控制系统仿真（共12篇）
控制系统仿真 篇1
引言
本论文通过阐述如何判断自动控制系统品质优劣的问题入手, 研究了判断稳定性如今最前沿的方法, 利用软件编程的策略, 这样可以通过仿真的方法准确判断任一闭环控制系统是否稳定, 是将理论结合实际工作的典范。
一、设计内容及意义
系统特征方程如下, 试用劳思判据和霍尔维茨判据判断系统稳定性.s^5+3s^4+10s^3+24s^2+32s+48=0
自动控制系统的共同基本要求可以归结为稳、准、快三点。稳定是控制系统的重要性能, 也是系统能够正常运行的首要条件。一个稳定的控制系统, 其被控量偏离期望值的初始偏差经过一个过渡过程时间应逐渐减小并趋于零。而不稳定的系统无法实现预定的控制任务。因此, 稳定性判断对自动控制系统是非常紧要的, 而自动控制理论的基本任务之一就是如何分析系统的稳定性并提出保证系统稳定的措施。根据题目要求, 运用控制原理相关知识, 分析所给系统的稳定性, 并结合控制系统仿真和matlab知识, 编写出计算机实现程序, 判断稳定性。
二、稳定性分析
平衡状态稳定性概念是由俄国学者李雅普诺夫1892年首先提出, 根据该稳定性理论, 线性系统稳定性定义为:
线性控制系统在初始扰动影响下, 其动态过程随时间推移逐渐衰减并趋于零 (或原平衡工作点) , 系统最后可以达到平衡状态, 则称该系统渐进稳定, 简称稳定;若在初始扰动影响下, 其动态过程随时间推移而发散, 系统被控量失控, 则称系统不稳定;若在初始扰动影响下, 其动态过程随时间的推移虽不能回到原平衡点, 但能够保持在原工作点附近的某一有限区域内运动, 表现为等幅振荡形式则称系统临界稳定。
线性系统的稳定性取决于系统自身的结构和参数, 与外界因素条件无关。线性系统稳定的充分必要条件是:闭环系统特征方程的所有根全部都具有负实部;或者说, 闭环传递函数的极点全部都严格位于左半s平面。
根据稳定的充分必要条件判别系统的稳定性, 必然要求准确求出系统的全部特征根。对于高阶系统来说, 求根的工作量十分庞大, 那么就希望使用一种间接判断系统特征根是否全部严格位于s左半平面的代替简便方法。
三、算法及对象选定
3.1劳斯判据
将各项系数, 按下面的格式排成劳斯表
这样可求得n+1行系数
劳斯稳定判据是根据所列劳斯表第一列系数符号的变化, 去判别特征方程式根在S平面上的具体分布, 过程如下:
(1) 如果劳斯表中第一列的系数均为正值, 则其特征方程式的根都在S的左半平面, 相应的系统是稳定的。
(2) 如果劳斯表中第一列系数的符号有变化, 其变化的次数等于该特征方程式的根在S的右半平面上的个数, 也代表方程的正实根个数, 相应的系统为不稳定。
(3) 如果劳斯表中某一列出现全零行时, 需要用上一行的系数构造一个辅助方程F (s) =0, 并将辅助方程对变量s求导, 用所得导数方程的系数取代全零行的元, 便可按劳斯稳定判据的要求继续运算下去, 直到得出完整的劳斯计算表。
(4) 如果劳斯表中某一行的第一列为零, 而其余各项不为零, 或不全为零时, 以一个很小的正数来代替为零的这项, 据此算出其余的各项, 完成劳斯表的排列。
经过手算, 对于特征方程s^5+3s^4+10s^3+24s^2+32s+48=0
根据劳斯判据, 此系统是临界稳定的。
3.2霍尔维茨判据
系统特征方程s^5+3s^4+10s^3+24s^2+32s+48=0
系统稳定的充要条件:
特征方程的全部系数都为正, 且主行列式及对角线上的子行列式都大于零。
3.3用求特征方程根的方法, 判断实部是否小于零来判断稳定性, 存在实部大于零的根, 则系统不稳定。
3.4也可构成单位负反馈系统, 绘制开环幅相曲线, 利用奈奎斯特判据来判断系统的稳定性。
四、仿真算法选取与性能分析
根据题目要求, 利用劳斯判据和霍而维茨判据判断所给系统的稳定性, 这两种算法直接并且实现较为简单。
构造系统的routh表
格式:[rtab, info]=routh (den)
说明:其中den是系统的分母多项式向量, rtab是构造的routh表矩阵, info为字符串型变量, 返回有关信息。系统不稳定极点的数目等于所产生的routh表中第一列元素的符号变化次数。
构造Hurwitz矩阵。
格式:[H, Hz_det]=hurwitz (den)
说明:H为构造的Hurwitz矩阵, Hz_det为各阶主子式的行列式值, den为系统的分母多项式D (S) 。
H矩阵
经过分析计算, 仿真编程序实现, 知道这个系统是临界稳定的, 劳斯表中第四行的第一列为零, 而其余各项不为零, 或不全为零时, 以一个很小的正数来代替为零的这项, 据此算出其余的各项, 完成劳斯表的排列。而运用霍尔维茨判据, 得到行列式为零, 也可以判断系统是临界稳定的。
五、结论
经过程序运行与调试, 判断出系统是临界稳定的, 系统性能并不理想, 若在初始扰动影响下, 其动态过程随时间的推移虽不能回到原平衡点, 但可以保持在原工作点附近的某一有限区域内运动, 则称系统临界稳定, 在外加一定扰动下, 会偏离平衡状态而变为不稳定系统, 对控制性能带来不利影响, 是我们应该避免的状态, 在实际控制系统中应该使系统阶跃相应为衰减振荡的, 才能满足一般自动系统的最基本要求, 稳定性。
我们设计的这个程序针对不同的情况, 可以判断出系统是稳定的, 不稳定或者是临界稳定的, 适应性很强, 而不是简单的只是判断是稳定还是不稳定, 这也是它的优越性所在。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理第四版.科学出版社, 2005-01-01
[2]冯巧玲.自动控制原理.北京航天航空大学出版社, 2003-09-01
控制系统仿真 篇2
一、Systemview操作环境的认识与操作
一、实验目的
1、了解和熟悉Systemview 软件的基本使用；
2、初步学习Systemview软件的图符库,能够构建简单系统。
二、实验要求：
1、PDF中1.7练习
2、正弦信号（频率为学号*10，幅度为（1+学号*0.1）V）、及其平方谱分析；并讨论定时窗口的设计对仿真结果的影响。
三、实验仿真
四、实验结论
输出信号底部有微弱的失真，调节输入的频率的以及平方器的参数，可以改变输入信号的波形失真，对于频域而言，sin信号平方之后，其频率变为原来的二倍，这一点可有三角函数的化简公式证明
实验
二、滤波器使用及参数设计
一、实验目的
1、学习使用SYSTEMVIEW 中的线性系统图符。
2、掌握典型FIR 滤波器参数和模拟滤波器参数的设置过程。
3、按滤波要求对典型滤波器进行参数设计。
二、实验要求： 学习滤波器的设计
1、设计一种FIR型带通滤波器，带通滤波器的带通范围为150HZ-200Hz，下边带截止频率为120HZ。上边带截止频率为230HZ。截止点相对于滤波器带通区的归一化增益为-60dB。
2、设计一种模拟低通滤波器，低通滤波器的通带范围为学号*10。
三、实验仿真
四、实验结论
对于试验中低通滤波器的参数设置不太容易确定，在输入完通带宽度、截止频率和截止点的衰落系数等滤波器参数后，如果选择让SystemView 自动估计抽头，则可以选择“Elanix Auto Optimizer”项中的“Enabled”按钮，再单击“Finish”按钮退出即可。此时，系统会自动计算出最合适的抽头数通常抽头数设置得越大，滤波器的精度就越大。
实验
三、模拟线性调制系统仿真（AM）
一、实验目的
1、学习使用SYSTEMVIEW 构建简单的仿真系统。
2、掌握模拟幅度调制的基本原理。
3、掌握常规调幅、DSB 的解调方法。
4、掌握AM 信号调制指数的定义。
二、实验要求
1、完成PDF中4.1节的AM调幅仿真（要求调制信号频率为学号*10），改变调制度，并观察输出波形(已调波)的变化；观察其输出频谱
2、设计滤波器，完成AM系统的解调；观察其输出频谱；
三、实验仿真
四、实验结论
高斯白噪声的功率谱是均匀分布的，作为一种噪声，仿真的时候加上高斯白噪声其结果频谱宽但是除了输出信号的频谱功率大些，其他的比较微弱，低通滤波器对高斯白噪声的影响并不是很大，在实际中，所有的通信系统中都不可避免的引入高斯白噪声。
实验
四、DSB调制解调仿真
一、实验目的
1、学习使用SYSTEMVIEW 构建简单的仿真系统。
2、掌握模拟幅度调制的基本原理。
3、掌握常规调幅、DSB 的解调方法。
4、掌握AM 信号调制指数的定义。
二、实验要求
使用通信库中现成的双边带调幅图符重新完成4.1节中的仿真，并进行解调及分析
三、实验仿真
四、实验结论
DSB系统在无干扰的信道中传输时，解调后的波形与调制信号波形相比较，只是发生了一点延迟，幅度变化也不是很大，其波形基本与调制信号波形一样。而DSB系统在有噪声干扰的信道中传输时，解调后的信号不仅有延迟，而且波形发生了变化，仍然为正弦波，但是幅度却发生了很大变化，而且是不规则的幅度变化。
实验
五、SSB调制解调仿真
一、实验目的
1、熟悉和掌握单边带调制解调方法，以及对比单边带和双边带调制，比较其优缺点，、掌握SSB调制解调设计流程。
2、练习使用SytemView软件仿真的使用。构造一般的仿真系统
二、实验要求
参考PDF 4.3节，采用移相法完成SSB调制，并进行解调。
三、实验仿真
四、实验结论
实验中并没有加高斯白噪声，但输出的结果频谱仍然有些噪声。实验中采用的频率为180Hz，结果图并不理想，也没有把上边带和下边带的频谱放在一起对比，不过在试验中，最开始的时候两个信号的频率一样的时候，上边带互相抵消的，上边带没有波形。
实验
六、模拟角度调制系统仿真
一、实验目的
1、分析理解FM调制的意义
2、掌握FM调制的基本原理
3、设计调制及解调仿真系统
二、实验要求
1、完成PDF中5.1.1、5.1.2节的仿真；
2、加大5.1.2节中FM调制器的调制增益，观察输出FM信号的频谱变化。在解调器前面加大噪声，并逐步改变噪声功率，观察解调波形失真情况。
三、实验仿真
实验参数设置比较麻烦，参数设置的并不太合适导致输出信号的波形并不是十分规范，实验输出信号的频谱也存在很大的噪声，在试验中修改滤波器的参数可以使得输出的波形和频谱改变较大，但是很难找到一个十分完美的参数使得信号可以完美的无失真，调频信号的频率为180Hz，滤波器的参数根据调制信号和载波信号的频率进行适当的设置即可。
实验
七、脉冲幅度调制系统仿真
一、实验目的
1、理解并掌握抽样定律，了解抽样定理的一般应用。
2、设计一个脉冲幅度调制的通信系统，掌握脉冲幅度调制系统的一般设计流程和方法
二、实验要求
1、理解抽样定理的意义
2、采用乘法抽样与开关抽样两种方式完成信号的取样与恢复
三、实验仿真
四、实验结论
当采样频率小于奈奎斯特频率时，在接收端恢复信号失真比较大，这是因为存在信号 混叠，当采样频率大于或者等于奈奎斯特采样频率的时候，恢复信号和原始信号基本一致，理论上理想抽样频率为2倍的奈奎斯特带宽，但是在实际工程应用中，限带信号绝对不会严格限带，而且实际滤波器特性并不理想。
实验八基带传输系统眼图分析与观察
一、实验目的
