｎgＱｕｅｕｅ连到 GrｉnｄingＭａchiｎe1，GrinｄinｇＱueue 连到 GｒindinｇMａｃｈｉne２,GrｉndingＱｕｅue 连到ＧｒindｉnｇMachｉｎｅ3，GｒiｎdiｎｇMachｉｎe1 连到 T
ｅｓｔｉngQueｕe,GrｉｎdingＭachｉne2连到TｅｓtiｎgＱueue,GrindｉｎｇMachｉｎe3连到TesｔingＱueue,TestingQueue 连到 TｅsｔingＭachine，ＴeｓtｉngＭachine 连到 Cｏｎveyor，Ｃoｎveyor 连到Ｓｉnk。完成后，如图所示：
3)定义对象参数
分别按照要求定义 Sourｃe、各机器工位、暂存区参数。
4)模型运行
(1)重置模型并运行(2)加快仿真模型运行速度 如果我们只就是关心仿真结果,而对仿真得过程不感兴趣，则我们可以加快仿真速度,迅速得到结果.图 3、１仿真速度控制比例条 如图 3、1，鼠标左键一直按住比例尺，移动到合适得比例位置,以便迅速得到结果。
5)观察结果
仿真进行过程中，可以瞧到红、绿、蓝三种不同颜色得产品从系统中流过,经过不同机器组得加工，最后离开系统,如下图:
6)结果分析
当仿真运行自动结束后，我们打开 Flexｓｉｍ得工具栏里得 Stａts 目录下得Ｓtandａrd Report 选项，如图所示:
我们通过来增加、以及来减少需要输出得报告内容,使得报告包含以上所列得 5 个部分得数据:iｄlｅ就是空闲时间，pｒoｃessiｎg 就是工作时间，blockeｄ就是产品在设备等待时间，ｓｔatｓ_staytiｍｅavｇ就是平均停留时间，stats_input 就是输入产品数,stats_output 就是输出产品数,设置完成后,如图所示:
点击后生成如图所示表格:
从上表中我们可以很方便得瞧到总运行时间就是 7728min，以及各个设备得输入输出产品数,处理时间等信息.录记始原程过验实、五ﻬ 五、实验过程原始记录((数据、图表、计算等）
1、运行结果得二维平面图
２、运行结果得三维立体图
4、投产按照 1、2、3 得顺序进行得仿真报告 Flexsim Summary Report Time: 7728
Object Class stats_output stats_staytimemin stats_input idle blocked processing
Source1 Source 1700 0 0 0 7720 0 Queue2 Queue 1700 0 1700 0 0 0 Processor3 Processor 500 4 500 594 0 2400 Processor4 Processor 600 4 600 297 0 2700 Processor5 Processor 600 4 600 297 0 2700 ConCon17010 1700 0 0
veyor6 veyor 0 0 Processor7 Processor 600 4 600 203 0 2800 Processor8 Processor 600 4 600 203 0 2800 Processor9 Processor 500 4 500 599 0 2400 Queue10 Queue 1700 0 1700 0 0 0 QueQue1700 1700 0 0
ue11 ue 0 0 Processor12 Processor 850 3 850 10 0 3050 Processor13 Processor 850 3 850 11 0 3050 Processor14 Processor 567 4 567 796 0 2268 ProcessorProcessor 567 4 567 797 0 2268 Processor16 Processor 566 4 566 798 0 2264 Queue17 Queue 1700 0 1700 0 0 0 Queue18 Queue 1700 0 1700 0 0 0 Processor19 Processor 1700 1 1700 18 0 7700 Sink20 Sink 0 0 1700 0 0 0 由报表分析可知，按照 1 1、2 2、３得顺序投产得总得处理时间为７7 7 ２8 8。
投产按照１、3、2 得顺序进行得仿真报告:
Flexsim Summary Report Time: 7728
Object Class stats_input stats_output stats_staytimeavg idle processing blocked Source1 Source 0 1700 0 0 0 7720 Queue2 Queue 1700 1700 4、588235 0 0 0 ProcProc502 502 4、79586 2408 0
essor3 essor 6813 Processor4 Processor 600 600 4、5 298 2700 0 Processor5 Processor 598 598 4、501672 306 2692 0 Queue6 Queue 1700 1700 0、411765 0 0 0 Processor7 Processor 600 600 4、666667 203 2800 0 PrPr60604、20280
ocessor8 ocessor 0 0 666667 3 00 Processor9 Processor 500 500 4、8 599 2400 0 Queue10 Queue 1700 1700 28、32294 0 0 0 Processor11 Processor 850 850 3、588235 10 3050 0 ProcessorProcessor 850 850 3、588235 11 3050 0 Queue13 Queue 1700 1700 0 0 0 0 Processor14 Processor 567 567 4 796 2268 0 Processor15 Processor 567 567 4 797 2268 0 Processor16 Processor 566 566 4 798 2264 0 QueuQueu1700 1700 23290 0 0
e17 e、648 Conveyor19 Conveyor 1700 1700 10 0 0 0 Sink20 Sink 1700 0 0 0 0 0 Processor21 Processor 1700 1700 4、529412 18 7700 0 由报表分析可知，按照 1、3、2 得顺序投产得总得处理时间为 77２８.投产按照 2、1、3 得顺序进行得仿真报告：
Flexsim Summary Report Time:
7725 Object Class stats_input stats_output stats_staytimeavg idle processing blocked Source1 Source 0 1700 0 0 0 7720 Queue2 Queue 1700 1700 4、588235 0 0 0 Processor3 Processor 503 503 4、795229 588 2412 0 Processor4 Processor 600 600 4、5 299 2700 0 Processor5 Processor 597 597 4、502513 311 2688 0
Queue6 Queue 1700 1700 0、408824 0 0 0 Processor7 Processor 600 600 4、666667 205 2800 0 Processor8 Processor 600 600 4、666667 205 2800 0 Processor9 Processor 500 500 4、8 605 2400 0 Queue10 Queue 1700 1700 28、16529 0 0 0 Processor11 Processor 851 851 3、587544 11 3053 0 Processor12 Processor 849 849 3、588928 15 3047 0 Queue13 Queue 1700 1700 0 0 0 0 Processor14 Processor 567 567 4 796 2268 0 Processor15 Processor 567 567 4 798 2268 0 Processor16 Processor 566 566 4 804 2264 0 Queue17 Queue 1700 1700 2317、985 0 0 0 Conveyor19 Conveyor 1700 1700 10 0 0 0 Sink20 Sink 1700 0 0 0 0 0 Processor21 Processor 1700 1700 4、529412 15 7700 0 由报表分析可知，按照 2 2、１、３得顺序投产得总得处理时间为 772 ５.析分及果结验实、六ﻬ 六、实验结果及分析1）
实验结果: :由以上报表分析可知 6 种投产顺序中，按照 2、1、3 得顺序投产得总得处理时间最短为７7２5，故以这种投产顺序作为最佳投产方式。
２）讨论: :系统还存在很多可以改善得地方，请指出有哪些地方就是有待改善得，理由就是什么.答：可以适当得降低处理器得运行速度，除了第三组得处理器空闲时间较短外，其余各组处理器得空闲时间过长。尤其就是，其中暂存区 17 得平均等待时间过长,可以适当得调整运行速度，以提高整个系统得运行效率。
实验报告打印格式说明 1.标题:三号加粗黑体 2.开课实验室:5 号加粗宋体 3.表中内容:(1)标题:５号黑体(2)正文：5 号宋体
MIMO信道建模仿真与容量研究 篇3
关键词：MIMO 信道容量；信道模型；信道建模；仿真；镜像法
