模型仿真（精选十篇）
模型仿真 篇1
近些年来,已有部分学者对航空组件建模进行了研究。邹冰根据飞机环境控制系统中基本组件的工作原理、结构性能参数和部件试验曲线等,利用MATLAB / SIMULINK仿真平台开发了组件的仿真模型[7]。马麟龙运用机理建模方法,根据飞机空调系统基本组件的工作原理,建立了热交换器、涡轮冷却器、压气机和传感器等组件的精确数学模型[8]。耿宏将LRU按照内部结构和功能划分为不同的模块,再采用离散事件系统DEVS的原子模型和组合模型描述组件的功能模型[9]。刘睿等人提出了基于模型重构的航天器部件级故障建模方法,将部件划分为不同的功能单元进行建模[10]。以上建模方法均详细分析了组件的结构和工作原理,从而得到了较为准确的组件功能模型。但对于数量庞大的航空电子组件来说,这些建模方法较为费时费力,并且不具有良好的重用性。而建立适用于飞机维修仿真的组件模型,关键在于保证模型能满足飞机维修仿真过程中的维修行为,而并不需要详细分析组件的具体工作原理。
针对上述问题,本文提出SCM( simulation component model) 方法建立规范化的航空电子组件模型,以满足飞机维修仿真过程中系列维修行为的需要。航空电子组件,即飞机四类LRU中的重要一类,主要包括计算机、收发机、传感器、显示器等组件。因此,在建模过程中,遵照SCM建模规范和框架,依据航空电子组件在维修过程中的特性和功能,具体定义模型输入和输出信号接口的离散状态变量组成,定义模型运算规则,由此衍生出组件操作、测试、拆装、排故等维修行为。模型应用时,先与适配器进行消息映射,再通过适配器实现与中间件的交互,可使仿真模型适用于不同的开发和运行环境。该建模方法简单高效,既可满足组件的维修仿真功能,又便于程序的开发和扩展,提高了仿真模型的重用性和兼容性。
1 建模过程
1. 1 建模方法
仿真组件模型SCM是在基于组件设计思想( component-based design,CBD) 的基础上提出的通用仿真开发模型[11—13]。SCM主要由仿真功能主体和适配器组成。仿真功能主体由控制接口、输入/输出接口、用户接口和模型运算规则组成。仿真功能主体对任何开发和运行环境的中间件都适用,不需更改; 适配器是连接仿真功能主体与不同中间件的桥梁,为两者的交互提供服务。
SCM使用统一的描述标准和设计方法实现组件模型,既具有CBD平台无关模型的优点,又是针对不同中间件的仿真组件模型[14,15]。仿真组件可通过适配器运行在不同的中间件上,从而适用于不同的开发环境和运行环境。
基于SCM的航空电子组件仿真模型如图1 所示,采用控制接口、用户接口、输入信号接口、输出信号接口的接口规范,并通过消息映射的方式与适配器相连。
1. 2 模型描述
1. 2. 1 控制接口和用户接口描述
控制接口是模型的默认接口,负责组件模型的仿真控制,包含6 个接口函数: 模型初始化、仿真推进、仿真暂停、仿真恢复、仿真停止、仿真退出,可由式( 1) 表示。
在模型仿真时,每一时刻只调用一个函数,当某函数被调用时,定义其返回值分别为CY。式( 1) 中各函数的具体内容及其返回值表示如下:
CInt: 模型初始化函数。指在仿真系统加载组件模型后,组件模型完成初始化动作,如分配物理内存、加载模型资源、读入外部配置文件、完成功能实例化等。定义CY= 1。
CStep: 仿真推进函数。指组件模型按照一定的时间间隔推进仿真进行,并通过该接口完成仿真算法。定义CY= 1。
CPause: 仿真暂停函数。指中断模型的仿真推进,从而使模型保持当前状态。定义CY= 0。
CRestart: 仿真恢复函数。指模型从暂停状态恢复至仿真推进状态。定义CY= 1。
CStop: 仿真停止函数。指模型结束仿真推进状态,并持久保持当前状态。定义CY= 0。
CExit: 仿真退出函数。指结束模型仿真,释放物理内存。定义CY= 0。
用户接口是模型预留接口,是为特定环境下的仿真功能提供的接口,用户可根据实际建模的具体需求定义该接口。
1. 2. 2 输入信号接口描述
航空电子组件仿真模型的输入信号( X) 包括:开关量输入( XB) 、功能信号输入( XS) 、故障信号输入( XF) 和拆装信号输入( XR) 。表示如下:
式( 2) 中,输入信号XB指与模型相关的仿真驾驶舱控制面板上按钮电门或跳开关的动作输入。式( 3)表示组件仿真模型A可接收来自若干个按钮或跳开关Bi的动作输入,其中,每个动作输入均为布尔型变量,取值如式( 4) 所示。式( 3) 和式( 4) 中的符号A或Bi均用组件在手册中的FIN表示。
输入信号XS指与模型直接相连的上一级组件模型的功能输出信号。式( 5) 表示组件仿真模型A可接收来自若干个上一级组件模型Cj的功能信号输入,其中,每个功能信号输入均为布尔型变量,取值如式( 6) 所示: 式( 5) 和式( 6) 中的符号A或Cj均用组件在手册中的FIN表示。
输入信号XF来自维修仿真系统控制端的故障注入,为布尔型变量,表示可以设置和取消故障。取值如下:
输入信号XR指来自飞机维修3D仿真环境中的组件拆装状态输入信号:
1. 2. 3 输出信号接口描述
组件输出信号包括功能信号输出( YM) 和拆装驱动信号输出( YD) : YM输出信号指组件模型的功能信号输出,用于作为下一级组件模型的输入信号,或者传递给FWC、CFDIU及DMC,在仿真驾驶舱上显示效应( 正常效应或故障效应) ; YD输出信号指驱动3D仿真环境中的组件做平移或旋转运动,从而实现拆装维修行为。输出信号表示如下:
1. 2. 4 模型运算
( 1) 功能信号输出YM的逻辑运算。
功能信号输出YM是模型逻辑运算的结果,实现了航空电子组件仿真模型的主要功能,其数学表达式如下:
式( 10) 中,运算符号* 定义为与、或、与非、或非这四种运算中的任意一种,由组件输入信号之间的实际逻辑关系决定。
f( X) 可根据不同的输入信号及其相应的逻辑运算,实现模型的功能信号输出,输出信号用于驱动其他组件和显示相应驾驶舱效应,从而满足组件操作、测试和排故等维修行为。在满足CY= 1 的情况下: 若XF = 1,表明组件模型无故障输入,处于功能正常状态,经过对开关量输入和功能信号输入的运算,YM输出模型正常功能信号; 若XF = 0,表明组件模型有故障输入,处于故障状态,则YM输出故障信号,实现组件的排故维修行为。
( 2) 拆装驱动信号输出YD的条件运算。
设需拆装组件的初始位置坐标p0,初始角度为θ0,位置坐标和角度改变量分别为 Δp和 Δθ 。若XR = 1,表示3D仿真环境中有拆装输入,需对组件进行拆装,拆装行为分为平移和旋转,具体表现为组件坐标和角度的变化; 若XR = 0,表示3D仿真环境中无拆装输入,组件位置坐标和角度无需变化。数学表达式如下:
1. 2. 5 消息映射
采用SCM建模,消息映射是指可在模型代码中直接调用消息发送函数,通过适配器完成与中间件的数据映射,实现数据转换。从而可根据适配器的不同,使组件模型适用于中间件,提高了组件模型的重用性和兼容性。
2 建模举例
飞行增稳计算机( FAC) 属于航空电子组件,用于维持飞机飞行姿态的稳定,主要功能包括: 偏航阻尼器功能、方向舵配平功能、方向舵行程限制、特性速度的计算和飞行包络的保护。飞机上一共有2 台飞行增稳计算机,FAC1 主控,FAC2 备用。由于篇幅限制,本文只以方向舵配平功能为例建立FAC1仿真模型。根据飞机维修手册,分析归纳出FAC1的输入输出信号,如图2 所示。