了解眼图分析法中系统参数的影响，建立构成观察眼图的基带传输仿真原理图，掌握眼图观察的相关参数的设置。眼图 的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”张的 越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小;反之表示码间串扰越大。学习如何通过眼图来评价一个通信系统的性能。
二、实验要求 参考pdf7.2节
1、了解眼图分析法中系统参数的影响
2、建立构成观察眼图的基带传输仿真原理图，掌握眼图观察的相关参数的设置
三、实验仿真
四、实验结论
信噪比是度量通信系统通信质量可靠性的一个主要技术指标，眼图能直观的表明码间串扰和噪声的影响，可以用来评价一个通信系统的优劣，另外也可以用来根据眼图对接收滤波器的特性加以调整，以减少码间串扰和改善系统的传输性能。
实验九数字信号的载波调制系统仿真
一、实验目的
1、熟悉并且掌握数字信号的载波传输的基本原理，2、掌握原理图，能根据原理图设计出对应的通信系统，3、掌握原理图中各部分的作用与组成，4、掌握相干解调和非相干解调的基本原理，掌握两种解调方式的优缺点，并能够根据实际情况选用适当的解调方式，5、熟悉SystemView的仿真流程，进一步简易通信系统的设计流程
二、实验要求
1、学习数字信号的载波传输的基本原理（包括2ASK、2FSK）；
2、完成2ASK调制仿真（包括调幅法和键控法）和解调仿真（相干解调和非相干解调）；
3、完成2FSK调制仿真（包括模拟调频法和键控法）和解调仿真（相干解调和非相干解调）；
三、实验仿真
四、实验结论
在2ASK调制中，载波的幅度只有两种变化状态，即利用数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续的输出。有载波输出时表示“1”，无载波输出时表示发送“0。2FSK信号产生的方法一般有两种：一种叫直接调频法，另一种叫频移键控法。所谓直接调频法，就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数，而达到改变振荡频率的目的。虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高；键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对两个不同的独立频率源进行选通。一般来说，键控法采用两个独立的振荡器,得到的是相位不连续的2FSK信号；而且直接调频法f1,f2由同一个谐振电路产生，则得到相位连续的2FSK信号。2FSK信号便是0符号对应于载频f1，1符号对应于载频f2（与f1不同的另一个载频）的一调制波形，而f1与f2的改变是瞬间完成的;
十、自行设计内容：增量调制
一、实验目的
1.通过实验加深对课本理论知识的理解。2.掌握SystemView进行通信原理仿真的方法。
3.通过实验进一步掌握增量调制系统的构成及其工作原理。4.通过实验现象对比，了解系统各项参数对系统性能的影响。
二、实验要求
1、分析各个模块在系统中的作用，并说明系统构成的原理。
2、说明系统各个参数设定的具体依据。
3、改变系统参数，结合输出波形分析造成输出波形失真的原因。
三、实验仿真
四、实验结论
物流系统仿真研究综述 篇3
摘要:文章从系统建模方法和前沿仿真技术的角度对物流系统优化与仿真进行评述,介绍了建模方法和仿真技术,分析其在物流系统中的运用以及物流系统仿真的主要进展和存在的问题,最后指出物流系统仿真进一步的研究方向。
关键词:物流系统;仿真软件;建模方法;仿真技术
中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0136-02
物流系统的优化,往往是在一定约束条件下,实现物流总费用最省、客户服务水平最好、社会经济效益最高的综合目标。但是,物流系统大多是离散的、复杂的大系统,包含多约束多因素的影响,难以达到最优状态,传统的运筹学方法无法对建立的模型进行有效求解,而仿真技术在解决这类问题时有其独到的优势和特点,因此许多专家学者对物流系统仿真领域进行了大量的研究,以求使物流系统的价值潜力得到最大的发挥,提高企业的效率和利润。
1物流系统建模方法
系统建模是系统仿真的基础,也是系统仿真的必要过程,模型的质量直接影响系统仿真的效果。在离散事件系统建模方面,通常有三种系统建模方法:面向事件的建模方法、面向活动的建模方法以及面向进程的建模方法,具体表现为: 实体流图法、活动周期法、Petri网方法。
1.1数学建模方法
数学建模方法就是根据一般的理论、方法、设计行规、行业标准等,按具体要求建立一个能体现设计问题的数学模型,再利用计算机编程或最优化方法找出它的最优方案,使问题得到满意的解决。在物流领域的研究中,数学建模方法主要是指传统的运筹规划方法。
1.2Petri网建模方法
Petri网是1960年由卡尔·A·佩特里发明的,面向进程的建模方法。Petri网是对离散并行系统的数学表示,有严格的数学表述方式、直观的图形表达方式和丰富的系统描述手段与系统行为分析技术。Petri网能较好地描述系统的结构,表示系统中的并行、同步、冲突及顺序等关系,以图形表示的组合模型,具有直观、易懂和易用的优点。
1.3活动网络建模法
活动网络是面向对象的建模方法,它是一个包含活动逻辑顺序的有向图,活动网络由外部或者内部事件控制。根据对象建模思想,活动网络可以看作各种对象组成的网络,为了实现活动网络的设计与仿真,要求对象包含控制仿真运行的算法,评价仿真结果的机制,包括不同层次评价一致性保持机制,以及支持仿真模型开发的方法。
1.4实体流图建模法
实体流图法属于面向事件的建模方法,与计算机程序流程图的画法类似,借助实体流程图,可以表示事件、状态变化及实体间相互作用的逻辑关系。虽然计算机程序框图的思想和编制方法简单,但对离散事件系统的描述却比较全面,已广为人们所接受。
2物流系统仿真技术
系统仿真是指通过建立和运行系统的计算机仿真模型,来模仿实际系统的运行状况及其随时间变化的规律,通过对仿真运行过程的观察和统计,得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性,以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。目前,仿真技术主要包括仿真软件和仿真编程语言。仿真软件主要有Arena、AutoMod、Witness、Flexsim等,仿真编程语言主要是Borland C++、VB等原始编程语言。
3建模方法和仿真技术在物流系统中的应用
在现代物流系统中,由于物流系统的不确定因素和离散复杂性,用传统的运筹学方法很难达到系统优化的目的,现在的前沿技术是把建模技术和仿真技术相结合。具体做法是首先选择合适的建模方法建立模型,然后选择合适的仿真技术进行仿真,对参数进行控制得到仿真数据,对数据进行科学合理的分析达到系统优化的目的。
在Petri网应用方面,文献[5][6][7]分别对不同的物流系统进行了研究。对三篇文献分析可以看出Petri网是离散性、随机性复杂系统建模的主要方法,大多学者都有采用。
彭晨,岳东应用Petri网对煤炭供应链物流及供应流运行过程建模,并结合煤炭供应链的过程建模运用VB编程完成可视化仿真,分析煤炭供应链中存在的问题和运营瓶劲。用原始仿真语言VB编程的不足是在对模型进行仿真分析时无法形成三维动画。
詹跃东,骆瑛对烟草行业的卷接包车间的AGVS进行分析,用Petri网对该AGVS进行建模,并用Arena仿真软件进行仿真研究,以此证明模型的有效性。作者利用了Arena软件强大的功能模块ALLOCATE实现了AGV以最短路径进行工作,提高了AGVS的效率,但没有实现AGV的智能化,不能随时应变实际系统所发生的情况。
张颖利,邵明习以某微型汽车厂总装车间的生产物流过程为实例,采用Petri网进行建模,利用VB编程实现生产线的仿真研究。作者虽然通过建模仿真找到了生产线存在的问题并有效解决,提高了效率,但此模型的前提假设与实际系统有偏差,有一定的局限性。
当今,传统的数学建模方法仍然占有相当重要的地位,尽管复杂系统很难实现数学建模,但由于新的建模方法还有待进一步研究完善,传统的数学建模方法仍然在某些领域得到广泛使用。
孙娟,尹军琪,宁建国通过数学和物理建模,并利用VC++编程,实现了用动画技术对物流系统进行仿真。这种技术可以模拟系统的整个工作状态,估测系统的输送能力,与用户进行简单交互。它的突出特点就是利用VC++中的MFC类实现仿真编程,与实际系统较为接近,最重要的是该模型具有二次开发的潜力。
郭士正,卢霞以奶品零售分销系统为实例,对仅有制造商与销售商的二级供应链系统建立了具有选址和市场顾客配置的供应链混合整数规划模型,采用遗传算法求解,证明了模型的有效性。其模型可以在一类广泛的服务销售的供应链管理问题中推广,这是该研究的创新之处。
王英凯,安晓东提出了一种基于遗传算法的物流配送最佳路径选择的数学模型,通过对实例的仿真分析证明该模型能较好地满足不同类型的约束要求,在时间上相对于传统的线性规划算法有很大节省,对解决类似的多重目标约束问题非常有效。
如今,许多仿真软件的功能强大,不但可进行实体建模,还可通过对模型的参数控制,使模型运行过程中的数据以图表的形式显示出来,供决策者分析数据而找到满意的决策方案。
张汉江,肖伟等人对基于虚拟现实的自动化立体仓库可视化仿真辅助设计问题进行了研究。使用仿真软件Flexsim,以自动化立体仓库中的设施数量、操作规则为控制变量,建立自动化立体仓库的物流仿真模型,经过多次仿真得到最优控制变量和布局方案。
翁贻方,张增辉,廉小亲等人利用AutoMod仿真软件,对加工生产线物流系统进行建模、仿真运行、统计分析与优化设计。对仿真得到的数据进行单一参数分析得到各小车的参数范围,再从总体上进行参数组合分析,最终得到三种小车的最优参数值,实现以小车最小成本达到最大产出的目标。
蔡洌,李世其基于活动网络建模方法,并与面向对象建模技术相结合提出了一个基于活动网络的生产系统仿真集成对象模型,能够实现同一仿真模型中不同观点、不同层次的集成。文献论述了模型的建模方法,并通过对某铝卷料生产企业的生产活动建模实例分析,验证了其可行性。
4结 语
通过分析、总结和比较国内外研究现状,在物流系统仿真的研究实践中,系统优化与仿真作为解决复杂物流系统问题的有效手段,已经广泛应用于各种物流系统的研究领域。将合适的建模方法和仿真技术有效地进行结合,成为研究物流系统优化与仿真问题的主流手段,也是物流系统优化与仿真的主要发展方向。对于建模方法,传统的数学建模仍占有重要的地位;对离散性随机复杂系统的建模,Petri网的使用则极其广泛,并凭借其独到的优势被许多专家学者所接受。对于物流仿真技术,功能强大的仿真软件和工具的开发以及和建模方法的集成将成为未来研究的热点,而面对对象仿真、分布式交互仿真、智能仿真将成为其进一步的发展方向。
参考文献:
[1] 彭扬,伍蓓.物流系统优化与仿真[M].北京:中国物资出版社,2007.