MIMO的优势在频谱资源日益匮乏的今天显得很重要，MIMO无线通信技术是天线分集合空时处理相结合的产物，具有二者的优越性，其在发送端和接收端均采用多天线单元，利用无线信道的多径传播，因势利导来开发空间资源，建立了空间并行信道传输信号，使得能够实现在不增加带宽和发射功率的情况下能成倍的提高无线通信的质量和数据速率。Foschini在1996年的一篇文章里首次给出：如果用于描述具有N副发射天线和M副接收天线的无线链路的M×N信道矩阵的元素是完全独立衰落的，则该系统的容量随最小天线数目的增长而线性的增长。在这些并行子信道上同时发送N路子数据流，各发送信号占用同一频带，不用增加额外的带宽，有效的提高了频谱资源的利用率。
MIMO信道的建模方法有很多，主要的建模方法可以分为两大类：一类为确定性建模方法；另一类为基于统计特征的统计性建模方法。确定性建模方法常被用于进行小区规划。确定性建模的实现方法常用基于几何光学和一致性几何绕射理论的射线跟踪技术。射线跟踪的基本思想：将发射点看做电源，其发射的电磁波作为向各个方向传输的射线，对每条射线进行跟踪，遇到障碍物按反射、折射或者绕射理论来进行场强的计算，在接收点将能到达的有效的各射线合并，从而实现传播预测。射线跟踪技术还可以结合天线的辐射图，分别的考虑辐射图对每条射线的影响。在射线跟踪技术中最重要的就是射线路径的确定，而利用镜像法可以简单有效的解决这个问题，比较适用于室内无线传播的环境，这也是本文选自镜像法的原因，本文研究的基础就是射线跟踪中的镜像法。
1基本原理介绍
1.1镜像原理
镜像方法的思想就是在所有看得见的建筑物的表面建立源的镜像，然后将镜像本身当作次级源，也在其能看得见的全部建筑物的表面成像，产生新的二次镜像点，然后，依次再将将二次镜像点作为源重复上述的过程找下一级的镜像点，直到满足所需要的反射的次数。
在求得镜像点的时候，需要加以限制，如果没有限制，将会产生无穷多的镜像点，已经有理论证明：取3次反射就能够反应出室内环境的信道特征，得到足够准确的信道容量参数，当反射的次数大于3之后，容量增加的幅度很小，而且运算量大幅度的增加，所以本文中仿真的过程也只计算到三级镜像点。
1.2 确定射线路径
得到3次反射的全部镜像点之后，需要判断镜像点的有效性，所用的方法就是判断交点是否在镜面上，如果在镜面的延长面上则判为镜像点无效，相应的路径就要去除。下面以接收点和三次镜像点为例说明。
建立直角坐标系，得到接收点S和三次镜像点O的坐标，相应的得到S和O的矢径分别为2，则由点S和点O所确定的射线上的任意一点的矢径的表达式为t≥0)， 设镜面所在平面的一般方程设为Ax+By+Cz+D=0，平面的单位法向量和原点到此平面的距离d就可以得到，再设平面上任一点坐标为(x，y，z)对应的矢径为，则平面的方程用矢量表示为0时，射线与平面有交点，可以求得交点坐标
(1)
如果0 1.3 进行极化处理求场强 假设反射点处反射前、后的电场强度分别为i和r，平行和垂直于入射平面的单位矢量分别为和，则入射波可以分解为根据菲涅尔反射定律可以求得平行极化波和垂直极化波的反射系数分别用和表示，则反射点处的反射电场可以表示为 (3) 1.4 容量的归一化处理 在用射线追踪方法进行计算时，必须进行归一化的处理，目的是为了平衡距离因素引起的容量损失，具体过程为：先求hij，hije·e-j，为每条有效射线到达接收点的功率值，θl为由反射引起的相位变化，fc为载波的频率，τl为有效路线到达接收点的总时延，N0为有效路径的数目；再求归一化系数Q，Q= N、M分别为发送和接收天线数目；最后得到信道容量C 2 镜像法建模与仿真 选取空房间，并长为y轴、宽为x轴、高为z轴建立直角坐标系，取房间墙壁的材料为水泥混凝土，则电导率为σ＝0.07s/m，相对介电常数为εr=5，选择发射天线为半波偶极子天线，较为符合实际情况。 半波偶极子天线的辐射电场表达式 需要将球坐标系的表达式变为直角坐标系下的表达式 Eθ为(r)的标量表达式。r表示场点与坐标原点之间的径向距离，θ为径向方向与Z轴正方向之间的夹角，?准为径向在xoy平面内的投影与X轴正方向之间的夹角。 2.1 LOS下仿真图 全向、垂直极化、平行极化下的功率都是随着收发天线间的距离的增大而减小，路径损耗都随着距离的变大而变大，可以参考文献[２]的结论，而且，三种方式对比下，接收天线平行于地面仿真的时候功率较小，路径损耗较大，这可以参考文献[３]。具体如图1～图6所示。不同的极化方式下，频率对容量的影响不同，而且由于是在带宽为1000M的情况下的仿真，算是宽带的情况，所以容量随着频率的变化会有不同的衰落，出现了浮动，符合MIMO信道频率选择性衰落的特性，可以对比文献[４]。 2.2 NLOS下仿真图 加入平板障碍物并且很薄，高度和房间一样，宽度可变，由于很薄，所以反射中只考虑障碍物的两个面。只要改变障碍物的宽带可以仿真实际中存在隔间的办公室的环境，有一定的实际意义。(具体如图7～图10所示)。 对比中可以看到，在同样的房间和发射接收设置条件下，LOS情况的容量比NLOS情况的容量大，因为NLOS比LOS少了直射路径的电场量。SISO系统容量最小，SIMO和MISO系统容量次之，MIMO系统容量最大。而且容量增大的较多，同时也可以看到MISO比SIMO系统的容量又有稍微的提升，说明在发送端比在接收端增加天线效果要好。NLOS下信道容量随着天线数目的增加而增大，无论在发送端还是接收端增加天线数目。 3 结束语 在频谱资源日益匮乏的现代社会，MIMO技术以其巨大的优势吸引了广泛的关注。在未来通信中，MIMO必将成为主流技术之一。本文重点给出了镜像法建模的理论依据和建模的一般步骤，然后建立了室内信道模型，对室内视距和非视距传播环境下无线信道的传输特性进行了仿真，给出了包括了无线信道的接收功率、路径损耗、容量等一系列的参数的仿真图形，并对图性做了分析和对比。?笮 参考文献 [1] 丁晓磊，王建，林昌禄，对数周期偶极子天线相位中心的分析和计算，电子学报，31(9)，2003. [２] J. W. Mckown，R. L.Hamilton，“Ray tracing as a Design Tool for radio network”，IEEE Networks Magazines，pp.27-30，Nov.1991. [３] Pohl V，Jungnickel V，Haustein T，et al..Antenna spacing in MIMO indoor channels. IEEE VTC，2002，2:pp.749-753. [４] Hampicke D，Landmann M，Schneider C，et al..MIMO capacities for different antenna array structures based on double directional wideband channel measurements，Proceedings of VTC 2002，1: pp.180-184. 作者简介 关键词：高超声速巡航导弹,信道传输损耗模型,Longley-Rice模型 高超声速巡航导弹 (简称“高巡弹”) 是指飞行速度不小于5马赫的新一代巡航导弹, 它采用高能、高密的吸热型碳氢燃料和超燃冲压发动机, 飞行时从大气中吸取氧气, 大部分时间巡航于临近空间 (距地面20—100 km) , 巡航距离远 (1 000—2 000km) 。高巡弹的显著特点:飞行速度快、飞行距离远、突防能力高、侵彻能力强[1,2]。由于这些特点, 对通信系统的可靠性、实时性、抗干扰能力都有很高的要求。所以对高巡弹的通信系统设计前根据特定环境建立信道模型进行仿真分析是很有必要的。 在无线通信系统中, 电波通常在非规则、非单一的环境中传播。在估计信道损耗时, 需要考虑传播路径上的地形地貌, 也要考虑到建筑物、树木、电线杆等阻挡物。传播环境不同传播模型也有差异, 适合于几千米到几百千米的大尺度衰落传播模型有Longley-Rice模型、Durkin模型、Okumura模型Hata模型以及Carey模型等[3]。其中Longley-Rice模型也被称为不规则地面模型[4,5], 可模拟各种复杂环境, 包括不同气候类型、不同地形、不同频率轨迹等各种情况, 该模型适用于频段20MHz—40GHz、路径长度 (1—2 000) km。这些都符合高巡弹的巡航条件, 另外由于高巡弹飞行高度一般都在20km以上, 而Longley-Rice模型不能预测天线高度大于10km的情况, 所以需要考虑自由空间的损耗[6], 本文提出的信道模型结合了自由空间损耗模型和Longley-Rice模型采用分段预测相加的方式对无线信道衰落进行预测, 并推导了模型的预测实现算法。 1信道模型分析 1.1自由空间损耗模型 无线电波在自由空间中的传播损耗定义是发射功率与接收功率之比, 其对数表达为 式 (1) 中f为工作频率 (MHz) , d为作用距离 (km) 1.2 Longley-Rice模型 该模型传输损耗中值Aref用下式计算: 式 (2) 中, [dmin, dLs]为视距传播范围, [dLs, , dx]为衍射传播范围, dx为散射传播距离下限极值, d为通信距离。 Longley-Rice模型是建立在实测数据和理论推导相结合基础上, 文献[7]给出了相关的经验值或近似拟合数据。式 (2) 为分段函数, 下面分三种情况给出Longley-Rice的具体算法。 1.2.1视距损耗的计算 根据文献[7]定义, dL为发射和接收天线到有效反射面的距离和, he1、he2分别为发射和接收天线的有效高度为波数假设 d0、d1、d2分别为视距传播距离的假设量, A0、A1、A2为视距传播对应的衰减量。 由上面的公式推导计算可得: 如果K′1≥0, K1=K′1, K2=K′2, 如果K′1<0, K′1=0, K2=K″2, 并设K1=md, K2=0。定义权系数 10km, Δh为地形不规则参数, 通常平地或水面取0m, 平原30m, 丘陵90m, 山区200m, 崎岖山区500m。这样可得: 1.2.2衍射传播损耗计算 假设Xae= (kγ2e) -13, γe为地面有效曲率, d3、d4分别为衍射传播距离的假设量, A3、A4为衍射传播对应的衰减量。由公式 近似推导可得: 式 (7) 中, Adiff (d) = (1-w) Ak+wAr+Af0, 权系数 式 (8) 中Δh (d) = (1-0.8e-d50) Δh, (d单位km) , hg1、hg2分别为发射和接收天线的高度。 