方向舵配平功能一共有两种控制方式: 自动控制和人工控制。自动控制通过自动驾驶仪AP接通时执行来自FMGC的配平指令完成; 人工控制通过方向舵配平控制面板上的人工输入配平指令完成,人工输入配平指令分为配平控制指令和配平复位指令。自动控制方式具有优先权。在正常操作中,FAC接收方向舵配平指令,并将配平指令发送给方向舵配平作动筒,进而改变方向舵的配平位置。同时,方向舵配平位置传感器将方向舵的位置信号传输至下ECAM的F/CTL页面和方向舵配平控制面板上的显示器显示。
2. 1 FAC1 的输入信号接口描述
2. 1. 1 开关量输入信号XB
①仿真驾驶舱顶板49VU上的跳开关5CC1 的输入信号,5CC1 控制汇流条801PP提供给FAC1 的28 V直流电压。定义5CC1 的状态变量为XB5CC1,取值如下:
②方向舵配平控制面板上的配平复位按钮电门8CC的输入信号,定义8CC的状态变量为XB8CC,取值如下:
③方向舵配平控制面板上的配平控制电门9CC的输入信号,定义控制电门9CC的状态变量为XB9CC,取值如下:
④仿真驾驶舱顶板23VU上的FAC1 按钮电门12CC1 的输入信号,定义12CC1 的状态变量为XB12CC1,取值同式( 12) 。
由式( 12) ~ 式( 14) 可得,FAC1( 1CC1) 的开关量输入信号集合为:
2. 1. 2 功能输入信号XS
①来自FMGC1( 1CA1) 和FMGC2( 1CA2) 的自动驾驶仪接通指令输入,定义状态变量分别为XS1CA1、XS1CA2,取值同式( 5) 。
②汇流条801PP通过跳开关5CC1 提供的28 V直流电压信号,定义变量为XS801PP,取值如下:
综上可知,FAC1 ( 1CC1) 的功能输入信号集合为:
2. 1. 3故障输入信号XF1CC1和拆装输入信号XR1CC1
取值如式( 7) 和式( 8) 所示。
2. 2 FAC1 的输出信号接口描述和模型运算
2. 2. 1 输出信号YM
指FAC1 对输入信号处理后输出的方向舵配平指令,作用于方向舵配平作动筒。YM可分为FAC1的自动控制配平指令输出YMauto和人工控制配平指令输出YMmanu,人工控制配平指令YMmanu又分为配平控制指令YMmanu-C和配平复位指令YMmanu-R。
由模型运算关系式( 10) 可得:
式( 18) 中,
式( 20) 中,
式( 22) 中,
2. 2. 2 输出信号YD
由于FAC1 是计算机,其拆装行为只涉及平移,不涉及旋转,可得:
2. 3 仿真结果
在自制的飞机维护综合训练器上验证本文所建立的FAC1 仿真模型。定义模型的控制接口,并编程实现组件功能和维修过程,再通过定义适配器,使仿真模型可以在基于不同中间件的仿真平台中重用。
飞机在地面上,并且FAC1 无故障时,可以测试人工控制下的正常方向舵配平功能。由式( 22) 和式( 23)可知,当各输入信号满足条件时,通过操作方向舵配平控制电门9CC,可以实现方向舵向左或向右的配平,仿真结果如图3 所示。同理,若式( 20) 中各输入信号满足条件,通过操作方向舵复位按钮电门8CC,可以实现方向舵的复位功能,仿真结果如图4 所示。
当FAC1 故障时,FAC2 立即接管FAC1 的功能,变为主控,方向舵的配平功能仍能实现。而由式( 18) 、式( 20) 、式( 22) 和式( 23) 可知,当XF = 0 时,经逻辑运算,FAC1 的输出信号YMauto、YMmanu-R、YMmanu-F和YMmanu-C均为0,表明FAC1 处于故障状态。上述输出信号传输给FWC及CFDIU处理后,再传给驾驶舱显示组件显示故障效应,仿真结果如下图5 所示。
FAC1 故障后,需对其排故,按照排故手册步骤,需更换FAC1,在3D维修仿真平台完成拆装,由式( 24) 可规划其运动路线。拆卸的部分过程如图6所示。更换FAC1 后,故障效应消失,FAC1 正常工作。
3 结论
航空电子组件是飞机维修仿真的重要组成单元,采用SCM方法建立了航空电子组件仿真模型,详细介绍了模型建立过程和模型运算方法。该建模方法简便易用,可运行在不同的中间件上完成仿真功能。经实例建模和验证,确实可满足航空电子组件在飞机维修仿真中的操作、故障和拆装等维修行为。
摘要：在飞机维修仿真中,针对航空电子组件仿真模型不统一、重用性差的问题,提出基于SCM(simulation component model)的规范化建模方法建立组件模型。采用SCM规范定义模型框架后,依据航空电子组件在维修过程中的特性和功能,将组件的输入信号归纳为开关量输入、功能信号输入、故障信号输入和拆装信号输入四类,输出信号定义为功能信号输出和驱动信号输出两类,然后进一步界定了模型输入信号、控制信号和输出信号之间的运算规则,以满足组件操作、测试、拆装、排故等维修行为。最后,以飞行增稳计算机组件为例,在自制的飞机维护训练器上实现其模型化表达,仿真结果表明该方法可行。
物流枢纽中心沙盘仿真模型 篇2
《物流枢纽中心仿真模型方案》是以需方的提供的制作要求、规格尺寸为基础，结合我公司实际生产经验和我公司独特的工艺技术编写而成。其显著特点是：①模型可部分结构实际仿真运行②结构齐全，综合性强，一体多用，接合自然，形象逼真。该模型是以我国已建成的单个工程实例为原型，从中选出一定的范围集中组合在一起，主要可反应目前世界上常见几种物流运输工具和几种组合仓储形式。
第二章 基本构造
一、外形尺寸
根据需方实验室的合理布局，模型尺寸可作灵活变动，模型暂以矩形方式，主体面积为4m×6m总高度为0.9m，这种布局更能使学生能够看清每一区域的结构布置及其相互关系
二、沙盘
1、陆地。为整个沙盘的效果更接近真实，模型上在适当的位置设有山丘、平川、水域、公园等。山丘的范围虽不能大，但在沙盘中能起“画龙点睛”的作用。地形可严格按地形图上的等高线、标高及座标，按比例进行制作，模型整体设计成丘陵平原的布局效果。模型山体最高处为80mm,平原最低处20mm（不含底座高600mm）。
2、水域。为表现航运码头基本情况，模型上除具备码头的基本特征外，水域部分用九夹板托起，比基本平面低40mm，然后用化工复合材料在上面做成浅兰色底部，一次性成形，确保不开裂；宽约400mm，长约
1200mm，宽阔的水面上有一艘集装箱货轮正在装卸货物。
3、组装。为搬运与装卸的方便，模型分为多块组合式，组装时用螺栓把多段模型连为一体，使模型既能分体灵活，又能组成整体，不影响外貌，达到美观逼真的效果，且通过尖锤敲击试验，坚实可靠。
三、各部分的设施与布置
1、航运
航运码头，从面积上约占模型总面积的2/5，右面大部分地方。它主要包括一条万吨级的集装箱货运船只、两台可在专用轨道移动的集装箱吊车（吊车的水平吊臂可伸展）、装卸散货用的水平螺卸料机和传送带、分有放置两种规格集装箱的堆场及其编排场、堆放散货（如木材、煤等货）的堆场，还有用不同颜色区别的几种类型的仓库、四通八达的公路和汽车通道、隔离墙、绿化风光带。另外，办公楼、保卫传达室、控制了望塔、宿舍楼及其它附属设施也一应俱全。
所有建筑物均按统一比例进行缩放，采用一种新型进口塑胶材料，经过电脑精雕机雕刻，成型，专用油漆分色喷涂，使其在设施程度上达到更加精细和光洁，再配以灯光装饰，突出表现现代建筑的造型与质感。
2、空运
飞机是现代最快捷的物流运输工具，他的重要性越来越受到人们的关注，另外考虑到飞机跑道的长与宽比例基本协调，模型上将其布置在正前方，就模型长边以长条形布置，以突出其重要性和满足其布置条件。主要包括：五架以上多种类别的飞机、跑道、滑行道、引导车、停机坪、塔台（高约300）、航站楼、候机登机楼、航管楼、货运楼、航空集装箱堆场、邮件库和货场仓库等按其功能分块布置。其它附属设施设备如：
引航灯、助航灯、路标指示灯等也应有尽有。
