控制系统设计与建模

控制系统设计与建模（精选十篇）

控制系统设计与建模 篇1

薄膜的高速收卷是多层共挤流涎薄膜生产中的关键环节之一。收卷的速度和质量更是整个生产线品质的集中体现。高速收卷需要解决好包括薄膜的舒展、分卷、张力控制、自动收卷、换卷等问题。其中, 薄膜的张力大小及平稳性对收卷质量具有决定性的影响[1,2]。实时控制薄膜张力大小及平稳性的难点在于流涎膜具有薄、幅宽大、长度极长及抗弯模量小等特点, 收卷时容易发生缠绕撕裂等现象, 且在薄膜卷径增大及自动换卷时, 薄膜张力也不断变化, 使得维持张力恒定更加困难。

本文以维持张力恒定为核心, 通过分析流涎薄膜收卷系统的张力与线速度、卷径及转速之间的动力学关系, 研究收换卷时收卷电机的变化规律[3], 通过控制电机速度差间接控制张力, 同时采用BP神经网络PID控制器调节收卷转速对张力进行直接补偿[4,5,6], 从而实现了薄膜在高速收换卷时的恒张力控制。仿真和实验表明, 本文提出的控制方法具有良好的控制效果。

1 收卷系统的数学模型

1.1 收卷工作原理

本文以中心式收卷机构为研究对象[7], 如图1所示。当传感器测定收卷辊A上的卷径达到设定值时, 开始换卷, 启动翻转电机交换收卷辊A和B的位置, 达到180°时, 启动砍刀切断薄膜并将其卷绕到收卷辊B上继续收卷, 至此完成一次换卷。

1.2 张力与线速度的动力学关系

设薄膜经过牵引辊的时刻为t1, 线速度为v1, 进入收卷辊的时刻为t2, 线速度为v, 薄膜的弹性模量为E, 横截面积为A, 薄膜从牵引辊到收卷辊的长度为L, 张力为F。在t2-t1的时间段内, 薄膜的伸长量为。根据胡克定律, 薄膜张力可表示为

由式 (1) 可知, 要控制薄膜的张力F, 就必须控制线速度v-v1的大小, 可见张力控制系统实际上也是线速度跟踪系统。可通过控制牵引辊与收卷辊之间的速度差来间接控制薄膜的收卷张力。

1.3 张力与卷径、转速的动力学关系

薄膜在收卷时, 卷径会不断增大, 此过程中收卷辊的力矩平衡方程为

式中, Mr、Mf、J、r、ω分别为收卷辊的拖动力矩、摩擦力矩、转动惯量、半径和角速度。

薄膜的收卷过程如图2所示。

设薄膜密度为ρ, 宽度为b;辊芯半径为r0, 密度为ρ1, 则

设薄膜厚度为δ, 由薄膜收卷面积相等可得:

则

将式 (3) 、式 (4) 代入式 (2) , 可得:

张力F与卷径、电机转速之间的关系为

由式 (6) 可知, 电机在采用恒转矩控制时, Mr恒定, Mf可忽略, 所以收卷张力F主要受卷径r和收卷转速n的影响。因此, 可对卷径进行实时测量, 并通过调节收卷转速来对张力F进行精确控制。

1.4 收卷时转速的变化规律

由于薄膜在收卷的过程中收卷辊半径实时增大及自动换卷时翻转速度对收卷速度的影响, 收卷电机的转速与收卷线速度并不是线性对应的, 故需要研究其变化规律, 并对其进行实时补偿。一般正常收卷时的收卷线速度和牵引线速度分别为

当给定牵引线速度为v1时, 其牵引电机和收卷电机的转速分别为

式中, r1为牵引辊半径;i1为牵引电机到牵引辊的传动比;r2为测得的收卷辊实时半径;i为收卷电机到收卷辊的传动比。

1.5 换卷时转速的变化规律

换卷时, 收卷辊A、B交换工位, 翻转机架以ωR的角速度顺时针翻转180°, 如图3所示。

图中, θR为翻转机架翻转过的角度, θR=ωRt。θRr为翻转线速度vR与收卷辊线速度vr之间的夹角, 则薄膜的收卷线速度为

故在换卷过程中, 牵引电机的转速仍为式 (7) , 而收卷电机的转速改变为

其中, vR=ωRlOD, θRr=∠ODA0, lOD和∠ODA0可由机构的实际几何关系得到。

2 控制系统的设计

2.1 张力控制原理

张力控制系统采用了张力与速度的解耦双反馈闭环控制方式。根据式 (1) , 薄膜的张力通过调节收卷和牵引的线速度差v-v1来控制。针对某流涎机实际情况, 设定收卷线速度比牵引线速度大1%, 即v=1.01v1。最终通过对牵引电机、收卷电机转速的精确实时控制, 来实现薄膜张力的恒定。各电机的转速通过编码器实时反馈, 构成速度闭环控制。根据式 (6) , 通过张力的测得值与设定值比较, 采用BP神经网络PID控制器对收卷电机转速进行微调, 实现整个收卷系统的张力闭环控制。另外, 在收卷过程中卷径变化及薄膜换卷时, 需要按式 (7) ~式 (9) 对电机转速进行实时补偿。系统的控制原理如图4所示。

2.2 BP神经网络PID控制器

根据测得的张力, 对收卷电机转速进行微调, 从而维持张力的恒定。在此过程中, 控制对象具有非线性、时变、滞后等特性, 常规PID算法的参数很难确定, 而BP神经网络PID控制器具有很强的学习、记忆和自适应能力, 对非线形系统可取得良好的控制效果。BP神经网络PID控制器由BP神经网络控制器和自学习PID控制器两部分组成, 控制原理为:根据张力的设定值和输出值, BP神经网络对系统性能进行学习, 在线调整PID的3个输出参数kp、ki和kd, 实现PID控制的最优组合, 亦即通过改变电机转速来实现张力的调整。

2.2.1 自学习PID控制器

实现自学习PID控制的表达式为

式中, u (k) 为PID控制器在k时刻的输出;e (k) 为k时刻张力设定值与输出值的误差。

2.2.2 BP神经网络控制器

BP神经网络控制器采用三层前馈网络模型, 输入层、隐层、输出层的结构为3×8×3。输入的3个节点分别为张力设定值F0、张力输出值F和误差e;输出的3个节点分别为PID的参数kp、ki和kd。整个控制结构如图5所示。

BP神经网络的学习过程分为两个阶段:

(1) 信号正向传播过程。输入信号 (F0, F, e) 从输入层进入后, 通过隐层加权系数wij (2) 得到该层的输出信号oi (2) ;该信号向前输入到输出层, 通过输出层加权系数wli (3) 得到该层输出ol (3) 。输入层的输入为

隐层的输入、输出分别为

f (x) 为隐层神经元活化函数, 取正负对称的Sigmoid函数:

输出层的输入、输出分别为

g (x) 为输出层神经元活化函数, 取非负的Sigmoid函数:

