模拟比较（共9篇）
模拟比较 篇1
1、引言
随机生产模拟于20世纪60年代末出现, 是电力系统规划工作中的重要工具, 用于模拟发电调度, 预测各发电机组在一段时期内的发电量期望值及燃料消耗量, 同时还可计算出该系统的可靠性指标。
随机生产模拟考虑了发电机组停运、负荷波动等不确定性因素, 很好地描述了电力生产中的随机性。在实际计算中, 有多种算法, 各算法有各自的优点与缺点, 本文将就两类常见的方法介绍对比。
2、随机生产模拟的基本原理
2.1 持续负荷曲线
随机生产模拟是以等效持续负荷曲线为核心的, 各类随机生产模拟的方法都以此为基础发展起来的, 该曲线综合考虑了发电机组的随机停运和负荷随机波动, 将两者结合起来从而形成等效持续负荷曲线。
在引入等效持续负荷曲线之前, 先对持续负荷曲线进行介绍。在得到负荷曲线时, 首先形成持续负荷曲线, 如图1所示的持续负荷曲线, 图中横坐标为系统负荷, 纵坐标为负荷的持续时间, T为模拟周期, 模拟周期根据具体的需要而定, 曲线上任意一点 (x, t) 表示系统负荷大于或等于负荷x的持续时间t, 即t=F (x) 。
用周期T除以上式, 得到
式中P可以看作系统负荷大于或等于x的概率。从而系统总负荷为
相类似的, 式 (2) 除以T, 可以得到负荷的平均值 (又称为期望值)
设系统在模拟周期T内投入运行的发电机总容量为Cs, 由图1得, 系统负荷大于发电机总容量的持续时间为
从而得到电力不足概率LOLP为
而相应的, 系统负荷大于发电机总容量时, 图1中的阴影部分的负荷需求, 从而得到电量不足期望值
2.2 递归卷积法
在实际运行中, 发电机组不完全可靠, 存在着随机停运, 因此, 需要考虑发电机组的随机停运状态, 并对原始持续负荷曲线进行修正, 得到考虑随机停运的等效持续负荷曲线。在修正等效持续负荷曲线时, 引入卷积的概念。式 (1) 为原始的持续负荷曲线f (0) , 设第一台发电机首先带负荷, 其容量为C1, 可用率为p1, 强迫停运率为q1=1-p1。
当该机组处于正常运行状态时, 它和其他发电机组所带的负荷由f (0) (x) 来表示。当机组1故障停运时, 系统负荷将由除去机组1剩下的发电机承担, 相当于机组1和其它发电机组共同承担了的xmax+C1负荷, 即曲线f (0) (x) 向右平移了C1, 即图2[1]中f (0) (x-C1) 曲线。
由于机组1可用率为p1, 强迫停运率为q1, 因此考虑其停运时, 等效持续负荷曲线变为:
同理, 可得到第i台发电机的卷积公式:
式中, Ci为第i台机组的额定容量, pi为第i机组的可用率, qi=1-pi, 为故障停运率。假设系统中有n台发电机, 当所有发电机组全部卷积后, 即可得到最终的等效持续负荷曲线f (n) (x) , 此时最大等效负荷为xmax+Cs, 而如图3[1]所示, 相对应的电量不足期望值和电力不足概率分别为:
3、等效电量函数法
上文阐述了随机生产模拟的基本原理。通过运用卷积法得到等效持续负荷曲线, 但为了保证计算精度, 计算过程需要大量的离散点描述持续负荷曲线, 计算量较大。而下文介绍的等效电量函数法在保证精度的基础上, 能够很好地解决计算量的问题。
3.1 等效电量函数法的基本原理
取机组容量的最大公因子Δx, 将横坐标x轴按Δx分段, 故根据2.2所述电量计算的公式, 可得离散化的电量函数:
式中J=
电力系统负荷的总电量为:
等效电量函数同样是把发电机组停运影响考虑在内的函数, 因此同样需要根据每个机组的可用率来安排其运行。
由2.1已知, 原始持续负荷曲线的概率分布为f (0) (x) , 其对应的电量函数则为E (0) (J) ;故安排完第i-1台发电机组带负荷后得到的等效持续负荷曲线f (i-1) (x) , 所对应的电量函数为E (i-1) (J) 。因此根据 (8) 及 (27) 式, 可得
式中Ki=Ci/Δx。
式 (30) 即为等效电量函数法的卷积计算公式。
同理, 根据 (10) 及 (27) 可得第i台发电机组的发电量为:
式中Ji-1=xi-1/Δx, Ji= (xi-1+Ci) /Δx。
在安排了第i台机组以后, 前i台机组带了区间 (1, Ji) 的负荷, 此时系统尚未满足的负荷电量应为:
式中EDi为前i台机组带负荷后, 系统中尚缺的电量。将式 (30) 代入上式得到:
由 (32) , 可得安排前i-1台机组后尚未满足的系统负荷为
因此 (33) 式中第二项为第i台机组的发电量, 与之前的式 (31) 一致。从而
而系统的电量不足期望值为:
系统的电力不足概率LOLP的计算需要用于2.2中提到的等效持续负荷曲线f (n) (x) 来说明。因为该曲线为单调减小的曲线, 所以LOLP大于其右侧Δx领域内任一点的函数值, 从而也大于该区间内函数f (n) (x) 的平均值, 平均值为:
根据等效电量函数的定义, 上式可以改写为
同理, LOLP小于其左侧Δx领域内任一点的函数值, 从而也小于该区间内, 函数f (n) (x) 的平均值, 故平均值为:
由式 (21) 及 (22) 得到LOLP的上下限:
在很小的区间内, 等效持续负荷曲线可以近似看成线性, 故在用等效电量函数法进行随机生产模拟时, LOLP计算可由下式得到:
4、算例
最后采用IEEEReliabilityTestSystem算例中的数据进行模拟, 机组数为7, 模拟周期为一天 (如表1, 2) 。
等效电量函数法的根据递归卷积法推出的, 将其结果与递归卷积法的对比, 可知, 采用等效电量函数法计算精度上相差不大, 计算得到的各机组发电量都一样, 程序运行时间也较小。因此在进行随机生产模拟时, 采用等效电量函数法比较合适。
5、结语
本文介绍了随机生产模拟的基本原理, 并介绍了两类计算方法, 通过算例比较了它们的优劣。等效电量函数法在计算量和计算精度上都有明显的优势, 因此进行随机生产模拟时, 采用该算法比较合适。
参考文献
[1]王锡凡.电力系统优化规划[M].北京:水利水电出版社, 1990:125-182.
