仿真教学仪器分析

仿真教学仪器分析（共12篇）

仿真教学仪器分析 篇1

1 引言

正弦稳态电路是《电路分析》课程中较难的内容,特别是对电路参量的相量分析以及所代表的物理意义,是教学中非常抽象且难以直观体会的概念。阻抗是《电路分析》课程中,学习正弦稳态电路中引入的最基本的概念,是正确理解和分析正弦稳态电路的基础,特别是由阻抗联系起来的电压电流的相位关系,学生往往难以理解和接受。对阻抗的电压电流的相位物理意义的理解,也是正弦稳态电路分析的前提与基础。

而相量法正是采用复数来描述电路中的电压电流的有效值和相位二要素的关系。基本的相量包括正弦电压、电流相量,以及正弦电压电流微分和积分的相量。这是分析正弦稳态电路的基础。相量正是借助复数的意义把这两要素融合在一起。正弦稳态电路采用相量描述以后,电压电流的相位关系可以通过阻抗的阻抗角来反映。因此,正确理解阻抗的阻抗角也关乎理解电压电流相量关系。近年来,多媒体教学能夠以动态形式展示相关电学现象,以多媒体教学为主要手段,并辅以仿真实验,可以直观再现电学现象,使学生更容易理解和接受。

2 阻抗定义

图1表示RLC元件的无源线性网络,定义电压相量和电流相量,其中ψu和ψi分别表示电压电流的初相位,则在正弦激励下,阻抗定义为[1]:

该定义也称之为欧姆定律的相量形式。其中|Z|称之为阻抗模,ϕ=ψu-ψi也称之为阻抗角。从定义可以看出,阻抗角实际上就是电压电流的初相位差。也就是说,在无源线性网络中,正弦激励下的电压电流之间存在相位差。相位差关系也表明电压电流峰值出现先后循序问题。

3 仿真软件介绍

笔者采用的是虚拟仿真软件Multisim10,这是美国国家仪器有限公司于2007年推出的电路设计软件,具有功能强大的电子设计仿真软件,可实现电路原理的仿真分析和仿真仪器测试,具有完整的电路设计与仿真功能。该软件交互界面优化,绘制电路元器件、所需仪器以及线路连接,均可通过鼠标直接拖至或者复制到工作平台,并可根据需要调整位置和角度。该软件安装方便简单,可操作性强,简单易学,很容易上手。该软件提供数千种电路元件和虚拟测试仪器,特别是虚拟测试仪器齐全,能夠满足模拟电路的基本教学要求。且能实现交流分析,各种直流静态分析,虚拟仪器与实践仪器吻合,教学演示效果直观真实,仿真结果准确可靠。Multisim10在电路教学中得到了越来越多的关注[2,3,4,5,6]。因此,用Multisim10作为电路教学仿真软件,能夠更好地配合课堂教学效率和教学效果。

4 仿真实践

下面通过虚拟仿真软件Multisim10来模拟相位关系。图2a是纯电阻电路图,电阻R1=1Ω,电阻R2=2Ω,由欧姆定律可知,虚拟示波器测量的电阻R1的电压正好与电流R1的电流是一致的。也就是说R1的电压波形也是流过R1电流的波形。图2b是虚拟示波器的仿真图。从仿真结果来看,纯电阻电路的电压电流相位是同步的,也就是说,相位差为零。从而验证了阻抗定义中纯电阻情形,虚部为零,纯电阻阻抗角为零的理论。

图3是RL串联电路。此时阻抗有实部和虚部,同时虚部大于零。由于电阻R1的电压与电流的相位是一致的,从图3可以看到,电感的电压波形超前R1的电压波形90o,这表明电感电压超前电流90o。按照阻抗理论分析,纯电感电路实部为零,阻抗角为90o。虚拟仿真证实理论分析。通过直观波形的方式再现电感的电压电流相位关系。

图4是RC串联电路。阻抗的实部为纯电阻,虚部为电容,且虚部小于零。同样,电阻R1的电压与电流的相位相同,此时发现图4中的电容的电压波形落后R1的电压波形90o,也就是说电容电压落后电流90o。按照阻抗理论分析,纯电容电路实部为零,阻抗角为负90o。这进一步通过波形直观的展现了电容的电压电流相位关系,加深了对电容电压电流相位关系的理解。

图5是LC电压相位关系仿真图,从图中可知,元件L和C的电压相位是反相的。从而进一步说明为什么电感电压超前电流90o,而电容电压落后电流90o。

图6是RLC串联电路阻抗呈感性时的相位关系仿真图。由于电阻的电压电流同相,从图6可以看出,RLC串联总阻抗的电压超前电阻的电压。因而超前电流,此时呈感性。

图7是RLC串联电路阻抗呈容性时的相位关系仿真图。从图7可以看出,此时RLC串联总阻抗的电压落后电流,此时呈容性。

图8是RLC串联电路发生谐振时的相位关系仿真图。从图8仅仅看到一个波形,也就是说RLC串联总阻抗的电压与电阻的电压同相,波形重合,此时总电压与电流同相,即常说的谐振现象,此时表现纯电阻属性。

5 结语

正弦稳态电路的相位关系是正确理解正弦稳态电路的关键所在,也是学习和教学的难点。由于相位过于抽象,难以用语言描述,是很抽象的现象,通过虚拟仿真示波器再现电压电流的相位关系波形,使学生对RLC电路中的相位关系和相应的条件有了更清楚的认识,因此,教学中采用虚拟仿真技术,可以大大提高教学效果和授课的效率。

摘要：正弦稳态电路分析一般采用相量法进行电路特性的分析。相量法用复数把电压电流有效值和相位二要素融合一体。而电压电流的相位关系是正弦稳态电路的难点。文章基于虚拟仿真的软件,教学中通过软件再现电压电流的相位关系,使学生深入理解相位关系的内涵和特征。

关键词：电路,仿真,相位

参考文献

[1]邱关源.电路(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]屈保中,张继涛,刘艺柱.基于Multisim的电路仿真分析与设计[J].河南理工大学学报:自然科学版,2009,28(3):329-332.

[3]王安娜,中燕,刘泽军,等.电路仿真设计软件Multisim在电路实验中的应用[J].实验技术与管理,2005,22(12):64-68.

[4]纪明霞,陈世夏,高玉章.Multisim在三相电路中的应用[J].现代电子技术,2012,35(1):189-194.

[5]冯维婷.Multisim在二阶电路教学中的应用[J].西安邮电学院学报,2011,16(S1):97-99.

[6]颜芳,宋焱翼,谢礼莹,等.基于multisim的电路原理课程仿真实验设计[J].实验技术与管理,2013,30(5):59-62.

仿真教学仪器分析 篇2

为了适应新形势,地方本科院校应认真分析目前仿真实验教学中存在的问题,积极进行实验教学改革,充分发挥仿真实验教学的优势,进一步提高环境工程专业学生的实践能力。

一、仿真实验简介

仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境,通过这些虚拟实验仪器或设备开展实验,达到与真实实验相一致的教学目的和要求。[3]目前,环境工程专业开设的仿真实验项目有自由沉淀实验、过滤实验、混凝实验、气浮实验、曝气充氧实验、活性污泥实验、碱液吸收SO2实验、旋风除尘器性能实验、污水处理实习仿真,涉及的专业课程包括“环境工程原理”、“环境工程学”、“水污染控制工程”、“水处理设备设计与应用”、“大气污染控制工程”、“流体力学”。与传统实验相比,仿真实验具有以下优点:

(1)使用便捷,可以灵活开展实验。仿真实验只需计算机和相关软件即可,学生可以随时随地完成相关实验。

(2)操作简单,交互性好。仿真实验具有良好的人机交互界面和帮助文档,能随时对学生给予提示和帮助。

(3)成本低廉,可以重复开展实验。仿真实验是虚拟环境下的实验,即使操作不当,也不会损坏仪器,实验成本低廉。同时,由于某些真实实验所需的实验仪器、实验材料、测试费用比较昂贵而常常无法开展,仿真实验则起到了较好的替代或补充。

(4)有利于激发学生学习兴趣,培养学生的探究精神和创造性。对于仿真实验,学生可自行组织、自由操作和调试,有助于学生深入理解实验的设计思想;同时这种自主探索的实验活动,可以极大地激发学生的学习兴趣,最大限度地发挥学生的主动性和创造性。

二、仿真实验教学中存在的问题

1.过于依赖仿真实验

目前,由于师资力量有限、教学经费缺乏等原因,为了完成教学大纲所规定的实验教学学时数,仿真实验项目成为首选。正是基于仿真实验的经济性、快捷性、安全性等优点,部分高校将其作为提高实验教学学时数、防止实验仪器耗损、节约实验药品及耗材费用的“法宝”。对于新建地方本科院校,为了缓解硬件资源的不足,仿真实验在实验教学中的比重更为突出。