(2) 误差反向传播过程。如果输出层未得到期望的输出值, 将产生输出误差信号δ0, 由此可计算出输出层加权系数的调整量Δwli (3) ;误差信号δ0通过隐层加权系数反传至隐层各节点, 得到隐层误差信号δy, 由此可计算出隐层加权系数的调整量Δwij (2) 。通过不断调整加权系数, 使误差不断变小至设定范围内。取性能指标函数:

式中, F0 (k) 、F (k) 分别为张力在k时刻的设定值与输出值。

根据性能指标, 按照梯度下降法修正网络的加权系数, 即按E (k) 对加权系数的负梯度方向搜索调整, 并附加一个使搜索快速收敛的全局极小惯性项, 其修正公式为

式中, η为学习速率, η>0;α为惯性系数, 0<α<1。根据式 (16) , 输出层节点的加权系数调整量为

将式 (18) 代入式 (17) 可得:

同理, 隐层节点的权值调整量为

3 仿真与实验

3.1 仿真结果对比

根据设计的BP神经网络PID控制器, 在MATLAB中利用工具箱对控制系统进行仿真, 并与常规的PID控制器进行比较。

BP神经网络PID控制器的参数设置如下:学习速率η=0.32, 惯性系数α=0.05, 训练的目标误差为10-8, 加权系数初始值取区间[-0.5, 0.5]上的随机数。

分别输入幅值为1的阶跃信号和正弦信号, 并在60s时给阶跃信号一个幅值大小为0.1的脉冲干扰信号。仿真对比结果如图6a、图6b和表1所示。

由图6可见, 虽然常规PID控制响应迅速, 但超调量较大, 而且产生较大的振荡;而采用BP神经网络PID控制, 虽然响应速度稍慢一些, 但超调量可以下降很多, 并较快地进入稳态。在受到干扰时, 波动也较小, 能更快地恢复稳态。图6仿真结果表明, 本文所提出的控制算法在整体上优于常规PID。

3.2 实验结果对比

将本文所提出的张力控制方法应用于南通某公司的SDLZ2400CPE型流涎机生产线上[8], 并与常规的PID控制方法做对比实验。系统所采用的牵引辊电机型号为VFG160L2-450-5.5, 收卷辊电机型号为VFG100-1000-3.0, 它们由西门子MM440系列变频器控制;机架翻转采用普通的交流电机控制, 功率为0.75kW。张力传感器采用三菱的TX-030TD。采用的速度编码器和张力传感器分别如图7a、图7b所示。

当牵引辊线速度以50m/min稳定运行后, 开始数据采集, 此时收卷辊线速度为50.5m/min;在140~160s间将牵引辊线速度逐步升高到70m/min, 收卷辊线速度相应地升高到70.7m/min;在220~250s间系统完成一次换卷, 由于机架翻转、砍刀切膜等因素, 收卷辊线速度需要有一定的补偿。经现场调试, 得到流涎机在收卷时的辊子线速度和薄膜张力值分别如图8、图9和表2所示。

由实验结果可知, 使用PID方法进行流涎机收卷控制, 系统在稳定收卷时, 收卷速度变化为±5m/min, 张力变化为 (200±20) N, 升速和翻转过程中, 电机速度波动较大, 张力变化为 (200±40) N, 砍刀切断薄膜瞬间, 张力波动剧烈;使用本文提出的BP神经网络PID进行流涎机收卷控制, 系统在稳定收卷时, 收卷速度变化为±2m/min, 且收卷辊与牵引辊的线速度比基本在1.01左右, 张力变化为 (200±5) N, 升速和翻转过程中, 电机速度能基本按照补偿规律运行, 张力变化为 (200±20) N, 砍刀切断薄膜瞬间的张力波动也远小于常规的PID控制效果。

4 结语

针对流涎机收卷系统, 根据其在收卷过程中的动态过程, 分析了张力与收卷线速度、卷径及转速之间的动力学关系, 以及卷径变化和换卷时收卷电机转速的变化规律。

在此基础上, 采用张力与速度的解耦双反馈闭环控制方式设计了薄膜张力控制系统。通过控制速度差形成速度闭环, 同时采用BP神经网络PID控制器调节收卷转速形成张力闭环, 并针对系统特有的机械特性对电机转速进行了补偿, 从而维持系统在整个收换卷过程中的张力稳定。

在张力闭环控制中, 所采用的BP神经网络PID智能控制算法可以根据系统动力学性能、外界干扰等各种条件, 实现张力的最优自适应控制, 效果优于常规的PID算法。

在宽幅面长跨距的薄膜收卷系统中, 张力稳定控制是一个多输入多输出非线性的难题, 本文所设计的控制系统能有效地控制薄膜张力的稳定, 改善控制系统的动态稳态特性, 在提高薄膜产品质量的同时提高了系统的工作效率。以电控式张力电气元件为基础, 结合计算机式控制系统及先进有效的智能控制算法的综合方案将会得到越来越多的应用。另外, 该研究成果也可应用于纺织、造纸等领域, 具有一定的参考价值。

参考文献

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[4]张晓宇, 许丽丽, 仪垂杰.前馈神经网络在有源噪声控制中的应用及分析[J].机械设计, 2008, 25 (7) :58-59.Zhang Xiaoyu, Xu Lili, Yi Chuijie.Application and Analysis of Feed-forward Neural Network Used in the Control of Active Noise[J].Journal of Machine Design, 2008, 25 (7) :58-59.

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[6]Jia Mengyin, Ji Sunshin, Lee H H.On-line Tuning PID Parameters in an Idling Engine Based on a Modified BP Neural Network by Particle Swarm Optimization[J].Artificial Life and Robotics, 2009, 14 (2) :129-133.

[7]Xu Xiaoyong, Sun Yu, Fan Hongmei.Control System of the Film Casting Based on the Fieldbus[C]//Proceedings of the 2010IEEE, International Conference on Mechatronics and Automation.New York:IEEE, 2010:1320-1324.

控制系统设计与建模 篇2

对于机器人的动态模型，球的运动模型以及机器人的推球模型中所出现的方程，只需知道了解一下即可，看不懂的也无需深究，编程时可直接使用。

在机器人足球比赛中,机器人的基本行为包括移动和避障两种,基本动作包括射门点球、截球、阻挡、扫球等。需要注意的是避障用的是势场法（仿真机器人中涉及到的势场法，模糊控制等都是是现在人工智能研究的领域，对人工智能或者数学建模感兴趣的同学可以去了解一下，我个人觉得，对于这些方面，理工阅览室提供的资源还是比较丰富的）。基本动作的话论文中讲的比较清晰，只是配的图形不清楚，不过这些图在百度里都可以找到，你们可以根据自己的需要去百度里搜一下。

管网式喷雾系统建模与压力控制 篇3

关键词：管网；施药；建模；压力控制

中图分类号：S49 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0389—02

在果树病虫害防治中，化学防治为主要手段。由于我国大多数的果园立地条件为坡地，株行距小，且用于大田作物的喷雾机械难以在丘陵山区使用，因此作为果园管理重要环节之一的施药作业依然处于较低的机械化生产程度，工人劳动强度大，防治效果不理想。