[2]王锡凡, 王秀丽.随机生产模拟及其应用[J].电力系统自动化, 2003, 27 (8) .P10-15.
模拟比较 篇2
在对模拟台风浪时海浪模式常用的经验模型风场和多重嵌套中尺度气象数值模式风场的结构和时间演变特征进行对比分析的基础上,分别采用这两种风场资料,应用最新版本的`第三代海浪模式SWAN对Winnie引起的台风浪进行了模拟,将模拟的有效波高与TOPEX/POSEIDON和ERS-2卫星高度计资料作了详细的对比分析.结果表明,经验模型风场对实际台风风场的刻画存在诸多缺陷,这些缺陷对于台风浪的准确模拟产生了不可忽视的影响,采用模式风场试验的模拟效果优于采用模型风场的试验.论文提出了在运用海浪模式模拟台风浪时用数值模式模拟风场替代经验模型风场的必要性.
作 者：蒋小平钟中 张金善 杨文凯 作者单位：蒋小平,钟中,杨文凯(解放军理工大学气象学院,江苏,南京,211101)
张金善(南京水利科学研究院,江苏,南京,210029)
观察和比较鼓膜的振动模拟实验 篇3
一、实验创新意图
1.实验出处
本实验是针对教科版小学科学四年级上册“声音” 单元“我们是怎样听见声音的”相关内容,实验目的是想通过模拟的方式让学生对看不见的鼓膜进行研究,从而很好地理解人是怎样听见声音的。
2.原实验存在的问题
原实验设计是将一个烧杯 ( 或杯子 ) 的杯口用气球皮包紧,再在气球皮上撒上小纸屑,用敲击后的音叉靠近气球皮,目的是想通过气球皮的振动带动纸屑的跳动, 证明声音能使鼓膜产生振动 ( 如图1所示 )。但是我们在实际操作的过程中,发现纸屑的跳动并不明显 ( 少量纸屑轻微跳动 )。并且用这个装置模拟耳道和鼓膜不够形象,非常牵强。
又想,是不是因为纸屑太重影响跳动?因此我们将纸屑换成更轻的盐颗粒 ( 如图2所示 ),结果还是不明显。
3.实验创新点
采用废弃的保鲜膜纸筒模拟外耳道,用气球皮紧绷在纸筒上模拟鼓膜。这种模拟非常形象,可以让学生更好地理解耳朵内部结构。放弃音叉这个声源 ( 学生在生活中难找到 ),采用手机、收音机等生活中常见的声源, 这样学生可以在家重复实验。
二、实验创新介绍
1.实验器材(如图3所示)
铁架台、气球皮 ( 或保鲜膜 )、橡皮筋、保鲜膜纸筒 ( 或卫生纸纸筒等圆筒状物品 )、手机 ( 或收音机 )、 盐颗粒、拉杆夹 ( 用透明塑料片将纸筒包围住,以免盐掉落 )。
2.实验步骤
(1) 将气球皮 ( 或保鲜膜 )、透明塑料片紧绷在保鲜膜纸筒上。
(2) 将纸筒固定在铁架台上。
(3) 在气球皮上撒盐颗粒。
(4) 用手机音响 ( 或收音机等 ) 对准纸筒底部,播放音乐,声源一定要悬空放置,不能放在铁架台上,以免被人误解为是“声源振动带动铁架台振动”。安装与实验方式如图4、图5所示。
3.实验效果或优势
实验效果:伴随声音的播放,盐颗粒跟着跳动,并且声音越强,盐颗粒的跳动也跟着变高,声音停止,跳动也跟着停止。
实验优势:如图6、图7所示,我们实验用的保鲜膜纸筒 ( 或卫生纸筒 ) 模拟长长的外耳道,纸筒的一段是开口的,我们的外耳道一段也是打开的。用气球皮 ( 或保鲜膜 ) 模拟鼓膜,手机 ( 或收音机 ) 充当声源,当声音打开, 气球皮上的盐颗粒明显跳动,而且随着声音大小的变化, 跳动高度也跟着发生变化。形象地说明了声音能使鼓膜产生振动。
模拟比较 篇4
某型号火箭发动机高空模拟试验中扩压器的数值计算与试验比较
文章利用FLUENT软件对某型号液氢/液氧火箭发动机在高空模拟引射试验中扩压器进行数值计算,并与试验测量数据进行比较.用Visual C
作 者：朱子勇 李培昌 瞿骞 作者单位：北京航天试验技术研究所,北京,100074刊 名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：27(2)分类号：V433.9 TB115关键词：火箭发动机 引射试验 扩压器 数值计算
模拟比较 篇5
为了进行水稻生长模型的本地化应用, 找出适合本地气候条件的生长模型, 本文选取长江中下游地区水稻生产的主要省份江西地区典型性晚稻丰源优299为实验案例, 以当地主栽水稻品种及典型土壤类型、气象条件为背景, 开展同品种、不同播种期的大田试验, 获得水稻生长发育及产量实测数据, 对ORYZA2000和WOFOST两个模型进行水稻生长发育模拟, 以研究不同播期对水稻生长发育的影响, 并检验模型在江西地区的适应性, 为进一步提高水稻培育和田间科学管理水平。
1模型介绍
1.1 ORYZA2000模型介绍
ORYZAZ2000模型是ORYZA系列水稻模型的最新版本。ORYZA系列水稻模型是由国际水稻研究所与荷兰瓦赫宁根大学联合研制的模拟水田和早作水稻的生长模拟模型。水稻生长模型ORYA-ZA2000集成和发展了早期开发的ORYZA1、ORYZA_W和ORYZA_N模块, 它同样是一个以日为时间步长的生理生态模块, 可动态和定量的描述潜在生产水平、水分限制水平和氮素限制水平下的水稻生长发育、产量形成以及土壤水分、氮素的动态变化过程。该模型主要由生长模块、蒸散模块、氮素动态运移模块、土壤水分平衡模块等构成[1]。