[2] 朱卫锋,费奇.敏捷后勤仿真设计与实现[J].计算机仿真,2003,(6).
[3] 朱华炳,吕冬梅.基于Witness的生产物流系统仿真与优化[J].建模与仿真,2006,(3).
[4] 彭晨,岳东.基于Petri网的流程供应链过程建模分析[J].计算机工程与应用,2003,(10).
[5] 詹跃东,骆瑛.基于Petri网的物流自动化系统建模与仿真研究[J].系统仿真学报,2001,(4).
[6] 张颖利,邵明习.企业生产物流的建模与仿真[J].物流技术,2005,(12).
[7] 孙娟,尹军琪,宁建国.动画技术在物流仿真系统中的应用[J].起重运输机械,2003,(9).
[8] 郭士正,卢震.二级供应链建模及仿真研究[J].集美大学学报(自然科学版),2004,(4).
[9] 王瑛凯,安小东.基于遗传算法的物流建模与仿真分析[J].中北大学学报,2005,(6).
[10] 张汉江,肖伟,罗端红,等.辅助自动化立体仓库设计的可视化物流仿真[J].系统工程,2006(3).
[11] 翁贻方,张增辉,廉小亲,等. 基于AutoMod的物流系统建模、仿真与优化[J].微计算机信息,2007,(8).
基于行为仿真的变电站仿真系统 篇4
变电站的正常运行对于电气系统的安全运转至关重要[1,2]。为保证变电站的正常运行, 需要对变电站工作人员进行必要的培训。当前各类变电站仿真培训系统多以二维平面系统或利用相关设备部署进行实际培训为主, 这种培训方法成本较高且不具备通用性。使用虚拟现实技术结合虚拟人行为仿真技术设计的变电站三维仿真系统可以克服以上缺点, 且仿真效果较为真实, 培训效果更为理想[3,4]。
1 系统结构
基于行为仿真的变电站仿真系统由3个步骤实现:变电站模型创建、虚拟人行为数据的创建、场景漫游与交互功能的实现。首先利用三维建模技术与虚拟人建模技术建立系统中的设备模型与人物模型, 然后利用虚拟人行为建模技术构建虚拟人行为动画, 最后利用开源场景图形库 (Open Scene Graph, OSG) 与骨骼动画引擎 (Character Animation Library, Cal3D) 实现场景交互控制。基于行为仿真的变电站仿真系统结构如图1所示。
2 模型创建
本文使用3ds Max创建变电站的设备模型与人物模型, 并使用优化方法对所建模型进行优化。变电站模型由电气设备模型、控制室模型和虚拟人模型组成。变电站模型结构如图2所示。
在3ds Max中, 使用拉伸、旋转、位移等技术分别建立电气设备模型与控制室模型, 使用Poser结合3ds Max建立虚拟人模型, 在建立完模型后, 使用插件将制作完成的模型文件导出为OSG可识别的文件格式。
由于使用3ds Max建立的模型数目较多, 模型体积较大, 模型系统结构较为复杂, 在进行漫游仿真时会对系统的运行产生较大的影响, 为了提高系统的运行速度, 本文对所建模型进行了一定程度的优化, 优化步骤如下。
1) 使用细节层次模型 (L evels of Details, LOD) 方法对场景模型进行优化。在不影响画面视觉效果的条件下, 使用此方法可以逐次简化景物的表面细节, 减少场景的几何复杂性, 从而提高绘制效率。该技术通常对每个原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型, 与原模型相比, 每个模型均保留了一定层次的细节。在绘制时, 根据不同的标准选择适当的层次模型来表示物体。
2) 简化贴图纹理。一方面降低模型贴图的分辨率, 以减少模型贴图对渲染时的影响;另一方面使用p ng、jpg等体积较小的文件格式作为贴图文件格式, 以减少贴图总体积。
3) 选择合适的模型文件。OSG支持的基本文件格式有.osg与.ive格式, 其中.ive格式可以在损失极小真实度的情况下大幅压缩模型文件的大小, 因此本文将模型文件转为.ive格式进行存储, 此外, 虚拟人模型是无法保存为.ive格式的, 因此本文只将除了人物之外的模型导出为.ive格式文件, 以降低模型文件大小, 增强系统的运行速度。
部分已创建的变电站设备模型与人物模型如图3所示。
3 变电站设备库与虚拟人行为动画的建立
3.1 变电站设备库的建立
变电站设备库包含了除虚拟人模型以外的所有变电站设备模型以及与此设备相关联的信息描述, 为有效进行设备查询, 本文使用SQL Server 2005数据库将已建好的模型与设备信息进行关联, 进而建立了变电站设备库 (见表1) , 系统中每个设备模型对应一个唯一的ID, 并在表中描述该ID对应的变电站设备的信息描述, 信息描述内容包括设备文字描述 (包括设备名称、设备型号以及设备的使用参数等) 与设备使用注意事项描述。
变电站设备数据库表关系如图4所示。
3.2 虚拟人行为动画的建立
虚拟人行为库是系统的核心仿真数据, 它构成了变电站中人的行为的集合, 其建立过程分为2步:采集并抽象变电站中人的行为和根据抽象结果对人的行为进行仿真。
3.2.1 采集并抽象变电站中的人的行为
变电站中人的主要行为是倒闸操作, 在变电站中倒闸操作的主要流程包括:填写操作票、接收操作命令、进行模拟操作、在场景中进行实际倒闸操作。由于各个步骤的操作较为复杂, 可将复杂行为分解为简单行为后分别对简单行为进行建模, 之后再组合成复杂行为。变电站中人的行为分析见表2所列。
3.2.2 根据抽象结果对人的行为进行仿真
根据抽象结果, 利用虚拟人行为建模技术[5,6]为虚拟人模型建立行为动画, 本文的行为建模基于骨骼建模技术, 行为动画建立的步骤如下。
1) 在3ds Max中导入已创建的虚拟人模型, 同时建立新的Bip骨骼对象。
2) 冻结虚拟人模型的网格, 调整骨骼对象, 将其嵌入到虚拟人模型中, 调整使之符合虚拟人模型, 并使用Physique修改器将骨骼对象与虚拟人模型绑定。
3) 建立动画关键帧, 对骨骼对象的关节和连接处进行旋转和位移操作以实现不同的骨骼动画。
4) 导出动画文件。本文使用Cal3D完成虚拟人行为的渲染与仿真, 因此需要将虚拟人导出为Cal3D支持的文件格式, Cal3D将虚拟人分为3种文件格式:骨骼文件、网格文件与动画文件。本文使用插件将已经建立行为动画的虚拟人模型分别导出为骨骼、网格与动画3种文件格式。虚拟人行为动画的创建过程如图5所示。
4 场景漫游与交互行为的实现
4.1 虚拟人行为动画生成算法的实现
场景漫游与交互行为的实现主要包括虚拟人行为动画的生成算法实现与辅助子系统的实现, 其中虚拟人行为动画的生成算法为辅助子系统所调用, 用于用户在控制虚拟人行为时绘制虚拟人行为动画。
本算法的目的是实现虚拟人行为的绘制与调用, 本文提出了基于属性与碰撞检测的虚拟人行为生成方法, 该方法主要是根据仿真环境中的碰撞检测点来调用不同的虚拟人行为动画文件, 实现虚拟人行为的绘制, 优点在于思路简单, 效率较高, 具体步骤如下。
1) 创建Cal3D虚拟人配置文件。Cal3D通过读取该配置文件来进行渲染, 配置文件用于描述虚拟人的网格与动画文件。虚拟人配置文件参数见表3所列。
2) 读取碰撞检测点与虚拟人行为对应列表。在前文分析中, 变电站中虚拟人的行为主要分为4个, 根据行为的个数设置4个特定的碰撞检测点, 用户控制虚拟人在环境中漫游并发生碰撞时, 如果当前碰撞点是特定的碰撞检测点, 则根据碰撞检测点与虚拟人行为的对应关系表进行虚拟人行为动画的绘制。碰撞检测点与虚拟人行为的对应列表见表4所列。
3) 碰撞检测判定。当虚拟人与场景中的某个物品发生碰撞检测时, 判定当前碰撞点是否为特定的碰撞点, 如果是, 则根据步骤2中的表读取相应的行为动画 (步骤1中所创建) , 完成行为动画的生成, 反之, 则不作处理。
虚拟人行为动画生成算法流程如图6所示。
4.2 辅助子系统的实现
本文设计并实现了一套辅助子系统用于辅助用户对虚拟人进行控制。辅助子系统由场景加载与碰撞检测、事件响应与交互、设备查询3个部分构成。
对于场景加载与碰撞检测的实现, 本文使用OSG平台实现对变电站场景的加载与绘制。场景加载的实现如图7所示。
对于碰撞检测的实现, 本文使用通用的OBB包围盒算法, 这里不再赘述。当发生碰撞检测时, 系统会调用前文中的虚拟人行为动画生成算法对碰撞点进行检测, 从而绘制不同的虚拟人行为动画。