Ak是双边刃形衰落项, Ar是圆形地球衰落项。 式 (9) 中Fn (x) 为Fresnel积分。 对于圆形地球衰落, 可以利用Vogler等式的“三半径”法求解, Vogler等式常用来解决光滑球形问题[4]。 杂波干扰项: 式 (10) 中α=4.77×10-4m-2, 1.2.3散射传播损耗计算 d5、d6分别为散射传播距离的假设量, A5、A6为散射传播对应的衰减量。 近似推导可得: 式 (11) 中Hs=47.7m。 式 (13) 中, θ=θe1+θe2+γed, θe1、θe2分别为发射和接收天线到有效反射面的高度角, 函数F (θd, Ns) 为文献[7]所定义的衰落函数, H0为频率增益因子。 以上推导了两种模型的预测算法, 根据现在各国对高巡弹的研究报道可以知道, 高巡弹的飞行高度一般都在20km以上, 超出了Longley-Rice模型的预测高度10km, 本文提出分段预测的方法对高巡弹无线传输损耗进行分析, 传输损耗可用下面公式计算 式 (14) 中h高巡弹的天线高度, d为高巡弹与地面站之间的天线距离, dy为天线高度在10km时距离地面站的距离。 2仿真分析 信道模型仿真中高巡弹的飞行轨迹均基于式 (15) 的假设。 式 (15) 中H是飞行高度, 单位为m, d为高巡弹与地面站的距离, 单位为km。其他参数设置如下:高巡弹稳定后的飞行高度为22km;基站天线高度为12m;通信距离为2km—1 000km;载波频率为6 000MHz;根据Longley-Rice模型定义设置参数为:收发天线位置标准为原来高度+5m;变化模式选择广播模式;地形为平地或水面;一般地面的相对介电常数为15, 导电率为0.005s/m;气候类型为亚热带海洋性气候, 其地面折射率为370N单位;天线极化方式为水平极化;时间参量分位数为90%, 位置参量分位数为90%, 情景参量分为数90%。 3试验 3.1试验一:三种模型比较分析 高巡弹飞行轨迹大致包括上升阶段、飞行阶段和下降阶段, 这里主要考虑地面发射平台, 通过三种模型的预测分析了高巡弹从起飞阶段爬升到不同的高度到下降阶段对衰落的影响。 由图1可以看出, 自由空间模型预测值只考虑了高度和距离的影响, 总体比较平稳, 没有考虑到地形地貌大气地球曲率等对无线信号的影响, 并没有反映出实际情况。 Longley-Rice模型对上升阶段的影响没有太大的差别, 直到600 km以后衰落突然增大, 这是由于地球曲率的影响下, 视距分量突然消失的缘故, 传输方式由视距传播转为超视距衍射传播, 然后随着距离进一步增大 (大大超出地平线) , 传播方式以前向散射传播机制为主, 故衰落会越来越大, 但是Longley-Rice模型有高度的限制, 超出的高度预测会存在较大的误差。 由图1可以看出改进的混合模型让超出10 km高度的预测值用自由空间模型计算会显得更加合理。 3.2试验二:地面站天线高度对衰落影响 图2分别考察了地面站天线高度为50 m, 300 m, 600 m, 1 000 m四种情况下的衰落特性。 从图2中可知在有视距的情况下, 地面站天线的高度变化对衰落的影响相差不大, 当视距消失以后, 地面站天线高度越低对衰落的影响起伏越大。 3.3试验三:载波频率对衰落影响 本仿真中选用了一组不同的频率对衰落的影响, 如图3所示, 频率为5 GHz, 12 GHz, 18 GHz, 27 GHz, 40 GHz。 由图3可知, 衰落随频率的增大而增大, 在视距范围内, 衰落曲线比较平滑, 当视距消失后, 频率对衰落的影响进一步增大。 3.4试验四:气候类型对衰落影响 考察七种典型气候类型对衰落的影响, 即近赤道气候类型、亚热带大陆性气候、亚热带海洋性气候、沙漠气候、温带大陆性气候、温带海洋性气候 (陆上) 、温带海洋性气候 (海上) 。 由图4可知在有视距的情况下, 各种气候类型衰减相差不大, 视距消失后气候类型对衰落的影响变得明显, 沙漠气候衰减最大, 以下依次是温带大陆性气候, 近赤道气候, 温带海洋性气候 (陆上) , 亚热带大陆性气候, 亚热带海洋性气候, 衰减最小的为温带海洋性气候 (海上) 。 3.5试验五:时间、位置和情景参量对衰落影响 图5给出时间、位置和情景三个控制仿真置信度的参变量下的仿真结果。图5中qt代表时间参量, 定义为单位时间内, 由空气折射率、空气震动等造成的衰减中值的变化程度, 计算得到场强值是一个统计中值, qt=90%表示实际接收场强在90%时间内大于或等于计算得到的平均场强;ql代表位置参量, 表示地面或者环境造成的不同径之间的差异的统计特性;qs为情景参量, 包括了一些在相同的系统参数和环境参数情况下, 由其它因素造成的差异。 由图5可以看出, 参变量取得越大模型预测损耗值就越大, 这表示实际接收信号场强强于预测值的可能越大。 4结束语 论文针对高超声速巡航导弹的通信信道特点进行了研究, 提出了适合该系统的Longley-Rice模型与自由空间模型相结合的信道衰落模型, 并推导了具体的算法。通过对具体参数的仿真分析, 验证了该模型的有效性。 参考文献 [1]邓以高, 尚安利, 雷军委.高超声速巡航导弹关键技术的探讨.海军航空工程学院学报, 2005;20 (2) :215—217 [2]付东升, 奚建明.美军高超声速巡航导弹进展.飞航导弹, 2006; (2) :16—18 [3]Rappaport TS.Wireless communications principles&practice.Pren-tice-Hall, NJ, 1996 [4]Longle A G, Rice P L.Prediction of tropospheric radio transmission loss over irregular terrain:a computer method.ESSA Technical Re-port.ERL79-ITS67, 1968 [5]徐红艳, 尉明明, 冯玉珉.海上移动通信预测模型的选择.北京交通大学学报, 2005;29 (2) :65—68 [6]Bello P A.Aeronautical channel characterization.IEEE transaction on Vehicular technology, 1973;21 (5) :548—563 制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定 课程编号：J6312614 学 时 数：32 学 分 数：2.0 适用专业：工业工程 先修课程：概率统计 考核方式：考试 一、课程的性质和任务 系统建模与仿真这门课，是工业工程专业的一门必修专业课。它是以制造型和服务型企业为研究对象，主要介绍了离散事件建模与仿真方法，及其在生产物流企业分析中的应用原理和方法，全书最后介绍了flexsim离散事件仿真软件及应用。本门课旨在使学生面对生产系统时，能够运用计算机仿真技术来研究系统性质，并进行改进，以提高生产能力和生产效率。 二、教学内容与要求（小四号宋体加粗） 理论教学（32学时） 1、概论（3学时） （1）仿真技术的产生与发展；（了解） （2）仿真软件和仿真建模方法学的发展；系统建模与仿真的发展趋势；（理解）（3）计算机仿真在生产物流中的应用。（掌握） 2、系统仿真（3学时） （1）系统和生产系统的概念及其组成；（了解）（2）系统的各种分类方法；（理解） （3）系统模型和系统仿真的概念及系统仿真的若干术语。（掌握） 3、离散事件系统仿真（2学时） （1）了解：与系统仿真有关的一些基本概念；（2）理解：事件调度法、活动扫描法、进程交互法；（3）掌握：离散事件系统仿真的一般步骤； 4、生产系统典型事件（4学时） （1）传统生产系统的定义和结构；（了解）（2）现代生产系统结构及构成要素；（理解） （3）几种排队系统的分析；排队系统的仿真方法。（掌握） 5、物流系统典型事件（4学时）（1）了解：物流的基本概念、职能；（2）理解：配送中心规划；（3）掌握：供应链结构基本要求有。 6、生产物流系统仿真软件和实例应用（12学时） （1）flexsim软件及其特点；（了解）（2）flexsim软件窗口；（理解） （3）运用flexsim建立模型以及仿真分析。（掌握） 三、考核要求 理论课采取闭卷考试，其中考试成绩占70%，平时作业和课堂考勤占30%。 四、参考教材及其它参考资料 1、参考教材： 《生产物流系统建模与仿真》，王亚超，马汉武主编.科学出版社，2006年。 2、其它参考资料： [1]《制造系统建模与仿真》，苏春主编，机械工业出版社，2008年。[2]《系统建模与仿真》，吴重光主编，清华大学出版社，2008年。 整体动力学一直是结构动力学分析领域的焦点，例如扭振和弯曲振动，包括扭振减振器（TVD）和飞轮布置，以及（液力）轴承分析。概念设计、关于整体尺寸及重量的结构和动力学改进等领域也是重点，为此，Achates动力（有限）公司（以下简称Achates）正在开发一个重量轻、低排放、低油耗的二冲程、对动活塞柴油发动机，将其设计成为一个名为A40的模块化、可扩展的机械装置。Achates利用最为先进的分析工具和方法，使建模与仿真成为实现该项目的重中之重。 Achates利用了一种混合的方法，从而将多体仿真（MBS）和有限元分析（FEA）的优势有机结合了起来，主要内容包括以下几个方面： （1）发动机缸体支撑结构灵敏度对于轴承负载的影响： 由于在往复质量块的相对运动期间力被部分抵消，因此与峰值气缸压力相比，A40对动活塞发动机具有相对较小的主轴承负载。这使得在保持轴承具有足够支撑的同时，大量优化支撑结构的重量。 （2）缓解齿轮共振 该机械装置的两个曲轴由一套齿轮进行正时。在测试期间，运转速度范围内检测出齿轮共振，导致了相邻主轴承负载的大幅增加。通过对灵敏度的研究，找到了解决运转速度范围内共振的最佳解决方案。 对动活塞柴油发动机 与目前市场上的传统发动机相比，对动活塞柴油发动机具有热力学方面的优势（气缸盖内部无热损失），其更低摩擦（无气门结构，活塞侧低负载），也具备大规模提高燃油效率的潜力。由于在保持传统的制造方法的同时降低了部件的数量，该发动机的一个最大优势是成本的降低。除了热力学的优势外，因为对动活塞柴油发动机是一种两冲程发动机，具有低引擎机制复杂性的优势，与传统的发动机结构相比，自然重量更轻。