然而过于依赖仿真实验,会削弱学生对实验仪器、药品的认知程度,减弱学生对实验仪器操作的熟练程度,降低学生解决实际问题的能力。[4]

2.仿真实验与真实实验相互独立

从环境工程专业开设的实验项目来看,仿真实验与真实实验几乎都是独立进行的,很少将仿真实验与真实实验联合起来作为一个实验项目进行开设,从而无法发挥仿真实验“预演”的优势。究其原因,一方面是由于没有充分认识到联合开设实验的优势,认为没有必要;另一方面是由于实验教学学时数偏少,无法同时开设实验。

3.学生重视程度不够

仿真实验几乎都是计算机设定程序下的验证性实验,通过简单的鼠标点击或键盘输入即可完成,学生无论操作好坏对实验结果影响不大。其结果是很多学生对仿真实验不重视,认为实验过程简单,随便操作一下便可得到实验结果,对实验原理、数据分析也是一知半解,并未主动分析思考问题,最终导致实验教学效果较差。

4.仿真实验自主学习意识淡薄

当前,仿真实验很多只是作为缓解学校实验设备压力、满足实验教学课时数的要求,而未真正思考仿真实验的优势所在。学生只是在教师的要求下进行某项仿真实验,尚未形成仿真实验自主学习意识,如课前利用仿真实验预习相关知识点、课后利用仿真实验强化理解相关知识、真实实验开展前利用仿真实验提前熟悉实验过程等。

另外,仿真实验软件一般安装在计算机上,只在实验课上开放,平时学生无法接触,这可能是学生无法充分利用仿真实验进行自主学习的原因;同时,从某种程度上说这也是实验教学资源的浪费。

三、仿真实验教学的应对措施

1.加强仿真实验与真实实验的结合虽然仿真实验具有诸多优点,但是与真实实验还存在一定的差距,若过于依赖仿真实验,则不利于学生动手能力和创新思维的培养。[5]因此,仿真实验不能完全替代真实实验,其不应成为专业实验教学的主体,而应作为真实实验的有效补充和延伸。

仿真实验可为真实实验做准备,利用仿真实验为真实实验、生产实习等实践课作好“预演”,可以使学生深入理解实验原理、熟悉实验过程、掌握实验操作步骤,从而提前发现真实实验过程中可能遇到的问题,减少实验错误,提高实验效率,节约实验成本。同时,通过仿真实验预演和真实实验验证,还可以进一步强化学生实验技能,提高实验教学效果。

加强仿真实验与真实实验的结合,不仅有利于强化学生的工程意识,改进学生的思维模式;还有利于学生树立全局观念,预先对真实实验形成整体认识。[6]例如,学生要进行城市污水处理厂的实习,可以提前使用“污水处理实习仿真”进行预参观,使学生全面了解污水处理厂的工艺原理、工艺流程、构筑物结构、设计参数、操作规程、安全事项等,从而形成一个整体认识;在此基础上再进行生产实习,可以加深学生对专业内容的理解和掌握,达到满意的实习效果。

2.改进仿真实验软件

为了提高学生对仿真实验的兴趣和重视程度,应进一步改进现有仿真实验软件,增加一些设计性操作或考查试题。例如,每个仿真实验的实验装置不直接给出,而只是提供各模拟组件或单元,要求学生自己操作组装,这样有利于加强学生对实验装置结构的了解,也可增加实验的趣味性。再如,可在实验原理、实验内容、数据处理、实验结果等之后设置若干考查试题,要求学生正确回答后才能进行下一步操作,从而促使学生深入理解、认真对待仿真实验。

3.建立仿真实验网络开放式实验室

通过仿真实验网络开放式实验室,学生可以在教师规定的期限内随时进入,自行在线完成指定的仿真实验项目,也可根据自己的兴趣开展其他仿真实验,这不仅有效解决了实验课时偏少的问题,而且激发了学生的学习兴趣,使实验教学内容在时间和空间上得到延伸。[7]

另外,仿真实验网络开放式实验室的建立将为学生开展自主学习提供先决条件,也可显着提高实验教学资源的利用率。

4.提高学生仿真实验自主学习意识

教师应积极引导并鼓励学生课外多利用仿真实验进行自主学习,不仅可作为真实实验开展前的预实验,也可作为相关知识点的课前预习和课后复习。另外,要鼓励学生自主设计、自行开展相关仿真实验,激发学生的学习兴趣,培养学生的探究精神和创造意识,形成仿真实验自主学习之风。

四、结语

电机散热仿真分析 篇3

（东风汽车公司 技术中心，武汉 430058）

电机的温升是衡量电机性能的重要指标之一。为了降低电机的温升，主要从电机的电磁设计及其冷却系统设计方面进行改进。如果电机的电磁设计、结构设计与通风、热计算相互配合，则可以提高电机的性能。

电机在能量转化过程中会不可避免地产生损耗，如铁心损耗、定子绕组的铜耗和机械损耗等，这些损耗会导致电机温度升高。电机温度过高会破坏电机绝缘材料和稀土永磁材料，使电机负载能力减弱，润滑脂寿命下降，电机无法正常工作甚至烧毁。因此，对电机的冷却，尤其是新能源汽车驱动电机的充分冷却是电机开发过程中所必需考虑的问题。

本论文从流体和传热技术的角度出发，分析和比较了自主开发电机的冷却设计方案，并对低流阻的设计方案开展了电机的散热分析。

1 电机生热基本理论

电机的损耗是求解冷却水温升不可缺少的参数，其值的大小与电机各部分的损耗有关系。影响电机发热的损耗通常有铜耗、铁耗及杂散损耗，其中铜耗和铁耗均可以通过运用电磁软件ANSOF计算得到。

1.1铜耗

铜耗是由运行时的电流通过定子绕组的电阻产生的损耗，感应电机转子的铜耗是在端环和导条上流过电流时的损耗。铜耗的表达式如下：

式中：ρ0为材料在温度T0时的电阻系数；T为温度，β为温度系数，J为电流密度。

计算绕组发热时，铜耗PCu按其组成部件分成槽部铜耗和端部铜耗，其中两者的取值与各自的长度相关［1］。

1.2 铁耗

铁耗在整个电机损耗中占有很重要的地位，对于NdFeB永磁电机而言，铁耗的准确计算不但能够帮助设计出更为高效的电机，而且可以避免磁钢发生退磁。

铁耗是穿过定子铁心的交变磁场变化时产生的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗正比于转速的平方，磁滞损耗正比于转速。

涡流损耗不但与磁通密度峰值有关，而且与磁通密度随时间的变化率有关，精确计算较为困难，通常的做法是对电磁密波形进行傅利叶分解，累加各次谐波。这种方法对电磁密波形的准确性要求高，并且很复杂。

1.3 机械损耗

机械损耗分为轴承部分的摩擦损耗和伴随冷却风扇旋转产生的风损耗。准确计算电机的机械损耗不仅可以使得效率提高，同时也可以保证电机的使用性能，而且还可以根据机械损耗的大小来合理设计样机的冷却系统，保证了样机的成功率。

2 电机的结构

在开展电机的散热分析前，首先观察电机的结构，结构如图1所示，其由前端盖、后端盖、壳体构成。电机内部结构为图2所示的定子、绕组，图3为电机转子的断面。

3 电机的冷却方案分析

因为本文所述电机的功耗是3 500W，功耗比较大，冷却方式不能采用风冷，而应采取水冷的方式，冷却水套的设计方案如图4、图5所示。方案1冷却液进入电机水套后，分成三部分流过壳体后，在电机另一端汇集，然后又分成三部分经壳体流向电机的初始端。方案2特征在于水路从水套入口到出口是一致的，没有存在分流的现象。

对上述冷却水套设计方案运用数值流体力学技术开展了流阻仿真分析［2］的流阻比较如图6所示。

分析图6电机的水套设计，方案2的流阻比较低，故采用方案2对电机进行冷却。两个冷却水套设计方案某断面速度场的分部如图7、图8所示。

4 电机的散热分析

因为冷却水套设计方案2的流阻比较低，故采用此方案进行电机的热态仿真分析，工况是冷却液入口流量为14 L/min，温度是59.5℃。

4.1 电机的功耗

电机的功率为35 kW，效率为90%，可得电机的功耗为3 500W。假设此功耗以热传导方式均被电机的水套吸收，并转化成为电机的温升。

假设电机壳体、端盖均处于室温状态，无风条件下，开展此前提下的散热仿真分析。

4.2 进出水口的温升

本文从稳态角度开展了电机冷却进出水口的温升分析，冷却液入口流量为14 L/min，入口温度为59.5℃，仿真得出水口的温升曲线如图9所示，分析可得出口水温为64.5℃，进而可得电机冷却液的温升为5℃。