对于事件响应与交互的实现, 在本文中系统主要实现了漫游控制、鼠标点击响应等事件响应, 使用OSG实现事件响应。事件响应与交互的实现如图8所示。
最后是设备查询的实现, 当用户点击场景中的某个设备时, 系统会给出该设备的详细参数与说明, 从而使用户获得设备的相关信息。设备查询的实现步骤如图9所示。
部分漫游与虚拟人行为仿真结果截图如图10所示。
5 结语
基于行为仿真的变电站仿真系统不仅具备普通变电站仿真系统的一般功能, 还可以对变电站中人的行为进行仿真演示, 从而弥补了大多数变电站仿真系统中无法对人的行为进行仿真的空白, 可以更好地满足现代变电站的仿真培训需求。
摘要：为了降低变电站培训成本与提高培训的真实感, 对变电站中人的行为进行了研究与仿真, 结合虚拟现实技术、虚拟人行为仿真技术设计并实现了一套变电站仿真系统。利用三维建模技术构建了变电站中的主要虚拟人模型和主要的场景模型;利用行为建模技术为变电站中的虚拟人建立了行为动画;利用开源场景图形库 (OSG) 平台与骨骼动画引擎 (Cal3D) 平台实现了变电站的漫游仿真与虚拟人行为控制仿真, 提出并实现了基于属性与碰撞检测的虚拟人行为生成算法, 设计并实现了一套辅助子系统用于辅助用户完成变电站中的仿真与设备查询。实验结果显示, 设计实现的仿真系统仿真效果较好, 具有一定的实用性和现实意义。
关键词：变电站仿真,虚拟人仿真,漫游,开源场景图形库,骨骼动画引擎
参考文献
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铁路综合调度控制仿真教学系统 篇5
系统概述
本系统集合了现代通信和信息、计算机、电子及信号联锁等现代技术手段，实现了行车调度指挥与实物沙盘列车控制相结合，具备区间运行调度模拟、车站作业模拟及驼峰作业模拟等功能，并实现了多人多机网络协同制定列车运行调整计划。系统可自动集中控制沙盘车站进路、信号联锁设备及列车运行过程，自动信息采集，能够完成各种列车控制模式下的铁路行车调度指挥的演练。
系统网络
主要功能模块
铁路系统沙盘
铁路模拟沙盘能在实验室环境下模拟建立轨道交通系统运行的实物模型，包括道岔、信号机和列车等，并可通过系列教学实验系统软件对平台进行控制，实现对铁路运输生产作业过程的控制，可完成各类调度指挥操作，并可直观的展示车站的各种信号、道岔等设备及其相关联锁闭塞关系，表现各种铁路运输设备和各类作业过程，可满足车站值班员、信号员、调度员、调车长等相关运输作业人员的认知学习和综合演练要求。基本功能
1）可直观演示轨道交通运输作业过程，并与铁路综合调度与列车运行控制仿真教学系统联动，同步仿真演示，实现调度系统的模拟实训功能；
2）可模拟各种铁路站场设备，在仿真联锁系统及控制电路的控制下，能仿真道岔的转换、轨道电路、信号显示等；
3）可根据信号及列控系统要求控制列车运行，列车可前进、后退、鸣笛等，并能够按要求速度运行；
4）沙盘车站的接发车进路可根据教学仿真系统下达计划自动储存、排序、执行、回馈；
5）可进行库内调车模拟、信号故障演示等操作。
沙盘参数及特点
1）元器件及设备的接口统一接到单独接口转换箱（或控制箱）里，要求开放数据接口（包含接口硬件格式及软件接口），以便于采用其他控制器调试和实现故障的检测。
2）具备良好的模块化特性，易于维护更换；
3）选用材料满足室内环境应用标准，且安全可靠；
4）沙盘尺寸和车站个数均可定制；
可视化仿真系统设计 篇6
摘要：本文提出了利用可视化仿真技术的灵活、易操作、编程量少等特点以及其提供的让使用者设定即可做出多种互动的智能、实时性特性，设计出一种大数组数据、纳秒级传输性、强互动性的可视化仿真系统。并通过实例验证了该系统的可用性、可行性。
关键词：行为模组 实时性 可视化仿真
0 引言
长期以来我国对实体系统的试验，尤其是针对高复杂性系统的试验测试，仍以实体环境试验测试为主。但其本身存在着试验周期长、成本高、样本量少、错误定位周期长等特点，已经不完全满足当前信息化试验鉴定技术要求。在当前对于实体系统试验研究多以数据处理为主，缺乏以动态实时仿真的方式来对被测系统进行分析和处理的手段。本文建立了可视化仿真系统。该系统能够对高复杂性系统进行动态仿真。
1 系统介绍
1.1 系统总体需求 高复杂性系统具有传输周期短、速度快、异常数据敏感等特点，因此对其进行可视化仿真需要建立较为仔细具体的步骤，才能充分的显示出该系统在信息传输各关键时间节点上的变化。具体步骤为：
①将所需的模型导入到系统中，并对各模型的属性、位置、方向等参数依据需要进行设定；②在系统中实现信息传输函数并进行参数传输；③建立输入接口便于输入所需的初始参数；④依据函数的内部运算所得的数据建立传输曲线；⑤设定传输方向，使其能够沿着曲线正确运行；⑥建立信息传递机制；⑦建立摄像机实现对各场景的各角度观察；⑧建立分图实现对仿真场景各角度观察的同时性；建立一个全面的、多角度的可视化仿真系统能够进行较为直观的科学分析，并通过实时的控制目标群的行为而得出不同的目标运动情况。
1.2 系统功能需求 为了能够了解到系统功能的基本需求，需要对系统总体需求进行功能上的划分：
系统函数的实现功能
为了能够比较真实的且具有实时性的对高复杂系统进行可视化仿真，需要在系统内部实现系统函数，并通过实时的传递函数的输出以实现系统本身的实时性。
①数据运行功能。为了真正实现系统的真实运行，需要在可视化仿真系统中建立一个以实际数据为基础的运行曲线，并针对该曲线，设定运行方向。最终实现较真实的数据运行；②输入接口建立功能。在实际的系统运行过程中，需要针对传输数据对接口进行协议设定，使其到达所需的终端，能够安全有效的进行信息互通；③信息传递机制设定。当运行数据准备完毕后，系统即将运行。因此在初始时系统末端应有应答效果。并有一定时间内延迟；当系统运行到系统空闲期时，各终端就会依据各自优先级进行数据广播。因此在系统中需对优先级进行设置，并应设定一定的时间范围；④摄像机管理。为了在系统中能够以各个角度对模拟场景进行观察，以得出全面的、综合的、多样性的结论。需要建立多角度的摄像机以实现此效果；⑤分图管理。为了能够在同一个屏幕处同时观察到仿真场景的各个角度，以达到分屏的效果。需要建立分图管理功能以实现此效果。
综上所述对系统的功能划分有助于对系统主要作用的了解，并以此为基础分批、分块的进行设计，最终完全实现系统功能。
2 实例分析
以火箭弹外弹道为例进行系统实现阐述。
2.1 工作流程图（如图1） 在火箭弹外弹道可视化仿真系统中，根据系统需求的要求将系统工作流程分为三个阶段即：初始化阶段、场景创建阶段、实现阶段。
初始化阶段
在此阶段将已制作完毕的模型通过可视化系统的输入端口导入到该系统中，每一个模型所具有的参数为默认情况下的参数值，通过系统中的脚本语言实现了火箭弹外弹道方程组。
场景创建阶段
对导入的模型，依据需求将其分类并设置适当的参数。依据外弹道方程组的输出值设置外弹道曲线。
实现阶段
当火箭弹外弹道曲线、火箭弹、火箭炮车、坦克等模型参数设定完毕后，依据输入的弹道参数值并利用系统内部的弹道驱动机制使得火箭弹飞行，并在飞行过程中不断与坦克群组中的每一辆坦克进行距离计算，并判断此距离是否满足要求，以决定该辆坦克是否显示被击中的状态。
2.2 系统功能模块设计
2.2.1 火箭弹外弹道方程组的实现功能设计。对于该系统来说火箭弹外弹道方程组的实现是实现一切功能的前提，对于该方程组的实现应利用系统中脚本语言对其进行编写，并建立参数输出端口将所计算出来的弹道参数值输出，用于下一步的计算。
2.2.2 火箭弹沿外弹道曲线飞行功能设计。依据阵列中所存储的弹道数据，将数据中的x、y值提取出来作为火箭弹外弹道曲线的每一个点的坐标值，并将弹道曲线的参考坐标系设定为火箭弹本身。这样就能够实时动态的形成火箭弹外弹道曲线。为了能够使得用户在屏幕前清晰地看到火箭弹外弹道曲线的形态。可以对曲线进行实时着色来实现此效果。另外为了使得火箭弹沿外弹道曲线飞行过程中其飞行方向的正确性，还需要实时的校正其飞行姿态。
2.2.3 火箭炮调炮功能设计。在实际作战中火箭炮应将定向管调到指定的角度，以防在射击过程中由于角度偏低而造成火箭弹对炮车的攻击，在调炮时应使用信息传递机制即当火箭弹外弹道方程组已经设定完毕后，选定外弹道方程组脚本，来计算调炮角度值。并提取这个值将角度值输送到火箭炮车处。随后应向炮车发送一个请求调炮的信息。当火箭炮接受这个信息后通过位移驱动机制使炮车依据所得的角度值进行相应的调炮。