为了在保持充分耐久性的同时进一步减轻重量，需要使用先进的分析方法，将多体仿真（MBS）、有限元分析（FEA）、优化和疲劳分析有机结合起来。 基于Adams的FEVEngine已经当作所选的多体模拟软件，与部件模态综合（FEA软件）结合使用，从而降低核心结合组件的自由度，例如保持几乎完整结构信息的曲轴和发动机缸体。该方法能够以合理的运行时间，在保持完全组件交互的同时大范围探究运行状况。 不同层次的细化建模 对动活塞式发动机中，置于同一气缸的两个相对的活塞在上止点走到一起，发生燃烧后反方向移动。 对动活塞A40发动机架构采用了创新的机制推动活塞。每个气缸之中的两个活塞通过六个连杆与两个曲轴连接，从而创建了一个纯粹的轴向活塞运动，在理想状态下不存在活塞侧向力。连杆具有张力，致使主轴承的反作用力输送至缸体而不是轴承盖。此外，A40对动活塞的运动类型，使得燃烧力部分取消。以上两点使该发动机能够使用一种轻量级的支持结构。两个曲轴通过一个齿轮传动系和一个单独的飞轮相连。安装在从动轴之上。图1为建立在弹性支撑结构上的A40四缸曲柄连杆机构模型以及齿轮传动系的后视图。该机械装置初看可能会显得十分复杂，但是实际上，它的组成部件数量仅为传统发动机一半。 本研究中的论证结果将重点用于四缸Achates动力A40发动机。 利用不同层次的细化建模，曲柄连杆机构从一个纯粹具有刚性组件和约束轴承的运动组件模型变为一个由液力轴承支撑的全柔性体模型。可以方便地通过柔性部件替换任意刚性部件，从而提高分析的准确性。 该软件结合了具有发动机组件库的通用开放体系MBS代码的各种优势，针对如连杆、活塞和其他大量发动机具体组件提供了“按键式”的执行方式。因此，Adams能够充分支持这种多曲轴、单气缸内多个连杆机构的需求。 正时齿轮模块已被用于包括齿轮接触和间隙在内的齿轮传动系动力学建模，因此能够在该机构内进行完整的组件交互。齿轮刚度和冷却间隙已经实验确定，并作为提供值输入模型之中。基于齿轮的啮合点、材料组合和温度，已经得出运行温度条件下的间隙。间隙和啮合的错误可能会导致整个机械装置出现严重的冲击激励，因此准确地模拟这些参数是非常关键的。 MBS与有限元分析相结合 Achates选定了一种MBS和有限元分析相结合方法作为A40机械装置结构动力学分析的方法。该方法的第一步，是基于克雷格一班普顿方法确定曲轴和缸体的模态中性文件（MNF）。该方法允许选择自由度（DOFs）的子集，该子集在模态缩减过程中受到保护，在MBS模型中被用作外连接节点。如在轴承安装位置定义这种自由度（DOFs），就能够在各种发动机运行条件下方便地监测轴承变形。 模态缩减后的好处是大大减少了自由度（DOFs）的数量，同时保持了近乎完整的连同模态应力在内的模态信息（惯量和刚度张量）。 第二步是将组件MNFs导入到ADAMS模型，以实现本机械装置结构刚度的最佳可能表示法。第三步牵涉边界条件设置，如爆压曲线、油粘度和温度，这一步骤在Adams中可以很容易地完成。最后，运行MBS分析，以分析发动机动态过程中的各个方面：扭振和弯曲振动、扭振减器（TVD）的效果和飞轮布置，以及针对轴承的分析。在本方案中，确定结构和动力学改进范围被作为特别强调的重点，因为这样才能整体上缩减尺寸和重量。Achates将该混合的方法使用在开发的各个阶段，包括灵敏度研究和根原分析。该方法在组件优化和耐久性分析领域得到不断地改进和完善。此外，叠加模态应力和模态参与因子，进行模态应力恢复，并作为后续疲劳分析的基础。 支撑结构灵敏度 在A40装置中，通过排气和进气连杆各自阶段产生端口正时。两个相对旋转的曲轴具有相同的对称性和相位。因此，燃烧的力量可部分取消。正如前面所提到的，对动架构使主轴承的力作用在缸体或曲轴箱上，而不是主轴承盖上。这两种作用能够帮助Achates实现一种相对于PCP的轻量级支撑结构。 早在测试中就明显得出，该结构重量降低的极限将取决于其支撑曲轴能力。曲轴的扭转和弯曲变形是耐久性、噪声和振动平顺性（NVH）的首要表征。分析以刚性缸体结构开始，随后由柔性体代替。增加了缸体细化的完全耦合分析曲轴弯曲结果，如图2所示。 正如所料，缸体表述方法对曲轴扭转行为（未显示）几乎没有任何影响。然而，曲轴弯曲的影响却十分显著。对于刚性缸体，可以观察到伴随每分钟3000转转速下的共振的明显的第四阶激励。相比较而言，柔性缸体的响应显示了所有频率切换过程中的从第一阶到第四阶激励。尽管曲轴弯曲幅度满足Achates的要求，更强的缸体刚性能够进一步降低曲轴弯曲度。因此，为验证这种改进，缸体的刚度被人为地增加了20％（见图2）。 除了研究缸体刚性影响之外，该方法还能用于指导保持重量下降同时，局部刚性提高的设计。 减缓齿轮共振 在早期的A40四缸机构测试阶段，就观察到了齿轮传动噪声／共振现象。虽然这个特殊的发动机只装有两个应变传感器，但是所测量的齿轮传动共振已由Adams虚拟发动机模型定性重现。其结果如图3所示。 ADAMS模型随后用于执行大规模的参数研究，从而找到所观察到齿轮共振问题的根源和解决方案。在大量关于如何降低的齿轮共振的构想中，只选择一些结果在此进行讨论。将可能的解决方案分为三类： ·对机构设计没有影响，或具有次要影响； ·对机构设计有中等影响； ·对机构设计有主要影响。 第一类解决方案其中包括：减少齿轮间隙和飞轮转动惯量。从公差和可加工性角度来看，间隙可以减少到目前设计间隙的40％，所带来的轴承负载仅仅降低了20％，这是远远不够的。飞轮惯量降低至其初始值的50％，或者完全将飞轮移除（零惯量），如果对共振特性有影响的话，其影响也微乎其微。有趣的是，动力学研究表明，发动机完全能够在无飞轮状态下运行，这能够减少13.7kg的发动机总重量。 在第二类中，有两个解决方案涉及结构变化，看似较有前途：将取力器移至曲轴或螺旋齿轮。前一种方法在结合TVD和飞轮惯量协调时显示出最佳的效果。该解决方案一直运行在设计层面，并未制造出相关硬件。此外，由于在任何给定负载状态下，存在的齿轮分离系数，以及对NVH效果的考虑，选择螺旋装齿轮作为首选解决方案。 第三类解决方案涉及重大的全新设计并对发动机总成产生冲击。例如，输出轴上的一个单独的飞轮可能被每个曲轴上设置的一个飞轮所取代，用两个大型齿轮取代四个齿轮，或者将TVDs移至曲轴后端。尽管上述修改都具有一定的前途，重新设计工作最好纳入到未来的发动机设计之中。 图4中每个图表显示了在每分钟1500转共振速度下的时域数据。 为了考虑次要的速度切换，针对每一情况都运行了完全的速度扫描。图5显示了当共振转换超出当前每分钟2800转的速度限制时速度扫描的结果，。 应对可行性挑战 经过其他相关研究工作，通过一种曲轴角度编码器测量出了曲轴前端的速度波动。实际测试与仿真模拟的对比结果如图6所示。 图6显示了两种速度。一种速度低于齿轮的共振速度，而另一种高于发动机的速度范围（也可见于图5顶部）。除了第四阶贡献略微超预期外，在每分钟1200转的仿真模拟与实际测试对比值已经非常完美。另外，在每分钟2800转时，频率与时间的相关性也非常好。 日益苛刻的排放和油耗标准不仅仅对性能预测是一种挑战，同时对发动机开发过程中的结构动力学领域也是一种挑战。 本案例研究概述了一个评估发动机体系结构可行性的合适方法。此外，以对Achates公司的A40结构提供支持为例，证明了在支撑结构改进、根源和解决方案分析方面的潜力。仿真结果表明了确定一个柔性支撑结构的各种影响，整合曲柄连杆机构和齿轮传动系动力学是十分重要的。 使用选定的方法能够评估在特定发动机工作条件下支撑结构和齿轮相互作用产生的影响，该方法也能够用于明晰基于分析结果的设计建议。 最为重要的是，分析证实了Achates的A40机构及其改变的结构完整性和设计合理性。 盾构法是地下隧道施工的主要方法, 为确保隧道的贯通精度, 盾构自动导向技术得到普遍应用。由华中科技大学开发的激光法盾构导向测量系统, 利用透镜和CCD红外成像技术测量盾构机的方位角姿态, 利用双轴倾角仪测量盾构机的俯仰角和滚动角姿态, 具有快速、稳定和测量精度高等特点[1]。测量原理以CCD相机的姿态作为输出基准, 要求双轴倾角仪的姿态必须与CCD相机的姿态严格对齐, 但二者间安装装配误差的客观存在, 制约着导向系统的整体测量精度[2]。因此, 必须在导向系统投入使用前, 对这一误差进行标定和补偿, 并测试导向系统的整体性能和精度。三轴转台作为该导向系统的标定和测试设备, 其姿态指向精度需优于待标定系统的测量误差。本文将分析转台的结构和运动特点, 建立指向误差的数学模型, 并通过仿真, 分析比较各项误差对指向精度的影响程度, 从而为转台的精度设计、误差分配和补偿提供理论依据。 1 三轴转台指向误差建模 1.1 拓扑结构 该盾构位姿测量系统标定所使用的立式三轴转台如图1所示, 其有一条明显的结构主线:基座—外框轴系 (方位轴) —中框轴系 (俯仰轴) —内框轴系 (横滚轴) —标靶设备。可以看出, 在拓扑结构上, 三轴转台是一种典型的链式开环多体系统。依据多体系统的建模理论[3], 依次为各部件编号:基座为0号, 外框轴系为1号, 中框轴系为2号, 内框轴系为3号, 安装在内框轴上的设备为4号, 得到三轴转台的多体系统拓扑结构, 如图2所示。 1.2 误差描述 三轴转台作为姿态测量系统的标定设备, 在精度设计时主要考虑其指向误差。指向误差是指固连在转台内框轴系上的单位向量 (即所测设备的参考轴) , 经过三轴转动后, 预期指向与实际指向之间的角度偏差实际上是一种空间角度误差[4]。针对三轴转台进行误差建模时, 主要考虑垂直度误差、倾角回转误差 (Wobble) 和位置误差3个类别的误差[5], 该模型包括的误差参数如表1所示。 建模分析与仿真 篇4
3《系统建模与仿真》教学大纲 篇5
建模分析与仿真 篇6
建模分析与仿真 篇7
1.3 指向误差模型
设转台外框轴转角为α, 中框轴转角为β, 内框轴转角为γ。在转台基座上设立大地坐标系R, 结合上述误差描述和多体系统拓扑结构, 逐步建立转台的指向误差模型。
1.3.1 外框轴坐标系相对于大地坐标系的姿态矩阵
设εx0, εy0为外框轴轴线相对于基座的铅垂度误差, φz1为外框轴回转位置误差, δx1, δy1为外框轴的倾角回转误差, 则外框轴相对于大地的姿态矩阵为:
其中:Rot (n, θ) 表示绕n轴旋转θ角的姿态变换矩阵。
1.3.2 中框轴坐标系相对于外框轴坐标系的姿态矩阵
设εy1为中框轴轴线与外框轴轴线的垂直度误差, φx2为中框轴的回转位置误差, δz2, δy2为中框轴的倾角回转误差, 则中框轴相对于外框轴的姿态矩阵为:
1.3.3 内框轴坐标系相对于中框轴坐标系的姿态矩阵
设εz2为内框轴轴线与中框轴轴线的垂直度误差, φy3为内框轴的回转位置误差, δz3, δx3为内框轴的倾角回转误差, 则内框轴相对于中框轴的姿态矩阵为:
1.3.4 设备坐标系相对于内框轴坐标系的姿态矩阵
待标定的姿态测量系统设备安装于内框轴轴系的轴端端面上, 其参考轴与内框轴轴线间存在安装误差εz3, εx3, 则设备相对于内框轴的姿态矩阵表示为:
1.3.5 三轴转台指向误差模型的建立
设固连在设备坐标系下的单位向量λ0为[1, 0, 0]T, λ0即表征待标定设备的参考轴线, Θ= (α, β, γ) 为三轴转台的旋转空间, Ξ= (ε, δ, φ) 表示三轴转台的误差集合, 根据指向误差的定义, 则λ0在大地坐标系下的理想指向向量为:
而实际指向向量为:
因此, 系统的总体指向误差为两向量的夹角:
2 误差仿真分析
由式 (7) 可知, 指向精度受到各误差项的影响较为复杂, 因此, 本文基于符号计算平台Maple软件分别对各单项误差进行仿真。为统一比较, 各误差项的最大值设为10″, 即取值范围为-10″~10″。三轴的转角范围如下:α为-180°~180°, β为-45°~45°, γ为-30°~30°。
2.1 垂直度误差对指向精度的影响
图3为各轴分别都转动45°, 15°和5°时, 外框轴与中框轴间垂直度误差εy1对指向精度的影响曲线。可以看出, 垂直度误差的影响与转台所处的姿态有关, 初始向量的方向与单个垂直度误差对应的两轴轴线形成的平面之间的夹角越大, 则此项垂直度误差对指向误差的影响越小。
2.2 倾角回转误差对指向精度的影响
图4为三轴转角分别都为45°, 30°和5°时, 中框轴倾角误差分量δz2对指向误差的影响曲线。当δz2越大时, 引起的指向误差反而越小。对比图3, 说明倾角误差与垂直度误差有一定的抵消作用。
2.3 回转位置误差对指向精度的影响
图5为三轴转角分别都为45°, 15°和5°时, 中框轴的定位误差φx2对指向精度的影响曲线。三条曲线重合, 说明这一误差项对指向精度的影响与转台所处姿态无关。当采用绝对值编码器作为位置反馈元件时, 即可认为定位误差这一项就是编码器的位置分辨精度。
3 结论
三轴标定转台作为盾构姿态测量系统的标定设备, 其指向误差直接决定标定精度。本文基于多体系统理论, 建立了主要包括垂直度误差、轴系倾角回转误差和位置误差的三轴转台指向误差的数学模型。通过仿真, 分析比较了各类误差项对总体指向精度的影响程度, 可以看到, 指向精度受到各误差项的影响比较复杂, 且随三轴转台的转动角度而变化。在精度设计、误差分配等设计阶段, 要结合实际使用工况, 对各项因素予以综合考虑, 以提高系统的整体精度。
摘要：为提高盾构导向测量系统的标定精度, 探讨了影响其标定设备三轴转台指向精度的因素。基于多体系统理论, 结合该转台的结构和运动特点, 描述了系统的拓扑结构, 建立了三轴转台指向误差的数学模型。在此基础上, 通过仿真, 详细分析比较了各误差项对转台指向精度的影响, 为三轴转台的精度设计、误差分配以及误差补偿奠定了基础。
关键词：三轴转台,指向误差,误差建模,误差仿真
参考文献
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[2]朱国力, 文香稳, 潘明华.三维姿态测量系统的安装误差[J].华中科技大学学报 (自然科学版) , 2011 (5) :1-5.
[3]刘又午, 刘丽冰, 赵小松, 等.数控机床误差补偿技术研究[J].中国机械工程, 1998 (12) :54-58.
[4]肖卫国, 郝崇恩, 李高风.三轴飞行模拟转台误差研究[J].系统仿真学报, 2001 (5) :678-680.
建模分析与仿真 篇8
凸轮机构结构简单、紧凑,从动件可按任意预期规律运动,应用广泛。
凸轮机构中,从动件的运动规律与凸轮轮廓曲线存在着对应关系。为了使从动件满足设计要求,凸轮的轮廓设计就成为了凸轮机构设计的重点。凸轮轮廓的精确设计,就是根据从动件的运动规律和已知的机构参数,求出轮廓线的方程式,并精确地计算出轮廓线上各点的坐标值。
1 存在的问题及解决办法
目前凸轮的轮廓设计采用较多计算方法有两类:一类是利用UG软件中的表达式功能进行编程,再根据表达式函数生成轮廓线[1,2]。另一类是采用VC,MATLAB等编程语言编程,计算出有限个离散点的坐标值,再利用样条函数生成轮廓线[3,4,5]。
但这两种方法都存在着明显的不足。在第一类方法中,由于UG表达式编程可开发能力有限,且不能添加中文注释,在面对一些较为复杂的凸轮轮廓时,显得有点力不从心。第二类方法虽然编程界面友好,开发能力强大,但无法对所生成的轮廓是否满足设计要求进行仿真和验证。
针对以上情况,本文提出了一种综合应用MATLAB与UG,实现凸轮机构设计的新方法,思路如下:采用MATLAB编程,生成凸轮轮廓离散点坐标,并存为dat文件;利用UG中的样条函数功能对dat文件中的离散点进行拟合,得凸轮轮廓;利用UG实体建模功能完成凸轮、推杆等凸轮机构零件的实体建模;利用UG装配模块完成机构装配;利用UG运动仿真模块进行仿真,生成仿真动画,并作出运动特性曲线。
2 一个设计题目
下面引入一个示例进行详细介绍:已知偏心尖顶直动凸轮机构中,凸轮基圆半径r0=25mm,偏心距e=5mm,以角速度ω逆时针匀速转动。推程为h=12mm,其运动规律如下表。设计该凸轮机构。
3 解题过程
3.1 数据生成
MATLAB自问世起,就以数值计算称雄。用MATLAB软件计算凸轮轮廓线各点坐标非常适合。上述题目的计算是这样的:打开MATLAB软件,在编辑器中输入编制好的程序,如图1,则程序将自动计算各点坐标并将计算结果保存为dat文件。
3.2 采样点的拟合
在UG的建模状态下,选择[插入]→[曲线]→[样条]命令,在弹出的如图2所示对话框中,选择[通过点]按钮,则弹出如图3所示对话框,点击[文件中的点]按钮,弹出如图4所示对话框。
在图4所示对话框中选择刚刚生成的坐标数据文件,在弹出如图5对话框里点击确定完成凸轮轮廓的建模,即可创建凸轮轮廓曲线如图6所示。
凸轮轮廓线的生成标志着凸轮机构设计中的一项重要工作已完成。
3.3 零件建模
利用UG实体建模中的回转、拉伸等命令,完成凸轮机构零件的建模,如图7所示:
3.4 机构装配
进入UG装配模块,通过对各零件进行约束从而完成机构装配,完成后如图8所示:
3.5 运动仿真与分析
进入UG的运动仿真模块,在机构装配体中设置各运动副如图9所示,其中凸轮为主动件。通过解算功能,生成机构运动动画(图10为部分截图),绘制出推杆的位移与速度曲线(图11和图12)。
分析图11与图12可知推杆的位移与速度满足设计要求。
4 结语
本文提出了一种综合利用MATLAB与UG的凸轮建模与仿真方法,并通过一个实例验证了该方法的有效与正确性。该方法具有可扩展性强、可维护性强,数据生成与建模仿真可由多人合作进行的特点,在凸轮机构的CAD/CAM/CAE应用开发中具有一定的实用价值。
摘要：凸轮轮廓建模是凸轮机构建模中的重点与难点。本文针对凸轮轮廓建模常用建模方法的优缺点,提出了综合利用MATLAB与UG软件,通过数据生成、采样点拟合、实体建模、装配及仿真,五个步骤完成凸轮机构的CAD/CAE的方法,并通过一个实例验证本方法正确性与有效性。
关键词：MATLAB,UG,凸轮建模,仿真分析
参考文献
[1]高东强,黎忠炎,毛志云.基于UG的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工[J].机械设计与制造,2010年10期
[2]张加兵,傅燕鸣,王居正.基于UG的通用凸轮曲线二次开发技术[J].轻工机械,2011年,第06期
[3]邵世权,尚久浩,曹西京.样条函数在凸轮曲线设计中的应用[J].机械科学与技术,2003年,第S2期
[4]汪伟,杨建成,刘哲等.基于MATLAB的经编机钩针凸轮轮廓曲线反求设计[J].纺织学报,2008年,第11期
建模分析与仿真 篇9
1 模型建立
1.1 三相同步电机
三相同步电机旋转时形成三相旋转磁场且角度随时间不断变化, 不易进行数值分析, 因此通常进行Park变换将三相同步电机到同步旋转d-q-0坐标系下。电机转子与同步旋转磁场之间的夹角为δ, 夹角以及其与转子加速度之间的关系可用式 (1) 表示:
式中, wR为转子角速度;wS为定子角速度;δ0为初始角。
1.2 瞬态稳定性分析
本文所研究的对象为同步发电机组接三相变压器后接电网的情况, 其中传输线由双条三相传输线并联而成, 这样的传输结构保证了系统排除故障之后另一传输线可以继续工作。其主要结构如图1所示。
当两条三相传输线中的某一条在t0时刻发生故障, 断路器在t1时刻动作切断该传输线, 同步电机有可能会因此失去其运行的稳定性, 因此t0与t1之间不能相差过大。同步电机运行时的电功率曲线与机械功率曲线有两个交点。其中第一个交点M1为稳定交点, 亦即电力系统正常运行时的初始点。系统静态与动态运行时的功率特性曲线如图2所示。
P1为同步电机在双线传输时的动态功率曲线, P2为故障被排除后同步电机单线运行时的功率特性曲线, 同步电机稳定运行时的起始角度为δ0, 故障消除时的运行角度为δc, 不稳定点的角度为δlim。很显然, 同步电机系统能维持稳定的条件是加速区域的面积小于在不稳定点之前的减速区域的面积, 以及加速减速区域面积对等时δmax<δlim。按照面积区域对等原则, 可以计算出开关器件动作的最晚时间为:
式中, H为同步电机的惯性常量;S为机组的容量;δc为故障消除时的角度, δc值的计算需要根据面积对等原则进行迭代计算。
2 系统仿真与分析
2.1 S imulink S imP owe rS ys te m仿真模型
在Matlab/Simulink中建立如图1所示系统的仿真模型, 仿真模型如图3所示。