近年来，管网式喷雾系统因其建设施工方便、作业劳动强度小、使用维护成本低等优点而在山地果园中开始普及。该系统采用固定式管道网络布局，利用动力喷药机械的柱塞泵将药液池的药液泵入管道，再经管道输送至果园的不同区域，工人们用软管喷枪连接管道输出节点，进行一定范围内的果树施药。喷雾压力是影响喷雾量、雾滴直径的关键因素。喷枪开闭时间以及作业数量的随机变化会引起管道中药液压力波动，进而影响药液在目标果树的有效沉积比例。喷头作业数量的增加使管网负荷增加、瞬时压力下降，降低了雾化均匀性；喷头作业数量的减少会造成管网负荷减小、瞬时压力升高，容易发生爆管现象。

为了解决水路系统压力控制的快速性与准确性，国内外许多学者进行了广泛的研究。研究表明，比例-积分-微分（PID）控制、反馈线性化控制、模糊控制、参数自整定控制、自适应控制以及鲁棒控制等方法对于恒压供水系统有较好的压力控制效果。虽然固定管道施药系统与城市管道供水系统相似，但是受果园建设的成本因素、管网流量规模的影响，前者系统结构较为简化，但不确定干扰、参数变化波动较大，对于控制器的抵抗瞬时流量负荷变化能力要求较高。由于滑模变结构控制和模糊控制对于系统参数变化和外界干扰的影响均具有自适应性，因此本研究采用模糊滑模变结构控制方法设计管网式喷雾系统的压力控制器。通过对管网主要元件进行数学建模，确定管网系统的对象模型，构建模糊滑模压力控制器，进行变流量负荷条件的数值模拟和试验验证。本研究可为农业管网式喷雾系统的压力控制器设计提供参考，对提高施药系统的作业质量和自动化程度有应用研究意义。

1管网元件数学模型

图1为管网式喷雾系统的基本构造。药液泵的Q-H特性曲线通常采用2次或3次多项式进行离散点的最小二乘法曲线拟合。本研究采用2次多项式表示扬程曲线，即：

3验证分析

压力控制试验用的样机来自华南农业大学研制的管网式喷雾压力控制系统，由3.0 kW电动机、45柱塞泵、电源组件、3.7 kW变频器、流量计、压力变送器以及压力控制器等部件组成，柱塞泵流量42～52 L/min，工作压力1.0～3.5 MPa，水平射程15～18 m。试验管网系统的主干管（DN20）长度15 m，各支管（DNl5）长度5 m，共6路支管。本试验测试过程中只在其中的3路支管装有喷枪，封闭其余支管。

测试方式：为模拟变流量负荷工作状态，试验过程中采用同時开闭支管喷枪的方式。喷雾机开启工作后，管网的各支路喷枪全部打开。设定管网工作压力为1.35 MPa；待管路压力稳定后，同时关闭其中2路喷枪，保留1路喷枪仍处于开启状态；17.5 s后，同时开启已关闭的2路喷枪，直至系统压力稳定。测试过程中用数据采集仪记录管路流量、压力数据，采样时间为10ms。

由图2、图3可知，因2路喷枪在2.5 s时被同时关闭，实际喷药量瞬时减少，导致管网压力大幅增加，此时压力控制器执行降压控制，通过管网压力闭环反馈，降低药液泵电动机的转速以减少供药液量；10 s后管路系统的供药液量与喷药量达到稳定值；20 s时重新开启2路喷枪，实际喷药量增加进而使管网压力瞬时减小，压力控制器执行升压控制，通过管网压力闭环反馈，提高药泵电机的转速以增加供藥液量；12.5 s后管网压力可以恢复到1.35 MPa。

对图4、图5管网压力控制试验的实测结果进行对比可知，仿真计算的结果与试验测得的结果趋势基本一致，控制瞬态响应存在的差异主要是管网系统的非线性特征以及仿真计算时的参数取值误差造成的。从图2至图5可看出，对于时变系统和不确定系统，模糊滑模变结构控制器具有良好的跟踪性能和鲁棒性。基于模糊规则的模糊滑模变结构控制方法可有效通过切换增益消除外界干扰和参数未知变化，同时也消除了变结构控制带来的抖振问题，保持了良好的动静态响应。

4结论

本研究针对山地果园管网式喷雾系统施药过程中的压力不稳定问题，设计了1种非线性压力控制器。在压力控制器的设计过程中，直接把开关函数及其微分作为输入量，通过模糊推理获得滑动模态控制的控制量，以消除线性化模型对系统误差分析的影响。

基于建立的喷雾管网系统主要元件的数学模型，对施药过程中的变负荷压力控制进行了仿真分析。为验证控制器的运行效果，开展了试验研究。仿真与试验结果表明：该压力控制器可以满足施药管网压力恒定的要求，动态响应迅速，控制精度优良。所设计的压力控制器具有直接、简单和可行的优点，且能保持整个系统对参数时变和干扰不确定性的稳定。

物流系统建模与仿真教学设计研究 篇4

《物流系统建模与仿真》是一门面向物流工程专业本科生和研究生学习的课程。可用的参考教材有彭杨的著作[1]。该课程的开展要求学生对物流学、数学、运筹学、统计学和计算机编程有一定的了解和掌握,注重理论与实践的结合,重点培养学生的动手能力、独立思考能力。在教学过程中,教师要特别注意难易程度的把握,重在教学物流系统建模和仿真的基本理论方法和技能,及相关辅助软件工具的运用。物流系统正朝着自动化、信息化、集成化的方向快速发展,教学内容需跟随时代发展的实情,提高学生对现实物流系统的认识。

通过本课程的学习,要求学生掌握物流建模和仿真的一般原理方法和技能,综合应用所学知识对物流系统运作规律和特征进行建模和仿真,了解物流系统各种业务流程的仿真方法和技术,熟悉使用物流仿真的专业软件,能够对一些实际的物流系统进行建模和仿真,并进行综合分析得出有价值的结论;提高学生的理论研究水平和实践应用能力,培养综合能力较强的物流工程的专业人才。

1 教学现状

国内一批学者对物流教学展开了系列探讨[2,3,4],物流系统建模与仿真的应用性、综合性较强,掌握本课程的学习,需要事先了解其它的一些学科知识,这包括:系统工程、高等数学、概率统计、运筹学、统计学、计算机编程、数据库、现代物流等课程知识。建模与仿真的复杂性使得过硬的计算机相关知识成为学好这门课的必要条件。Matlab、C/C++、Exe、Flexsim、Automod、Arena等相关软件的熟练运用,也是学好这门课程的基础和前提。由于相关基础课程课时的有限性与知识内容大容量之间的冲突,学生对知识的掌握是蜻蜓点水式—杂而不深入,使得结合计算机技术进行建模仿真的教学内容有一定的难度。

我们需要借助管理学以及现代企业和物流的发展脉络来学习和运用这门学科知识。比如在建立一个模型时,我们需要先了解实际的企业状况,分析可能存在的问题,再针对问题建立数学模型,综合利用计算机技术和数学理论进行求解和优化,然后对实际物流业务流程进行可视化分析,建立仿真模型。此过程要求学生了解物流业务的各个流程和存在的瓶颈问题,具备良好的数学抽象建模的思维,掌握计算机编程和物流专业软件。这都给教师的教学和学生的学习带来了很大的挑战。