如航站楼等所有建筑物均按统一比例进行缩放，采用一种新型进口塑胶材料，经过电脑精雕机雕刻，成型，专用油漆分色喷涂，使其在设施程度上达到更加精细和光洁，再配以灯光装饰，突出表现现代建筑的造型与质感。
3、铁路运输
在模型的上方，长边方向并列布置了四条形象逼真合金材料制作成的铁路，为更贴近真实，铁路有交叉、有分支，有聚有散。铁路上制作了一列）火车，火车可自动往返真实运行。可在专用轨道上移动的并横向跨越两条铁路的龙门吊车,区域中部有为货运中转的办公服务大楼，两端分别布置进出货检拣处、理货场、进出货仓库等。站内汽车可通往各个货物进出场和进出库。
另外，还配有相应的装载机械（正面吊等）、输电、照明、检修间等。
建筑物的制作办法与上述相应部分一致。
4、公路运输
公路运输是最灵活、最广泛的一种物流工具，最适宜于目标分散的，量小的货物运输。模型将公路运输部分布置在中间位置，并深入各个区域之内，有一条高速公路进入区间中心，一则说明现代公路运输的特色，二则可体现公路运输与其它几种运输方式的相互关系和其特有功能作用。
根据其具体需要，模型上也设有几种形式的货运汽车。货物堆放也
同样分门别类的按区域放置，散货区、集装箱区、仓库储藏区。适应汽车装卸的种装载机械尽行制出。配套的停车场，管理处、办公处、保卫处、理货场、生活服务楼等也必不可少。
5、仓储与管理
整个模型仓储已占据了很重要的位置，各个区域内都有不同形式的仓储区，它的布置很有讲究，合理的布置，精心的设计，对规范化的管理起着置关重要的作用。
6、其它设施
为进一步完善模型的功能，模型上还专设了一块区间，为海关。主要有海关大楼、出入境办事处、报关点、监管处、商检处、卫生检疫、船代、货代、保验、拼箱处及海关临时堆货场等。
模型底座也是一个不可勿视的部分，我们以高档双面铝塑板为主要外部装饰材料，四周都有典型的造型，既可衬托主题，又能独具风格。
人员应急疏散仿真模型比较 篇3
关键词：应急疏散仿真；社会力模型；网络模型；网格模型；元胞自动机
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）01-0150-01
公共场所人员密集，突发险情时，人们本能地会尽快离开危险地带，可能导致相互挤压、踩踏，发生群死群伤事故；或者虽无险情，但有人失稳摔倒时，也易造成有序的人流出现紊乱，致使惨剧发生。对此，如何避免，能否事先预估，是学者们多年来研究的方向，并逐渐发展出一套理论。其中，关于人员应急疏散的理论称之为疏散动力学，而人群疏散行为的计算机仿真实现则是疏散动力学研究的一个主要内容，也是目前研究的热门，有多种仿真模型和相关的软件问世，有的已实现商业化。总体来看，人群疏散行为仿真模型可以分为连续型、离散型和复合型。
一、连续型疏散模型
主要有磁力模型和社会力模型。磁力模型把人员个体、障碍物、出口等视为磁体，被赋予正负极，同性相斥，异性相吸。社会力模型是目前研究最多的模型，由Dirk Helbing等在Kurt Lewin的研究基础上提出。Kurt Lewin将格式塔心理学的理念扩大到社会情境，提出了著名的行为公式：B=f（PE），表示行为（B）是随人（P）与环境的变化（E）而变化的。基于此，Dirk Helbing等提出的社会力模型[1]给出了个体之间、个体和物体之间相互作用力的计算式和在恐慌时人流的动态特征模型。其他学者又进行了不断完善，如F. Zanlungo等研究了人们为避免碰撞而不断调整自己的运动轨迹[2]。只要考虑足够多的因素，社会力模型就能对人群疏散中个体动力学特征作出近似真实的刻画，据此编写的计算机程序甚至能够模拟出人群运动呈现的复杂自组织现象，但计算的复杂性也是显而易见的。
二、离散型疏散模型
主要采用网络模型和网格模型。网络模型将疏散空间抽象为多个网络节点，如通道、楼梯间、出口等，节点之间连接是既无距离、又无面积的假象空间，人员在各个网络节点的移动按排队模型处理。网格模型则将人员集聚的空间划分为许多网格， 人员的移动以对网格的占据和释放来表示。在模型空间的划分方法上有粗网格和细网格两种，粗网格类根据建筑物的格局进行划分，在同一模型中网格的面积、形状会有所不同，如EVACNET +软件[3]；而细网格类则是用正方形、六边形等网格把整个建筑平面分割成同样形状和面积的网格，如著名的Building EXODUS过程模拟软件。在处理人员特性和行为特征方面，一种是把人群看作均质整体，个体特性相同，采取同样的移动策略；另一种则是考虑了个体差别，不同特质的个体有不同的移动策略。显然，前一种有更快的运算速度，后一种则更为精确。
三、复合型疏散模型
何大治等基于粗糙网络建立了一种基于多层次子空间的人员疏散仿真模型[4]，将整个模型空间划分为多个独立的子空间，按照位置和安全程度的不同子空间被赋予不同的等级，人员疏散就是一个从低等级子空间向高等级子空间移动的过程。这种模型吸收了粗糙网络模型和连续模型的一些优点，具有进一步研究的价值。袁建明等还提出了人员疏散的网络网格复合模型[5]， 将整个模型空间分为网格模拟区域和网络模拟区域，网格模拟区域中的每个单元划分成了许多网格， 每个疏散个体在建筑单元内的位置用平面坐标表示；而网络模拟区域中的每个单元则被划分成一个网络节点；引入特征长度这个概念参数将网络空间和网格空间联系起来。该模型集中了网格方法和网络方法的优势。
四、主要疏散仿真方法
元胞自动机是人群应急疏散仿真的一种重要方法。元胞自动机（CA）由冯诺依曼发明，是时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网中的每一元胞（Cell）取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。Burstedde C等将二维元胞自动机应用于对行人运动状态的模拟，网格中人员向周围移动的概率是动态变化的。Ruggiero Lovreglio等还提出了一种基于似然函数优化的场域元胞自动机模型。鉴于二维的元胞自动机模型无法表现地面高程的变化，国内学者提出一种基于2.5维的元胞自动机的人群疏散模型，可以使用二维平面来描述三维空间状态。
格子气模型基于元胞自动机原理将流体在时间、空间的流动进行离散化处理，使其被考虑成只有质量而没有体积大小的粒子，粒子在各格子之间按预先给定的相互作用规则移动，并符合三大守恒定律。格子气模型具备并行性和时空局部性的优点，可通过一些简单的规则演化出高度复杂的结果。传统的格子气模型中，每个格子的尺寸大小与每个人员的大小相当。在此基础上，发展了非均匀移动的格子气模型，每个人员周围的格子是动态的，和人员的实际运动紧密相关，更加符合高密度人群的疏散。还有学者提出了一种多格子模型，进一步细化了空间网格，行人可同时占据多个网格，以格子的重叠来量化行人间的挤压与受力，当格子无限细化时，行人的移动接近于连续。
五、展望
人员应急疏散仿真是多学科的综合运用，计算机学、社会学、心理学、安全学、行为学和系统学等原理和方法与之深度融合将促其向深度发展，而在更多的具体场景中的应用将促使向广度发展。在具体的模型构建方面，一是从心理学、社会学和行为学等角度进一步探索个体、群体在受限空间内应急条件下的心理状态和行为规律；二是构建更为精确的数学表达式来刻画人的行为和运动过程，由于连续型模型比网格模型更准确地描述了人的行为和运动过程，随着计算机运算速度的提高，基于社会力模型的连续型仿真模型将获得重视；三是研究更为优良的算法，在同样的计算代价情况下考虑更多的影响因素。
参考文献：
[1]D. Helbing and P. Molnár. Social force model for pedestrian dynamics[J].Phys. Rev. E， 51： 4282-4286，1995.