2.2.4 火箭弹尾焰效果功能设计。当火箭弹将要发射时，位于其尾部发动机处的推进剂就会被点燃，此时在火箭弹尾部就会有尾焰的效果。为了使可视化仿真达到逼真的效果应该通过建立时间计算机制以及信息机制来对尾焰特效进行设计即选定所设定尾焰的大小、方向、数量以及颜色等参数。为了与火箭弹发射时间相同步，将利用时间计算机制对尾焰的特效过程进行限制以使其达到最佳效果。同时时间计算的起始时刻和结束时刻应制定比较准确。起始时刻最好设定为火箭炮调炮完毕之时，而结束时刻应设定为火箭弹外弹道主动段结束之时。最终使得火箭弹尾焰的设计与实际相符。其交互设计如图2所示：
2.2.5 火箭弹爆炸效果功能设计。当火箭弹在外弹道曲线飞行到结束点时即弹道落点时，就会有爆炸效果。为了能够使得可视化仿真较为逼真。就需要对火箭弹爆炸效果进行设置。先选定爆炸效果模型，设定其大小、方向、数量以及颜色。再选定火箭弹，提取出火箭弹当前的飞行高度值，并将其值输入到系统的高度比较脚本中与0值进行比较。若火箭弹当时的高度值大于0则火箭弹在外弹道落点处不发生爆炸效果，若火箭弹当时的高度值小于或等于0时火箭弹在外弹道落点处发生爆炸，最终依据以上过程可以比较真实的实现火箭弹在外弹道落点处的爆炸效果。其交互设计如图3所示：
2.2.6 坦克群组功能设计。在实际战争环境下，火箭炮群对敌打击不可能只是打击单个目标，而且从增加样本量来说也应该建立大量的目标群，以坦克为例就应该建立一个坦克群，并通过单辆坦克的位置值对坦克群中的各个坦克进行适当的设置。使其在做进行转弯等特殊动作时有足够的空间。其群组交互设计与火箭炮群组相同。同时可以通过键盘来建立信息传递机制，实时的控制坦克群的移动速度。首先预先设定好每个按键所代表的信息。并针对每个信息来设定坦克群的不同的速度值。当选择不同的按键时坦克群的速度为不同。当坦克群在运行时如果火箭弹与该群组中任何一辆坦克之间的距离小于输入值时，就会使得该辆坦克停止运行并显示被击中冒烟的情形。实现机理为建立信息传递机制。
2.2.7 摄像机功能设计。通过建立各方向摄像机能够对仿真场景进行全方位的了解，为了实现此功能在系统中通过信息传递机制来实现即首先建立相应的按键控制，对每一个按键均设定其相对应的信息，并将此信息传递给对应的摄像机。当该摄像机接收到此信息时就进行相应的位移以及转动，来实现摄像机在系统中的漫游。然后再对各摄像机进行位置参数的设定，并固化其所观察的对象以实现对仿真场景的各个角度的观察。其交互设计如图4所示：
2.2.8 分图功能设计。在系统中虽然建立了漫游摄像机和各角度摄像机，但是均不能在一个屏幕上显示出来，只能通过按键每一次设定一个摄像机为主要摄像机。这样就造成了对仿真场景观察的不便。为了解决这个问题就要建立分屏机制即建立分图形式。在系统中通过信息传递机制利用每个摄像机所摄入的图像，将其作为贴图的形式在同一个屏幕上进行显示。以此来实现分图的功能。其交互设计如图5所示：
3 结束语
本文对可视化仿真系统从总体需求、功能需求的角度进行了详细的描述，并应用实例来实现火箭弹外弹道可视化仿真系统，在实现系统的过程中，对功能模块设计以及相互的联系进行了详细的阐述。达到了对该系统进行全方位、以实际数据为基础的可视化仿真。
参考文献：
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控制系统仿真 篇7
1 DCS键盘简介
针对于不同的DCS系统，所使用的键盘大体相同。在实际的化工生产中，用得比较多的DCS系统是Honeywell的TDC3000和Yokogaw a的CS3000。下面简要介绍CS3000的键盘。
CS3000系统的键盘共分为四个区：1区为功能键，直接调用组态的图形、控制分组及总貌;2区为系统操作快捷键;3区为通用微机键盘区;4区为操作专用键。
功能键是设置在仿真键盘上部的2行带有指示灯的键，其功能是在系统生成时定义的。可用来实现操作画面或指定位号的一触式调出。
操作快捷键位于键盘的中部，上面有各种不同的图标，分别对应于不同的流程窗口，只要按下快捷键，系统窗口就能显示出来。
键盘的下部分为左右两部分，左部分为通用键盘，可以输入字母、数字、字符等。这一部分的功能相当于实现普通PC机键盘的功能。右部分为操作专用键，完成诸如数值快速调整、操作确认、MV和SV操作切换等专用的功能。
键盘上还有一个钥匙孔，有三个位置可选，使用钥匙来控制可操作范围。其中工程师钥匙可以切换到任何位置(ENG, KEY-ON, KEY-OFF)，操作员只有两种位置可选(KEY-ON, KEY-OFF)。钥匙功能如表1:
其它DCS系统的操作键盘的功能和CS3000操作键盘的功能大体相似，仅在按键的排列和名称以及数目多少上略有不同。
2 仿真键盘的软件设计
2.1 总体设计方案
仿真键盘通过串口连入计算机，与计算机之间通过RS-232协议进行通讯，在Windows环境下采用动态链接库来驱动键盘，具有效率高、没有兼容性问题以及代码复用性好的特点。在程序设计中，尽量模拟标准键盘的行为，使操作站软件可以在普通键盘上调试好后再接上仿真键盘运行，方便了操作站软件的开发。设计的仿真键盘驱动程序可在不影响标准键盘使用的情况下实现仿真键盘的功能，标准键盘与仿真键盘可以同时使用。
为了保证仿真键盘和普通键盘在编程界面上的一致性，驱动程序也要有特殊的设计。本文设计的程序是将读入的扫描码转化为键码，写入Windows操作系统的键盘缓冲区，使操作系统可以自动识别仿真键盘的按键。
Vis ualC++6.0是Micros oft公司的De ve lope r Studio 6.0工具集的重要组成部分，还集成了多种有用的工具与功能，大大提高了Window s环境下的应用程序开发效率，几乎能够开发Window s环境下的所有类型的程序，并且在和Windows操作系统的兼容性方面有着很大的优势。因而，我们选用VisualC++6.0来开发仿真键盘的实现程序。
仿真键盘程序的总体结构如图1所示：
动态链接库(Dynamics LinkLibrary，简称DLL)是一个包含了若干函数的可执行模块，Windows应用程序可以调用这些函数来完成实际的任务。DLL在Windows环境中起着重要的作用。所有的Window s库均是动态链接库。使用动态链接库的目的就是用以实现代码、数据或硬件资源的共享。在仿真培训系统中，几乎每个地方都要用到仿真键盘程序，所以我们选用把仿真键盘程序变为DLL这种形式来实现程序的共享，提高系统的运行效率。
用VisualC++6.0编制动态链接库，首先用App Wizard自动生成DLL框架，但不产生任何代码，所有代码均需用户自己键入。DLL需要的文件有：*.h函数声明文件;*.c源文件;*.def定义文件。
h文件的作用是声明DLL要实现的函数原型，供DLL编译使用，同时还提供应用程序编译使用。
c文件是实现具体文件的源文件，它有一个入口点函数，在DLL被初次调用时运行，做些初始化工作，一般情况下，用户无须做什么初始化工作，只需保留入口点函数框架即可。
de f文件是DLL项目中比较特殊的文件，它用来定义该DLL项目将输出那些函数，只有该文件列出的函数才能被应用函数调用，要输出的函数名列在该文件的EXPORTS关键字下面。
2.2 主要设计程序
仿真键盘程序的键码转换和生成动态链接库的主要程序如下：
定义每个按键所对应的键值：
声明程序为动态链接库输出：
按键处理主程序：
经过上述的几个过程, 用VisualC++6.0对完整的程序进行编译连接后就可以生成动态链接库。在仿真培训系统的开发过程中, 通过对此DLL中conve rt () 函数的调用就可以实现仿真键盘中通用键盘的功能。这里主要是通过改变Windows操作系统键盘缓冲区中标准键盘的键码来实现的。其它专用键部分的操作实现的原理也是如此。
摘要：文章介绍了一种在DCS仿真培训系统中实现仿真键盘的方法。使用动态链接库技术来实现代码的共享和复用, 提高了仿真培训系统的运行效率, 方便了操作站软件的开发。
关键词：DCS,仿真培训,仿真键盘
参考文献
[1]李媛媛编著.Visual C++网络通信开发入门与编程实践[M].北京:电子工业出版社, 2008.