物流作为新兴行业,新的技术、新的概念、新的方法层出不穷。要学好这门课程,学生就要关注前沿科技,把握最新的物流研究动向。目前的教学中关于理论方面的教授比较详细,但是关于仿真和实践,由于课时和实践条件的限制,以及学生自学能力的欠缺,要做到理论与实践有效地相结合,确实是有一定难度。即使有理论与实践的结合,对于物流实际业务的忽略也使得实践只能是局限于课本之上的实践。系统思想的不成熟,问题解决捉襟见肘,顾此失彼,无法协调系统内部的平衡性,更没有长远的眼光。所以在安排理论与实践的教学部分时,两者所占用的时间比例要恰当,以培养学生的动手实践能力。借助计算机仿真的三维可视效果培养学生的兴趣,是一个比较好的切入点。

2 教学内容

《物流系统建模与仿真》可作为经济管理、物流管理、物流工程、工业工程、系统工程、自动化等专业的本科生教材,是高等院校物流管理和物流工程必修的一门课程。该课程的开展要求教学与自主实践相结合,旨在培养具有扎实理论知识基础和丰富实践经验的物流人才,使其能进行物流规划、管理、组织、指挥、决策以及在物流企业及企业物流部门从事生产与经营管理工作的高级专业人才,以适应中国物流行业的发展需求。

本课程教学内容包括了物流系统建模与仿真的一般概念、理论、方法和流程,重点探讨离散事件系统仿真的一般理论基础;特别介绍了一些计算机仿真软件(物流仿真软件Flexsim等),及其在物流系统建模与仿真方面的应用。当研究的物流系统不是十分复杂,或经过简化降低了系统复杂程度时,我们可以利用数学方法,如线性代数、微积分、运筹学、计算数学等方法去建模和分析问题。但在实际研究中,随着物流理论和应用实践的不断深入,所提出的问题日益复杂,非确定因素、不可知因素、模糊因素众多,因果关系复杂,单独应用数学方法就难以进行描述或很难求解,甚至有时无法求解,借助计算机仿真技术来辅助解决问题是势在必行的。因此,培养学生对物流系统进行综合分析的能力也是十分必要的。

3 教学模式探究

3.1 项目教学

项目教学方法是以实践为导向、教师为主导、学生为主体的教学方法[5]。它从专业的实际需要出发选择具有实际背景的项目为教学内容,在老师指导下,经由师生共同实施这一项目,来完成教学活动。比如,在物流仿真学习的过程中,可以把同学分为几个小组,每个小组根据自己的业务和流程来进行仿真和软件(Flexsim)学习。如此,通过小组的讨论和规划,就能得到更加合理、全面的仿真方案。因为要解决实际问题,仿真时需要考虑许多事项。比如,做自动化仓库的仿真要考虑到公司从事什么业务,需要什么样的布局,货物到达的方式以及货物在货架上的摆放要求等一系列的实际问题,来进行仿真的安排,强化物流建模和仿真的实践教学[6]。这样才能达到仿真的目的——检验或者为决策提供依据。

项目教学方法要求学生在教师的指导下,按项目要求进行资料收集、选择、整理,通过小组成员的共同研究分析,创造性地解决问题,完成项目任务。我们还可以通过让多个小组参与同一个目标项目的仿真,使学生在紧张的竞争中得到提升和锻炼。这样的教学方式不仅能提高学生的积极性,还能提高学生的团队合作能力。

3.2 案例教学法

教学过程中要大量运用案例教学[7],以使学生对教学内容充分理解,能够在不同的场景中合理运用知识,达到举一反三、学以致用的目的。案例有背景、有条件,能将抽象的理论具体化。案例教学能让学生感知到知识应用的真实性。单个案例虽然不能全面、多角度地对理论知识进行透彻的剖析,但是比起纯粹的理论教学能让学生更清晰地掌握并准确运用所学习的内容,因此更具有使用价值。用于教学的案例,即使不能涵盖所有的知识点,也要有其主要的理论知识点。案例要有深度,有拓展的空间,最好是当下时新的物流企业案例或企业的物流案例。案例的难度应根据它所运用的理论的难度系数来确定。

案例教学要以探究为主,以展示为辅。通过老师对案例的展示和分析,由学生分组讨论探究理论的应用方法和技巧。老师引导学生去思考案例的可能性、创新性。这样有利于对后续理论知识的引出和学习。案例教学是一种互动的教学方式,既需要老师的讲解,也要求学生的配合。学生对案例的理解、消化和联想可加深对知识的理解,经过缜密地思考提出解决问题的方案,便能得到综合能力上的升华。而学生对问题的思考和求解需要老师的引导,因此,双向互动的教学形式对老师也提出了更高的要求。

3.3 创新性教学

创新能力的培养是当前教育的一个重点。物流涉及了工科、理科、文科等众多学科,综合了各行各业的知识系统,所以其创新性也显得举足轻重。问题的分析有定量和定性之分,定量的比较更有说服力,但是也不能忽视定性分析的优点。物流建模不仅借助了定量分析也大量借助了定性分析的方式。在海量的数据面前,定量分析显得繁琐,虽然现有的数据分析软件可以解决这一难题,但是有时若能适当运用定性分析,便可以使得问题简明化。

例如:物流系统建模让学生觉得枯燥且难以理解,可以引导学生学习别的学科中相似问题的解决方法,以达到触类旁通的教学目标。也可以引导学生从不同的角度去解决相同的问题,提高学生发现问题和解决问题的能力。创造力是社会发展的不竭动力。老师在上课时要引导学生思考,鼓励学生思考。以学生提问的方式进行教学,既可以调动学生的积极性,避免讲授一些重复的知识点,又能让学生更好的掌握所要学的内容。教学过程中要多倾听学生的想法,要有目的性的讲学,而不是一味的单方面传授。

3.4 经验教学

教师自身经验是教学的一大宝藏。具备一定的社会阅历和相关的工作经验的教师可以指导教学方向和教学问题的研讨方向,指明理论学习所需要掌握的知识和实际应用中应具备的技能。大部分学生接触物流企业生产运作的机会少,老师的经验就显得很有价值。因此,在平常的教学中,老师应加强对学生实战经验的传授,而不仅仅只是知识的灌输。此外,还可以邀请高年级的优秀学生来做一个关于本门课学习心得体会的报告,或者学习方面的交流活动。这种学生之间的互动更有影响力,而且可以增加学生与高年级学生之间的联系。学生看到本门课程对于后续课程学习的重要性,可以增强他们的自主学习意识。

3.5 系统化教学

系统化教学重点在于做好课程内容的取舍及编排、教材建设和多媒体课件等工作。针对不同的教学内容采取辩论式教学、实践教学、启发式教学等多种教学方式,确保对不同学科知识的综合运用、理论和实践的结合、教学和学习的相互促进,优化教学过程,提高教学效率。同时,针对单独的知识点采取模块化建设,确保知识体系的系统性和精简性,创建宽松的教学氛围,调动学生学习的积极性和主动性。