[2]F. Zanlungo， T. Ikeda and T. Kanda. Social force model with explicit collision prediction[J]. EPL， 93 （2011） 68005.
[3] Kisko T M ， Francis R L.EVACNET +：A Computer Pr og ram to Determine Optimal Evacuation Plans [ J ] .FireSafe ty Journal， 1985 （9）：211-222.
[4]何大治，谢步瀛. 基于子空间网络的人员疏散模型[J]. 工程图学学报， 2009年第2期：96-100
模型仿真 篇4
开关电源的主要功能是把由220V直接整流滤波得到的不稳定直流电压变换成所需的稳定直流电压。由于其效率高、稳压范围宽、带负载能力强、容易实现多路输出等优点,广泛应用于许多电子产品,但它的电路结构比较复杂、工作原理也较难理解。本文以电视机常用的调频式并联型开关电源为例,根据电路工作的物理过程,在Multisim环境下对开关电源的仿真模型进行了设计与实现,并对开关电源的工作原理进行了仿真分析。
1 开关电源的工作过程
并联型开关电源主要由整流滤波电路、开关变压器、开关调整管、直流输出电路、振荡电路和稳压电路等部分组成,如果将整流滤波电路用300V直流电源代替,其基本结构如图1所示。其中,振荡电路使调整管工作在开关状态,在正脉冲tc期间,开关调整管Q饱和导通,开关变压器初级线圈中的电流近似线性上升,存储的磁能随着电流的增加而增大,而此时次级感应电压使整流二极管D截止,在负脉冲to期间,Q截止,D导通,存储的磁能通过直流输出电路向负载RL放电,并向电容器C充电。由于C的容量较大,两端电压基本不变,故次级线圈中的电流也近似线性下降。当输入脉冲再次为正时,开关管Q又饱和导通,此时D截止,负载所需电流由电容器C放电提供。如此循环往复,由整流滤波电路得到的不稳定直流电压,先是通过开关管的导通将电能转换成磁能形式存储在开关变压器中,再通过开关管的截止由直流输出电路将磁能转换成电能提供给负载。当输出电压达到预定值后,稳压电路开始调整开关管的导通截止时间,使输出电压保持稳定[1]。
2 仿真模型的设计与实现
利用Multisim软件对电路进行仿真分析,一般可根据电路原理图直接创建仿真模型,但在实际应用过程中,或因元件过多导致仿真速度缓慢,或因缺少某个元器件模型而无法仿真,或因某种原因而出现仿真失败等问题[2]。为了克服仿真过程中存在的不足,本文提出基于行为的仿真建模方法,即在复杂电路仿真过程中,部分单元电路可根据其功能,对行为进行数学抽象,再利用函数模块对这些单元电路建立行为级系统模型,实现电路系统混合仿真。
调频式开关电源一般工作在临界状态或接近临界的连续状态,即开关变压器在开关管导通期间存储的能量,在开关管截止期间全部或接近全部被转移输出。用来产生开关脉冲的振荡电路,其行为可抽象为:开关管导通期间开关变压器初级电流上升,当达到一定值时开关管截止;开关管截止期间开关变压器次级电流下降,降到等于或接近于零时开关管重新导通,进入下一个开关周期。用来稳定输出电压的稳压电路,其行为也可抽象为:当输出电压超过预定值时降低开关管截止控制电流,使其提前截止,以改变占空比,达到稳压目的。根据振荡电路的行为抽象,可用两个受控单脉冲(Controlled One-shot)模块实现初次级电流状态检测,达到规定值时马上产生单脉冲触发信号,再用该信号触发RS触发器,输出所需开关脉冲。稳压电路可用一个压控分段线性源代替,当取样电压未达到规定值时输出为0,当取样电压超过规定值时输出值线性变化。将该输出值与初级电流相加,即可实现取样电压超过规定值越高,控制初级截止的电流值越小,开关管导通的时间越短,从而达到稳压目的。具体实现过程中,初次级电流取样分别来自图1中的IA、IB两点,取样电压直接取自V0点输出电压。创建的振荡稳压仿真模型如图2所示。
图中模块的参数设置和功能简介如下。压控分段线性源V1的控制与输出数据对决定稳压电路的控制性能,这里设置三对数据:0:0、110:0、120:-2,以保证稳压电路在开关电源的输出电压超过110V以后才起控,控制灵敏度由最后一对数据决定。加法模块A1将初级电流取样值与稳压模块V1的输出相加,取样电压超过规定值越多则V1的输出值就越小,开关管就会越提前截止。受控单脉冲模块有三个输入端和一个输出端:第一个端子输入触发信号,触发电平和极性可任意设置;第二个端子是脉宽控制,电压不同输出的脉宽也不同,对应关系可以设置;第三个端子是输出控制,电压高于触发电平则无输出;第四个端子是脉冲输出端口,输出脉冲的幅度、时间延迟量、上升下降沿时间和脉宽延迟量均可调节。在图2模型中,V2设为-0.1V上升沿触发,此时开关变压器的能量可以认为基本转换完毕,想确保工作在临界状态,可适当修改V2的输出时间延迟量;V3设为-2V下降沿触发,以限制初级电流不大于2A;脉宽控制端子都悬空,使输出为1us的默认脉宽;输出控制端子都接-5V电源,允许脉冲输出;输出脉冲的电平均设为0和5V。U1是正脉冲触发有效的RS触发器,因V2设置的是-0.1V上升沿触发,仿真从0开始时V2会马上输出高电平触发脉冲,加到RS触发器的S端口使输出为高电平,保证电路能自启动。将创建好的振荡稳压模型接入图1所示电路,理想变压器T的参数依次设为1.36、0H、2.11mH、1.4Ω、1Ω,其它元器件均取理想模型并按图设置参数。再将电路仿真参数的初始条件改为“Set to zero”,结束时间可取1s,最大时间步长TMAX改为1e-6s,设置完毕后便可对开关电源进行仿真分析。
3 仿真分析
3.1 工作原理分析
正常情况下,开关电源的输出电压:E2=(tc/t0)·(n2/n1)E1。实际工作中输入电压E1是不稳定的,开关变压器的匝数比也不能再变,要保持输出电压稳定,只能靠改变开关脉冲的占空比来实现。仿真分析可知,如果输出电压未达到110V,初级电流升到2A规定值时开关管截止,次级电流下降到接近0时开关管又导通,电路处于自由振荡状态;当输出电压超过110V越多,稳压模块V1输出的负值越大,开关管越提前截止,最终使输出电压保持稳定。图3是仿真平稳期间用瞬态分析工具得到的主要测试点波形,也可用示波器直接观测。仿真平稳后实测输出电压约为114V,测得一组导通截止时间分别是8.43us和16.17us,将输入电压300V、匝数比1.36代入E2=(tc/t0)·(n2/n1)E1得输出电压的理论值是115V。在误差允许范围内,仿真结果与理论计算完全吻合。
另外,还可验证集电极的最大工作电压Emax=(1+tc/t0)E1、接近临界工作状态的振荡周期T=L1imax[1/E1+(n2/n1)/E2]及开关电源的输入与输出能量关系等原理理论[3][4]。
3.2 性能指标分析
开关电源的性能指标主要有稳压性能和带负载能力。稳压性能是用来描述输入电压变化引起输出电压变化的技术指标;带负载能力是用来描述输出负载变化引起输出电压变化的技术指标。这些性能指标均可通过改变输入电压或输出负载的参数,来测试输出电压进行仿真分析,也可利用参数扫描分析工具来直接进行对比分析[5],这里不再赘述。
4 结束语
在对复杂电路进行仿真过程中,部分单元电路可根据其功能,对行为进行数学抽象,再利用函数模块建立基于行为的仿真模型,这种行为级模型无须理会内部的具体结构,但对外电路的分析却是一种行之有效的建模方法。通过对并联型开关电源进行建模与仿真分析,在理解开关电源的工作状态过程、验证原理理论和测试性能指标等方面,都取得了良好的效果。仿真结果表明:输入电压在一定范围内变化时,系统能自动调整占空比以实现输出电压稳定;输出负载在一定范围内变化时,系统的占空比基本恒定,输出电压也基本不变,但振荡频率会随着负载的加重而降低,以满足不同功率要求。
参考文献
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[6]侯振义等．直流开关电源技术及应用[M]．北京：电子工业出版社，2006
航班起飞和着陆的微观仿真模型研究 篇5
航班起飞和着陆的微观仿真模型研究
起飞和着陆过程的微观仿真是提高跑道运行仿真逼真度的关键技术之一.详细分析了起降过程仿真各阶段的运动特征,提出了基于运动方程和气动模型的计算机仿真模型.通过仿真实验说明该模型能正确表现航班起飞和着陆的.微观运动过程,准确反映特征运动及其发生时刻.该模型在容量评估、跑道运行管理和塔台管制仿真中具有广泛的应用前景.