4.3 部件温度分布云图

冷却水套温升的分析是电机散热分析的一个方面，电机壳体、定子等部件的温度分布云图是电机散热分析的另一个方面。电机前端盖、后端盖及壳体的温度的分布云图如图10所示。分析图10，电机前后端盖的最高温度分别为63.9℃、64.1℃，壳体表面最高温度为70℃。

提取电机定子和铜线绕组的温度分布如图11所示，定子高温区域分布在齿额区域，温度最大值为102.2℃。绕组高温区域分布在两端，最高温度是104℃。

对电机内部温度分布进行直观切片显示，可以比较电机壳体、前后端盖、定子以及绕组的温度，如图12所示。高温区域分布在定子和绕组上，绕组端部温度最高，可达103.8℃。

5 冷却水套分析

5.1 冷却水套的流阻分析

为考核冷却水套的设计方案对流阻的影响，对本水套开展了多工况下的流阻分析如图5所示。

5.2 冷却水套近壁面流速分布

分析水套近壁面流速的速度分布云图如图13所示，在S型水套内侧近壁面流速最大值为2.72m/s。速度越快值越大，则有利于加速电机壳体散热的速度。图中可见涡流的存在，其不利于电机端盖的散热。

5.3 水套内侧壁面对流换热系数

为分析冷却水套各部分是热还是放热，从数值传热分析角度提取了水套的壁面对流换热系数［3］。图14（a）中表示水套的壁面对流换热系数的宏观分布，正值表示水套在吸收来自壳体的热量，负值表示水套在向外散热。图14中的（b）表示壁面对流换热系数大于0所分布的水套区域和云图，分析此图也可得对流换热系数小于0的区域都在水套端部，表示水套是处于放热状态，热量被电机的前后端盖吸收。

6 总结

1）比较冷却水套设计方案1和方案2的流阻，前者接近后者的两倍。为节省能耗，方案2为最佳方案。

2）对电机开展了入口流量为14 L/min的热态分析，冷却液的温升接近5℃，与设计人员提供的经验值基本吻合。

3）电机功耗为3 500W，水套流量为14 L/min、温度为59.5℃时，电机壳体和前后端盖的温度在70℃左右。

4）电机定子高温区域分布在定子齿区域，铜绕组的高温区域分布在两端，温度最大值接近105℃。

5）分析冷却水套的壁面对流换热系数，与电机壳体接触的水套的换热系数是正的，这部分是吸热区域，而与电机前后端盖对应的水套部分是放热的。

［1］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，2008：21-23.

［2］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004：121-122.

仿真教学仪器分析 篇4

系统时域分析是测试技术、控制工程课程的重要内容。在现行的教材中, 一般以一阶、二阶系统为例, 通过求取Laplace逆变换的方法, 获得解析解, 然后绘制系统的时间响应曲线[1,2]。对于高阶系统和一般的输入信号, 解析解的推导过程十分复杂, 因此, 分析研究一般系统的时间响应比较困难。而应用M atlab控制系统工具箱的数值运算功能, 可以快速获得系统时间响应的数值解, 绘制出时间响应曲线, 较好地满足实际应用要求。本文应用M atlab控制系统工具箱, 设计开发了控制系统时域分析G U I仿真实验教学平台, 可以绘制一阶、二阶系统和高阶系统的时间响应曲线, 计算显示时间响应的性能指标。该仿真实验平台, 程序界面操作简单, 生成响应曲线迅速、准确, 对改善系统时域分析教学效果具有一定的帮助。

二、系统时间响应的计算

线性系统的时间响应主要有单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位斜坡响应和任意输入信号下的系统响应。在M atlab下, 以LTI对象描述线性系统的结构。最常用的LTI对象为传递函数模型, 一般系统的传递函数为:

数组a、b分别为传递函数分母多项式系数和分子多项式系数, 则可用tf函数构造一个LTI对象sys[3]。

sys=tf (b, a)

时域分析函数是以LTI对象为函数输入的一组时间响应数值解计算函数。单位脉冲响应、单位阶跃响应, 分别由im pulse (sys) 、step (sys) 实现。单位斜坡响应和任意输入信号下的系统时间响应, 可由lsim (sys, u, t) 实现, 单位斜坡响应则是输入信号为u=t的特殊情况。

三、时间响应性能指标的计算

时间响应性能指标主要有上升时间tr、峰值时间tp、调整时间ts、最大超调量Mp和振荡次数N。

峰值时间tp为响应曲线到达第一个峰值yp所需的时间, 满足yD=max (yi) 。可用如下M A TLA B语句[4]实现。

其中, t={ti}为仿真时间数值向量, y={yi}为时间响应数值向量。

调整时间ts为yi满足如下不等式 (2) 所需的时间, |yf-yF|≤∆⋅yF (ti>ts) (2)

其中, △为给定的允许范围, yF为稳态值。调整时间计算程序如下:

最大超调量Mp, 可由峰值yp和稳态值yF求出,

振荡次数N为响应曲线在0≤t≤ts内, 穿越稳态值y F次数的一半。设y1, , ym为过渡过程的时间响应, 则振荡次数计算程序如下:

对于欠阻尼系统, 上升时间tr定义为响应曲线第一次到达稳态值所需的时间。对于过阻尼系统, 上升时间tr定义为响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。已知仿真时间数值向量t、系统时间响应数值向量y, 稳态值yF, 则上升时间计算如下:

其中ti为满足yi-0.9yF>0的最小t值, tj为满足yj-0.1yF>0的最小t值, tk是满足yk-yF>0的最小t值, N为振荡次数。上升时间的计算可用如下M A TLA B语句实现:

四、仿真实验程序的运行效果

本文所开发的控制系统时域分析仿真实验教学平台, 包括一阶、二阶和高阶系统3个独立的界面, 分别实现了单位阶跃、单位脉冲、单位斜坡和一般输入信号的时间响应仿真。图1为二阶系统单位阶跃响应仿真界面, 该界面实现了响应曲线的绘制和性能指标的计算和显示。图2为高阶系统脉冲响应仿真界面, 可通过输入传递函数分子、分母多项式的系数, 改变系统参数, 对不同系统的时间响应进行仿真。返回目录按钮, 用于实现一阶、二阶和高阶系统3个独立界面之间的切换, 实验项目目录界面如图3所示。

五、结论

1.本文以M atlab控制系统工具箱为基础, 应用数值仿真技术, 设计、开发了控制系统时域分析G U I仿真实验平台, 实现了一阶、二阶系统和高阶系统的时间响应以及性能指标的计算。

2.在该仿真实验环境下, 改变输入参数, 即可对不同系统进行时域分析, 从而帮助学生更好地掌握各阶系统的时间响应特性, 分析参数变化对时间响应的影响, 改善时域分析的教学效果。

摘要：以MATLAB为开发环境, 应用数值仿真技术, 设计、开发了控制系统时域分析GUI仿真实验平台, 实现了一阶、二阶系统和高阶系统的时间响应曲线, 可以计算显示系统时间响应的性能指标。可用于机械控制工程、机械工程测试技术课程中系统时域分析部分的仿真实验和课堂演示教学。

关键词：时域分析,性能指标,数值仿真,实验教学

参考文献

[1]杨叔子, 杨克冲, 等.机械工程控制基础 (第三版) [M].武汉:华中理工大学出版社, 1993

[2]贾民平, 张洪亭.测试技术 (第二版) [M].北京:高等教育出版社, 2009.

[3]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社, 2006.