在Sim PowerSys中采用Synchronous Machine用以仿真同步电机环节, 这里机组的容量为1 200 MW, 同步转速为125 r/min, 同步d轴电抗的归一值xd=100%, q轴电抗xq=70%, 动态d轴电抗x’d=30%;Three-Phase Transformer为三相逆变器环节;Three-PhaseFault为位于下方的三相传输线环节中可能出现的故障环节, 并且其传输线两端加入开关器件Breaker用以在发现故障后切除该段三相传输线, 然后接入三相电网。传输线的长度为20 km, 电抗为0.3Ω/km。使用示波器scope观察同步电机的各个输出电气性能指标以及电网输出的有功与无功功率等物理量。
2.2 仿真结果分析
根据系统建模所用到的各个参数值, 可以计算出在容许开关器件在线路故障后切断传输线的时间为tmax=138 ms, 如果在故障发生之后100 ms时开关器件切断故障线路, 电机定子同步电压vd、正交电压vq, 定子电流的有功分量id, 无功分量iq的变化如图4所示。
传输系统在第200 ms处发生故障, 此时同步电机上电压与输出电流发生剧烈震荡, 转子转速增加, 转子与同步旋转磁场d轴之间的夹角增加, 在第300 ms处断路器动作切断发生故障的传输线, 可以发现此时电压和电流约经过0.5 s返回到原来初始稳定状态。同步电机的转速降低, 夹角在一段时间内保持增加到最大值δmax并在随后降低到稳定值。若设置在400 ms处断路器才进行工作, 此时仿真结果表明电机的电压与电流无法返回到稳定状态, 振荡激烈。
3 结语
本文分析了电网中同步发电机机组的运行原理及系统稳定性分析的方法, 依据面积对等性准则对电机运行的稳定性进行分析, 并得到了断路器动作的时间约束条件的求算方法。在Matlab环境下建立了双线三相电力传输系统的模型, 并仿真了系统在线路故障发生后的瞬态反应情况。仿真结果验证当断路器运行未超过必要时限后系统的输出电压与电流出现较大幅度波动, 但可以自行返回到稳定运行状态, 仿真结果与理论分析结论相一致。
参考文献
[1]方振.影响安徽电网暂态稳定性因素研究[D].合肥工业大学硕士论文, 2007
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建模分析与仿真 篇10
a.阵风风速b.风能利用系数c.叶尖速比 (6) d.参考转速与实际转速e.网侧变流器输出三相电流f.网侧变流器a相电压和a相电流 (局部) g.网侧变流器输出有功功率h.网侧变流器输出无功功率i.直流电容电压图5阵风状况下PMSG运行特性通过上述公式可知, 极对数np是永磁电机的参数, 是一个常量。忽略磁效应时, 永磁体的磁链ψf为常量, 如果对定子d轴电流控制, 使其为0, 对于永磁发电机来说, 电磁转矩与定子q轴电流成正比, 这样永磁发电机的电磁转矩可以通过iq的大小来调节, 对电机转速进行调节, 使得系统在最佳叶尖速比状态下运行, 从而实现最大风能捕获[8]。3直驱式永磁风力发电机组的控制发电机侧变流器与电网侧变流器经直流电容相连接。两个变流器的虽然结构完全一样, 但是, 在作用和控制策略方面存在差异。发电机的侧变流器是将交流电进行整流变成直流电, 进而捕获最大风能;网侧变流器是对直流电进行逆变处理使其成为交流电, 并维持直流母线电压的稳定。3.1发电机侧PWM变流器控制策略发电机侧变流器的控制策略实质上是按照预定的目标控制永磁发电机:3.1.1按照最大风能捕获要求控制风力机的转速。3.1.2将由于风速的不确定性而导致发电机发出的频率和电压变化无序的交流电能进行整流。3.1.3按照要求对永磁同步发电机的无功输出进行控制[9]。本文采用常用的零d轴电流控制策略, 其优点是算法简单, 转矩与电流呈线性关系、不存在退磁问题[9]。永磁同步电机稳态控制方程:ud=Rid-ωeLqiq uq=Riq+ωeLdid+ωeψf (5) 采用PI调节器控制id和iq跟踪各自参考值idref和iqref, 就可以控制发电机的转矩和转速。由于ud和uq之间存在耦合项ωeLqiq和ωeLdid, 利用前馈补偿方法[5,10]消除两者间的耦合。系统控制方程为:ud=Rid-ωeLqiq+kp (idref-id) +ki乙 (idref-id) dt uq=Riq+ωeLdid+ωeψf+kp (iqref-iq) +ki乙 (iqref-iq) d乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙t对于机侧变流器来说, 发电机的转速是通过转速外环、电流内环的双闭环控制系统进行控制的, 如图3所示:3.2电网侧PWM变流器控制策略风电机组正常运行时的网侧变流器一般处于单位功率因数逆变运行, 它将上一环节整流后的直流电逆变为与电网频率和幅值均相同的争先交流电, 减少谐波, 同时控制直流电容电压处于恒定参考值。网侧变流器相对于电网的有功功率和无功功率为:P=ugdigd+ugqigqQ=ugqigd-ugdigq (7) 对于网侧变流器来说, 借助电网电压定向的矢量E控制[11], 在电网电压合成矢量d上对同步旋转坐标系的d轴306
进行定向, 进而得到电压的d、q轴分量:ugd=Eugq=!0 (8) 则公式7改写为:P=EigdQ=-Eigq! (9) 对于无穷大电网来说, 其电压值恒定。所以, 有功电流和无功电流可以分别控制。如图4所示, 通过电压外环和电流内环的闭环控制结构, 对d、q轴电流通过PI调节器进行分别调节, 加上交叉耦合电压补偿项, 就得到了d、q轴控制电压分量u′d、u′q[11]。4仿真与分析本文在Matlab/Simulink平台下搭建了直驱式永磁风力发电系统仿真模型, 在此基础上分析风速扰动时该系统的动态特性。该系统的额定数据及仿真参数为:额定功率2000k W, 定子电阻0.01Ω, d轴电感0.003H, q轴电感0.003H, 永磁体磁链1.67Wb, 转动惯量500Kg·m2, 转动粘滞系数0.005N·m·s, 极对数为32。4.1阵风扰动情况基本风风速10m/s, 阵风风速最大值2m/s, 起始时刻2.5s, 持续至3.5s, 仿真曲线如图5所示。由图5可以得出:在阵风干扰时, 随着风速的增大, 网侧逆变器输出的有功功率以及电流值也跟着增大, 但是由于风轮和发电机具有很大的转动惯量, 有功和电流的变化要略微滞后于风速。发电机转速成功跟踪参考转速, 并随着风速增大而升高。风能利用系数、叶尖速比和直流电容电压随风速变化不明显。图f所示的电压与电流相位相差180°, 这说明网侧变流器工作在单位功率因数逆变状态。整个系统输出的无功功率不受阵风影响, 始终保持为零参考值。4.2渐变风情况基本风风速为10m/s, 渐变风风速最大值2m/s, 起始时间为2.5s, 持续至3.5s, 仿真曲线如图6所示。由图6可以得出:渐变风干扰类似于阵风情况, 随着风速的增大, 系统的有功功率以及输出电流值也随之增大, 相对于风速变化略有延迟。网侧变流器的q轴电流分量iq始终为零, 进而对有功功率和无功功率实现了成功的解耦控制。风速不会对系统输出的无功功率构成干扰, 始终为零, 在单位功率因数逆变状态下, 网侧变流器进行工作。5结论5.1本文根据直驱式永磁同步风力发电机的各部分数学模型及双PWM变流器的控制策略建立了整个风电科学实践d.参考转速与实际转速e.网侧变流器输出三相电流f.网侧变流器d、q轴电流分量g.网侧变流器输出有功功率h.网侧变流器输出无功功率i.直流电容电压图6渐变风状况下PMSG运行特性a.渐变风风速b.风能利用系数c.叶尖速比307
机组的仿真模型。在仿真模型的控制系统中, 为了使该模型对有功和无功实现解耦控制, 进而采用了转子磁场定向的机侧控制策略和电网电压定向的网侧控制策略。5.2发电机转速、有功输出会随风速变化而改变, 但是存在一定的时间延迟, 直流电容电压不随风速变化而改变, 始终保持恒定值, 在单位功率因数逆变状态下, 使得网侧变流器进行工作, 确保无功功率的输出值为零, 验证了整个系统协调控制的正确性。5.3通常情况下, 发电机、直流电容电压、网侧变流器电流均受到风速扰动的影响, 但影响有限。参考文献:[1]韩肖清.含变速恒频风电机组的电力系统仿真与稳定性分析[D].太原理工大学, 2009.[2]谢丽蓉, 南新元, 高瑜.基于PM SG风力发电系统的最大功率追踪控制[J].水力发电, 2008, 5:100-103.[3]Kun Han and Guo-zhu Chen.A Novel Control Strategy of Wind Turbine M PPT Implementation for Direct-drive PM SGWind Generation Imitation Platform[J].IEEE, 2009.[4]李燕, 梁英.永磁直驱风电系统电压源型变流技术[J].电力系统及其自动化学报, 2010, 2:65-70.[5]张梅.直驱永磁同步风电机组建模及其控制系统仿真研究[D].西安理工大学, 2008.[6]倪受元.风力机的工作原理和气动力特性[J].太阳能, 2000 (3) :12-16.[7]严干贵, 魏治成, 穆刚.直驱永磁同步风电机组的动态建模与运行控制[J].电力系统及其自动化学报, 2009, 12.[8]董桐宇.直驱式风力发电机的建模与并网仿真分析[D].太原理工大学, 2011.[9]陈瑶.直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究[D].北京交通大学, 2008.[10]尹明, 李庚银, 张建成等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术, 2007, 8:61-65.[11]张爱玲, 牛维.三相电压型PWM整流器设计方法的研究[J].太原理工大学学报, 2008, 5:311-315.作者简介:董桐宇 (1986-) , 男, 硕士, 助理工程师, 主要从事电力系统运行与控制的研究工作。308
参考文献
[1]韩肖清.含变速恒频风电机组的电力系统仿真与稳定性分析[D].太原理工大学, 2009.