作 者：王超 王洁宁 翟鹏飞 WANG Chao WANG Jie-ning ZHAI Peng-fei 作者单位：中国民航大学空中交通管理学院,天津,300300刊 名：中国民航大学学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINA年，卷(期)：200927(2)分类号：V323.11关键词：空中交通 微观仿真 飞机性能 起飞 着陆
基于UG的杠杆机构模型运动仿真 篇6
关键词： 杠杆机构； UG； 运动仿真
中图分类号：TG375+1.1
引言
利用 UG 运动分析模块进行机构的运动仿真分析时，能够自动跟踪零件的运动轨迹，通过图表与图形表达从动件的位移、速度、加速度等运动规律，得到运动规律的数值及特性曲线图。 并且能够通过动画演示杠杆机构的实际运动过程，从而确定整个设计的合理性并进行运动干涉分析。 UG 的运动分析模块实现机构的运动仿真，也为下一步做有限元分析、强度分析、结构分析及优化设计打好了基础。
1 UG 运动仿真模块简介
UG 的运动仿真模块是对机构的运动轨迹进行跟踪，从而分析机构速度、加速度、位移、作用力及反作用力等。在 UG 环境下，可以将机构看成是一组连在一起进行运动的连杆的集合，机构进行运动仿真与分析主要分 3 个阶段：（1）前处理器阶段。 这个阶段主要是创建分析方案， 将分析方案得到的信息传送到 ADAMS 解算器；（2）求解阶段。 利用 ADAMS解算器求解输入数据， 将求解结果传送到运动分析模块；（3）后处理阶段。 运动分析模块分析求解结果，将其转换成图表及报表文件，并生成动画。ADAMS 解算器可以处理相当复杂的运动模型，在整个运动仿真过程中起着非常重要的作用。 但是如果有更复杂的分析需求时，就需要生成 ADAMS 输入文件，ADAMS 输入文件主要作用是能够输入标准的 ADAMS 软件包， 后处理阶段读入 ADAMS 软件，从而转换成所需要的动画、图表及报表文件。
2 杠杆机构的运动仿真
（1）杠杆机构运动仿真的建立 运动分析方案的创建是进行运动仿真的关键。
①连杆（Links）的创建 将杠杆机构活动构件建立连杆。底板、支撑板、滑块导轨、左盖板、右盖板和固定螺钉设为固定连杆1，旋转手轮、偏心轮和连接螺钉设为连杆2，杠杆设为连杆3，滑块及连接螺钉设为连杆4。如图 1 所示。
②添加运动副 运动副创建之前，机构中的连杆是在自由的，没有约束，具有 6 个自由度，UG 分析模块提供 12 种运动副类型，共分为两大类：普通类型的运动副 8 种，特殊类型的运动副 4 种。 普通类型的运动副是独特的，它只与自身有关。 而特殊类型的运动副是在 2 个普通类型的运动副之间定义了特殊关系的运动副，它允许 2 个普通类型的运动副一起完成特定的功能，
杠杆机构的运动副一共涉及了3种，分别是旋转副、滑动副和高副（线在线上副）。如图2 所示。
③定义运动驱动 杠杆机构的运动是采用的匀速驱动。将连杆2的旋转副设为主动件，设定初速度为360，如图3所示。
④运动仿真 UG 进行运动仿真时， 需要输入时间与步数 2 个参数，杠杆机构的解算时间设置为10，步数为 500，如图 4 所示。
⑤运动模型 新建运动模型， 需要计算的是滑块的运动模型函数，将滑动副添加。如图5所示。可以用电子表格显示结果曲线，如图6所示为滑块滑动的位移曲线。
⑥运动模型建立后，可以得到运动仿真过程。如图7所示
（
3 结语
利用 UG 运动仿真模塊对液压支架进行运动仿真能够解决复杂机构的运动学问题，从而获得精确的仿真结果。 通过对杠杆机构的运动仿真，真正体现出三维 CAD 设计理念的巨大优势。 运动仿真可以对数字样机进行各种分析，而这些是传统二维设计所不能做到的。 按照传统的设计方法，许多分析必须等到物理样机做出来之后进行，例如干涉检查。 这不但造成设计周期过长，而且可能造成大量资金的浪费。
参考文献
[1]贾大玮.基于 UG 的液压支架模型运动仿真与分析[J].煤矿机械，2012 33（3）：43-44
雷达仿真模型设计与实现 篇7
关键词：作战仿真,游戏开发,雷达,仿真模型,C++
1 引言
雷达作为现代武器的眼睛, 是获取战场信息的重要装备。因此, 在作战仿真和战争类游戏中, 雷达仿真模型的设计与实现是非常重要的。由于雷达系统对信号处理的复杂性, 因此信号级仿真模型复杂度高、计算量大。为降低仿真模型的的复杂度, 从雷达系统的功能出发, 建立其模型。
2 建模原理
2.1 坐标系的建立
在仿真或游戏中, 各物体位置、姿态的确定需要一个参考系, 因此, 建立遵循右手规则的世界坐标系。如图1所示。
建立以雷达主方向为X轴的右手坐标系为雷达的局部坐标系, 如图2所示。
雷达在空间中的姿态可用欧拉角来确定, 如图3所示。
2.2 雷达的数学模型
2.2.1 探测区域
雷达系统的主要功能是对一定区域内的目标进行探测, 该区域范围由以下3部分决定: (1) 雷达探测距离的远界、近界; (2) 雷达水平扫描形成的水平夹角; (3) 雷达垂直扫描形成的垂直夹角。如图4所示。
2.2.2 通视距离
在雷达的实际使用过程中, 最远探测距离除受雷达本身的技术性能影响, 还受地球曲率影响, 即雷达的通视距离。如图5所示。
雷达通视距离取决于雷达天线所在位置的高度h1和目标的高度h2。
由于存在大气折射的影响, 应该使用等效地球半径Re来代替实际地球半径R, 一般条件下Re的取值为8490km, 因此雷达直视距离Rs为:
上式中考虑地球弯曲引起的遮蔽影响, Rs的单位为米。
式中Re:标准大气下地球当量半径 (约为8490公里) ;
h1:雷达天线所在高度, (米) ;
h2:目标高度, (米) 。
2.2.3 探测概率
理论上, 在此区域内的目标, 都会被雷达发现, 但实际上存在一定的概率。工程实践表明, 该概率主要与目标的距离有关, 经验拟合公式如下:
式中r:目标的距离, (公里) ;
Rmax:最大探测距离, (公里) 。
λ:探测系数 (不同雷达探测系数不同)
2.2.4 坐标转换
为方便计算, 将目标在世界坐标系下的坐标转换到雷达局部坐标系下。
绕相应坐标轴依次旋转ψ, , λ, 每一次旋转称为基元旋转, 相应的其基元旋转矩阵为[1]:
绕Y轴的基元旋转矩阵为:
绕Z轴的基元旋转矩阵为:
绕X轴的基元旋转矩阵为:
在世界坐标系下 (x, y, z) , 设目标的坐标为 (X, Y, Z) , 雷达的坐标为 (x, y, z) , 雷达的姿态角为 (ψ, , λ) , 则在雷达局部坐标系下目标的坐标为:
2.2.5 工作流程
雷达模型工作的流程如图6所示。
3 编程实现
为提高该模型的可重用性, 将其封装成Radar类。具体实现代码如下:
.h文件代码:
.cpp文件代码:
4 模型应用
在预警机引导下的歼轰机对海突击是一典型的作战样式, 在该仿真案例中, 当预警机探测到敌驱逐舰, 将目标信息发送给歼轰机;歼轰机从机场起飞奔赴目标, 当其雷达探测到目标, 发射4枚反舰导弹, 然后迅速撤离战场;当驱逐舰探测到来袭导弹时, 发射防空导弹进行拦截。预警机、歼轰机、反舰导弹、驱逐舰、防空导弹, 这些武器装备都装有雷达, 将雷达模型运用到该案例可有效检验其真实性和可用性, 如图7～图12所示。
5 结语
从雷达的功能出发, 分析其发现目标的主要决定因素, 建立雷达的数学模型;采用C++语言编程实现并将其封装成类。最后, 通过一典型的对海突击仿真案例验证了模型的真实性和可用性。
参考文献
光伏阵列的仿真模型研究 篇8
光伏发电因其清洁环保、资源丰富等诸多优点成为当今可再生能源研究和应用的热点之一。但由于光伏阵列价格昂贵,电能输出受光照强度、温度等环境条件及负载变化等因素的影响较大,所以在构建光伏系统时,如果采用真实的光伏阵列,则成本会很高。特别是当被研究的光伏系统的功率在数百瓦甚至更大级别时,考虑到经济性和时效性,建立起通用的光伏阵列模型就显得非常有必要[1]。