实验四 虚拟邮局仿真与分析 篇5

这是一个邮局内部信件处理系统的模拟。模拟邮局在处理各方送来的信件时内部的处理流程，由于邮局处理信件必须先将信件过滤分类，但是现实中邮件种类繁多，因此本模型仅将邮件分成国内信件与国外信件。信件到达后，依其类型给予2种不同类型(用不同颜色区分)，经由传送带到达处理器处理，此步骤主要是把信件按照其不同的类型分开来，再分别送到不同的货架上等待邮车运送出去。在此仅考虑内部分类处理部分，故外送部分在这个模型中不做讨论。

1.2系统数据

产品到达：随机产生两种类型的产品，分布呈正态分布，平均每15秒到达一个产品，标准差为2秒。

产品加工：平均加工时间1秒，分布呈正态分布，标准差为0.5秒 产品运送：使用两辆叉车，装载和卸载时间均为3秒 建立Flexsim模型 第1步：调整传送带的布局

将两条传送带各增加弯曲的一小段，并调整布局。

第2步：连接端口

第3步：给发生器指定临时实体的到达速率和到达种类

产品到达：随机产生两种类型的产品，分布呈正态分布，平均每15秒到达一个产品，标准差为2秒。

2种不同类型(用不同颜色区分)。

第4步：设置处理器处理时间及输出

产品加工：平均加工时间1秒，分布呈正态分布，标准差为0.5秒 输出：类型号为1的送第1个端口，类型号为2的送第2个端口

第5步：加入两台叉车将临时实体分别从暂存器送到货架。

注意两个步骤。

第6步：两辆叉车，装载和卸载时间均为3秒 3 模型运行 4 模型分析

车门垂向刚度仿真分析 篇6

分析目的：

车门是车身设计中十分重要而又相对独立的一个部件，通过铰链与车身连接从而实现开启和关闭。车门垂向刚度是车门刚度分析的一项重要指标，车门垂向刚度不足会影响车门开关可靠性，引起车门卡死、关闭力增大，严重时会造成漏风、渗水、行驶过程中车门振动及噪声等问题，这将对乘坐舒适性造成严重影响。

车门垂向刚度分析是模拟车门在打开一定角度状态下，由于人员上下以及人员利用车门支撑身体而产生的垂直载荷作用下，能够保持一定的抵抗变形的能力，以及卸载后恢复原有形状的能力。

模型建立：

分析模型包括前车门钣金总成，铰链以及截取部分与车门相连的白车身。对模型进行网格划分，建立前车门垂向刚度分析有限元模型。

CAD 模型需要精确的几何表述，包含很多几何细节特征。而有限元模型与CAD模型不同，在有限元分析时，为了获得较好的网格质量、提高求解精度并节约计算时间，可以简化掉一些对整体力学性能影响较小的几何特征，如直径较小的孔、过渡圆角和倒角等。

车门的构件大部分是薄板冲压件，其长度方向的尺寸远远大于厚度方向的尺寸，符合壳单元的理论假设，所以可以尽量采用四边形壳单元模拟各冲压构件的结构，并适当使用三角形壳单元过渡；考虑到车门在侧碰时焊点脱焊发生的概率较小，采用刚性单元模拟焊点；为更加准确地模拟车门铰链的连接，对其进行实体网格的划分，同时需要细化车门内板上与铰链连接处的壳体网格，这样可以提高有限元计算的精度。前车门垂向刚度分析的有限元模型如图1所示。考虑到计算的稳定性，三角形单元的个数一般要求小于单元总数的5%，尤其是一些主要受力部位，网格划分时尽量避免三角形单元。车门玻璃和附件等用集中质量单元模拟。

工况设定：

边界条件：约束车身截面处的所有自由度；约束门锁处沿开启方向自由度。

由于前车门一般有两级开度，为了全面了解前车门的垂向刚度情况，需对每级开度逐一分析，因此可考虑如下三种加载工况：

工况一（车门关闭状态）：仅施加重力加速度；

工况二（车门一级开启状态）：施加重力加速度的同时，在门锁处施加垂直向下750N的集中载荷，然后卸载；

工况三（车门二级开启状态）：施加重力加速度的同时，在门锁处施加垂直向下750N的集中载荷，然后卸载。

结果讨论：

图2为工况一的前门Z向位移云图。位移云图可以方便大家对车门垂向位移进行直观判断，从而推算出车门的垂向刚度。

图3为工况二下的前门应力云图，应力云图可以直观显示结构中吸收能量最集中的部位，让我们了解到能量的分布。进而对应力集中的部位进行优化，提高局部刚度从而对车门垂向刚度进行整改。

一般情况下， 车门铰链及其安装孔附近的加强件对车门垂向刚度较为敏感，也是车门及A柱下部结构优化的主要区域。在优化结构的时候，还需要综合考虑其它因素，如车门模态、车门侧向刚度、车门质量等，寻找最优解决方案，为车门结构的进一步设计、优化以及整车的轻量化设计提供了一定的参考依据。

仿真教学仪器分析 篇7

1 Packet Tracer 简介

Cisco Packet Tracer是思科系统公司开发的一款网络模拟器, 它提供可视化、可交互的用户图形界面, 可用于模拟网络拓扑的设计、网络设备 (PC、交换机、路由器等) 的安装与配置、网络故障的诊断与排除过程等, 除了模拟计算机网络的硬件连接之外, 还可以模拟数据包的产生、传递和接收过程, 以及进行数据包的结构分析等。Packet Tracer目前最新的版本是5.6。

Packet Tracer不仅是一个网络辅助学习工具, 对于教师来讲, 还是一个非常好用的教学软件。它逼真地模拟了真实的网络环境, 为网络课程的教学和学习提供了非常好的实训平台, 在计算机网络课程教学中发挥着重要的作用[2]。教师可以通过菜单Extensions->Activity Wizard打开如图1所示的教学实验设置对话框。通过对话框中的“Instructions”可以输入实验要求供学生阅读,“Answer Network”中配置实验答案 , “Initial Network”中配置初始实验设置 , 如设置一个网络故障, 让学生去分析排除,“Password”中可以设置实验管理密码, 这样可以保证学生就不能查看答案, 必须独立完成。

2 仿真实践教学设计

《网络故障分析与排除》安排在计算机网络技术专业第五个学期授课, 要求学生在掌握计算机网络技术、网络设备的安装与调试、网络互联技术与实施等前导课程的基础上, 在该课程中通过典型案例的学习和实验项目的训练来提升学生的综合职业技能。下面通过一个典型案例来展示该课程如何 利用仿真软件Packet Tracer来进行实践教学设计, 这个案例主要是通过让学生检查基本网络配置和网络的连通性来掌握网络故障分析与排除的技巧, 提高实践操作技能。

案例描述: 网络的拓扑图如图1所示, 网络中设置了3个Vlan, 分别是Vlan10、Vlan30、Vlan40, 3个Vlan分别通过交换机S1、S2、S3和路由器R1、R2、R3进行互连, 服务器TFTP Server通过路由器R2连接到网络中。网络拓扑中各台设备接口的地址分配如表1所示。

网络构建目标: S2是VLAN 40的生成树根, 而S3是VLAN 30的生成树根。S3为VTP服务器 , 并以S2作为客户端。R1和R2之间的串行链路为帧中继。R2和R3之间的串行链路使用HDLC封装。R1和R3之间的串 行链路使 用PPP。R1和R3之间的串行链路使用CHAP进行身份验证。由于R2是Internet边缘路由器, 因此它必须具有安全的登录过程。所有vty线路 (属于R2的vty线路除外) 都只允许来自拓扑图所示子网的连接, 不包括公有地址。对于所有未连接到其他路由器的链路, 应当防止出现源IP地址欺骗。R3不能通过直接相连的串行链路telnet至R2。R3能通过F0/0访问VLAN 40和VLAN 30。TFTP服务器应该不能获得源地址位于子网之外的任何流量。所有设备均能访问TFTP服务器。位于192.168.10.0子网的所有设备能够通过DHCP从R1上动态获取IP地址。必须能从每台设备访问拓扑图中显示的所有地址。

教师根据网络初始拓扑结构和网络地址表, 可以设置部分网络故障, 比如配置错误地址、关闭设备端口等, 让学生根据故障现象进行分析并排除故障。教师需要将案例描述、网络地址表以及网络构建目标写到Activity Wizard-> Instruc- tions中 , 网络拓扑需要在Activity Wizard->Initial Network和Activity Wizard->Answer Network中创建 , 并由教师在Answer Network的拓扑中将正确答案配置到网络中。然后教师可以在Answer Network中设置评分项, 学生在做实验时就可以实时看到实验所得分数, 便于检验实验完成情况, 同时也便于教师进行考核。

3 结语

仿真教学仪器分析 篇8

《电路分析》课程[1]是电子信息类专业最基础的专业基础课程, 采用现代计算机仿真技术手段, 再现电路现象和规律, 探索《电路分析》课程新的教学模式, 加强对学生实际技能和解决问题能力的培养, 是《电路分析》课程教学改革的目标。电路仿真软件Multisim随着现代计算机技术的发展, 已经成为解决、验证和探究电路现象和规律的基本方法[2,3]。在《电路分析》课程教学过程中, 采用Multisim仿真技术, 以虚拟仿真实验驱动, 对《电路分析》课程的教学方式和手段, 教学内容的设计, 电路现象和规律的探究和验证进行教学改革, 符合现代教学发展的方向和科学实验的精神。基于Multisim软件的虚拟仿真驱动《电路分析》教学模式, 将虚拟仿真教学与其他教学方法相结合有助于提高课程教学效果, 在《电路分析》课程的教学中具有重要的意义。