4 教学流程设计

在教学过程中,可以分为以下四步进行:整体认知、理论学习、实践操作和能力培养。

4.1 整体认知

整体认知是通过目录和老师的讲述给学生一个大概的知识轮廓,让其明白主要知识点、相关基础知识背景,让学生对将要学习的课程有一个大体的了解。通过老师的讲述,学生应该能够明白课程性质、相关基础知识背景,明确课程目标和意义,理清主要知识点,了解前沿理论研究及其实践应用状况等。讲解过程中指明国内外的物流现状和差距,并根据我国物流发展趋势为学生学习引导好方向,奠定课程的背景知识基础。首次课时,应该介绍学期的整体安排,便于学生合理安排学习计划;推荐一些课外阅读资料和相关教辅书籍,便于学生进行课外自学,加强知识理解,提高学习效率。

4.2 理论学习

理论学习是课程开展的重点也是难点,因此占用了课程教学的大部分课时。作为物流工程专业的学生,工科和理科方面的知识相对薄弱,而本课程教学又需要借助计算机、高数、统计和运筹学等相关知识来辅助,这给课程的有效进行带来了极大的挑战。因此理论学习的目标就是充分运用案例学习法、自学引导法等教学方法,让学生充分理解和掌握物流建模与仿真的理论。案例教学在建模的学习过程中能够得到充分的应用。例如,在学习排队论时,我们完全可以联系实际生活,引用一些生活中的事例,如在食堂排队买饭、到自助取款机排队取钱等。而自学引导法则贯穿整个学期的始终,因为相关的知识需要学生自己课外补充,老师只能引导而不能面面俱到。但需要注意的是,学生自学能力不尽相同,既要充分发掘学生的学习潜力又不能给学生太大的学习压力。只有这样才能有效调动学生的积极性,培养学生的学习兴趣。

4.3 实践操作

实践操作是一种重要且十分有效的学习手段。物流专业的人才培养目标是培养理论和实践相结合的平衡性人才。实践操作不仅能检验学生对知识的掌握程度,还能让其在实践的过程中发现问题,引起学生主动思考,让知识得到进一步的升华。这门课程有关仿真和相关物流软件的学习需要学生自己操作,老师课堂上做的只是对学生实践操作的指导和点评。为了提高学生的实践能力,我们可以在学习建模和仿真的过程中将实践操作和自学辅导法结合起来,比如课后按小组分配任务,布置一些实践操作项目,然后在后续课程中进行点评和检验。

4.4 能力培养

能力培养是学习的最终目的。通过课程的学习,不仅是学生对相关知识的扩展,更重要的是学生综合能力的提高。通过项目教学法培养竞争意识、提高学生的团队合作能力;通过案例教学培养交流能力和主动思考能力;通过实践教学法锻炼学生的实践动手能力和发现问题的能力;还有自学辅助教学法对学生的自学能力的提升等都有助于学生能力的培养。

5 结论

《物流系统建模与仿真》是物流工程专业学生的一门重要课程,该课程的边缘性和结合性十分强。物流工程专业学生学习该课程有一定的难度。这门课程不仅要求学生掌握大量的基础知识,还需要学生有分析、思考和自学的能力,这对学生和老师都提出了很高的要求。本文从教学内容、教学方式和教学流程设计等角度展开论述,以期达到理论教学和实际操作的结合,为物流行业培养理论研究和实践技术操作相结合的新型平衡性物流人才。

摘要：本文先分析了物流系统建模与仿真课程的教学现状和教学内容,然后探究了项目式教学、案例教学、实验教学、经验教学和系统化教学等教学方式,最后提出了课程教学步骤设计和相关内容。

关键词：物流,建模仿真,教学方式,实践教学

参考文献

[1]彭杨,吴承建.物流系统建模与仿真[M].浙江大学出版社,2009年05月第一版.

[2]王东生.本科物流教学存在的问题及对策[J].管理观察,2008.

[3]黄思杰.高校物流专业教学现状及教学改革分析[J].魅力中国,2010.

[4]曹明兰,刘恒.物流教学改革探析[J].科技视界,2012.

[5]王金妍,李国龙.项目教学法在物流教学中的应用[J].商业经济,2009.

[6]刘霂,浅谈实践性的物流教学[J].新课程学习(下),2013.

控制系统设计与建模 篇5

明

学

院

《电力系统建模及仿真》课程设计

任务书

适用于：电气工程及其自动化专业

（电气工程方向）

自动控制与机械工程学院电子电气教研室

2016年6月

一、课程设计的目的

该课程设计是在完成《电力系统分析》的理论教学之后安排的一个实践教学环节。其目的在于巩固和加深对电力系统潮流和短路电流计算基本原理的理解，学习和掌握应用计算机进行电力系统设计和计算的方法，培养学生独立分析和解决问题的能力。

二、课程设计的基本要求

掌握电力系统等值模型和参数计算，以及潮流和短路计算的基本原理，学会应用计算机计算系统潮流分布和短路电流的方法。

三、课程设计选题原则

该课程设计是根据电力系统分析课程内容，结合实际工程和科研的电力系统网络进行系统的潮流和短路电流计算。

四、课程设计的任务及要求

1、基本要求

（1）用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，在所给电力系统中K处选取不同故障类型（三相短路、单相接地短路、两相短路、两相接地短路进行仿真，比较仿真结果，给出自己的结论。（电力系统接线图见附录1，选做一题）

（2）基于Matlab/Simulink，搭建附录2所示电力网络模型，并进行潮流计算。

2、课程设计论文编写要求

纸张A4、要求书写整齐，字数不少于2000字。

（1）封面包括：《电力系统建模与仿真课程设计》总结报告、专业、班级、学号、姓名、指导教师（具体格式附后）

（2）论文包括目录、摘要、正文、参考文献、心得体会等。

要求：画出完整电路图、参数标注清楚；按照具体项目要求，完成仿真内容并记录仿真结果，给出自己的结论。

五、时间分配

1、查阅资料、熟悉Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱（1天）；

2、基于Matlab/Simulink的电力系统短路故障的仿真与分析（3天）；

3、基于Matlab/Simulink的电力系统潮流计算（4天）；

4、完成课程设计报告（1天）；

5、答辩（1天）。

六、考核标准：

1、完成设计过程：20分；

2、完成调试：20分；

3、考勤：10分；

4、答辩：10分；

5、设计报告：40分

注：无仿真结果或无说明书者成绩以不及格记。

七、参考文献

1.于永源，杨绮雯.《电力系统稳态分析》[M]．中国电力出版社，2007.2.王晶，翁国庆，等.《电力系统分析的MATLAB/SIMULINK仿真与应用》.西安电子科技大学出版社.2008.3.刘卫国.《MATLAB程序设计与应用》[M].北京：高等教育出版社，2008.附录1：短路故障分析与计算的电力系统接线图

1、供电系统如图，发电机G1：50MVA、110kV，保持恒定，Y连接；线路L为100km；变压器T为Yn/d接法，SN=10MVA，Uk%=10.5，k=110/11。

2、供电系统如图，发电机G1：25MVA、11kV，保持恒定，Y连接；线路L为50km；变压器T为d/Yn接法，SN=10MVA，Uk%=10.5，k=11/110。、供电系统如图，发电机G1：25kV，Y连接；输电线路L1和L2长度均为100km，L2末端为中心点接地。