网络控制系统的时延仿真分析 篇8
20世纪末,随着Internet技术、Web技术、网络安全技术、实时数据库等融入自动化系统,基于Internet的远程监控系统也开始进入工业领域[1]。这些变革为网络化控制系统(Networked Control System,NCS)的真正产生和发展奠定了基础。所谓的NCS就是指控制回路通过实时网络形成闭环的反馈控制系统,其特征是控制指令、传感器数据和系统信息的传输通过通信网络来实现。由于共享资源的需求,使得控制系统向扁平化、网络化和分布化的方向发展。与集中式控制相比,网络控制系统主要有[2]:成本低、安装维护简单、系统可靠性高、灵活性高、便于进行故障诊断、远程操作与控制、资源共享等优点。基于Matlab/Simulink的仿真工具箱TrueTime为NCS理论的仿真研究提供了简单可行、功能齐全的手段,摆脱了软件编程实现的网络通信协议和通信延时所带来的困难,支持控制与实时调度同时仿真,可以方便地仿真实时系统中的控制和资源调度问题。
1 TrueTime仿真平台
1.1 TrueTime功能
TrueTime是由瑞典Lund工学院Henriksson等开发的一个基于Matlab/Simulink的实时网络控制系统的仿真工具箱[3,4,5],可以方便地仿真控制任务的执行和网络传输。TrueTime仿真软件主要包括两个基本模块:内核模块(TrueTime Kernel)和网络模块(TrueTime Network),见图1。
1.2 内核模块
内核模块具有灵活的实时内核、A/D和D/A转换器端口、网络接口和外部通道。计算机模块按照用户定义的任务执行,代码采用Matlab或C++编写。中断句柄代表I/O任务、控制算法和网络接口。
实时内核包含有一定数量的数据结构用来记录任务组、就绪队列、时间队列等。在每个时钟周期内,内核让就绪队列中优先级最高的任务优先执行,执行任务是在虚拟的CPU里运行的。调度策略使用一个优先权函数来决定任务的属性。当前预定义的优先权调度策略有Rate-Monotonic(RM),Deadline-Monotonic(DM),Fixed-Priority(FP),Earliest-Deadline-First(EDF)调度。用户也可以自己写优先权函数来实现自己定义的任意的调度策略。在仿真程序运行时,内核执行用户编写的代码,即与不同的任务相关联的Matlab函数。代码函数返回执行时间的估计值,而任务只有等到这些时间在虚拟CPU里消耗完毕才能恢复到原来的状态。
每个任务在内核中都有一组基本的属性:任务名、代码段列表、任务周期、释放时间、相对时限及所需虚拟CPU的剩余时间。有些属性如任务的释放时间和剩余的执行时间由内核在每次仿真运行时进行更新。而其他一些属性如任务周期和相对时限为常量,除非用户代码显式地改变它们。
1.3 网络模块
网络模块给网络控制系统提供了通信资源,可以仿真局域网的媒介访问和包传输过程。它包含了多种网络参数,如网络节点数目、传输速率,媒体访问控制协议等参数。网络模块采用事件驱动方式,当有消息进出网络时,网络模块执行工作。消息包含发送和接收计算机节点的信息、用户数据(如测量信号或控制信号)、传送时间和可选的实时特性(如优先级或时限)。网络模块按选定方式工作,参数设定包括节点数目、传输速率、媒体访问控制协议和其他参数,其中媒体访问控制协议包括CSMA/CD,CSMA/AMP,TDMA,FDMA和Round Robin等方式。
2 时延特性
2.1 时延产生的原因
在NCS中,由于网络通讯方式、共享带宽以及网络负载变化不规则等因素的制约,当控制器节点和远地被控对象的传感器节点和执行器节点通过网络交换数据或控制信息时,往往出现数据多路径传输、多数据包传输、数据包时序错乱、数据包丢失、数据包重传、数据包碰撞、网络拥塞以及连接中断等现象。因此,节点间信息通信时,网络诱导时延[6]是不可避免的。
2.2 时延特性分析
由于受到网络所采用的通信协议、网络当时的负荷状况、网络的传输速率和信息包大小等诸多因素的影响,网络诱导时延将是恒定的、时变的、有界的或是随机、不确定的。表1列出了3种控制网络的访问控制方式和相应特性参数[7,8]决定的时延类型。
采用不同媒体访问控制方式和通信协议的控制网络,具有不同的服务性能。时延特性不同,NCS的分析与设计将采用不同方法。
2.3 时延对系统稳定性的影响
在网络化环境下,由于控制系统的前向通道和反馈通道都引入了控制网络环节,所以不可避免地会在控制回路中产生前向时延和反馈时延,如图2所示。
由于时延的存在,系统的前向通道和反馈通道就不能保证系统正常、稳定的工作。前向通道的时延相当于被控设备在这段时间内没有接收到任何的控制信息,而反馈通道的时延则相当于在这段时间内系统没有负反馈,所以就和开环系统一样,容易导致系统发散。而且,由于系统中有时延,控制信息不能实时地传递给被控设备,输出信息也不能实时地反馈给控制器,从而使整个系统的稳定性和过渡过程性能变差,信息传递的连续性遭到破坏,系统输出响应严重变形。网络的引入必然会造成网络传输时延的产生,而传输时延的不确定性是造成数据时序错乱和数据包丢失的主要因素。所以,在影响NCS性能的时延、丢包和节点的驱动方式等因素中,最主要的因素是网络诱导时延。另外,网络负载[9]是产生时延的直接原因。时延会降低系统的性能,使系统的稳定范围变窄,甚至使系统变得不稳定。时延是系统不稳定的主要因素,在NCS的分析与设计中,是不可忽略的重要因素。
3 仿真分析
下面利用TrueTime工具箱来搭建网络控制系统仿真平台,在此平台上对网络控制系统中存在的干扰和时延进行仿真研究。
3.1 仿真模型
该网络控制系统的仿真模型如图3所示,为了对系统进行研究、分析,网络控制系统中加入了干扰节点。其中,控制器、执行器、传感器和干扰节点各用一个内核模块代替。被控对象为一直流电机,其传递函数为:G(s)=1 000/(s2+s),采用PD控制器,参考输入为方波信号,传感器采样周期为h,比例增益为K,微分系数为N,Td。
控制器采用数字PD控制算法为:
其中,ad=Td/(N*h+Td),bd=N*K*Td/(N*h+Td)。
参考取值:h=0.010,N=100 000,Td=0.035,K=1.5。
在节点的初始化程序中,定义传感器为时间驱动,执行器和控制器均为事件驱动。在网络参数中选择CSMA/AMP(CAN),调度策略采用固定优先级(prioFP),规定干扰结点(Interference)产生的信息具有最高优先级别,传输速率为80 Kb/s。仿真系统可以通过Pro-processing delay(发送时延)与Post-processing delay(接收时延)进行传输时延的设定。
3.2 仿真结果
(1) 针对不同的干扰占用网络带宽率进行仿真研究。
给定信号周期为0.6 s,振幅为0.5 cm的方波,启动仿真,结果显示:逐渐增加干扰占用网络带宽率,输出曲线震荡逐渐增加,表明系统的稳定性越来越差。当干扰节点占网络带宽率分别为20%,50%,80%时的仿真结果如图4所示(r表示给定信号振幅幅值,单位:cm)。
仿真结果可以看出干扰节点对网络控制系统性能的影响,干扰节点占用网络带宽率的增加引起延时的增加,导致系统由稳定逐渐变为不稳定。
(2) 针对具有时延的NCS进行了仿真研究。
假设传感器到控制器的发送时延,控制器计算时间的时延,控制器到执行器的接收时延均为1 ms,即总的时间时延为3 ms,仿真中的参数取值均不变。图5为具有传输延时的系统仿真曲线。
(3) 针对具有时延和干扰的NCS进行仿真研究。
系统加入干扰节点占用网络带宽率为30%和延时为3 ms,仿真中的参数取值均不变,仿真曲线如图6所示。
从图5可以看出,输出信号超调较大,稳定性较差。随着时延逐渐增加,系统的稳定性也将逐渐降低,最终会变为不稳定。
从图6可知,输出曲线超调加剧,震荡加强,稳定性变差,性能降低。说明干扰和时延同时作用,使系统整体性能变差的更快。
4 结 语
NCS将通信网络引入闭环控制系统中,也带来了时延等一系列新问题。本文介绍了在网络控制系统中加入的干扰节点引起一定的时延,加上系统本身的传输时延,导致系统的性能变差的更快;不考虑传输时延,单单就干扰节点的网络占有率的增加,导致系统的不稳定。因而要尽量减少干扰节点的影响,减少网络控制系统中存在的传输时延。利用TrueTime工具箱,可以对网络时延、网络参数对系统性能的影响、控制方法、网络调度等多方面进行综合仿真研究,从而使得网络控制系统的研究更加容易,但它并未引进TCP协议,及如何对多回路的控制系统,综合考虑网络性能指标,可调度约束及经济指标等进行综合的控制性能优化[10],还有待进一步研究。
摘要：介绍网络控制系统和基于Matlab/Simulink的仿真工具箱TrueTime,然后分析时延产生的原因、类型以及对系统稳定性的影响,最后以一个采用PD算法控制的单回路直流电机的仿真模型进行仿真。考虑干扰影响系统,仿真结果可以看出,传输时延和干扰同时存在网络控制系统中,使得系统性能变得更差,这表明干扰会产生一定的时延并且时延会降低系统的性能,使系统的稳定范围变小,甚至使系统不稳定。创新点:研究时延和干扰对系统控制性能的影响,并给出仿真曲线和仿真结论。
关键词：网络控制系统,TrueTime工具箱,时延,PD算法
参考文献
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控制系统仿真 篇9
1 卷筒纸印刷机的组成及原理
卷筒纸印刷机可以分为四色印刷单元、收卷、开卷3部分, 研究的主要对象是卷纸筒印刷机中的开卷。张力传感器做为主要应用对象, 张力控制器则用来输出数据并作用于磁粉制动器上, 这样的张力控制系统应用传感器来接收纸带上发出的张力信息, 从而开卷才能实现启动, 进而张力才能够得到恒定的控制。
2 张力模型
Md—开卷轴上的等效制动力矩;D—放卷的直径;D0—卷辊直径;ω—开卷辊角速度;v—纸的线速度;b—卷纸宽度;h—卷纸厚度, 如图1所示。开卷的一个动态的力矩平衡则如以下方程:
式中:T—卷纸张力;J—开卷辊转动惯量;Jk—卷纸开卷辊上的转动惯量;J0—开卷辊轴芯转动惯量;Bf (t) —阻尼系数;m—卷纸质量;D1—纸卷最初直径;ρ—纸卷密度。张力可得:
把 (5) 代入 (4) 得到:
开卷在单位时间内减少的纸卷横断面积相当于纸面积:
(9) 和 (11) 合并可得到:
(3) , (6) , (7) , (9) , (11) (12) 带到 (2) 中得张力:
从公式 (13) 中可以知道, 开卷的张力T与多个因素有关, 它受到J0、v、D、h、D0、ρ和摩擦系数Bf等众多因素的影响。式子分别由纸卷直径平方、纸卷直径四次方、线速度、线速度导数、线速度平方几个共同构成, 它是一个多项式, 因此可以知道开卷的张力并不是只一个影响因素, 如图1所示。
3 MATLAB的仿真模型
MATLAB是美国Math Works公司所出品的一款数学软件, 它可以用于数据分析、数值计算、算法开发和数据可视化等高级技术计算语言和交互环境, 主要有MATLAB和Simulink两个部分。在MATLAB中, Simulink实现了动态系统仿真与模型的建立, 它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集合在一个易于使用的视窗环境中, 为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。在MATLAB中, Simulink自行利用模块建立子系统, 并且还利用Mask把新系统重新编辑封装, 最终成立一个独立的模块。