2 《电路分析》课程教学模式探索

在电路教学设计过程中, 不仅要加强电路基础理论的教学, 还要不断融合相关学科领域的最新研究成果。课堂教学设计要针对不同的电路现象和电路规律, 思考生活实际的电路问题, 设计相关的电路虚拟仿真实验, 并创设电路问题情境, 引导学生不断探索和不断质疑的科学精神。因此, 在课堂教学实施过程中, 借助Multisim仿真技术, 针对不同的电路知识点, 设计相应的电路问题情境, 模拟相关电路现象和规律的实验, 以及相应的电路实验操作过程, 实现电路现象形象化的模拟, 让学生能够切实感受到电路的变化和电路设计的过程, 并掌握相关的操作技能, 利用Multisim软件的优势, 培养学生基本电路设计和操作技能, 实现理论知识和电路现象表象的统一, 克服学生电路现象和电路分析的思维障碍。提炼了电路课程, 浓缩了电路信息量, 达到课程系统性与逻辑性融合, 使学生更容易接受, 激发学生的思维, 培养学生创新能力。

3 基于Multisim虚拟仿真设计举例

Multisim是美国国家仪器公司 (NI, National Instruments) 推出的电子电路虚拟仿真软件, 是一个电路设计和仿真的工具软件。能够提供数千种电路元器件和虚拟仿真仪器。虚拟仪器界面的操作开关、按键与实践仪器仪表极为相似, 用户界面直观, 用户还可以根据电路设计需要, 扩充相应元件库。Multisim具有超强的电路仿真分析性能, 能够实现大多数电子电路技术的实验仿真。为使仿真真实可靠, 大多数采用实际模型。

《电路分析》课程的基础理论内容多, 基本概念, 基本定理多, 因此, 采用Multisim仿真技术, 在《电路分析》课程教学过程中, 针对电路的教学内容, 创设实际电路问题情境, 借助Multisim软件实现不易看到或难以实际体验的电路现象的模拟, 使学生可以直观观察电路演化的复杂变化过程, 增进学生对电路知识的动态探究和获取知识的能力, 以虚拟仿真实验驱动, 让学生在模拟的情境下进行电路现象和电路规律的探究和学习。通过仿真技术的模拟实验和相应的实验操作, 以及电路现象形象化的模拟, 让学生在教学过程中追寻知识获取的过程, 让学生能够切实感受到电路的变化和电路设计的过程, 并掌握相关的操作技能, 利用计算机软件的优势, 培养学生基本电路设计和操作技能。下面以《电路分析》课程中的内容换路定则为例。换路往往发生在:电路结构突然变化, 电路参数的突然改变或者电源的突然通断等电路变换过程。通过笔者多年教学经验发现, 换路过程中的突变思想和条件, 学生往往难以理解接受, 而电路换路分析是判断初始条件的前提, 而初始条件是动态电路分析得到确定解答的必需条件, 因此, 换路定则是增强学生对动态响应特性的正确理解的重点内容, 也是难点内容。

3.1 电容换路过程仿真

电容电压电流关系如图1 所示。根据电容电压的理论计算:

令t= 0+, 代入上式, 得到:

当i (ξ) 为有限值时, 则有:。于是得到:uC (0+) =uc (0-) 。

得到电容换路瞬间的结论:换路瞬间, 若电容电流保持为有限值, 则电容电压换路前后保持不变。学生对这样的结论往往是一种被动的接受, 而且需要很强的数学理论知识, 以及电容电压电流动态变化关系的理解。基于此, 可以借助Multisim仿真软件对这种现象进行仿真说明, 仿真结果如图2所示。图2 (a) 表示电路换路前电容接通电源, 使电容带上12伏电压。图2 (b) 表示换路瞬间, 电源短路, 使电容短路。从仿真结果来看, 电容在换路瞬间电容的电压是不变的。从而通过虚拟仿真实验的直观再现, 加深了换路前后电容电压变化的规律。同时可以引导学生, 这是因为电容的电能与电压有关, 而能量的释放, 需要时间, 从而使换路前后电容电压保持不变。

3.2 电感换路过程仿真

电感的电压电流关系如图3所示。根据电感电流的理论关系计算:

令t= 0+, 代入上式, 得到:

当u为有限值时, 则有:。

得到电感换路瞬间的结论: 换路瞬间, 若电感电压保持为有限值, 则电感电流换路前后保持不变。对于电感这样的结论, 学生往往是被动的接受, 而且与电容换路的结论容易发生混淆。为了使学生直观理解, 笔者使用了Multisim仿真软件进行了电路仿真实验设计。仿真结果如图4 所示。图4 (a) 表示换路前, 开关接通电源时, 电感电流为1 安。图4 (b) 表示换路后瞬间, 当开关断开瞬间, 电感的电流依然保持不变。仿真结果表明电感在换路瞬间, 电感电流保持不变。进一步向学生说明的是, 电感的磁能与电流有关, 而能量的释放, 同样需要时间, 从而使换路前后电感电流保持不变。

综上所述, 得到换路定则:电容电流和电感电压有限的情况下, 换路前后, 电容电压和电感电流保持不变。

4 结语

《电路分析》课程理论性强, 电路现象多且复杂, 针对电路的疑难问题, 采取Multisim虚拟仿真技术, 通过设计电路仿真实验, 再现电路现象和规律, 采用动态演示和循序渐进的探究教学模式, 通过对设计相关电路问题, 启发学生通过虚拟仿真实验, 大力培养学生的创新能力和科学精神, 同时培养学生的实践能力。同时, 新的虚拟仿真技术运用, 也要求教师不断提高自身素质, 更新知识体系和内涵, 不断树立创新理念, 深挖《电路分析》的教材, 运用各种计算机技术方法, 加强教学改革观念, 使课堂教学体现求真、释疑的科学思想, 通过教学改革, 不断运用新技术, 创新改革教学模式和教学方法, 激活课堂创造的原动力, 提升教学效果, 有力地夯实学生的基础, 提高学生的实际能力。

摘要：《电路分析》是电子类专业的基础课程。针对《电路分析》课程的电磁现象, 在教学改革实施过程中, 借助Multisim软件进行虚拟仿真, 再现电路现象和电路规律, 优化《电路分析》课程教学内容体系。达到融合电路分析理论和电路实验的目的。促进学生的电路理论知识的理解和掌握, 开拓学生的思维能力, 有效提高了学生对电路知识的理解。

关键词：电路分析,教学改革,Multisim

参考文献

[1]邱关源.电路 (第五版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]杨晓平.Multisim在电路理论教学中的应用[J].高等函授学报 (自然科学版) , 2012, 25 (6) :79-80, 90.

仿真教学仪器分析 篇9

仪器分析的理论及技术和现代的食品分析检测密切相关, 学生能够掌握仪器分析的基本理论、基本技术和方法是培养目标很重要的一部分, 所以仪器分析课程是食品专业的必修课程[2]。想要学好仪器分析课程, 必须做好仪器分析相关的实验。实验可以让学生加强理解仪器使用的基本原理, 掌握实验基础知识和基本操作技能。实验结束之后还可以分析处理实验数据, 得到真实可信的实验结果。学生掌握了仪器实验基本原理等知识, 正确使用仪器进行实际问题的解决, 可以为以后学习及科研等打下良好的基础。

1 我校仪器分析实验教学实施过程中存在的一些问题

1.1 分析仪器正向着高科技性、操作个人化、智能化发展, 所以使它的价格越来越昂贵。

由于受到教学开支的限制, 我校现仅有部分分光光度计等基本实验教学设备, 无法配置更为高端的设备。现在主要采用的教学方式是先介绍理论部分的知识, 然后去合作单位见习仪器的操作步骤, 学生无法直接进行操作。这样难以调动学生的主动性和创造性, 实验教学的发展和人才培养质量的提高都受到了很大程度的制约。

1.2 某些实验实际操作费用高昂, 材料损耗较大, 考虑到教学经费的问题学校无法一一开设, 但是这些实验对学生以后的发展是很有需要的。

1.3实验教学教师接触新仪器和高档仪器的机会不少, 没有丰富的实践经验。学生在学习过程中无法积极有效从指导教师处获得有效地指导, 无法更为深入地理解仪器设备的运行情况, 无法深入阐述各类试验参数的理论影响和实际作用。