4、图示电力系统，发电机G：25MVA、11kV，Y连接；线路L为100km；T1：11/110，SN=20MVA，T2：110/6.3，SN=10MVA，空载运行时M点发生短路故障。

5、发电机G：50MW、13.8kV，保持恒定，Y连接；变压器T-1：13.8/220kv；线路L：100km，负荷LD：5MVA

附录2：电力网潮流计算的电气接线图

附：总结报告封面格式

《电力系统建模及仿真课程设计》

总结报告

双电机伺服驱动系统的建模与仿真 篇6

摘 要：精密测量雷达伺服系统通常采用典型的三环控制，从外到内依次是位置环、速度环、电流环，伺服驱动系统指的是速度环以内的部分，是伺服系统的基础。利用MATLAB/Simulink的辅助设计和强大仿真功能，对某雷达所采用的双电机伺服驱动系统进行了环路分析和建模，并进行了仿真试验，得到了系统动态的响应效果。该仿真方法为不同状态和参数下的伺服系统性能分析提供了科学的依据。

关键词：雷达伺服系统；电流环；建模；仿真

中图分类号：TM359.6 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0072-02

1 概 述

伺服系统是精密测量雷达进行实时捕获、跟踪空间目标的重要组成部分，其性能好坏直接影响雷达跟踪的稳定性和跟踪的精度。雷达伺服控制通常采用典型的三环控制，从外到内依次是位置环、速度环、电流环，伺服驱动系统指的是速度环以内的部分，是伺服系统的基础[1]。伺服系统设计完成后，其参数设置及负载特性等通常情况下均已固定，但实际应用的过程中，由于环境因素、设备改造或设备器件性能变化，不可避免出现系统参数及负载特性发生变化的情况。为了满足任务需要，伺服系统就需要具有高测量精度和高动态性能。而MATLAB/Simulink的控制模块是针对控制系统开发设计的，具有动态建模，仿真，综合性能分析的软件包。利用该软件包对系统进行建模和仿真，可为伺服系统不同状态和参数下的设备性能分析提供科学的依据[2-4]。

2 控制对象特性分析

控制对象是控制系统的重要组成部分。分析控制对象，取得控制对象的数学模型，是进行伺服系统分析的基础。

3 双电机驱动系统环路分析及建模

在采用单速度环的双电机驱动系统中，同一天线轴上的两台电机电流环共用一个速度环，环内只有一个速度调节器，速度反馈信号取自两台电机测速机输出之和后，与输入速度指令比较，经过并联PID调节器、加速度限制等形成电流指令送各电机控制器中的电流环路，经环路调节、整流放大后驱动相对应的电机，其原理如图1所示。

3.1 电流环

在双电机驱动系统中，两个电流环是相同的。理论分析和实践都证明：当电流环的开环增益足够高且时间常数之和足够小时，直流电动机自身的反电势反馈以及反电势补偿对电流环的影响均可忽略不计，而这两个条件在实际系统中并不难满足，因此没有必要仅仅为了设计电流环去推导反电势补偿环的传递函数。

3.2 速度环

力矩偏置和差速振荡抑制只是为了改善系统性能，并没有改变系统的特性，因此可对它不予考虑。而对于双电机驱动，电流环相同，并由两测速机反馈信号求和后统一进行速度环增益和PID调节，因此可合二为一。

4 环路仿真

本文利用MATLAB/Simulink的辅助设计和强大仿真功能，以方位支路为例对某雷达所采用的双电机伺服驱动系统进行了仿真试验。

4.1 负载特性

4.2 电流环仿真

通过MATLAB进行仿真验证，上升时间约为15 ms，超调量为15%，振荡次数0.5，带宽为25 Hz，不会给速度环带来过大的滞后，与系统的实际情况相符。电流环的特性主要体现在负载变化例如阵风等的影响，环路带宽越大，对负载变化的反应越迅速。

4.3 速度环仿真

通过MATLAB进行仿真验证，上升时间约为200 ms，超调量为10%，振荡次数0.5，带宽为2 Hz，并且可以明显看出由于结构谐振引起的爬坡现象，与系统的实际情况相符。

MATLAB仿真测试结果，上升时间、超调量变化不大，即速度环带宽变化较小，但闭环增益由23降为20，振荡次数为1，过渡过程中有产生振荡的趋势，即测速机反馈系数的变化需控制在一定范围内，否则将导致天线振荡。

5 结 语

本文对双电机驱动系统进行环路分析和建模，并对电流环和速度环分别进行了仿真试验。本仿真测试方法对分析伺服系统不同参数和负载特性下的性能研究具有积极作用，结合后续任务需要，相关研究仍需进一步继续和深入。

参考文献：

[1] 蒲迎英.统一微波测控系统测角分系统讲义[M].西安：电子工业部第三十九研究所，1996.

[2] 忽麦玲，张光辉，卫平，刘兴松.双电机驱动伺服系统的建模与分析[J].火炮发射与控制学报，2007，（2）.

[3] 李琼，王少萍，梁磊.光控伺服系统建立建模与仿真[J].压电与声光，2007，（2）.

[4] 潘高峰，周江.船载雷达伺服系统的建模和仿真[M].北京：电子工程师，2007.

[5] 魏巍.MATLAB控制工程工具箱技术手册[M].北京：国防工业出版社，2004.

控制系统设计与建模 篇7

1 UML的简介

1.1 UML的概述

统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)是面向对象技术领域内的标准可视化建模语言,提供了用图形符号表示的模型元素,可消除一些潜在的,不必要的差异,还可通过统一语义和符号表示,从而使项目根植于一个成熟的标准建模语言,即UML中。

1.2 UML建模机制

UML提供了两种建模机制:静态建模机制和动态建模机制。

(1)静态建模机制。包括:用例图、类图、对象图、包、组件图等。

(2)动态建模机制。包括:消息、时序图、协作图、活动图等。

2 图书管理系统的需求分析及功能描述

2.1 图书管理系统的需求分析

2.1.1 图书管理系统的需求定义

作为图书管理系统的直接受益者学生,对系统的要求:

(1)能按各种方式(比如书名、编号、作者)查询图书馆的藏书情况,方便地借阅图书、续借图书、预借图书、归还图书。

(2)能够查询和修改自己的基本资料、借阅图书情况、浏览动态信息。

作为图书馆工作人员,对图书管理系统的要求有:

(1)能方便地对图书进行查询、读者借阅情况查询、借书还书处理、浏览动态信息。

(2)能够随时发布一些信息诸如各学院学生借阅图书超期情况、馆内藏书情况、借阅情况等,以便各学院能够随时获知本院学生的一些借书信息。

作为图书馆管理系统管理人员,对图书管理系统的要求有:

(1)能方便地对图书进行录入登记、修改、注销等。

(2)能够方便地对新生进行登记,或注销已经毕业的学生信息,能够随时发布一些信息诸如各学院学生借阅图书超期情况、馆内藏书情况、借阅情况等。

2.1.2 图书管理系统功能描述

系统功能分析是在系统开发的总体任务的基础上完成,以及经过系统的需求分析,将图书管理系统的使用人员划分为读者、工作人员和系统管理人员三类。读者主要查看图书信息和个人借阅信息等;工作人员主要查看图书信息、用户借阅信息和读者借书还书管理等;系统管理员主要管理读者信息、书籍信息和工作人员信息等。

(1)系统维护模块。系统用户身份的分类、录入、修改与删除;图书数据的录入、修改、删除与校审;读者数据的录入、修改、删除;动态信息的发布、修改和删除等。

(2)工作人员借还管理模块。包括图书的借阅、续借、预借、返还;图书借阅数据的修改和删除;图书书目查询;读者信息的查询等。

(3)读者查询模块。包括书目查询;个人借阅情况查询;借阅者个人信息部分限制修改等。

2.2 系统用例分析

分析阶段最重要的就是用例图的建立。用例图强调用户希望得到的功能,可被成为参与者的外部用户所能观察到。通过用户视图,使用者应该明确软件后续设计阶段所要完成的任务,整个软件直到实现的过程都是围绕用例来进行的。根据前面的分析,得到如图1的系统总体用例图。

从这个总体用例图中可以看出,系统中的书目信息和消息是不受权限限制的,也就是说任何人都可以浏览,这是基于对系统的权限控制考虑的。这将免去了登录的麻烦,从而提高系统的可用性。

3 图书管理系统设计

使用UML进行系统建模,就是使用面向对象的方法来分析系统,然后用可视化的模型将信息用标准图形直观地显示出来,以建立面向对象的系统模型。

3.1 系统静态模型

类图(Cla SSDiagram)是系统设计的核心部分,明确基本类及其相互的关系有助于使用者进一步完善整个系统。类图描述系统中类的静态结构,不仅定义了系统中的类,表示类之间的联系如关联、依赖、聚合等,也包括类的内部结构(属性和操作)。与数据模型不同,类图不仅显示了信息的结构,同时还描述了系统的行为。

3.1.1 参与者类

参与者类包括Borrower、Administrator和Librarian类,其中,Borrower是借阅者类,属性较多,包括账户ID、姓名、地址等,最主要的操作是借书和还书;Administrator类是系统管理员类;Librarian是工作人员类,包括账户、名字和地址等属性。

3.1.2 系统中的其他类

系统中的类除了上述三种以外,还有Item、Title、load和Reservation等类,其中,Title类是记录书目信息的类,属性包括书籍名称、作者、ISBN、书籍总数量等,操作包括查找、创建、撤销、借出、归还等;Item类是具体某本书的类,属性包括图书编号等,操作包括查找、预借等;Load类是某本书的借阅信息类,包括所借书籍的ISBN、借阅时间等;Reservation是预借信息类,包括预借时间、预借书的ISBN等。

3.2 系统动态模型

系统动态行为模型由消息、顺序图、协作图、状态图和活动图表达,在系统分析和设计中,对主要的用例和对象绘制这些图形,以便分析系统的动态特性和行为。图书管理系统提供的每个服务都是由若干相关对象的交互合作来完成的。下面主要是通过绘制顺序图、协作图和活动图,对系统内部的协作关系和过程行为在动态的层面上进行了描述。

3.2.1 顺序图

顺序图(sequen Ce Diagrajn)用来描述对象之间动态的交互关系,着重体现对象间消息传递的时间顺序。顺序图存在两个轴,水平轴表示不同的对象,垂直轴表示时间。顺序图中的对象用一个带有垂直虚线的矩形框表示,并标有对象名和类名。

图书管理系统中的顺序图比较多,比如有读者借书顺序图、读者还书顺序图、工作人员处理借书顺序图、工作人员处理还书顺序图、读者查询书目顺序图、系统管理员添加图书顺序图等。以工作人员处理还书的顺序图来描述,过程如图2所示。

3.2.2 协作图

协作图(Collaboration Diagram)用于描述相互合作的对象间的交互关系和链接关系。虽然顺序图和协作图都用来描述对象间的交互关系,但侧重点不一样。顺序图着重体现交互的时间顺序,协作图则着重体现交互对象间的静态链接关系。

在图书管理系统中的协作图很多,文中只列出工作人员处理还书的协作图,如图3所示。

3.2.3 活动图

活动图可用来描述操作(类的方法)的行为,也可以用来描述用例和对象内部的工作过程。活动图是由状态图变化而来的,但各自用于不同的目的。活动图依据对象状态的变化来捕获动作与动作的结果。活动图中一个活动结束后将立即进入下一个活动。

在图书管理系统中,有明确的活动的类包括读者、图书管理员和系统管理员,每一个类包括许多活动,文中只给出图书管理系统中工作人员的活动图,如图4所示。

4 结束语

选择合适的面向对象的系统分析和设计工具,可以大大减少工作量,而且有利于用户对模型的理解,从而实现更好的沟通。论文利用UML的可视化建模软件工具,按照项目的需求,使用各种图形,实现图书管理系统面向对象的分析、设计与开发,大大缩短开发周期。

参考文献

[1]史济民.软件工程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]王少锋.面向对象技术UML教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]申凯,王娟.统一建模语言UML的研究[J].湖北:软件导刊,2007,(10).

[4]周莹,张宇华.UML及其在图书管理系统中的应用[J].湖南:电脑与信息技术,2004(10).

[5]肖岗,张广泉.UML在研究生成绩管理系统建摸中的应用[J].重庆:重庆师范大学学报(自然科学版),2007(1).

控制系统设计与建模 篇8

UML (Unified Modeling Language)，即统一建模语言，是一种面向对象的建模语言。它的主要作用是帮助用户对软件系统进行面向对象的描述和建模(建模是通过将用户的业务需求映射为代码，保证代码满足这些需求，并能方便地追溯需求的过程)，它可以描述这个软件开发过程从需求分析直至实现和测试的全过程。UML通过建立各种联系，如类与类之间的关系、类/对象怎样相互配合实现系统的行为状态等，来组建整个结构模型。UML提供了各种图形，比如用例图、时序图、类图、协作图和状态图等，来把这些模型元素及其他关系可视化，让人们可以清楚容易地理解模型，并从多个视角来考察模型，从而更加全面地了解模型，这样同一个模型元素可能会出现在多个UML图中，不过都保持相同意义和符号。

UML有两套建模机制：静态建模机制和动态建模机制。静态建模机制是用例图、类图、对象图、包、组件图、配置来实现系统的用例建模、结构建模、组件建模以及环境建模，描述系统的静态结构组成，建立静态系统模型的。动态建模机制是通过消息、状态图、时序图、协作图、活动图，定义并描述系统静态结构元素的动态行为和交互通信，构建动态系统模型。

二、教务管理系统的功能需求

重庆工业职业技术学院的教务管理系统旨在实现教师办公网络化，提高学院教务管理的效率。因此该系统必须包含教师的日常工作及学生的信息管理等功能。结合我院实际情况，该教务管理系统应包含以下功能：