[2]谢丽蓉, 南新元, 高瑜.基于PMSG风力发电系统的最大功率追踪控制[J].水力发电, 2008, 5:100-103.
[3]Kun Han and Guo-zhu Chen.A Novel Control Strategy of Wind Turbine MPPT Implementation for Direct-drive PMSWind Generation Imitation Platform[J].IEEE, 2009.
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[7]严干贵, 魏治成, 穆刚.直驱永磁同步风电机组的动态建模与运行控制[J].电力系统及其自动化学报, 2009, 12.
[8]董桐宇.直驱式风力发电机的建模与并网仿真分析[D].太原理工大学, 2011.
[9]陈瑶.直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究[D].北京交通大学, 2008.
[10]尹明, 李庚银, 张建成等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术, 2007, 8:61-65.
建模分析与仿真 篇11
关键词：软件过程；系统动力学；建模；仿真
引言
如今软件所扮演的角色越来越重要，而与此同时也伴随着相关的许多问题：如费用超支、进度延期、质量低下等。这迫使人们对软件开发的关注点从软件设计开发的技术方面过渡到对技术和管理两方面并重。软件过程已经成为软件工程学中一个研究热点。研究表明软件工程的两大目标：减少费用和提高软件质量，都在很大程度上取决于软件过程的质量。
在现实开发中，软件系统的复杂性通常有着各种形式，主要表现为：系统不确定性和随机性、复杂的动态行为和反馈机制。过程的变更通常耗费巨大，而且后果对软件开发组织的影响很大。因此，采用一些合适的方法和技术来辅助用户尤为重要。软件过程建模和仿真就是其中一种比较合适的方案。软件建模有着多种方法，目前比较常用的是类似于工作流系统的针对软件开发过程分阶段进行的离散性建模方法。这种方法有其优点，但难以表达例如开发人员的经验、项目进度带来的压力、连续加班的疲劳程度等一直变化着的因素，以及这些相互关联的因素之间的因果关系和反馈回路对软件开发结果的影响。例如，项目进度的落后会增加开发人员的压力，激励他们提高生产率，项目组可能会选择加班以希望赶上进度。高压力下的加班一般会提高单位时间内的产量，但同时也会增加人员的疲劳程度，这样很有可能增加出错率，最终导致质量保证工作和返工的增加，并且当疲劳程度到达一定时候将降低生产率，最终很有可能赶不上进度。软件开发中这些经常被忽略的软因素对项目的成败有着重要影响，系统动力学作为一种连续性建模方法，能很好地解决这些问题。
1软件过程建模与仿真
软件过程可以被定义为“针对构思、开发、部署和维护软件产品的一系列相关的政策、组织结构、技术、程序和工件”。软件开发过程是一个复杂的动态系统，有着巨大的结构复杂度和规模。这些复杂性促成了系统的一些违背直觉的行为，使得系统行为难以靠人的经验来精确评价。这些系统有一些共同特性，比如有多个相互关联的组件构成，表现出复杂的动态行为和反馈回路，组件间的非线性关系和软数据操作。
软件开发涉及到管理相关的(如：人力资源，预算，调度，计划和控制等)和生产相关的(如：软件设计、编码、测试、验证和确认等)众多因素，比如：劳动力量，预算，项目完成成绩，人员生产率，产生的错误数，检测到的错误数，可供雇佣的劳动力数量等。这些变量相互影响，形成互动和反馈循环。软件过程建模是经常采用的一种基本手段。模型是现实世界或者概念化的复杂系统的一种抽象，通过减少或者去除不影响相关行为的细节，它设用来展示实际系统的主要特性。结合过程模型，应用计算机仿真技术来进行软件过程研究有着如下优势：
(1)大多数复杂的、现实世界的系统都存在众多关系复杂的元素，难以光靠一个不能运行的模型来表达并用以进行分析。而仿真是一种可行的研究方法。
(2)仿真允许研究者去估计实际系统在一些假设的操作环境下的性能。
(3)能够通过仿真对多种候选方法进行对比，以决定哪种能更好地符合需求。
(4)在仿真中，研究人员能够比真实试验更好地控制实验条件。
(5)仿真允许研究人员以较短的时间去研究一个现实中需要很长时间来完成的事情。
基于建模的目标不同，应该根据各种建模方法的特点来采用不同的建模技术进行软件过程研究。有时候根据建模需求并不需要关注每一个实体的每一个属性，而是要能够简单清晰地观察某些因素对系统层次上的影响，辅助管理者在整体层面上对项目做出决策。例如，连续型仿真建模方法就适合于策略分析、初始估算、长期趋势、高层(全局)视角观测。系统动力学就是一种典型的连续型建模方法。
2系统动力学方法及其应用实例
2．1系统动力学方法
系统动力学方法由MIT的Forrester开发，是一种针对强调系统模型结构特性的复杂问题解决之道。系统动力学主要依赖两种技术来构建模型：一是因果循环图(causal loop diagram)，通过原因和结果关系来概念化系统，使得反馈回路得以显现。二是流图(now diagram)，采用流(flow)、流率(flow rate)、存量(stock)、水平(Ievel)、辅助变量(auxiliary)，常量(constant)和延迟(delay)等来表达系统。存量表示可以随着时间累计或者消耗的元素；水平表示存量在某个给定时间点上的元素数量；流率描述存量的变化。系统动力学是采用连续的时间模拟方法，在模拟中，时间被划分成预先设定好的时间间隔。模型变量在每个时间间隔的结束时计算，随着时间调整它们的行为。例如，在软件项目中，经验被认为是影响生产率的一个重要因素，经验水平值随着项目进展不断提高，同时，疲劳程度、进度压力将影响到生产率，但可能会起反作用，系统动力学方法连续模拟这些变量的相互作用，进行生产率的动态估算。
2．2应用实例：Brooks法则
在软件工程领域，有一个著名的Brooks法则，即在进度落后的项目中雇用新手加入以希望赶上进度，结果使得项目进度更加落后。下面我们将通过系统动力学模型和仿真来研究增加人手对生产率、总人月数和项目持续时间的影响。
建模首先要对问题域了解清楚，找出系统中的主要组成和因果结构关系。图1是因果关系图。一旦项目经理发现项目进度落后，积压增加，就开始招聘新员工，增加员工数量。员工数量的增加带来的直接影响是提高生产率以及通信和培训的代价，而通信和培训的代价的增加又会直接导致生产率的降低。生产率的提高会加大进度，减少项目积压。通过图1的因果关系图的分析，我们会发现众多元素形成一个反馈循环，增加员工对生产率的影响既有积极的也有消极的影响，因此难以直接通过定性分析来得出结论，结果如何还需要通过仿真的定量数据来说明。
图2是采用系统动力学建模仿真工具PowerSim建立的Brooks法则的系统动力学模型。需求会逐步被开发成产品，所以随着时间流逝，需求将减少而已经开发的软件数量不断增加。在本模型中，软件生产效率由多个因素共同决定，其中包括标准生产效率、通信损耗和开发人员的数量。开发人员的总数=新人员数量+有经验人员数量一负责培训新人员的有经验人员数量。通讯损耗为总人数的一个非线性函数，这里采用Abdel-Hamid模型中的数据(0.6*人数n的平方)。另外还假定一个有经验
人员可以培训4个新员工，training overhead取值为25％。Assimilation delay表示—个新员工培训为能胜任工作的有经验人员的平均时间为20天。标准生产效率(Nominal productivity)为1，表示每把一个需求任务转化为软件产品需要1个标准化人天。在本模型中，新员工的生产效率为标准生产效率的0.8倍，而有经验员工的生产效率为标准生产效率的1.2倍。
在我们的仿真运行中，设定初始条件为20个有经验员工去开发5000个需求任务的项目，结果显示为图3、图4中的reference曲线。总时间需要278天，总共耗费5500人天，生产效率为一条平行直线，值为18.24任务／天。
假设项目经理在开发过程中想加快项目进度，在100天的时候开始增加10名新的开发人员，仿真结果显示为图3、图4中的current曲线。总时间反而需要299天，总共耗费7870人天，平均生产效率曲线在100天时有个显著下降，然后再逐步上升，最后在为16.56任务／天时达到稳定。从结果对比中我们不难看出由于急剧增加的通讯损耗和培训新员工而占用有经验员工的正常开发时间，导致生产效率的下降。结果是项目进度并没有提前，而开发费用却急剧增加了。
图3和图4只是显示了模型仿真运行的某一个场景，反映了在某些情况下Brooks法则的正确性。事实上我们还可以通过调整增加人员的数量和进入时间来预测其他场景下的项目开发结果，从而选择相对较优的一个。比如，如果在100天的时候增加5个人，总时间能稍微较少一点，需要275天，但共耗费需要6295人天。
上面描述的Brooks法则模型只是一个经过简化的模型，但还是能够比较好地说明增加新开发人员对项目的影响。更符合实际软件开发过程的模型还需要进一步细化。例如，新人员开发出来的产品其缺陷率往往比有经验人员开发出来的要高，这样将增加项目返工的工作量。当然还有如前面提到过的进度压力、质量保证手段等其他因素的影响。
3基于系统动力学的软件过程相关模型
3．1 AbdeI-Hamid模型