1.4 实验学时数偏少, 无法保证知识与技能的巩固。现行教学计划, 为减轻学生负担, 压缩学时, 本来就不够的实验学时更加显得不充裕。

1.5 实验考试方式具有局限性。

现有实验考试的方式采用以学生去见习之后写的实验报告作评价, 导致一些学生照着书抄写或者抄别的同学的报告。对学生没有压力, 使学生对平时实验够不重视。

1.6 实验用到的很多大型仪器都价格较高, 而且结构很多都是完全封闭的形式, 从外面看不同仪器的差别不明显。

仪器的内部构造学生很难观测到, 导致学生对仪器结构性能的认识比较肤浅[3]。

以上的这些问题都限制我校对学生职业技能的培养, 改革传统的实验教学势在必行。在传统的仪器分析实验教学中引入了“仿真教学”可以解决以上问题。我校经费不足以支持大型仪器的具体操作, 有了仿真仪器就可以让学生不直接接触真实仪器, 通过操作软件就可以达到类似的效果, 提高教学质量。

2 开展仪器分析仿真实验教学的必要性和重要性

所谓分析仪器的仿真教学就是利用建立分析仪器的数学模型, 利用计算机技术、网络技术、仿真技术和信息技术, 在计算机上建立起一套反应性与真实分析仪器完全相同的虚拟分析系统进行教学[4]。学生通过操作虚拟仪器分析软件, 可以得到与真实仪器类似的丰富的操作经验。仪器分析仿真教学在中的优越性可以从以下几个方面看出:

2.1 增强学习兴趣, 提高学习效率

仿真模拟环境的直观、可操作性大大的增加了学生的学习兴趣, 让他们对原本陌生的仪器有一个具象的认识。仿真软件可以提供形象直观、内容丰富、生动逼真的学习环境, 提供图文并茂、动静结合的实验内容, 学生可以同时看到声音、图像、动画等内容, 得到多感官的体验。

2.2 大大降低实验成本, 减轻经费支出

仿真软件在电脑上运行, 只要建设一个仿真实验室, 购买相关仿真软件, 并进行相关的培训, 无需价格昂贵、高精密仪器, 高要求的实验室设备, 成本较低, 可以满足大批量的学生操作实习。还大大降低了实验教学成本, 减少了实验品的消耗, 而且基本不存在环境污染的问题, 对一些因为担心造成环境负担的实验同样可以进行。

2.3 功能强大, 操作方便, 易学易用

仿真软件大大提高了学生分析问题和解决问题的能力, 同时也减轻了教师授课的压力。

在分析仪器仿真系统中教师可以很方便地查看仪器介绍的文字说明、图片、原理演示、动画及录像, 从而将一些难以讲解明白的结构、工作原理和操作形象逼真地表现出来, 轻松提高教学效果。学生可以直接在计算机上通过仿真软件了解相关仪器的结构、原理, 还可以进行具体的实验模拟操作, 从而掌握了不同仪器的使用方法。

2.4 满足大批量的教学、竞赛需求

分析仪器仿真软件系统可以在普通都电脑上运行, 可以缓解由于学校没有足够数量的仪器无法满足多人同时教学的尴尬, 每个学生都有独立的电脑进行操作, 独立完成具体的操作, 提高教学质量[5]。关于仪器分析使用的高职相关竞赛一直都有举行, 并且有仿真软件操作的比赛部分, 用的仿真软件大多由同一公司提供, 引入仿真软件进行实验教学可让学生在比赛中与其他学生处于同一水平, 平时的学习也可增强学生相关方面的竞争力。

2.5 考核方法的改革

教学中可利用软件提供的平台逐渐完善了考核制度。利用仪器仿真软件的智能评分系统, 教师可以便捷地对学生技能掌握程度进行考核。智能评分系统能检测学生操作情况, 并给出各种形式的成绩单, 以作为考核依据。利用仿真软件自带的题库和标准化试卷, 还可对学生进行“在线评测”。仿真软件可以同时对班级同学进行考核, 所需时大大缩短, 可以进行“随堂考核、随时考核”, 减小了教师工作量, 增强了考核成绩的客观性。

随着计算机技术的飞速发展, 同时各个院校内的信息网络、电脑设备等硬件条件也在不断改善, 可以预见有较高实际教学作用的教学仪器分析仿真软件一定会得到越来越广泛的认可和应用。仿真教学在职业学校的应用, 提高了教学效率, 增强了职业学校的办学能力, 是职业学校发展的助推器。S

摘要：本文以马鞍山师范高等专科学校为例, 讨论了仪器分析教学在高职食品专业中存在的一些问题, 以及开展仪器分析仿真实验教学的必要性和重要性。

关键词：仿真软件,高职教育,食品专业,仪器分析

参考文献

[1]冯启明.加强实践教学, 培养学生工程实践与创新能力[J].高教研究, 2011, 3:47-49.

[2]关海宁, 徐桂英, 刀小琴.仪器分析方法在食品检测分析中的应用[J].中国食物与营养, 2006 (6) :40-42.

[3]于京华, 葛慎光, 魏琴, 罗川南, 朱元娜.仪器分析实验教学的改革与实践[J].理工高教研究, 2008 (2) :137-138.

[4]田文德, 丁辉, 姚飞.分析仪器的计算机仿真[J].现代科学仪器, 2001 (3) :41-49.

仿真教学仪器分析 篇10

关键词：电路分析实验,仿真软件,教学效果

电路分析实验是电子信息类专业的基础实验课, 学时短——只有16个学时;要求高——要求学生熟悉多种常用电子测量仪器的使用方法, 学会常用元器件的识别测量、掌握电路分析各基本理论的实验验证, 在此基础上能够设计简单的实验电路验证或得到某个结论。而现在高校的学时压缩却越来越厉害, 如何在有限的学时里让学生“学得会”、“学得好”成为实验教师面临的紧迫问题。单纯依靠传统的实验方法很难达到这样的目标, 而虚拟实验的教学效果越来越受到人们的认同[1], 为此笔者在实验教学中引入了仿真软件。

目前可选的仿真软件很多, 基于简单易学的考虑笔者选择了最流行的Multisim仿真软件。该软件是美国NI公司推出的电路仿真软件, 使用方便、测量结果直观。Multisim实现了电路原理图的图形输入, 具有丰富的元器件库, 十多种测量仪器, 多样的电路分析方法, 测量结果能实时显示, 可以完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等各种工作, 是一个虚拟的电子实验平台[2]。应用该软件后, 经过一段时间的教学实践, 教学效果有较明显的改善, 主要表现在如下几个方面:

1 加强了预习的效果

以往的预习主要是让学生完成预习报告, 不少学生只是把实验课本上的内容原封不动的抄在预习报告上, 完全没有思考的过程;有些学生写完预习报告后甚至还对整个实验要做什么都不太清楚, 在实验课上处于稀里糊涂的状态, 这样的教学效果可想而知。为了促进学生更好地预习, 我们要求学生在撰写预习报告时, 预先进行实验电路的仿真, 将仿真结果打印出来作为预习报告的一部分。为避免学生相互抄袭、复制仿真电路, 笔者还对同一实验设置不同的电路参数, 得到不同的仿真波形和参数。例如在正弦电路实验中, 笔者要求学生根据自己的学号最后两位数确定电容参数或输入信号频率, 这样每个学生在电路仿真测量出的相位差、波形大小都有所差异, 断了学生抄袭的后路, “逼迫”学生自己思考, 自己做预习。

2 增加了实验教学的直观性, 缩短了授课时间

电路实验教学涉及到各种各样的测量方法, 对于这些测量方法的讲解, 笔者尝试过不同的教学手段, 都有不尽如人意的地方。例如在动态电路实验中, 讲解时间常数的测量方法时, 最初采用的是由老师演示测量过程。这样虽然直观易懂, 但是整个讲解过程花费的时间太长, 占用了学生做实验的时间:因为学生人数多, 围在一起后面的学生就无法看到, 教师必须讲解多次才能保证每一个学生都有机会看到。随后改为黑板板书+PPT讲解的方式, 但经过实践后, 发现讲解过程不直观, 学生不容易理解。将Multisim仿真引入后, 我们使用了黑板板书+PPT+电路仿真的讲课模式, 将仿真波形打到投影仪上讲解测量方法, 省时省力, 学生也很容易理解。

3 突破了实验室仪器、元器件不足等条件的限制

教师们都希望开设的实验内容更丰富, 实验过程更灵活, 但是这些设想往往受到各种客观条件的限制:一方面, 现在的电路分析实验使用的都是实验箱, 上面提供的元器件有限;另一方面, 由于经费的限制, 一些不常用或者价格较高的仪器、元器件实验室无法备齐。比如在做设计性实验“RLC串联谐振电路的设计”时, 要求学生设计一个Q值和谐振频率特性在一定范围内的RLC串联谐振电路[3], 由于实验箱上的电感、电容数量有限, 如果要求的Q值过大, 根本没有相应的元器件可选, 而谐振频率特性曲线的测量只能使用描点法在时域上测量, 与用频率特性分析仪在频域上测量相比在直观性差很多。使用仿真软件后, 这些问题都迎刃而解, Multisim的元件库中包含了成千上万种元器件, 完全能够满足课堂教学的使用要求, 即使元件库里面没有的元件, 我们也可以自己根据所需元件的参数创建新元件导入到库中。另外Multisim的仪器库包含有十多种仪器, 足够满足我们的教学要求。