1.2 WOFOST模型介绍
WOFOST模型是荷兰瓦赫宁农业大学和世界粮食研究中心共同开发研制的作物生长模拟模型。模拟基础是在特定的土壤和气候条件下对一年生作物进行生长模拟, 主要包括作物同化作用、呼吸作用、蒸腾作用、干物质分配等生理生态过程, 并描述这些过程如何受环境的影响[11]。
2材料与方法
2.1数据资料
试验在江西省农业气象试验站南昌试验点实施。南昌市位于东经115°27″~116°35″, 北纬28°09″~29°11″。地处江西省中部偏北, 赣江、抚河下游, 东北滨临我国最大的淡水湖鄱阳湖。当地气候条件适合水稻生长, 土壤肥力中等。试验采用早播 (SE) 、中播 (SM) 、晚播 (SL) 三个播期水平, 其中中播种期为当地当前的播种期, 并可作为对照, 每个播期间隔10 d。育苗期为30~35 d。小区周围有20 cm高田埂, 重复之间走道留50~100 cm, 南北向种植。四周有保护行。小区面积20 m2。密度等其它田间管理同当地常规高产大田水平。
2.1.1生物量数据
在出苗期 (当天, 日期) 、移栽期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、乳熟期、成熟期 (可与考种同时取样) 测定记载:植株高度、生物量 (分叶、茎、抽穗后穗部生物量、总干物质) , 鲜重测定后105℃杀青15 min, 然后在80℃下烘干至恒重, 重复2次。在主要生育期按照《农业气象观测规范》进行叶面积指数 (LAI) 测量。在收获期取长势均匀处每区1 m2取植株5株进行考种, 考种主要测株高、有效穗数、每穗总粒数、千粒重。
2.1.2气象数据
2010~2011年南昌试验站逐日气象数据, 包括太阳辐射量 (J/m2) 或日照时数 (h) 、最高温度 (℃) 、最低温度 (℃) 、水汽压 (k Pa) 、平均风速 (m/s) 和降水量 (mm) 。应用于WOFOST模型的还有200 cm高平均风速 (m/s) 及降雨天数。
2.1.3土壤参数
土壤参数主要通过文献资料以及当地现场采样获得为主, 包括凋萎系数、田间持水量、土壤水分下渗率等, 并计算饱和体积含水量和饱和导水率等参数。
2.2参数确定与检验方法
2.2.1参数确定
应用模型前要经过一系列调参与检验, 首先是检验模型运行的输出结果在逻辑上是否正确;其次是校正模型, 利用实验数据校正模型中的参数, 这些参数包括发育速率、干物质分配系数、比叶面积、叶片相对生长速率、叶片死亡速率、茎同化转移系数以及最大粒重等[12]。
3结果与分析
3.1参数确定
利用田间观测数据进行模型作物参数调试, 获得不同水稻各发育阶段的发育速率、干物质分配系数、比叶面积以及叶片相对生长速率等参数。ORY-ZA2000模型将作物发育划分为4时期, 即出苗 (DVS=0) 、穗分化 (DVS=0.65) 、开花期 (DVS=1) 和成熟期 (DVS=2) 。模型中需要校准的作物生育期参数有四个, 即营养生长期参数 (DVRJ) 、光周期敏感参数 (DVRI) 、穗分化期参数 (DVRP) 和生殖期生长参数 (DVRR) [13]。以下表1为ORYZA2000模型模拟江西省水稻生长参数值, 表2为WOFOST模型模型模拟江西省水稻生长参数值。
注:DVR:发育速率, SLA:比叶面积。
3.2两种模型生物量模拟结果对比
3.2.1生物量模拟
ORYZA2000和WOFOST两个模型在茎生物量、穗生物量干重模拟结果较为相似。从地上生物量模拟效果看 (图1、图2, 图中hm2为公顷, 1 hm2=0.01 km2, 下同) , ORYZA2000模型与WOFOST模型都显示与实测值效果一致性, 但ORYZA2000模型在效果方面优于WOFOST模型。
注:DVS:发育阶段, A、B、C为不同播期;FLTB:稻叶干物质比例;FSTB:稻茎干物质比例;FOTB:地上部分干物质比例。
3.2.2叶面积指数模拟结果对比
从叶面积指数 (LAI) 模拟效果看 (图3、图4) , 两模型模拟的叶面积指数与实测值基本趋于一致, 能较好的反映该品种水稻叶面积指数的变化动态。在出苗后223~275 d, ORYZA2000模拟结果显示出较高一致性, 而WOFOST的LAI模拟结果误差较大。
3.3模型的独立性验证与评价
表3为ORYZA2000和WOFOST两个模型作物变量模拟结果的独立性检验数值。由NRMSE值可知, 水稻各生物量的规律为:穗、叶的NRMSE较大, 茎生物量的NRMSE次之, 总生物量的最小。一般而言NRMSE值越小, 模拟效果越好, 值相同时考虑R2等参考量的影响。WOFOST模型的模拟值与实测值得回归曲线基本斜率基本大于1.0, 但各项生物量的NRMSE值波动较大, 穗生物量的NRMSE值过大, 叶生物量的NRMSE值较小。虽然ORY-ZA2000和WOFOST两个模型对各自模拟的地上总生物量NRMSE较为接近, 但ORYZA2000模型叶面积指数的NRMSE误差小于WOFOST模型, 因此ORYZA2000模型模拟更为准确, ORYZA2000模型比WOFOST模型在江西省稻区使用拥有更好的的适应性。