3.1 张力仿真系统
仿真张力控制系统由3部分组成:磁粉制动器模型、张力模型、张力控制模型。用PID算法计算张力控制器, Simulink制造磁粉制动器模型和张力模型, 还可以建造自己的子系统, 制造出的一个仿真模型可以直接应用, 但是控制参数得自行设置, 式 (13) 得出张力仿真模型, 如图2所示。
在MATLAB可以得出仿真系统设置的参数和磁粉制动的数学模型仿真系统。考虑到影响张力的因素, 参数发挥了巨大作用以便于进行变量更改。磁粉制动器3个参数分别为:时间惯性系数Tm, 磁粉制动器增量K m, 滞后时间τ, 其中Km=1, Tm=1.2, τ=0.5。
3.2 仿真模型与模型分析
仿真实验在图2中进行, 首先需要调节PID参数, 然后得到如图3所示的较平稳张力曲线。
假定影响张力的卷纸直径和线速度数值不变, 在这期间可以视为线速度恒定, 而这一段时间内卷纸直径也为定值。为了研究影响张力的线速度, 则纸卷直径等其他参数就为定值, 在MATLAB模拟张力系统的过程中, 可以分别设置张力、线速度和纸卷直径三者单独影响的仿真系统。经过每个单独的仿真系统可以得知, 线速度对张力的影响较大而纸卷直径的影响比线速度相较小。当研究纸卷直径对张力的影响情况时, 就得保证其他变量——线速度和仿真系统其他参数恒定, 由公式 (10) 可以得到纸卷直径的变化走向。图4中纸卷直径和纸卷线速度两者同时作用时, 其中线速度起主导作用, 它极小的变化就会使得张力波动比较大, 在它稳定后张力才会趋于平稳, 如图4所示。因为这两个主要干扰对张力控制系统有很大影响, 因此在设计张力控制器的过程中, 克服纸卷直径和线速度的干扰是很有必要的。
4 结语
为了进行张力系统的仿真研究, 文章应用MATLAB软件对纸卷直径和线速度2大主要扰动因素进行了仿真模拟。MATLAB充分显示了自己强大数据和图像功能, 用这个仿真模型得到了几个张力干扰因素真实还原了印刷机工作系统, 充分模拟印刷机工作的状态, 由此, 可以认识到MATLAB软件模拟系统的可行性, 并且在研究今后的张力控制系统时, 运用此项技术, 可以更加经济方便地完成研究。
参考文献
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络筒张力控制系统及仿真 篇10
络筒时,纱线从管纱上退绕下来时产生的退绕张力的绝对值并不大,还不能络成结构紧密、容纱量足够大的筒子,必须通过张力装置附加给纱线一定的张力。目前国内的张力装置的类型主要有圆盘式、弹子式、弹簧张力鞋式、曲弧板式、梳齿式及气动式等。它们的特点是施加给纱线的张力是个固定值,不会随着纱线进入张力盘时的张力变化而变化,因此很难保证纱线张力的恒定,而恒定适当的纱线张力可以说对产品质量和生产效率是至关重要的。本文提出一种新型的纱线张力在线控制系统,并对此进行了仿真研究。
2 控制系统工作原理
本文提出的纱线张力控制系统是利用张力传感器随时测量进入张力盘时纱线的张力,然后测量信号经过A/D转换后输入给张力控制模块,工作原理如图1所示。根据纱线张力的变化情况,在控制模块采用了模糊控制。控制模块一方面将此数字量转换成相应的张力数据,显示在液晶屏上,供用户分析;另一方面,根据模糊控制器计算,获得张力的控制量,并转换成PWM脉宽调制信号,送给张力调节模块。张力调节模块工作原理如图2所示,纱线从A点进入转轮,在转轮上绕一圈后,从B出来,转轮在纱线带动下转动。磁粉制动器给转轮一个相反方向的阻尼转矩,通过调节磁粉制动器输出转矩的大小则可间接调节施加给纱线的附加张力的大小,从而实现纱线张力的恒定。
3 纱线张力分析
纱线张力是控制系统的整个控制目标,即需要保持纱线输出张力的恒定,如图2所示。T为纱线的输出张力,即离开转轮后的张力,Tr为纱线的初始张力,即进转轮之前的张力,Mf为磁粉制动器产生的阻力矩。则系统的力矩平衡式为:
△T-纱线张力的增加量;Rr-转轮的半径;Mg-摩擦力矩。
摩擦力影响很小,可以忽略不计,所以上式简化为:
纱线的输出张力公式为:
把式(2)代入(3)式得:
Tr是一个随时变化的力,影响它的因素很多,因此无法建立纱线张力的精确数学模型。由此简化式可知,这是一个非线性方程,也可以确定此系统为一个非线性系统,所以采用模糊控制。
4 系统仿真
采用MATLAB6.5进行仿真,在Simulink中搭建系统模型,如图3所示。
对整个控制系统来说,输入量为实际测量张力和张力设定值之差,在仿真过程中,输入量用幅值为1的单位阶跃函数代替。仿真结果如图4所示,可以看出系统超调量σ%=5%,上升时间tr=0.3s,调整时间td=0.4s,满足系统的调整要求。
5 结语
针对络筒过程中纱线恒张力控制问题,提出了一种新型的张力控制系统,并采用了Simulink仿真环境对所设计的模糊控制系统进行仿真。仿真结果表明,采用模糊控制后,系统的超调量大大减小,上升时间和调整时间也大有缩短,满足了系统的要求,也证明了系统方案的可行性。
参考文献
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[2]曹志国,廉小亲.基于MATLAB的两种模糊控制系统仿真方法[J].计算机仿真,2004(3):349-358.
光电跟踪仪目标仿真系统设计 篇11
关键词： 动态目标； 目标仿真； 模拟场景
中图分类号： TN 2文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.013
Design of target simulator for optoeletronical tracking system
LUO Jingling， DU Juan
（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， China Shipbuilding Industry Group
No.717 Research Institute， Wuhan 430020， China）
Abstract： Optoelectronical tracking system works day and night. It has the advantages of lots of information， high resolution and it is an intelligent system on the ships. In this paper， we design a target simulator for ships and aerial target. It presents the system composition and the function blocks of simulation software. By analysis of the system for static and dynamic target tracking， we calculate tracking accuracy for optoelectronical tracking system.
Keywords： dynamic target； target simulation； simulative scene
引言舰载光电跟踪仪是舰炮武器系统中跟踪海空目标的跟踪设备，采用光电成像方式，将自然景物的光信息转变为视频图像。它是舰载近程反导武器系统中最适合的跟踪设备，目标的跟踪能力是光电跟踪仪的重要性能指标之一[1]。因此在光电跟踪仪的跟踪能力测试中，目标的选取至关重要。光电跟踪仪对目标进行可靠提取并跟踪通常要同时满足3个条件：目标表面光或热辐射能量经大气传输达到接收光学系统最小接收范围；目标经光学系统在靶面上成像的尺寸应满足跟踪提取目标的要求；目标和背景在探测器像面对比度应大于信号检测所需要的最小对比度要求[23]。目前，在光电跟踪仪试验和测试过程中，目标的选取主要还是依赖于实体目标。本文介绍了一种舰载光电跟踪仪的目标仿真系统，通过软件对目标进行仿真，可对海上和空中两种目标进行仿真，从而达到对舰载光电跟踪仪跟踪能力的全面测试。1系统组成及基本原理光电跟踪仪目标仿真系统的原理是通过计算机模拟真实场景的变换，通过视频叠加技术，在海天背景上叠加海上和空中目标，配合光电跟踪仪进行工作，达到了真实仪器和虚拟现实系统的实时同步，从而完成对光电跟踪仪跟踪能力的测试[45]。光电跟踪仪目标仿真系统主要由工控计算机和控制机箱组成。控制机箱包含操控模块、低压电源、距离模拟电路板、检测控制板和角度转换板五个部分。工控计算机中包含高速视频叠加卡、显卡。高速视频叠加卡用于目标的叠加和产生，距离模拟电路板和角度转换板用于目标三维航路的生成，检测控制板用于激光主、回波信号的模拟和时统信号的对准。其原理图如图1所示。
图1光电跟踪仪目标仿真系统原理图
Fig.1Schematic diagram of target simulator for optoelectronical tracking system
光学仪器第37卷
第2期罗静玲，等：光电跟踪仪目标仿真系统设计
工作原理通过光电跟踪仪目标仿真系统的计算机软件界面设置模拟目标参数，计算机根据目标的距离、航向、航速、航路捷径和光电跟踪仪传送过来的测角模拟量，由计算机解算出目标叠加在视频图像上的位置；通过视频叠加卡生成模拟目标视频信号及相关背景，并依据模拟目标的距离确定激光主、回波信号，将叠加了模拟目标的视频和模拟的激光主、回波信号回送给光电跟踪仪；通过控制机箱的操控模块对光电跟踪仪进行操控，完成模拟目标捕获、提取、跟踪和测距，光电跟踪仪目标仿真系统根据光电跟踪仪发送回来的目标跟踪误差来评定其跟踪性能[6]。2目标仿真软件设计光电跟踪仪目标仿真系统采用Windows XP操作系统，其软件设计采用VC6.0、OpenGL。功能模块可分为人机交互、目标航路计算、目标仿真图像绘制、仿真图像视频叠加、数据与图像处理发送、数据处理评估、系统自检等模块。
2.1目标航路计算根据设定的目标类型、目标速度、航向等信息，实现目标航路的计算，实时计算出目标在当前时刻的三维坐标参数。
2.2目标仿真图像绘制模块实现目标模型的绘制、场景图像的绘制、依据目标距离和视场匹配目标大小、目标姿态调整。目标仿真图像绘制子功能模块组成如图2所示。
2.3仿真图像视频叠加模块依据目标运行轨迹，实现目标与背景场景的准确叠加。包括目标三维数据折算成像素点坐标、目标模型在像素点坐标的贴图。其组成如图3所示。
图2目标仿真图像绘制子功能模块图
nlc202309040206
Fig.2Function block for images plotting of
the target simulator图3仿真图像视频叠加子功能模块图
Fig.3Function block for image superposition of
the target simulator
2.4数据与图像处理模块实现测角方位、高低数据的采样、激光状态采样、仿真图像数据发送、目指数据发送等。其组成如图4所示。