4 有利于避免安全事故的发生

电路分析实验属于电类实验, 如果操作不当, 轻者导致错误的测量结果, 重者有可能损坏仪器设备, 甚至引起人身伤害。例如“功率因数的提高”这个实验, 这是一个强电实验, 需要用到220V市电, 考虑到安全问题, 只将其作为演示性实验由老师做给学生看。现在做完演示实验后再安排学生用Multisim仿真, 可以在保证学生安全的前提下帮助其尽可能快的熟悉掌握整个实验。

5 为增强实验的探索性与研究性提供了便利

电路分析实验的传统教学方法比较死板, 一般是先由教师讲解实验过程, 然后让学生按部就班操作, 留给学生思考的空间很少, 即使是设计性实验也要受到实验室条件的限制, 无法让学生随心所欲的将自己的想法、思路以及设计的电路付诸现实。例如在直流电路实验中, 验证戴维南定理、叠加定理时, 教师会强调这些理论的是有适用条件的:在非线性电路中, 上述理论是不成立的。学生希望做相关的实验研究这些问题时, 发现实验箱并没有提供非线性电路模块, 需要自己购买元器件、万能板、电烙铁焊接电路, 还必须到实验室才能完成测量, 整个过程费时费力;而使用Multisim搭建电路仿真的方式, 只要有电脑, 就可以随时随地地搭建、研究电路实验。

当然, 使用仿真软件做电路实验也有其短板, 具体如下:

(1) 对学生仪器使用能力的培养不利

Multisim中的测量仪器与真实的仪器在外观、使用方法上还是有一定的差距, 实物操作要想获得准确的测量数据就必须正确地设置仪器、连接信号线、正确地读数, 这些要求在仿真软件中都被弱化了, 即使有错误软件也会自动弹出提示窗口。例如在正弦电路实验中用双踪法测量相位差时, 实物操作首先必须考虑信号源、示波器各自信号线的共地问题;其次连接好电路后, 要正确设置信号源的参数;最后用示波器测量参数时, 必须先将示波器的触发源、触发电平、扫描方式等相关设置调节好后才能得到稳定的波形。而用Multisim仿真时, 共地问题只需要在电路中放置一个接地符号即可, 信号源的参数直接输入数值就行, 示波器的相关设置调节无需考虑。因此要求学生必须先掌握实验仪器的使用方法才能用Multisim做电路仿真, 不能完全脱离实际。

(2) 难以提高学生解决实际问题的能力

首先, 实验故障的排除其实是电路分析实验课程中很重要的一项教学内容, 它贯穿在整个实验课程中。作为初学者, 学生在实验中很容易出错, 例如接线时短路, 输入电压值过大造成元器件烧毁等, 学生在教师指导下发现故障, 解决故障并思考原因对他们掌握实验原理、提高动手能力、养成细心严谨的实践习惯是非常有帮助的, 而用仿真软件做实验, 由于出错后不会烧毁元器件并有错误提示, 学生的依赖性增强, 也不需要细心严谨的做实验了, 因为出错的代价不过是重新画电路图而已。

其次, 真实的元器件, 在封装、材料、大小、功率上都有各种不同, 这些因素在设计电路时都是我们必须要考虑的问题, 而仿真软件中的元器件只是一些图形符号, 只有数值大小的差异, 在仿真软件中做实验, 这些因素都被忽略了。

最后, 真实实验中由于元器件元器件参数的分散性、各人测量习惯、仪器精度等原因, 即使测量方法正确也无法避免误差的出现, 如何正确的处理误差是教学的重点之一, 也是学生必须要掌握的能力, 而这项教学内容由于仿真软件的理想化, 在仿真实验中很难体现和实施。

6 结论

将仿真软件引入到电路分析实验教学中, 顺应了现代电子技术发展的趋势, 有利于激发学生的学习兴趣、节约实验成本、提高教学效率。当然它也有其局限性, 因此, 实验教师必须设计出相应的教学方法将实物实验与虚拟仿真实验有机地结合起来, 虚实结合、取长补短才能更好的实现电路分析实验的教学目标。

参考文献

[1]李升源, 刘宏, 周克良, 等.电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[J].实验技术与管理, 2010 (4) :74-76.

[2]王廷才.Multisim 11电子电路仿真分析与设计[M].北京:机械工业出版社, 2012.

交通分析仿真软件的研究趋势探讨 篇11

关键词：研究现状；研究趋势

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）26-6222-02

在计算机技术高度发展的时代，交通分析仿真软件的研究，不仅为交通发展所遇诸多问题的解决提供了可能，也为这些问题的解决节省了大量的相关费。与此同时，交通分析仿真软件的研发，也为交通事业的发展，乃至计算机模拟技术的进步作出了重要的贡献。结合目前交通分析仿真软件的应用实践，根据交通事业发展所面临的问题，探讨交通软件的研究趋势，可谓具有重要的作用。

1 交通分析仿真软件及分析现状分析

1.1 交通分析仿真软件

所谓的交通分析仿真软件就是指利用计算机模拟技术研发的一种能够模拟各种交通情况，在各种条件下为再现交通系统所面临的实际问题，为寻求最佳解决途径提供解决策略的一系列软件和一系列分析应用系统的总和。

根据这样的界定，我们可以知道交通分析仿真软件的研究与应用一定会涉及到以下的问题：首先，交通分析仿真软件的研究与应用与计算机的模拟技术密切相关。这也就是说，交通分析仿真软件的研发，一定与计算机模拟技术的发展呈现出同步的关系。即，交通分析仿真软件研发的需求，一定带动计算机模拟技术的进步，而计算机模拟技术的进步，一定也会使交通分析仿真软件的研发进行快速地更新。其次，交通分析仿真软件的研发与交通事业的发展必然要保持同步。即，交通分析仿真软件的应用是为了解决交通事业发展中所面临的诸多问题，而对交通事业诸多问题的解决又会反过来在一定程度上推动交通分析仿真软件研发的发展。最后，交通分析仿真软件与交通事业发展所遇到的问题一样，都会呈现出系统性的特点。换句话说，交通分析仿真软件研发中的系统性是指这种软件的研发把交通发展中所遇到的全部问题作为自己解决的对象。甚至可以这样说，交通事业发展所遇到的每一个问题都可以在交通分析仿真软件中找到模拟，并通过具体的模拟寻求到最佳的解决方案。

1.2 交通分析仿真软件的研究现状

交通分析仿真软件的研究现状可以从三个方面进行详细地解析。第一个方面是指根据交通分析仿真软件在应用实践中，对其存在的问题进行相应的解析；第二个方面是指根据交通事业的发展，对其所需要的分析仿真软件及其相关问题进行科学的阐释；第三个方面是指根据目前交通分析仿真软件在实践中的应用，结合交通事业的发展，对其相关分析仿真软件的需求趋势进行科学的预测，并通过这种预测干预交通分析仿真软件的研究。结合以上三个方面的具体内容，结合自己的工作实践，对交通分析仿真软件的研究现状进行如下的总结：

首先，对某些现有交通分析仿真软件的应用实践进行科学地评析。如路静同志在自己题为《基于TSIS的城市道路交通流仿真研究》的文章中，根据这款交通分析仿真软件的应用实践，不仅对TSIS软件的使用方法等具体应用知识进行了概述，而且还结合具体的应用对其软件中TSIS输入、输出系统和跟车模型、换道模型进行详细地解析。同时，作者还结合BDSim与TSIS交通分析仿真软件进行比较。详读这篇文章，我们可以知道，这篇文章是通过比较分析某一类交通分析仿真软件为主要目的的文章。它代表某一类交通分析仿真软件的研发过程。

其次，针对某一类交通问题所进行的软件分析。这类软件的研究，可以说是从微观的层面对相关问题进行科学地分析和阐释。这样的研究可以利于某一类软件针对某一类问题进行细化和改进，或对利用某一种特定的软件解决实践问题提出新的解决思路。如山东大学的魏强同志题为《基于Agent的城市道路交通仿真系统实现的研究》的论文。在这篇文章中，作者针对的是城市道路设计与规划的问题。正如其文章摘要部分所述“面向Agent的方法是分割复杂系统的有效途径且更适合分布式环境，Agent比对象更能反映现实，所以采用面向Agent的方法来实现交通仿真系统是适宜的”。