注:N为样本数, Xobs表示实测值的平均值, Xsim表示模拟值的平均值, SD为标准差, P (t*) 表示t检验, α为模拟值与实测值的线性回归斜率, β为截距, R2为决定系数, RMSE表示模拟值与实测值的均方根误差, NRMSE表示归一化均方根误差。
4结论与讨论
模拟比较 篇6
20世纪以来, 随着科技的不断进步, 传统的手工劳动已不能适应社会的快速发展, 机器时代顺应而生。为更好地将机器劳作代替手工劳动, 且高效率完成工作任务, 各种控制机器的智能算法随之产生。本文按照3种智能算法——蚁群算法、模拟退火算法、遗传算法的时代产生顺序, 依次介绍3种算法的由来及其应用领域, 并将3种算法在求解方面和收敛速度方面进行了分析比较。
模拟退火是1953年Metropolis等人根据物理中固体加温、等温、冷却过程提出的, 该过程与实际生活中的一些组合优化问题具有通融性, 目前已在工程中得到广泛应用。遗传算法是1975年J.Holland教授依据达尔文的“适者生存, 优胜劣汰”的自然进化机制首先提出的。该算法在求解过程中, 能够自动适应和控制搜索方向, 在机器学习、信号处理、自适应控制等领域得到较好应用。蚁群算法是1991年Dorigo等人提出的一种新型智能算法, 该算法思想源于自然界中蚂蚁觅食行为, 蚂蚁在觅食过程中会寻找最短路径, 故蚁群算法最早应用于解决TSP问题, 初见成效后, 陆续应用到静态、动态组合优化问题中。3种算法在智能计算中都发挥着重要作用。
2算法实现
本节以传统TSP问题为研究对象, 分别介绍3种算法——蚁群算法、模拟退火算法、遗传算法在解决TSP问题时的算法实现流程。
2.1蚁群算法实现流程
本节给出使用蚁群算法解决TSP问题的流程图, 如图1所示。
2.2 模拟退火算法实现过程
本节利用伪程序阐述使用模拟退火算法求解TSP问题, 过程如图2所示。
上述过程中, T是初始温度, S是初始值, S’是当前回路产生的新回路, f (S) 是路径总长度。
2.3 遗传算法实现过程
遗传算法解决TSP问题的实现过程如下所示。
步骤一:种群初始化。在众多染色体编码方法中选择实数编码解决TSP问题。初始化种群数量、染色体基因个数、交叉概率、变异概率、迭代次数等。
步骤二:写出适应度函数。对于TSP问题, 觉得算法好坏的指标是总距离。根据染色体可计算出总距离, 距离越短, 适应度函数越好。
步骤三:选择算子。程序采用轮盘赌策略, “优胜劣汰”的思想, 并且在每代中保存适应度最好的个体。
步骤四:交叉算子。采用单个染色体指定位置交叉的思想, 防止程序过早陷入局部收敛。
步骤五:变异算子。根据变异概率, 随机选择变异个体, 随机选取染色体中的基因进行交换实现变异过程。
3 三种算法的比较
本节验证蚁群算法在求解质量和收敛速度方面的优劣, 待比较算法为模拟退火算法和遗传算法。实验过程分为两组:第一组比较三种算法在所得解质量方面的优劣, 第二组比较三种算法在收敛速度上的快慢。
3.1 求解质量对比
求解质量对比可描述为在相同条件下, 即随机生成5组数据, 每组数据包含50个不同城市, 组成五个完整的TSP问题, 得到蚁群算法与模拟退火、遗传算法所得解质量的优劣。在随机产生的问题上的运行结果如表1所示。
从表1可以看出, 蚁群算法求解的质量最高, 其他两种算法——模拟退火、遗传算法求解质量不及蚁群算法。
3.2 收敛速度对比
收敛速度可以作为评判算法性能优劣的一个重要指标。本节对蚁群、模拟退火、遗传算法在收敛速度方面进行比较。实验过程包含三个城市数量在50到100之间的几何问题, 三种算法在几何问题上的仿真结果如表2所示。
从表2可以看出, 随着城市数量的增加, 3种算法收敛到最优解的迭代次数差距也随之增大。当城市数量为50时, 蚁群系统在第2412代收敛到最优解, 而模拟退火算法在68512代收敛到最优解, 与蚁群算法收敛速度相差一个数量级, 遗传算法介于蚁群系统和模拟退火算法之间, 在第25000代收敛到最优解。以上结果表明:蚁群算法的收敛速度最快。
4 结语
蚁群算法与模拟退火、遗传算法在细节上具有差异, 如蚁群算法适用于小规模智能计算、遗传算法可能陷入局部最优解等, 但3种算法都具有较强的鲁棒性, 算法间可以相互融合, 也可与其他启发式算法融合, 改善算法的性能。
参考文献
[1]程飞.改进蚁群算法及其应用研究[D].江西:江西理工大学, 2013.
[2]何小锋, 马良.带时间窗车辆路径问题的量子蚁群算法[J].系统工程理论与实践, 2013, 33 (5) :1255-1261.