光伏阵列模型可以模拟出任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联方式组合下的光伏阵列I-V特性,大大缩短光伏系统的研究周期,提高研究效率,增强研究结果的可信度,因此采用计算机软件仿真无疑是首选。研究主要是基于光伏阵列的物理机制的数学方程结合其等效电路特点构建光伏阵列的Simulink仿真模型。
1 光伏阵列的特性
由实验测得光伏阵列终端特性,得到实际使用的等效电路如图1所示[2]。
典型的光伏阵列(电流I-电压V)、(功率P-电压V)特性如图2-3所示。图2表示I-V、P-V随光强变化而变化的规律。图3表示最大功率点功率、电流、电压随温度变化的规律。
由图2可知:在高电压区,光伏阵列可视为工作在恒压源区;在低电压区,光伏阵列可视为工作在恒流源区。随着光强的减弱,光伏阵列的输出电流减少,输出功率也减少。由图3可知:当光强不变时,随着温度的升高,开路电压降低,短路电流略有增加,最大功率减少[3,4,5]。
2 光伏阵列模型的建立
图1是光伏阵列等效电路,其工作原理为:当光照恒定时,由于光生电流Iph不随光伏阵列的工作状态而变化,因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏阵列的两端接入负载后,光生电流流过负载,从而在负载两端建立起端电压V。负载端电压反作用于光伏阵列的P-N结上,产生一股与光生电流反方向的电流Id。此外,Rs为串联电阻,一般小于1。它主要是由光伏阵列的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成。Rsh为旁路电阻,一般为几千欧姆。它主要是由阵列表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结泄漏电阻和阵列边缘的泄漏电阻组成[6]。
由等效电路图可得光伏阵列的特性的一般公式:
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通常情况下,式(1)中的(V + RsI) / Rsh项远小于光伏阵列输出电流,因此该项可以忽略。
由于单个光伏阵列产生的电压很小。因此,在实际中,需要通过对多个小单位的光伏阵列的串、并联交替组合来得到期望的直流电压或电流。据此可得到简化的光伏阵列模型的输出特性方程:
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相应的光伏阵列模块中,在考虑到光强和温度变化的情况下,分析光伏阵列的工作原理可得:
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当光伏阵列处于开路状态时I = 0,V=VOC。代入式(2)可得反向饱和电流的表达式为:
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当光伏阵列模块工作在最大功率点时,由式(2)可求得Rs和Vm:
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式中,I为光伏阵列的输出电流;IL为PN结电流;I0为反向饱和电流;V为输出端电压;T为绝对温度(K);q为单位电荷,其值为1.6×10-19C;k是波尔兹曼常数,其值为1.38×10-23J/K;A为二极管理想常数,其值介于1～2之间变化;np,ns分别为光伏阵列模块中光伏阵列并联和串联的个数;ISC为标准测试条件下测得的光伏阵列的短路电流;G为光强;α为光伏阵列的短路电流温度系数;Tref和Gref分别是指光伏阵列的绝对温度和光强的参考值,即分别为298K和1000W/m2;VOCref为标准测试条件下测得的光伏阵列的开路电压;β为光伏阵列的开路电压温度系数。
基于上述的数学模型,在MATLAB/Simulink环境下建立光伏电池阵列的通用仿真模型,其内部结构如图4所示。同时创建子系统,并在其内部封装Im、Vm、ISC、VOC以及np、ns等参数,这些参数可见于产品数据中。仿真实验时,可以方便的对不同的光伏阵列进行参数设置。
光伏阵列仿真模型内部结构如图4中所示,利用Simulink工具,在光伏阵列的物理数学模型基础上,建立起光伏阵列的仿真模型。其中模块的输入为温度T、光强G、电流I;输出为工作电压V。
3 BOOST电路的原件选择和参数计算
由于单个光伏阵列的输出直流电压、电流较低,因此,在实际中,需要通过对多个小单位的光伏阵列的串、并联交替组合,同时将光伏阵列模型接入BOOST升压电路中来得到期望的直流电压或电流。
BOOST升压电路模块如图5所示,升压斩波电路由L/Tc/D/C等原件构成,参数的选择通过如下计算得到[7,8]:
①电感L BOOST升压电路工作在电流连续工作模式CCM,电感电流需保持连续状态。在开关管Tc为导通期间,二极管D处于截止状态,流经电感L和开关管电流逐渐增大,电感L两端电压为ES,考虑到开关管Tc集电极对公共端导通压降US,即为ES-US。通过电感的电流增加部分ΔILon满足式(8)。
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式中,US为开关管导通时压降,约0.6～0.9V;ton为导通时间。
在开关管Tc截止期间,二极管D处于导通状态,储存在电感L中能量提供给输出,流经电感L和二极管D电流处于减少状态,设二极管D正向电压为Uf,电感L两端电压为UO+Uf-ES,电流减少部分ΔILoff满足式(9)。
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式中:UO为输出电压;Uf为整流二极管正向压降,快恢复二极管约0.8V,肖特基二极管约为0.5V;toff为截止时间。
在电路稳定状态下,电流连续变化, ΔILon=ILoff,由式(8)和式(9)可得:
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定义占空比D=ton/T,则:
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如果忽略电感损耗,电感输入功率等于输出功率,即
ES×IL(ave)=UO×IO (12)
式中,IL(ave)为电感平均电流。
由式(11)和式(12):
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同时由式(8)得电感器纹波电流:
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式中,f为开关频率。
为保证电流连续,电感电流应满足:
IL(ave)≥ΔIL/2 (15)
考虑到式(13),式(14)和式(15),可得到满足电流连续情况下的电感值为:
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另外,由BOOST升压电路结构可知,开关管电流峰值ITc(max),二极管电流峰值IDc(max),电感器电流峰值ILP是相等的,因此:
ILP=IL(ave)+(ΔIL/2) (17)
代入数据:D=0.5,US=0.9V,IO=PO/UO=550/220=2.5A,f=49kHz,同时考虑在10%额定负载以上电流连续情况,实际设计时可以假设电路在额定输出时,电感纹波电流为平均电流的20%～30%,因增加ΔIL可以减小电感值L,但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C,取30%为平衡点,即:
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由式(14),式(17)可得:
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流过电感L的峰值电流由式(13)和(17)得:
ILP=IL(ave)+(ΔIL/2)=5.75A (20)
L可选用电感量为1000H且通过6A以上电流不会饱和的电感。电感的设计包括磁芯材料、尺寸、型号选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温度升高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响和大,材质好的磁芯如环形铁粉磁芯,承受峰值电流能力较强。而选用较粗的导线绕制电感,能有效降低电感温升。
②开关管Tc。Tc开关管电流峰值由式(15)得,ITc(max)=ILP=5.75A,开关管耐压:
UdTc=UO+Uf=220+0.8=220.8V (21)
按20%的安全裕量,可选用6A/300V以上开关管。
③输出二极管和输出电容,升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等反向电压,并传导负载所需最大电流。二极管峰值电流IDc(max)=ILP=5.75A,本电路可选用6A/300V以上快恢复二极管,若采用正向压降低肖特基二极管,整个电路效率将得到提高。
输出电容C选定取决于对输出纹波电压要求,纹波电压与电容等效串联电阻ESR有关,电容容许纹波电流要大于电路中纹波电流,输出纹波噪声取1%,电容ESR<ΔUO/ΔIL=220×1%/1.5=1.47Ω。另外,为满足输出纹波电压相对值要求,滤波电容量应满足:
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根据计算出的ESR值和容量值选取电容器,由于低温时ESR值较大,故应按低温下ESR来选择电容,因此,选用49.4mF/300V以上频率特性电解电容可满足要求。
4 仿真结果及分析
根据现有的相关资料,设置光伏阵列仿真模型参数及其输出模块如图6-7所示。
按要求设置好光伏阵列和BOOST参数,运行并观测其输出,输出电压、电流、功率波形如图8-10所示。由结果看,其输出纹波较小,符合实际电路设计的要求。
5 结束语
光伏阵列实际上是一个与多参数相关的非线性直流电源,能否准确得出其I-V特性是关键。通过分析光伏阵列内部原理及其等效电路,建立其物理数学模型,应用Simulink进行仿真实验。仿真结果表明:模型参数的设置方便、仿真速度快。模型的输出与实际输出基本相似,能为光伏发电系统的进一步仿真研究提供了较好的激励源。
参考文献
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模型仿真 篇9
1 人员疏散模型
1.1 背景场模型
背景场模型将影响疏散个体运动的因素分为静态信息和动态信息。静态信息是不随时间变化的,对每个疏散个体都是相同的,如建筑结构的位置信息;而动态信息是随着时间不断变化的。在模拟人员疏散时,一般将建筑物平面均匀地划分成大小相等的正方形网格,行人运动的转移概率由每个格点的吸引力值实现,格点吸引力值越大,行人向该格点运动的概率越大,而格点吸引力值是通过背景场的方法实现的,使行人向着高场强的方向运动。背景场分为两种:静态场Si,j和动态场Dij,行人疏散路径的选择由静态场和动态场共同决定。
静态场:设置系统空间内的每个格点(出口除外)(i,j)附带两个参数gin,j和hin,j,其中gin,j是考虑上、下、左、右4个方向时,行人在离开房间过程中从格点(i,j)到出口n所需要经过的最少格点数;hin,j是考虑上、下、左、右及其对角的8个方向时,从格点(i,j)到离开出口n的过程中,运动所需经过的最少格点数。参数ein,j代表人员从格子(i,j)到出口n的最可行的距离。参数ein,j的计算如表1所示。
表1中,0≤ε≤1,一般取0.4。到出口n的最合适的距离应该是gin,j和hin,j的加权和;ε值影响人群靠近出口时的形状,一个格点的相邻格点会根据那个格点到出口最合适的距离而更新。
静态场的计算如式(1)所示。
本方法中静态场值是根据行人趋向于出口最合适方向的相邻格点行走原则计算出来的。
动态场:动态场Dij是行人留下的虚拟场,包括人与障碍物之间的排斥力及人员之间的吸引力,随时间同步更新,根据周围一定范围内人员的运动方向确定从众行为,如式(2)所示。
动态场值受扩散系数γ和衰减系数σ的影响而扩散和衰减踪迹。其中:γ∈[0,1],σ∈[0,1],t=0时,所有格子的动态场值都为0,粒子从位置(i,j)运动到相邻格点时,动态场值增加1:Dij→Dij+1。当多人同时竞争同一个格点时,概率大者进入目标格点,其余人在原地。每一时间步,更新人员的运动状态后重新计算总场力值,地场的强度随着到出口距离的减小而增大,这样行人只要偏向场强值大的方向运动就能找到出口,重复以上步骤直到所有人离开。每个行人依据转移概率Pni,j选择目标格点,运动到未占据的邻格的转移概率由两个场强决定,如式(3)所示。
式中:λ为归一化常数,确保∑i,jPni,j=1;kS为静态场系数,控制静态场的影响,kS∈[0,∞];kD为动态场系数,控制动态场的影响,kD∈[0,∞];Sni,j为格子坐标(i,j)到出口n的静态场强值,初始化时,目的地(如出口)附近的值比较高,其他地方的值比较小;Dni,j为格子坐标(i,j)到出口n的动态场强值;δi,j表示目标格点(i,j)当前是否被占据,如果此格点被行人占据则为1,为空则为0;μi,j与障碍物相关,因为有障碍物,相邻格点(i,j)不能用则为0,否则为1。
1.2 格子气模型
格子气模型一般在二维空间上将建筑平面均匀地划分成大小相等的正方形网格,每个网格有三种状态:被障碍物或墙壁占据、被一个行人占据或者为空,不允许两个行人或多个行人同时占据同一个格点,不考虑行人在疏散过程中的后退运动。一个网格可以定义四邻域和八邻域两种不同的邻域类型,行人按照一定的规则在其邻域内的格点之间运动,在每一个时间步上分别有相应的转移概率,四邻域及其对应的概率如图1所示。
整个人员疏散过程被划分为若干个离散时步,每一时步的系统状态由上一时步的状态决定。每个人员在每一个时间步上,根据确定的演化规则,以一定的概率从一个格点运动到其周围相邻的且未被占据的格点上,且规定行人最多只能移动一个格点的距离,至于移动到哪一个格点,由相应的转移概率大小决定,为此格子气模型引入偏向强度D的概念来实现,其中右行人可能出现的所有空间状态及相应的转移概率分布,如图2所示。
图2中“●”表示右行人,“×”代表该位置已被占据。行人在运动过程中会出现不同的情况,不同的情况下行人向各个方向运动的转移概率不同,图2对应的转移概率分布如表2所示。
2 计算机仿真与数值分析
以双出口房间为疏散场景,研究出口位置对人员疏散效率的影响,内部布局一致,出口宽度一致,改变一个出口的位置,更新时采用四邻域串行更新规则,对人员疏散过程进行模拟,行人采用随机串行规则更新位置,即在每个时间步行人事先随机排序,然后按照这个顺序依次进行位置更新,并依据给定的规则运动,即行人在每一次更新位置时其他行人保持不动,并且最多只能移动一个格点的距离,整个算法的流程图,如图3所示。
设定房间长度为16m,宽度为10m,出口宽度均为1m,房间内的障碍物设定为桌子,障碍物占地面积为20.75m2,人员可使用的区域面积为139.25m2。房间内走道及障碍物设置见图4所示。图4(a)中,两个出口在同侧,图4(b)和图4(c)中,两个出口位于相邻的两侧,图4(c)右侧的出口比图4(b)中右侧的出口位置稍微靠后。
三种场景下分别设置相同的疏散人数,进行大量实验,其中门1的疏散过程仿真空间分布,如图5所示。
统计多次数值并求出均值,疏散时间随疏散人数的变化,如图6所示。
从图6可以得出,当两个出口位于同侧时,人员疏散效率最高。另外,出口位置的微小变化也会对人员疏散效率造成显著影响。
笔者从疏散人数和疏散时间两个角度,对出口选择利用率进行分析。
定义出口的疏散人数选择均衡系数η,如式(4)所示。
式中:n1为选择出口1的人数;n2为选择出口2的人数;η=0表示两个出口被均衡利用,η的值越大,则出口利用的不均衡性越强。