再次，对交通分析仿真软件与实际交通问题的协调发展，提出了自己的论文见解。研读这类论文，对交通分析仿真软件研发的与时俱进的相关问题颇有帮助。如，王寅弘、刘鑫栋在《城市道桥与防洪》上发表的、题为《港区道路仿真设计研究综述》一文。作者先从软件与实际问题必须协同的层面出发，提出了实际问题与软件研发与应用必须协调的论证思路，然后结合港区的实际问题，对港区交通流的预测、仿真模型的研究、交叉路口的设计等核心问题提出了自己的见解。

在此不厌其烦地论述交通分析仿真软件的研究现状是为了探讨其未来的研究趋势。这也就是说，要想预测某一项研究工作的发展，必须首先对其研究现状进行科学而客观的总结。然后再根据其存在的问题判断出其未来的发展方向。因为任何一项研究工作的发展，都是以解决现实问题为前提，交通分析仿真软件的发展趋势也不会例外。

2 交通分析仿真软件的研究趋势

根据交通分析仿真软件的研究现状，我们预测未来交通软件的发展必然呈现出以下的发展趋势：

首先，交通软件的研发具有系统性的特点。这种系统性表现在两个方面，即对原有交通软件的系统性的改进和针对交通事业所面临的问题进行系统性地研发相应的软件。正如上边提到的第一种研究现状一样，在BDSim与TSIS交通分析仿真软件进行比较的过程中，或者说在其具体的研究结果中，一定会使软件的研发者发现彼此存在的问题并针对这个问题对自己的软件进行相应的升级改造。与此同时，针对交通事业发展所面临的问题，不仅有针对城市道路进行的分析仿真软件及其相关问题的研究，如朱双荣的《城市交通流中观仿真研究》，而且还有《港区道路仿真设计研究综述》这样针对某一类交通问题进行的科学阐释。无论是《城市交通流中观仿真研究》还是《港区道路仿真设计研究综述》，它们都是交通这个大系统中一个组成部分，而又使其相关的实践研究呈现出“交通系统”的特征。

其次，交通分析仿真软件的研究具有针对性的特点。这里的针对性有两层含义。第一层含义是指交通分析仿真软件在其具体的运用过程中，针对非常明显。例如，《基于Agent的城市道路交通仿真系统实现的研究》一文就是针对城市交通具体问题的应用研究。第二层含义，针对性是指针对某一类软件的应用所遇到的具体问题进行改革性的分析。如，杨松、李连、曹文静等人的《VANET仿真中交通仿真研究》一文，既对VANET的现状进行了分析，又对其使用中的难点问题进行了阐释。特别是后者，对于软件VANET的更新有着重要的影响。

最后，交通分析仿真软件与交通事业的发展具有协调性。即交通事业发展所遇到的问题是交通分析仿真软件发展的动力，也可以说交通事业所遇到的问题为交通分析仿真软件的发展提供了机遇，而交通仿真的发展又通过对具体的问题的解决，促进了交通事业的发展。这种协调可以认为是在研发与应用中的协调；在交通分析仿真软件的发展还有另外一种协调：国内外交通分析仿真软件的协调。这种协调性可以看作是软件研究中的借鉴与提高层面上的协调。即国内外交通分析仿真软件可以在相互借鉴与提高的过程中，促进彼此之间的协调发展。

总之，交通分析仿真软件研究趋势可以从宏观层面和微观层面进行探讨。前者适合进行宏观层面的概括，后者适合针对某一个具体的软件进行详尽地分析。

参考文献：

[1] 汤瑞.基于TransModeler城市交通仿真平台的设计[D]. 淄博：山东理工大学，2012.

[2] 苗挺.基于VISSIM的交通控制硬件在环仿真系统[D].大连：大连理工大学，2013.

仿真教学仪器分析 篇12

一、以工程实例为依据, 激发学习兴趣

CAE技术的核心是结构离散化, 理论基础是有限单元法。即将实际结构离散为有限数目的简单单元的组合, 用这些单元的集合来模拟或逼近原来的实际结构, 从而实现对离散体的分析, 得出满足工程精度且接近实际结构的近似结果。对于民办学校机械类专业的本科生来说, 弹性力学根本没接触过, 力学的基础也仅限于工程力学 (理论力学和材料力学) , 对于《CAE技术》这门课程也有些望而生畏, 为了激发学习兴趣, 探索将复杂枯燥的应用软件与材料力学中的杆梁结构联系起来, 从简单的杆梁结构出发, 求得理论求解结果后, 将之与软件的求解结果相对应, 理解CAE软件精确的计算能力。

1. 平面桁架对比分析。

一平面桁架架构如图1.1所示, 此结构中所有构件均为二力杆, 受到顶点处F (2KN) 大小的集中力后, 各杆的轴向内力分别为:杆 (1) 、 (4) KN, 杆 (2) 、 (5) 1KN, 杆 (3) 不受力;轴向应力则为内力与横截面积的比值:杆 (1) 、 (4) Mpa, 杆 (2) 、 (5) 10Mpa, 杆 (3) 无轴向内力。将此平面桁架在ANSYS中建好模型求解之后的轴向力和轴向应力如图1.2所示 (图中FA为轴向力, 单位为N, SA为轴向应力, 单位为Pa) 。由图可知, 用软件的求解结果和计算结果一致, 则说明用ANSYS软件分析杆系结构可以实现精确求解结果。

2. 矩形截面悬臂梁对比分析。

由悬臂梁的弯曲分析可得, 端部受到F大小的集中力后此梁的最大变形为yB, 由材料力学可知:带入已知的数据 (弹性模量为2.1×105Mpa) 后可得最大的变形值为28.896mm, 如图1.3所示, 两次的求解结果仍然一致。

由上述两个例子中可以得出, 用ANSYS软件可以对杆、梁问题进行精确分析, 验证问题的同时, 省却了手工计算的繁杂和不确定性, 激发了学生的求知欲。由此可以延伸到其他相对简单的工程问题是否一致, 如何一致。探索结果, 激发兴趣。

二、以机械应用为目标, 选取教学重点

针对独立学院学生特点, 将教学重点放在有限元思想的建立、有限元方法的运用和平面、简单三维问题的求解上。使学生深刻理解“有限元方法是广泛应用于解决应力分析、传热学、电磁学以及流体力学等工程问题数值方法”的含义。首先通过杆系、简支梁等简单结构问题的分析求解, 使同学们基本掌握有限元分析问题的方法。同时举一反三, 至少能够达到对所有简支梁问题进行准确求解的能力。其次通过简单零件、复杂形状实体、复杂模型的创建等模型创建的课题的设计, 使同学们初步掌握ANSYS“自底向上”和“自顶向下”两种建模方法, 能到达到用ANSYS软件建立简单模型的能力。再次设计梁结构、连续体的静力学分析算例;设计模态分析、振动分析的算例;设计谐响应分析、受迫振动、瞬态动力学分析算例等, 使同学们能够实现机械与结构分析的入门。最后进行拓展练习, 设计接触、疲劳、稳定性、碰撞、优化设计等问题的分析算例, 使他们能掌握AN-SYS中更复杂的计算方法。

三、以现有资源为基础, 侧重上机实践

ANSYS有限元分析软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。针对民办高校应用型本科生的特点, 对有限元的基础理论只做简单介绍, 重点侧重上机实践。为了使学生能直观地接受CAE软件, 本课程申请了全程机房教学。通过直接的上机实践, 加深对三个模块的理解;通过对各个案例的上机实践, 提高对ANSYS软件的应用能力。

四、以目前困境为出发点, 注重下步工作

由于CAE分析软件在工业界的影响越来越大, ANSYS软件在高校教学中的应用是非常必要的。我院正是看到了这一点, 积极在民办高校中推广此软件的使用, 能在教学中体现CAD/CAE/CAM设计、分析、制造三位一体的培养模式。经过09级、10级两届学生的实践, 《CAE技术》课程已基本形成一套比较成熟的教学方案, 此门选修课也深受同学们欢迎, 选课率达到80%以上。但在教学过程中也发现了一些不足之处, 由于有限元方法的理论基础相对深奥, 课堂教学则主要从材料力学着手引入有限元的离散思想, 所以在后期分析阶段的效果不是很理想。基于以上两方面的特点, 下步规划编制适合自己学院学生的上机指导教程。

摘要：本文介绍了一种《CAE技术》课程全程机房上课的教学模式, 将ANSYS软件作为载体, 设计了深入浅出、引出式的案例教学, 逐层递进的教学重点, 在取得了良好教学效果同时也看到了自身不足, 为下步工作做好铺垫。