数字中频和模拟中频频谱仪的比较 篇7
原理及设计对比
为了便于说明数字中频和模拟中频对于频谱仪的影响, 我们先简单分析一下这两种类型频谱仪实现的原理。图1就是典型的模拟中频频谱仪的原理框图。射频信号进入频谱仪后首先经过衰减器, 将信号幅度调节到混频器最佳工作范围内, 然后通过频谱仪内部的变频器将射频信号变到相对较低的中频, 中频滤波实现不同带宽的选择后, 包络检波图2数字中频频谱仪的原理框图后得到视频信号, 最终显示在屏幕中。由图1可见, 几乎所有部件都是模拟器件, 因此模拟中频实现的频谱仪一般都比较笨重。
而数字中频频谱仪的设计核心是全数字式的中频转换和信号处理链, 通过全数字中频技术, 分析仪不再依赖于响应迟钝的晶体和LC型滤波器。射频前端的处理与模拟中频频谱仪的射频部分处理无明显变化, 重点在变频器完成频谱从高到低的搬移后, 通过A/D转换器实现模拟到数字的变换, 使用数字处理方式实现数字下变频、中频滤波器、包络检波器、视频滤波器以及幅度定标等模块, 最终完成输入信号谱的计算和显示。与模拟中频频谱仪比, 数字中频频谱仪在数字域上实现放大、滤波、检波等一系列中频处理, 并最终送给LCD显示。数字检波器, 数字滤波器的采用极大地提高了系统的稳定性、一致性、测量速度, 同时进一步缩小了频谱仪的体积。
数字中频频谱仪与模拟中频频谱仪比较, 具有得天独厚的优势, 同时数字中频的研究也有很多技术上的难点需要突破, 具体说来包括数字中频系统布局, 数字滤波器、数字检波器的设计, 以及扫描时间的研究。数字中频技术是频谱分析仪的关键技术之一。负责对A/D采样得到的中频信号解析出来, 最终以谱线形式提供给用户, 包括A/D采样, 数字下变频, 中频滤波器, 包络检波器, 视频滤波器, 以及幅度定标等模块。如何合理的布局, 组织数据流链路, 以及资源优化都是数字中频技术研究课题之一。
数字中频实现中重要的一个模块是数字中频滤波器的实现。采用数字中频滤波器可以得到高稳定的性能表现, 同时可以得到更小的RBW切换误差, 以及滤波器稳定时间。该模块包括CIC滤波器, 及FIR滤波器, 如何得到设计要求的3dB RBW带宽, 以及<5:1的60d B/3d B形状因子, 综合考虑动态范围要求的旁瓣抑制, 以及符合扫描时间要求的响应时间都是研究的重点。
各种视频检波器也都使用数字方式实现。为了适用不同类型信号的测量, 频谱仪需要提供相应的检波方式:包括正峰值检波, 负峰值检波, 标准检波, 抽样检波, 有效值平均检波, 电压平均检波等。其中部分检波需要使用CORDIC算法来完成。
此外, 另一个需要重点研究的课题是扫描时间, 扫描时间几乎涉及到频谱分析仪系统各个环节的响应时间, 因此该问题的研究复杂度较高。该问题涉及到射频前端本振何时调频, 频率锁定的最小时间, 中频滤波器的稳定时间, 检波等运算时间等。扫描时间的优化涉及到各个模块响应时间的精确计算以及各个模块单元的优化。只有充分研究清楚系统中各个环节的最短响应时间, 才能充分发挥数字中频快速稳定精确的特点。
指标分析
采用全数字中频的频谱仪与模拟中频频谱仪比较, 若干关键指标都得到较大幅度提升, 同时稳定性, 可生产性也得到较大幅度的提升。以DSA1030A作为数字中频代表与市面上模拟中频频谱仪做比较来说明数字中频技术的优越性。
1. 采用全数字中频技术可以测量更小的信号:
通过实现更小带宽的中频滤波器, 大幅度降低了显示平均噪声电平。DSA1030A实现了最小10Hz的RBW, 而要实现这么小带宽的模拟滤波器技术上是很困难的。如图3所示, 当设置更小的RBW时, 频谱仪的本底噪声也将相应降低 (VBW都选择10Hz, 同时扫描时间都选择自动) , 降低大小可以用公式 (1) 说明。如果RBW从10kHz修改成1kHz, 则底噪将下降10dB。DSA1030A在内部标配的前置放大器打开之后, 选择10Hz的RBW, 可以测量达-148dBm的信号, 如图4。
其中:ΔdB—低噪的变化量, 单位为dB;BW1—修改前的分辨率带宽值, 单位为Hz;BW2—修改后的分辨率带宽值, 单位为Hz。
2. 采用全数字中频技术可以分辨更近的信号:
通过实现更小带宽的中频滤波器, 可以分辨频率相差只有10Hz的两个信号。最小分辨率带宽是用来说明频谱仪能分辨两个幅度相当而频率相差很小信号能力的指标。越小的分辨率带宽就可以分辨距离越近的信号。例如输入一个两个频率相差150Hz的双音信号, 使用30Hz的RBW可以轻易分辨, 而3kHz的RBW则不能办到。图5和图6所示。分辨率带宽是指中频滤波器下降3dB处的带宽。
此外, 数字滤波器的形状因子可以做得更小, 从而以前被掩埋在大信号裙带下的小信号采用更好选择性的数字滤波器之后得以凸现。选择性是60dB带宽与3dB带宽的比值。DSA1030A的中频滤波器选择性为5, 远远优于模拟滤波器的15。如图7和8。采用数字滤波器的DSA1030A更容易分辨两个相距9kHz, 幅度相差30dB的信号。
3. 采用全数字中频技术可以获得更高精度的幅度指标:
几乎消除了传统模拟中频由于中频滤波器切换误差, 参考电平不确定度, 刻度失真, 幅度对数线性切换误差等诸多因素造成的幅度误差, 从而得到更高的全幅度精度。模拟中频频谱仪中修改参考电平是通过调节模拟中频放大器实现的, 刻度保真度也受限于充当包络检波的对数放大器, 此外, 中频滤波器的切换是通过选择不同模拟滤波器实现的。由于模拟器件受环境温度等影响, 会导致各个环节都带来幅度误差。然而, 数字中频就大大减弱和消除了这些误差影响。DSA1030A的全幅度误差小于1dB。
4. 采用全数字中频可以获得更宽的动态范围和显示范围:
数字中频频谱仪将中频信号转换成数字信号后, 动态范围决定于数字定点处理过程中的字长, 只要充足的处理资源就可以得到很高的动态范围。而模拟中频受对数放大器等器件的动态范围制约。因此, 模拟中频的频谱仪通常只显示80dB的范围内的信号, 而数字中频频谱仪可以得到大的多的测量范围和显示范围。DSA1030A可以设置200dB的显示范围, 而相同设置下测量范围达到130dB。
5. 采用全数字中频技术可以得到更稳定的表现:
与传统模拟中频相比, 大大降低了模拟器件的使用, 降低了硬件系统复杂度, 同时也降低了由于通道老化和温度敏感以及器件失效等造成的系统不稳定度。系统越复杂, 越不稳定。做硬件设计的都知道, 越简单的单板一定越稳定, 因为, 器件减少, 必然降低了出错的概率, 系统稳定性依赖于每个器件的稳定性。而使用数字中频, 复杂的器件组合编程固化在芯片中的代码, 经过反复测试调试, 程序可以按照设计的程式工作, 而不用担心其中一段代码突然工作不正常。
6. 采用全数字中频技术可以获得更快的测量速度:
数字中频滤波器技术的采用, 大大提高了滤波器的带宽精度和选择性, 减小了响应时间, 从而大大降低了扫描时间, 提高了测量速度 (见式2) 。
其中:Span—当前测量设置的扫宽, 单位Hz;RBW—当前设置的分辨率带宽, 单位Hz;VBW—当前设置的视频带宽, 单位Hz;KRBW—当前RBW的瞬态响应时间的比例系数;KVBW—当前V BW的瞬态响应时间的比例系数;