2.5数据处理评估实现光电跟踪的误差统计。光电设备对模拟目标进行跟踪时，统计光电跟踪的方位和高低误差量，计算出方位和高低方向跟踪误差的均方差，与设备要求的跟踪精度进行比较，并判断跟踪性能是否合格。
2.6操控组件检测实现操纵杆、触摸屏、摸球等操控组件的检测。如图5所示。
图4数据与图像处理子模块图
Fig.4Function block for data and image processing图5操控组件检测子模块组成图
Fig.5Function block for component testing
3系统测试光电跟踪仪目标仿真系统操作界面如图6所示。在人机界面上可以选择目标类型“海上目标”或是“空中目标”，然后对目标的运动方向、距离、速度、图6光电跟踪仪目标仿真系统界面
Fig.6Interface of the target simulator system加速度等参数进行设置，还可以预设几个固定的目标轨迹，以便随时调用。当目标参数设置完毕后，即可开始仿真，系统会按照相应的目标参数模拟出目标的实时视频。该仿真视频输入光电跟踪仪，操作手操作光电跟踪仪对目标进行捕获跟踪，系统则会统计出方位与高低方向的跟踪误差，并判断光电跟踪仪的跟踪性能是否满足要求。测试数据如表1所示，可见该仿真系统可正确地进行目标仿真，并能有效地测试光电跟踪仪的跟踪精度。
表1测试数据表
Tab.1Test data
序号目标距离/m运动速度/（m·s-1）运动方向/（°）目标类型航路捷径/m跟踪精度/mrad110 0001290海上目标1 0000.08212 00020030空中目标5000.2037 00018045空中目标4000.18
4结论该目标仿真系统采用视频叠加技术生成仿真目标的视频，供光电跟踪仪进行目标跟踪。经实际应用表明该系统可稳定正常地产生仿真目标视频，并自动计算光电跟踪仪的跟踪精度，有效地检验了光电跟踪仪的跟踪性能。参考文献：
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（编辑：张磊）
虚拟电梯控制系统建模与仿真 篇12
电梯是一个典型的控制对象,目前电梯的控制主要采用PLC控制系统。在电梯控制系统的工程设计中,首先要经过控制系统逻辑关系的设计编程,然后进行运行试验测试,取得满意效果后才能投入实际系统中使用。但是,由于受到场地、经费等诸多客观条件的限制,直接使用实际电梯对象进行控制测试是不现实的[1]。为此,需要应用和现场相一致的PLC控制设备与具有相应功能的虚拟对象相结合的方式搭建电梯控制运行的测试平台,这样既可在实验室里进行控制系统软件的早期开发,同时又可以进行控制算法的优化设计和测试。应用力控监控组态软件构建虚拟电梯模型,通过调用力控组态软件的通信接口,实现了Twincat 软PLC与虚拟电梯模型间的实时数据交互,实现了控制器软PLC与虚拟电梯模型集成的目的。这种新型测试平台改变了以往实物实验测试平台的运行模式,可以实现全虚拟运行。
1 三层虚拟电梯建模
应用力控组态软件对三层电梯进行虚拟建模来模拟电梯运行逻辑。为使模型简单可靠,在电梯建模时略去了和电梯逻辑控制关系不太密切的电梯结构,以实现电梯逻辑控制中关键结构平层开关的设计并用动画形式表达模型的运行状态。
1.1 三层虚拟电梯的结构
对于垂直运行的电梯,其结构主要由曳引机、巷道、对重装置、安全装置、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。电梯的控制主要是召梯、选层、减速、平层停站、开门、关门。但在建模时,为使模型简化并突出主要功能,在电梯模型中略去了曳引机、对重装置、安全装置等,重点设计了各层的外呼请求按钮,轿厢内请求按钮,开关门按钮和各层的平层开关等主要功能[2]。其中电梯的运行界面如图1。
其中,右侧的数字,表示轿厢内的操作面板;操作面板由进入轿厅的乘客控制,通过选择按钮输入选层要求,并由字体颜色改变来显示。此外,在轿箱内的操作面板上方还设置了开门和关门按钮。
1.2 三层虚拟电梯模型的设计
为真实模拟电梯的运行,首先把基本的输入输出信号进行定义,再设计基本的限位开关,然后进行基本的动画设计,最后进行通讯设置,以实现软PLC和电梯模型的联合运行。
1.2.1 组态软件实时数据库的设计
虚拟电梯的具体I/O点分配如表1。
1.2.2 平层开关的设计
虚拟电梯位置模拟可以通过电梯轿厢的位置坐标来实现,所以平层开关的动作与否应该通过轿厢当前位置坐标与楼层坐标对比后得到。其具体设计脚本如下:
1.2.3 动画的实现
动画连接即建立画面与数据库变量的对应关系,使静态画面动作,达到模拟真实情况.以轿厢为例,当软PLC采集到虚拟模型的呼梯命令,运行控制程序,引起实时数据库中控制变量UP/DOWN变化,然后执行相应上升/下降命令,实现轿厢上行/下行。电梯门的开闭和相关请求按钮响应等也须经过动画连接,最后达到虚拟电梯运行的动画效果。
轿厢的上下移动是通过对轿厢坐标的运算来实现的,对于轿厢上下移动控制是由up和down两个变量来控制的。其具体脚本程序设计如下:
程序执行时间间隔为100 ms。
1.3 三层虚拟电梯模型的群控扩展
电梯群控模型只需要按上述方法再设计一个同样的电梯模型,然后两电梯模型的外呼请求信号共用即可。其界面如图2所示。
2 电梯控制仿真程序设计
电梯控制仿真系统采用德国Beckhoff的TwinCAT软PLC与力控组态软件实现系统的设计。软PLC 技术是一种基于PC并遵循IEC61131—3编程标准的新型控制技术,与传统硬PLC 相比,为用户提供了更多的开放性,以及强大的网络通讯能力和更强的数据处理能力,是目前工业自动化领域研究的热点之一[3]。
其步骤为:先对电梯的各种不同状态进行划分;然后把具有相同性质的状态进行合并并考虑每一种状态的状态转移情况[4];最后对力控组态软件与倍福软PLC两者的通信进行设置,则由电梯的状态转移图和力控组态软件与软PLC两者的关联就可以快速且正确地设计电梯的控制程序。
2.1 电梯控制要求
1) 自动响应各层楼召唤信号(含上呼唤和下呼唤)。
2) 自动响应轿厢内服务指令信号。
3) 控制遵循顺路服务原则。
4) 自动开门。
5) 延时关门。
6) 待服务超时后自动下1楼等待。
2.2 电梯状态转移图
由于电梯在底层和顶层的控制规律非常相似,所以对一层和三层进行集中处理。当电梯在一层或三层时如果一二层有请求或一二层有内选且电梯关门到位,电梯此时就可以下行;当电梯在一层或三层时如果二层三层有请求或二层三层有内选且电梯此时关门到位,电梯此时就可以上行。当电梯在一层或三层时如果内选一楼三楼或一楼三楼有请求时,电梯此时停靠开门。具体状态转移图如图3所示。
二层由于在中间位置,可能上行或下行,所以要对二层进行单独的状态转移分析。当电梯在二层时,如果三层无请求一层有内选且二层关门到位或一层有请求且当前服务方向为下行时,电梯下行。如果三层有内选或三层有请求且当前服务方向为上行且已关门到位时,电梯上行。如果有二层内选或有和当前服务方向同方向请求时,电梯停靠开门。具体状态转移图如图4所示。
根据状态转移图可以写出电梯的控制程序。
2.3 PLC变量设置
变量设置的原则如下,第一所有的控制变量和指示变量都作为输出变量。第二各种限位开关信号和请求信号都作为输入变量。第三服务方向预测和表示各种服务状态的变量都设为中间变量。
3 系统的运行
系统运行前需要先进行通信设置,以实现控制器和虚拟电梯模型间的实时数据交换。然后把控制程序写入软PLC,运行电梯模型和控制程序,通过虚拟电梯的人机界面就可以观察控制程序对电梯的实时控制结果。
3.1 软PLC和力控组态软件的通讯设置
力控组态软件与倍福软PLC两者的通信可通过接口设置来实现,其步骤如下[5]:
1) 在力控IO设备组态中找到PLC,然后再在PLC中找到Beckhoff;
2) 选择BC系列进行设备配置,设置设备名称,更新周期设为100ms, 要和脚本程序执行间隔时间一致,超时时间设为8秒;
3) 进行冗余主机设置,填写AMSNetID和Port;
4) 在数据库组态中进行I/O数据的链接,首先选择你所建立的设备名称,然后增加连接项,通过设置参数类型,数据类型,地址偏移和位偏移来确定所要链接的软PLC变量。
通过以上设置就可以实现组态软件和软PLC之间的实时数据交换。
3.2 系统运行的步骤
通过对三层电梯控制系统的联合仿真表明了本文所提出的电梯模型设计方法的可行性。系统运行的步骤为:
1) 运行虚拟电梯模型;
2) 打开软PLC,并运行系统;
3) 下载PLC程序到软PLC;
4) 运行PLC程序;
5) 在虚拟电梯界面上进行操作,并观察电梯的运行情况。
系统的运行情况:第一步,在一楼有乘客进入电梯要去3楼,二楼有向上向下请求,三楼有向下的请求,此时电梯开始上升。如图5(a)所示。第二步,当电梯上升至二楼时,熄灭上楼请求指示,电梯开门等乘客全部进入电梯后关门。如图5(b)所示。第三步,电梯关门后继续上升,到达三楼后开门,并熄灭轿厢内的3楼请求和3楼下楼请求,等轿厢内乘客走出轿厢后下楼的乘客进入轿厢,然后关门。如图5(c)所示。第四步,关门后,电梯开始下降,同时有人选择了一楼内选,当电梯下降至二楼时开门,同时熄灭二楼的下楼请求指示,等待二楼乘客全部进入轿厢后关门,然后继续下降。如图5(d)、图5(e)和图5(f)所示。
3.3 基于仿真系统的电梯故障分析和故障模拟
设计PLC电梯控制程序时,由于控制逻辑比较复杂,导致原始控制程序常有逻辑错误,这时可以把原始控制程序写入软PLC中,并和电梯模型进行联合仿真,如果控制程序有逻辑错误,就可以在仿真界面上清楚地看出故障所在。然后可根据故障的表现来分析控制程序的错误所在。改变控制程序后再进行联合仿真,观察仿真模型的运行情况,如果控制程序仍有错误,可继续根据故障表现不断修改控制程序,直到电梯运行正常。
模型不仅可以分析和排除PLC控制程序的逻辑错误,而且还可以模拟一些常见的机械故障,例如我们可以把平层开关的功能禁用,然后就可以通过仿真模型观察当平层开关出故障时的电梯运行情况。通过已知故障表现和实际故障表现对比,就可以快速排除故障。
4 结语
该系统克服了电梯模型自身电气、机械故障等缺点,使用方便、简单、直观,可以为电梯程序的设计者提供一个综合系统设计测试平台,通过虚拟电梯模型可以很方便地模拟出真实电梯的各种动作情况,而且可扩展性好,可很方便地扩展至任意层数的电梯模型,以方便电梯PLC程序的调试,保证控制程序的正确性。由于虚拟电梯模型还可以模拟一些电梯常见故障,方便故障分析和排除故障。同时虚拟电梯模型成本低廉,而且不会在程序调试过程中由于程序的错误而导致设备的损坏。
应用本文方法,根据实际电梯层数设计相应的电梯模型,然后即可根据电梯控制状态转移图编写相应的控制程序,和相应的虚拟电梯模型进行联合仿真,观察电梯的运行情况,运用本文的故障分析方法,修改相应的控制程序,反复进行仿真修改,直到电梯模型运行正常。
该系统不仅可以应用于控制程序的逻辑调试,而且还可以主动进行电梯机械故障的模拟,该功能用于电梯的维修培训效果良好。所提方法应用于15层电梯控制程序设计表明,该方法不仅可以及时发现一些控制逻辑错误,而且电梯的运行速度快,可以节省调试时间,取得了良好的运用效果。
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