Abdel-Hamid模型是把系统动力学运用到软件工程领域的第一个系统比较完备的模型，它的目标是研究项目管理政策和活动在软件开发中的作用。Abdel-Hamid模型被划分为4个主要子系统，包括人力资源管理、软件生产、项目计划和控制。人力资源子系统针对软件开发人员，其管理内容包括人员雇佣、解雇、人员流动以及培训。软件生产子系统为不同的开发活动分配可用的开发人员，比如培训、设计、编码、测试、返工和质量保证。该子系统还处理团队动机、开发人员疲劳程度、生产率消耗因素，比如通信和返工等。软件控制子系统测量软件生产活动，描述针对这些测量的管理措施。该子系统控制加班时间，进度压力和资金耗费等。软件计划子系统提供软件项目的初始化参数值，比如项目规模、初始团队规模、预期结束时间等。该子系统同样控制着高层管理人员对雇佣新员工的意愿等。
通过对模型仿真运行结果的研究，Abdel-Hamid等人在项目花费、进度估算、质量保证的经济性质，和项目人员管理等方面得出了很多有趣的结论，例如：
(1)在软件项目估算中更精确的估算，结果不一定会更好，因为不论原始估算进度如何，进度总是趋向于超过预计的。
(2)采用类比的方法来进行软件估算通常使得进度比本来所需要的要长。
(3)坚持过紧的进度会因劳动力的原因而增加费用。
3．2软件过程领域中的其他应用模型
基于系统动力学的建模和仿真已经被成功应用到很多领域，但在软件工程领域还没有得到广泛应用。其主要原因为相对物理系统来说，人和组织行为更难以精确建模，本节将从不同的应用方向介绍相关研究。
项目管理项目估算是软件开发管理的一个必须的环节，而且估算对项目的开展有着重要影响。基于系统动力学的项目管理由于考虑到了过程的动态性，通常能够比一般基于统计历史数据的估算模型要更精确合理。Dynamic COCOMO就是在COCOMO模型的基础上提出的结合系统动力学的估算模型。在项目进度控制方面，结合系统动力学的模型能够更好地考虑到任务之间的相关性、有限的资源和可能的返工循环带来的延迟，因此比传统的项目管理方法更能反映现状。
教育培训由于组织系统中的各种因素之间存在复杂的关联，经常会遇到一些违背直觉的现象。遇到问题如果只是简单地采取一些应对手段通常并不能取得预期效果，Brooks法则就是一个很好的例子。一般的教育方法很难说清问题本质原因，而利用仿真模型则可以进行有效的阐明。基于系统动力学仿真模型的教育培训还能使相关人员参与到仿真的软件开发活动中，去分析深层次原因。通过更改和设置不同参数，如雇佣率等来研究不同方法的结果，增强决策支持的能力。另外借助模型还能实现分布式培训，增强凝聚力和培训效果，节约费用。
风险管理项目通常会因为需求变更、人员变动、资金削减等原因而显得很脆弱。基于系统动力学的仿真有助于在项目早期识别风险，通过定量的预测决策变化带来的后果，能够帮助设计出更客观、低风险的策略。
过程改进在传统方法中，改变或者新增一个过程主要由操作经验决定。这种方式通常费用很高而且风险很大。建模仿真可以在一定程度上预见一个过程的运行状态。这种洞察力能够帮助过程设计者评估候选方案。这种基于数据的客观方法通常比主观评价方法更具有说服力。
开发方法系统动力学仿真建模还被运用到辅助验证新的开发方法论的有效性中。比如为极限编程Xp的开发过程建模，被用来研究采用Xp方法时需求变更带来的费用变化。
4结束语
软件开发是一个复杂的过程，采用系统动力学方法来对软件过程进行建模能很好地描述各个组成要素问的动态关联，尤其是对传统建模方法难以精确描述的软性因素，它以一种连续的方式从定性和定量两个方面对软件过程进行建模和仿真。因此系统动力学对软件过程的多个领域都能提供有效的策略支持。但该方法还不够成熟，在以下各方面还需要做进一步的研究。 工业数据分析与模型验证。建模和仿真的有效性主要取决于模型的有效性。组织模型需要处理人和其他难以量化的问题；不仅收集数据困难，而且这些数据的重现性也难以得到保证；模型只是现实世界的一种简化，因此它不可能完全和实际情况相一致。对已有工业数据进行分析，来验证模型是一个值得关注的课题。
建模分析与仿真 篇12
关键词：机枪发射系统,发射动力学,联合仿真,枪口响应
0 引言
伴随陆军装备信息化建设的逐步深入,武器发射平台将向车载受控化方向发展。目前,通用机枪作为班组火力支援武器均属于非受控系统,在发射载荷作用下,机枪系统产生振动,后续射弹在此发射环境的影响下命中精度降低,这是机枪射击精度较低的主要原因之一。为了保证一定的射击精度,往往采用增加射击时间间隔的方法,为发射平台留出足够的振动衰减时间,导致火力密度降低。
文中提出采用车载机枪系统高低和方向伺服随动系统实时控制机枪枪管指向,从而控制发射响应,运用发射动力学与控制耦合分析方法,建立遥控武器站瞬态强冲击下的响应控制仿真分析模型,进行遥控车载机枪系统的发射响应控制可行性分析,对研制现代化受控机枪平台具有重要的理论意义和应用价值。
1 发射动力学模型
将UG中根据实际情况进行装配及简化后的机枪系统和多功能突击车三维模型导入ADAMS中,定义材料属性,添加约束和运动,建立车载机枪系统的虚拟样机模型。为了使仿真过程更接近于实际情况,采用柔体动力学仿真,将枪管及轮胎建立为柔性体,这样机枪在射击过程中枪管及车轮将产生变形,使结果更贴近实际情况［1－2］。
可将模型分为4 个部分,分别为机枪系统、转塔部分( 包含高低机构和方向机构) 、车体以及车轮。车体与车轮的链接以平行于垂直轴的弹簧阻尼器表示,车轮与地面间的运动以弹簧阻尼形体表示。回转机构和俯仰机构与车体使用柔性铰链接,枪架固定连接在高低和方向机构上。
模型的拓扑结构可由图1 表示。ADAMS模型共有40 个部件,23 个自由度。
2 控制系统模型
伺服系统包括驱动机、电机、减速器、机构、旋转变压器、控制器、供电模块以及传感器等［3］。伺服系统电机采用的是永磁同步伺服电机( PMSM) 。
PMSM位置伺服系统包含电流环、速度环和位置环三个闭环结构。电流环和速度环是系统的内环,位置环是系统的外环。电流环能够提高伺服系统控制精度和响应速度,改善控制性能。PMSM位置伺服系统要求电流环具有响应速度快、输出电流谐波分量小等性能。PMSM位置伺服系统的电流环必须满足内环控制所需要的控制响应速度,能精确控制随转速变化的交流电流频率。速度环的作用是增强系统负载扰动能力,抑制速度波动。位置环的作用是保证系统的静态精度和动态跟踪性能［4－7］。
PMSM控制系统方框图如图2［6］。
其中: Kθ、Kω、Ki———位置控制器、速度控制器、电流控制器的系数;
KT———转矩系数电机产生的电磁转矩与转矩分量电流的比值;
KE———电势系数速度电势与转子角速度的比值。对于同步电机,KE与KT一致;
TE———电气时间常数堵转电机,并给电机施加某一定值时,转矩分量电流从0 上升到其饱和值的63% 所需要的时间。
3含控制环的车载机枪系统联合仿真
3. 1 定义ADAMS模型的输入和输出
ADAMS的输入输出是与MATLAB设计的控制系统进行数据通信的接口。ADAMS中的输出变量是进入控制系统的输入变量; 控制系统的输出变量是返回到ADAMS的输入变量,从而完成了包括从ADAMS和MATLAB的一个闭环控制,如图3。实际上,ADAMS中的输入变量相当于要求的控制量,输出变量相当于虚拟传感器的测量。
3. 2 联合仿真
在MATLAB打开Control_Plant. m文件,系统将显示模型的输入输出函数,再键入adams_sys命令,系统将弹出adams_sub模块,如图4 所示,其中S_Function方框表示ADAMS的非线性模型,即进行动力学计算的模型,State_Space表示ADAMS模型的线性化模型,在adams _sub包含有非线性方程,也包含许多有用的变量。点击adams_sub模块,将会出现控制框图5。
双击图5 中的ADAMS Plant模块,设置仿真分析模式为continuous,在动画显示栏选择batch,这样在仿真过程中不会启动ADAMS/View动态显示仿真结果,设置仿真交换步长之后就可以进行仿真［8］。
在Simulink中打开建立好的控制器模型,将Adams_sys模块拖入其中,即完成仿真模型的建立,最终得到联合仿真模型如图6,其中的参数根据伺服系统的参数计算得出。
4 仿真结果
文中对车载机枪系统进行5 连发动力学与控制联合仿真。得到枪机及枪机框的运动特性曲线及枪口响应情况,如图7-图8 所示。由图7 可知,枪机框的位移行程为169. 5 mm,枪机的位移行程为157. 2 mm。
由图8 可知,在无控制状态首发射时,自动机在待发射位置。0.058 s时,自动机复进到位,枪机撞击枪管尾部,枪口开始出现振动。之后火药气体作用力开始作用,膛内压力瞬间上升,火药气体进入导气管后,冲击活塞带动枪机框开始开锁动作,与此同时火药气体对导气室前壁产生作用力,枪口振动增大,在这个过程中枪口纵向( z轴) 的振幅为1. 408 mm。此后振动衰减,直至0. 094 3 s,枪机框后坐到位,产生后坐力,在后坐力的作用下,枪口形成第二次振动,其纵向振幅( z轴) 为2. 012 mm。到第二发发射时枪口纵向( z轴) 振动还未衰减到0,在枪机的撞击下枪口再次振动。由内弹道学计算得,弹丸在枪膛内的运动时间为1. 334 ms。由图8 可知,第二发弹丸出膛口时枪口纵向( z轴) 的振动比首发时的要大。由以上分析可知,在连发发射时,枪口的振动将对机枪的射击精度产生影响。
图8 中的虚线为伺服系统控制状态发射响应情况,由于伺服控制系统的作用,枪口z轴方向振动迅速衰减,在下一发弹丸发射时,枪口z轴方向的振动衰减接近为零。
从发射动力学与控制联合仿真结果与不施加控制的仿真结果对比可以看出,机枪系统的枪口响应振幅更小,振动衰减时间更短,可以有效提高机枪系统的射击精度。
5 结语