RBW的瞬态响应时间的比例系数与频谱仪的中频滤波器的实现有关, 模拟中频的频谱仪, 由于响应迟钝的晶体和LC型滤波器, 比例系数K一般为3左右。而像DSA1030A一样采用数字中频方案的数字滤波器可以得到更小的比例系数K, DSA1030A的比例系数达到1, 如图9所示。例如, 同样将频谱仪扫宽设置成10MHz, RBW设置成1kHz, VBW大于1kHz, 此时DSA1030A对应的K值为1, 扫描时间为10s;而模拟中频中K值如果为3, 则需要30s。
结语
全数字中频技术对频谱仪性能的提升具有里程碑意义。相对于模拟中频, 数字中频意味着更大的显示和测量动态范围, 更高的精度、信号分辨力、灵敏度, 更快的测量速度, 更稳定的表现以及更平易近人的价格, 相信频谱分析仪这个射频微波测量的利器将在工程师手中发挥越来越大的作用。
参考文献
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[2]RIGOL.DSA1000A系列用户手册[D].www.rigol.com
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[4]Bernard Sklar, 徐平平等译.Digital Communications——Fundamentals and Ampplications[M].北京:电子工业出版社, 2002.9
模拟比较 篇8
根据沪深300指数编制规则, 除遇成分股退市, 指数每年定期调整两次:分别为1月初和7月初。因此我们选取2011年1月5日至2011年4月29日的数据建立现货股票组合, 并选择2011年5月3日至2011年6月30日为组合模拟检验期。
由于传统指数基金只能在场外进行申购、赎回, 申购赎回费率以及管理费率都较高, 同时“T+0”交易和“未知价”结算等制度原因, 使得传统指数基金难以很好地复制沪深300指数。
一、ETF基金拟合
ETF (Ex ch ange Tr aded Fund) , 交易型开放式指数基金, 又称交易所交易基金, 是一种在交易所上市交易的开放式证券投资基金产品, 交易手续与股票完全相同。
相比传统的指数基金, ETF基金具有以下优点:首先, ETF基金不仅可以在场外申购、赎回, 还可以在场内进行交易, 交易方便、交易效率高。其次, ETF采用的是完全被动的指数化投资策略, 因而管理费较低, 投资者以较低的成本就可实现一篮子股票投资, 从而达到分散非系统性风险的目的。再次, 由于ETF交易特性, 使得二级市场价格和基金净值之间的偏差波动不大。
比较现存可场内交易ETF, 从相关性来看, 沪深300指数与鹏华上证民企50ETF、南方小康产业ETF、华安上证180ETF以及华泰柏瑞红利ETF的相关系数较高。
而从流动性情况来看, 华安上证180ETF、华夏上证50ETF、易方达深证100ETF、易方达上证中盘ETF以及华宝兴业上证180价值ETF的流动性较高, 从而冲击成本也就较低。
二、成分股复制
利用成分股复制沪深300指数, 主要有两大类方法:完全复制和抽样复制。
完全复制是指通过购买标的指数中所有成分股股票, 并且按照每种成分股股票在标的指数中的实际权重确定购买比例构建指数组合以达到复制指数的目的。
完全复制的缺陷显而易见:第一, 沪深300指数包含上海、深圳两地交易所300只股票, 要一次性构建数量如此庞大的组合, 不论是交易费用、还是由此产生的冲击成本都是非常巨大的。第二, 构建期现套利现货组合, 目的是追求跟标的指数相一致的收益率, 只要组合收益率能很好地拟合指数收益率就达到了目标。
抽样复制是指根据一定的原则和方法筛选出一定数量的成分股构建组合对指数进行复制。根据抽样方法的不同, 抽样复制可分为优化权重配置法以及行业分层优化配置法。
(一) 优化权重配置
首先按权重大小对沪深300个股进行降序排列, 在观测期内, 权重排名前十位中, 属于金融、保险业的股票就占据八位。我们选取权重排名前30位个股, 模拟构建现货投资组合。
衡量现货组合模拟目标指数效果的指标主要有三个:模拟成本、跟踪误差和相关性。
跟踪偏差的形式有多种, 这里我们选择修正的跟踪偏差, 即:
其中ei为每日跟踪误差, 等于现货组合收益率与标的指数收益率之差。注意到, 由此可见修正的跟踪偏差既考虑了跟踪误差的平均水平, 又考虑了波动程度。[1]
以跟踪偏差最小化为目标并且确保每支个股规划求解后最小权重为0.1%, 以2011年1月5日至2011年4月29日为估计期, 得出前三十只现货在组合中的优化权重。
注意到, 根据估计期各股的表现情况, 优化权重发生了较大变化。其中原来三十名排名较后的特变电工 (600089.SH) 给予了10.91%的权重, 而排名靠前的浦发银行 (600000.SH) 却达到了限制值。
直观地看, 通过选取30只成分股重新进行优化权重配置, 构建的现货组合可以较好地复制标的指数, 获取相应的收益率 (见图1) 。
配置后我们选取三个样本时间段进行现货组合跟踪效果检验, 分别为:2011年5月3日至5月9日, 2011年5月3日至5月30日, 2011年5月3日至6月30日。相隔的交易日分别为5日, 20日和42日, 检验结果见表4。
(二) 行业分层优化配置
按照证监会行业分类法, 沪深300指数成分股可分属于二十大行业类别。如图2所示, 金融、保险业, 机械、设备、仪表业, 采掘业, 金属、非金属业四大行业之和所占指数权重超过60%。
我们选择30只大权重股进行现货股票组合模拟指数, 尽管四大行业已经占据沪深300指数大半江山, 但是考虑到行业轮动象, 因此在保证小权重行业至少有一只股票的前提下选取行业内重大的个股。后级产业经济学硕士研
我们以跟踪偏差最小化为目标并且确保每只个股规划求解后最小权重为0.1%, 表6给出根据2011年1月5日至2011年4月29日数据对二十行业共计30支个股进行优化权重配置结果。
同样, 配置后选取三个样本时间段进行现货组合跟踪效果检验, 分别为:2011年5月3日至5月9日, 2011年5月3日至5月30日, 2011年5月3日至6月30日。相隔的交易日分别为5日, 20日和42日, 检验结果见表6。
比较表4和表6, 选取三十只个股对沪深300指数进行模拟, 可以达到很高的相关性。此外, 按权重进行优化配置与按行业分层配置两种方法模拟成本差不多, 但后者不论是在跟踪误差上还是与目标指数相关性上都要优于前者。
摘要：股指期货期现套利中现货组合的构建是套利行为的关键步骤。本文通过比较传统指数基金、ETF基金以及选取三十只成分股复制沪深300指数三种现货构建方法, 在综合比较交易成本、管理成本、冲击成本、流动性、与标的指数相关性以及跟踪偏差后, 得出通过行业分层配置法构建现货组合具有成本低、流动性强, 且与标的指数相关性及跟踪偏差与ETF基金相当的优点。
关键词：股指期货,期现套利,现货模拟,跟踪偏差
参考文献
[1]王红兵.股指期货套利中现货组合的规模、选股与配置[R], 联合证券, 2006.12.7.