表3为疏散320人时人员对出口选择的比例。
从表3可以看出,当两个出口位于同侧时,疏散人数的选择均衡系数最小,门3场景的疏散人数选择均衡系数最大,这和图6中得出的疏散效率顺序一致。一般情况下,人员优先选择最近的疏散出口。
定义出口疏散时间的均衡系数,如式(5)所示。
式中:t1为选择出口1人员疏散的时间,t2为选择出口2人员疏散的时间;t总为疏散总时间。
三种情况下,疏散时间的均衡系数如表4所示。
从表4可知,在设定的三种疏散场景下,门1场景的疏散效率最高。整体人员疏散效果的评价标准包括两点:一是每一时刻各出口是畅通的;二是各出口同时结束疏散。
3 结束语
基于OPNET的网络模型仿真 篇10
关键词：OPNET,网络仿真,网络建模,性能测量
1 引 言
计算机仿真已经成为研究计算机网络的一种非常有效的评估工具。随着通信技术的发展,通信网络的结构和规模越来越复杂,基于网络的应用也越来越多样化,单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发,已经不能适应网络的发展需要。因而急需一种科学的手段反映和预测网络的性能,这导致网络仿真技术的应运而生。
网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型,并模拟网络流量的传输,从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。它以其独有的特点能为网络的规划设计提供客观可靠的定量依据。它能为网络提供接近真实环境下的模拟试验环境和辅助测试手段,验证网络的基本使用效能、网络可靠性以及提供各种新技术体制的试验环境。
网络仿真的优点使其一出现就得到迅速的发展,目前世界上的一些主流仿真软件均采用面向对象的智能化分布式并行仿真技术,如美国OPNET Technology 公司的网络仿真产品OPNET。
2 OPNET特点和仿真方法
OPNET Modeler作为一种主流网络仿真软件,为通信网络和分布式系统的建模提供全面的模拟仿真开发环境。OPNET通过执行离散事件仿真来分析各种模拟系统的行为和性能。OPNET Modeler将各个仿真研究阶段所需要的工具相结合,组成一个由模型设计工具、仿真核心、数据收集工具和数据分析工具有机结合起来的大型仿真系统。
2.1 特点
作为广泛应用的系统开发平台,OPNET Modeler的主要特点如下:
(1) 层次化、模块化的建模机制。在OPNET Modeler中,采用与实际系统相类似的层次化结构建模。最下层是进程域模型,用有限状态机、C或C++以及OPNET自带的核心函数实现各种协议算法。第二层是节点域,由能实现不同功能的模块组成,反映设备的硬件和软件特性。最上层利用各种网络设备模型、映射现实网络。
(2) 面向对象的建模方式。OPNET Modeler采用面向对象的方式建模。每类节点用相同的节点模型,再针对不同的对象设置特定的参数。
(3) 丰富的模型库。OPNET Modeler提供标准模型库,包括x.25,ATM,Ethernet,TCP/IP等现有设备的标准模型库,同时还有3COM,Cisco,Sun等多个厂家的现有设备。
(4) 图形化的建模方式。不论是网络域、节点域和进程域,还是传输链路、网络中流动的包等,OPNET Modeler均采用图形化的编辑器完成模型的构建。
(5) 灵活的建模机制。在进程域中,采用有限状态机和C/C++以及OPNET Modeler自身所提供的400多个核心函数可以实现自定义设备,或者根据协议、算法,开展协议研究等。OPNET Modeler中的源代码完全开放,用户可以根据需要添加、修改源代码。
(6) 统计数据的生成。仿真期间,用户能够自定义要收集的统计数据。
(7) 综合分析工具。在OPNET Modeler中,包括如ACE、网络医生、流分析等多个数据分析工具。这些工具为网络仿真设计的准确性、可信性提供网络诊断。同时还可以进行详细的网络性能分析。
(8) 动画。OPNET Modeler可以在仿真中或仿真后对诸如网络中的数据流的传输过程进行生动的演示,生动地展示模型的动态过程。
2.2 OPNET的建模机制
OPNET Modeler建模采用层次化和模块化方式,将复杂的系统分解为不同的层次结构,OPNET采用3层建模机制:
(1) 最底层为进程(Process)模型,进程行为(协议、算法、应用)用有限状态机和可扩展高级语言进行定义;
(2) 其次为节点(Node)模型,由协议模块和连接模块的各种连接线组成,反映设备特性,每个模块对应1个或多个进程模型;
(3) 最上层为网络模型,用子网、节点、链路和地理背景描述网络拓扑,由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。三层模型和实际的协议、设备、网络完全对应,全面反映了网络的相关特性。
2.3 OPNET仿真步骤
使用OPNET Modeler 仿真可以大体分成6 个步骤,分别是配置网络拓扑(Topology)、配置业务(Traffic)、收集结果统计量(Statistics)、运行仿真(Simulation)、调试模块再次仿真(Re-simulation),最后发布结果和拓扑报告(Report)。
3 仿真实例
OPNET 能够迅速地建立起现有网络的模型,并能够方便地修改模型并进行仿真,这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能。这里通过OPNET Modeler 来仿真一个小型公司的网络,并收集部分相关参数来测量感兴趣的网络性能。
某公司拥有1个30台终端和1台服务器的星型拓扑网络,由于业务增长的需要,现在需要增加视频业务,用OPNET Modeler快速建立所需的公司网络拓扑,选择适当的统计量,并进行离散事件仿真,最后分析仿真结果,以便检测现有的公司网络能否适应新的业务要求。
根据问题描述,利用OPNET Modeler 建立工程,创建一个场景反映公司早期业务配置的星型网络, 如图1所示。
图1中30台终端以10BASE-T链路通过集线器(Hub)连接到服务器,在此场景中配置相应的业务,收集统计量局域网的延迟时间(Ethernet Delay)并进行仿真,得到的仿真结果如图2 所示。从图2中看出,原有业务下网络延迟平均为3.5 ms,网络延迟时间为毫秒级。
根据公司业务发展需要,要求增加视频业务,新增一个场景添加新的业务要求并进行仿真,收集到的延迟时间如图3所示。从图3中看出,增加视频业务后网络延迟时间剧增,最大延迟达到0.47 s,而平均延迟时间也达到0.19 s,但视频业务对网络延迟比较敏感,需要较小的延迟,因此需要对现有网络进行升级。
为了满足公司新增的业务要求,并能有效降低网络延迟时间,可在原网络拓扑结构中将链路带宽升级到100 MHz,再次进行仿真并得到新的网络延迟时间(如图4所示)。为了更好的比较增加视频业务后原有的网络和改进后网络的网络延迟时间,下面给出改进前后2个网络的平均网络延迟时间对比图,从图5 中看出改进前网络延迟较大,延迟时间达到秒级,而将网络链路提升至100 MHz后网络延迟大幅下降,延迟时间为毫秒级,满足预期业务要求。
4 结 语
计算机仿真已经成为研究计算机网络的一种非常有效的评估工具。随着网络的日趋复杂、规模日益庞大,利用仿真软件进行网络的性能分析就变得尤为重要。网络仿真技术为网络技术开发、网络性能理论测试、网络设计方案评估及网络故障诊断等提供强有力的工具,它能够验证实际方案的有效性和比较多个不同的设计方案,为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真正以其突出的优越性越来越受到网络研究人员的关注和重视。因此OPNET网络仿真软件必将得到更为广泛的应用。
参考文献
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