[2]于新力等.股指期货推出后的套利机会及套利策略 (上) ——期现套利[R], 中信证券, 2007.5.14.
[3]于新力等.股指期货期现套利中的现货模拟技术对比研究[R], 中信证券, 2007.8.13.
模拟比较 篇9
1 模拟类游戏和教育类游戏的相关理论调查
1.1 模拟类游戏
模拟类游戏主要是模拟现实系统或社会生活的游戏。其分为两类：第一类是对于操作系统的模拟，例如汽车、飞机、直升飞机等普通人比较难接触到的系统[1];第二类是指对社会生活的模拟。游戏提供玩家一个可进行逻辑思考及策略、战略运用的环境，让玩家有自由支配、管理或统辖游戏中的人、事或物的权利，并通过这种权利达到游戏所要求的目的。其代表游戏包括《模拟城市》、《文明》等。
模拟类游戏最大的特点就是仿真，贴近生活、贴近现实。玩家在接触游戏之初时会感觉这一切都是真实的，没有任何的陌生感，而且在游戏中发生的一切也将是非常贴近生活化的，唯一给玩家带来的有点不切实际的感觉就是将生活夸张化、夸大化了，不像其他动作类游戏、科幻角色扮演类游戏，将玩家带入一个科幻的奇异世界中，与各种怪物进行厮杀搏斗。如由美国艺电(Electronic Arts)公司研发的《模拟人生2》，玩家扮演的角色过着近乎于现实相似的虚拟生活。
1.2 教育类游戏
教育类游戏是指以教育为目的、带有某种教学功能的游戏。教育类游戏具有区别其他游戏的最显著的特点—教育性，即教育类游戏是“绿色游戏”，是对人的成长具有积极意义的游戏。教育类游戏的主题必须健康，不能包含有暴力、色情和非法的内容。教育类游戏的内容大多和学生的学习、生活有关，涉及智育、德育和美育等各个方面，它的目的在于促进学生的全面发展，体现素质教育的宗旨。此外，游戏还要求游戏场景文明、角色行为文明，它倡导一种正义和正确的行为规范。
教育类游戏可以开发学生的学习潜能，促进学生思维、动作技能的发展，对学生的学习有着重要的意义。教育类游戏情境能激发学生的学习积极性和探索动机，让学生乐于去学，取得良好的学习效果。学习者在游戏规则内，通过不断的摸索、试误，逐渐找到游戏的技巧，获得游戏经验，从而更高效地继续进行游戏。在游戏中，学习者不知道下一个关卡是什么，不知道下一个学习任务该怎样完成，这就需要他不断探索，从而寻找答案。教育类游戏中充满了不确定性，没有预设的强制目标，没有存档重来的机会，没有明确预知的结局，每一个选择都将影响着游戏的结果，游戏中的每一个人都在影响着他人并受到他人的影响。正是这种不确定性和未知性使得玩游戏成为一个激发想象力和创造力的过程。学生在教育类游戏中，自由地选择策略和寻找帮助，创造性地完成学习任务。[2]
2 模拟类游戏和教育类游戏设计分析
2.1 模拟类游戏
《模拟人生2》是由美国艺电于2004年开发的一款模拟类游戏，游戏主题贴近于现实生活，关注民生。如在四季主题中可以体验不同的娱乐和生活乐趣，如冬天的雪球大战、夏日篝火、种植的乐趣等。大学主题中玩家可以在宿舍、兄弟会或姐妹会中开始自己的大学生活，游戏中的“你”有11科主修课可选，学期以天为单位来计算，为了取得好的学业成绩，确保最后可以拿到文凭，需要完成一些普通的家庭作业，请家教，以不断提升自己的学习技能;在毕业时，“你”会有4种新的职业和相关的职业奖励开启。同时，还可以加入各种协会和社团体会完整的大学生活：在休闲室活动，在体育馆运动，在水吧喝咖啡，结交朋友;另外，还可以搞搞恶作剧、开聚会、做兼职等等。在宠物主题中，玩家可以拥有宠物、教育它们，并选择宠物从事的职业。孩子可以训练鸟类，少年可以带狗到公园玩，大人和猫看电视，老人和宠物一起晒太阳。通过饲养宠物还能繁衍生育出你想得到的新宠物。宠物可以在这样的虚拟世界中和主人一起成长。
《模拟人生2》中玩家进入游戏中进行角色的扮演，还可以体验虚拟市民约会、狂欢舞会、享受一顿丰盛的晚餐等多采多姿的都市晚间生活，在游戏的市区中，有大量新开放的可以让玩家自己建造和设计的建筑，包括跳舞俱乐部、保龄球馆、香水服饰店等等;玩家也可以邀请游戏中的好友一同前往酒吧、俱乐部来个疯狂一夜;玩家还可以走出房间，在城镇中四处游荡。游戏带给玩家的乐趣就是看着电脑中的人每天过着新奇、多彩的生活。
玩家扮演的角色在虚拟世界中的一切都是控制在自己手中的，一切都是按照玩家自己的意愿进行，玩家所处于不同的环境中就可以得到不同的真实感受。最为重要的是玩家在模拟类游戏中扮演的角色就如自己在真实生活中扮演的角色。
2.2 教育类游戏
网络游戏《学雷锋》是2004年盛大公司推出的，游戏的题材则定位于宣传“七不”等日常行为规范上，让青少年在游戏过程中通过学雷锋做好事，得到教育。并且游戏的角色形象可爱，情节有趣，容易被青少年接受。玩家在《学雷锋》中可以控制的角色是少先队员，角色脚下有个光圈以区别于NPC角色。而游戏中有“说脏话者”、“踩草坪者”、“随地吐痰者”、“闯红灯者”、“乱丢垃圾者”等反面人物和“老爷爷”、“老大娘”、“小朋友”等需要帮助的人物。用户通过阻止反面角色的不文明行为、帮助弱势角色可获得一定的分值作为奖励，但如果没有及时阻止身边不文明行为的发生、没有对其进行帮助教育、没有及时给需要帮助的人以帮助，就会被扣除一定量的生命值，直至游戏结束。游戏《学雷锋》有着鲜明的教育目的，通过游戏的过程让青少年清楚的了解到“七不”规范，在青少年的行为规范上得到了启发，在日常生活中做到行为规范，遵守“七不”，游戏《学雷锋》也是中国最具有代表性的教育类游戏。
3 模拟类游戏和教育类游戏的比较分析
模拟类游戏都以仿真、模拟现实而著称，而这一点也恰恰真实的反应了游戏中虚拟生活与真实生活的相似性。在游戏中，玩家可以增长知识、经验。根据迁移理论，这些游戏中已获得的知识、经验，可以迁移到现实生活当中，当玩家在真实情境的现实生活当中时，更多的会用到游戏中已经习得的知识、经验来做判断。
教育类游戏本着教育为主，娱乐为辅的主旨。娱乐功能只是或多或少的通过游戏中的背景设计、角色设计、色彩表现等要素上得到体现，没有真正起到主导玩家进入游戏的作用。教育类游戏的最终目的是使玩家在游戏过程中能收获某一部分的知识点，所以此类游戏通常在策划之初都有较为明确的用户群体，对玩家的年龄层次和受教程度上也有一定的要求。而一般的教育类游戏大都注重与书面相关的知识学习，比如：语言、礼节礼仪等。这也导致了教育类游戏在一定程度上的单一性和局限性。通常留给玩家一种把课堂教学转化为电脑教学的印象，并没有真正起到寓教于乐的作用。
模拟类游戏相对于教育类游戏来说更贴近于生活，具备高仿真性，而人们选择此类游戏的初衷也多是受到其强烈娱乐性的驱使，容易让玩家接受并主动参与其中。虽然目前模拟类游戏在大众生活当中还只是娱乐的工具。但是，模拟类游戏所具有教育潜质的广阔前景正慢慢地体现出来，它也可以成为一种新型的学习方式。特别是对日常生活中日常技能的培养更是学习者在自身成长过程中不可或缺知识。尤其是在家庭及个人的成长、艺术审美、医疗卫生等日常生活层面上发挥着越来越重要的作用。可以借助于设计一些能够培养玩家处理紧急状况时的及时反应能力的模拟类游戏或具有养成某一种重要生活技能的具有教育意义的模拟类游戏，使模拟类游戏不仅仅是娱乐的载体，更成为培养玩家知识和能力的“良方”。
此外不仅在日常生活技能的学习上，在一些特殊专业的教育实践过程中, 出于对安全、技术、经济等诸多方面的考虑, 我们不能给学习者提供一个完全真实的现实环境。例如恶劣的自然环境考验、人体内部器官的认知和学习、生物机体解剖等实践, 学习者若想置身这样的真实环境中有一定困难, 所以只能另辟蹊径。数字虚拟技术的出现解决了实践学习中的种种困难，如今虚拟技术又与数字娱乐产业进行了有机结合，使得模拟类游戏综合了计算机技术、仿真技术、微电子技术以及数学、物理、生物和心理学等多门学科基本原理，令人产生身临奇境的感受。它借助计算机构造出一种虚拟的场景, 通过刺激人的视觉、听觉、触觉、味觉以及嗅觉等感官使玩家产生身处于现实环境中一样的心理感觉, 玩家可以与这个虚拟的真实环境实现交互, 在游戏的互动过程中玩家可以学习和了解到相关的专业知识，提高专业的理论和技能学习，实现教育的目的。
综上说述，模拟类游戏给玩家提供了一定的想象空间，它也是连接现实与虚拟之间的桥梁。在游戏进行到一定程度的时候，玩家会对游戏过程的变化发展有一个确认的过程，此时的变化发展过程也是玩家知识、经验的加工过程。这个过程也就相当于学习过程中的“反馈”。如果把教育类游戏中的教育功能的潜质合理地融入模拟类游戏设计中，在模拟类游戏中实现教育和娱乐的双重目的。这样的结合相对于较为单一的教育类游戏来说，不仅可以激发玩家的主动性、拓展玩家群体、丰富玩家的自然、人文社会知识面，而且可以最大限度地实现“寓教于乐”的目的。
4 结论
模拟类游戏的设计创意来源于生活，关注与人类生活密切相关的各种方面，教育伴随着人类的成长，是提高修养和内涵的重要途径和行为，两者可以相辅相成。模拟类游戏有了教育功能可以使游戏内容上更加丰富，而教育的目的也可以通过模拟类游戏的游戏平台得以更好地实现。今后伴随着游戏类型的不断发展变化，对游戏的功能性要求也在不断的提高，传统单一化的游戏类型将逐渐被打破，游戏的内容需要多元化的融会贯通。本文通过对模拟类游戏和教育类游戏的比较分析，归纳了两者在功能性上的特点，这不仅对模拟类游戏中现实教育功能的可行性和必要性进行了分析研究，同时在一定程度上对游戏的功能性设计提出了要求。
参考文献
[1]周浩惠.“游戏教育:一种寓教于乐的新方式[J].电脑知识与技术, 2009, 5 (8) :1958-1959.
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