(一)学生的学籍管理功能;(二)教学管理功能;(三)成绩管理功能。

通过初步分析，系统大致由学籍管理模块、排课管理模块、成绩管理模块、用户管理模块、学生评教管理模块、教学计划管理模块和系统维护管理模块几个子系统组成。其中每个系统下面都可以包含数据处理、查询统计、报表打印等功能。

三、模型建立

（一）用例建模。

用例视图是从用户的角度看到的或需要的系统功能，是被称为参与者的外部用户所能观察到的系统功能的模型图。建立用例模型，首先应确定参与者。重庆工业职业技术学院教务管理系统的参与者有：系统管理员、教务处管理员、院系教务管理员、教师/教辅人员及学生。其中，学生和教师/教辅人员是多个，院系教务管理员是几个，教务处管理员和系统管理员是一个。

教务管理系统相关用例如下：

1、和系统管理员相关的用例：

用户权限更改、日志维护、增加用户、删除用户和管理系统后台数据管理。

2、和教务处管理员相关的用例：

教师排课管理、教学计划管理、成绩管理等。

3、和院系教务管理员相关的用例：

教学计划的录入与变更、新教师的管理、全系课表的查询等。

4、和教师/教辅人员相关的用例：

成绩的录入与查询、课表查询、评教查询等。

5、和学生相关的用例：

成绩查询、教师评教输入、个人信息的录入与查询等。

用户与用例关系及用例之间的关系见图1。

（二）静态建模。

静态模型是依据系统结构从静态观点描述系统的视图，它定义系统中的对象，类及类之间的关系和类的内部结构，即类的属性和操作。

在教务管理系统中存在各种类，而且类与类之间也不是被割裂的，相互之间又存在各种关系 (如继承、关联、依赖和聚集等) ，可以分化为以下相关类：报表类 (Form) 、学生类 (Student) 、教师类 (Teacher) 、系统管理员类 (Sys_Manager) 、院系教务管理员类 (Dep_Manager) 、系部类 (Department) 等。

（三）动态建模。

系统静态建模建立之后，开始进行系统的动态建模。动态模型描述系统的功能是如何完成的，用时序图、活动图、状态图和协作图等从不同角度来描述对象和对象之间的交互。

时序图将交互关系表示为一个二维图。纵向是时间轴，时间沿竖线向下延伸。横向轴代表了在协作中各独立对象的类元角色。类元角色用生命线表示。当对象存在时，角色用一条虚线表示，当对象的过程处于激活状态时，生命线是一个双道线。消息用从一个对象的生命线到另一个对象生命线的箭头表示。箭头以时间顺序在图中从上到下排列。图2给出了教务系统中教师的时序图。教师在输入用户名和密码后，登录系统，到个人首页管理模块，在成绩录入系统后，进行成绩提交，并成功保存。

（四）实现模型的建立。

UML使用组件图和配置图两种机制来描述系统的实现，这两种图都描述了系统实现时的一些特征，主要涉及到源代码的静态分布特征和要使整个系统运行的实现特性。组件图显示系统中软件构件的分布以及它们之间的依赖关系，即显示系统软件方面的逻辑结构。配置图主要是用来说明如何配置系统的软件和硬件。

建模完成以后，UML建模工具Rational Rose可根据系统的构件图生成系统的框架代码，所生成代码取决于所选择的编程语言，本系统选用的是Java语言。通常包括类的声明、属性声明、范围声明、函数原型和继承语句。产生代码后，可根据特定业务完成代码编写，最终实现该系统。

四、结束语

本系统结合重庆工业职业技术学院教务管理的若干重点环节，给出了采用UML和Rose对其进行面向对象的建模方法。采用该方法优于传统的过程开发方式，能够对整个开发过程提供灵活、一致、易读的表达，在很大程度上降低了软件开发的风险性，提高了软件开发的质量。

摘要：探讨面向对象技术中统一建模语言 (UML) 在重庆工业职业技术学院教务管理系统的建模应用。详细描述了基于统一建模语言的教务管理系统各模块的用例建模、静态建模和动态建模。

关键词：UML,建模,用例

参考文献

[1]吴建、郑潮、汪杰编著, UML基础与Rose建模案例[M].北京:人民邮电出版社, 2007.

[2]张龙样.UML与系统分析设计[M].北京:人民邮电出版社, 2001.

控制系统设计与建模 篇9

统一建模语言 (UML) 是非专利的第三代建模和规范语言。UML可以贯穿软件开发周期中的每一个阶段, 因此被OMG采纳作为行业标准。UML最适于数据建模, 业务建模, 对象建模, 组件建模等, 并同时可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模。UML作为一种模型语言, 它使开发人员专注于建立产品的模型和结构, 而不是选用什么程序语言和算法实现。当模型建立之后, 模型可以被UML工具转化成指定的程序语言代码。

IBM的Rational Rose和MS的Visio都是UML工具软件。

标准建模语言UML的重要内容可以由五类图 (十种图形) 来定义, 如表1所示。

2 教材管理系统的UML建模设计

本文以某高职院校教材管理系统为例, 结合Rational Rose2003工具软件绘制图形, 简单阐述UML的建模过程。

2.1 需求分析描述

某高职院校教材管理系统是使用计算机实现教材信息处理的电子档案管理系统, 在本系统中主要满足教师、教务干事和教务处长和系统管理员4方面的需求。对教师来说主要是查询教材样书信息、推荐教材、借阅教材样书、书写教材样书书评等;教务仓管员是系统的主要使用者、负责教材样书的借出和归还处理、教材入库和出库管理;教务干事根据教学计划、学生班级信息以及教师对教材样书的书评结果完成教材征订、申请教材样书、更新教材样书信息库等;系主任/教务处长主要是审核批准教材征订;系统管理员主要负责系统的维护工作。系统的功能分析如图1所示。

2.2 模型建立

1) 用例模型的建立

建立用例模型首先要确定角色 (Actors) , Actors表示提供或接收系统信息的人或系统, 他们是与系统有交互作用的人或事务, 代表一个系统的使用者或外部通信的目标。用例是系统中的一个功能单元, 可以被描述为参与系统之间的一次交互作用。用例模型的用途是列出系统中的用例和参与者, 并且显示哪个是用例的执行。根据以上的系统分析, 本系统确定的角色教师、教务干事、教材仓管员、系主任/教务处长、系统管理员、学生信息管理系统和课程信息管理系统。用例图如图2所示。

2) 静态模型的建立

静态模型是依据系统结构从静态观点描述系统的视图, 它定义系统中的对象和类、类之间的关系和类的内部结构, 即类的属性和操作。

分析用例模型和系统功能需求, 在高职院校教材管理系统中的类主要有Item (条目) 、Title (标题) 、Loan (借出) 、Tteacher (教师) 等。

3) 建立动态模型

系统的静态模型建立以后, 开始进行系统的动态建模。动态模型是描述系统的功能是如何完成的, 用顺序图、活动图和协作图等从不同的角度来描述对象和对象之间的交互。

顺序图将交互关系表示为一个二维图。纵向是时间轴, 横向代表协作中独立对象的类元角色。类元角色用生命线表示。当对象存在时, 角色用一条虚线表示, 当对象的过程处于激活状态时, 生命线是一个双道线。消息从一个对象的生命线到另外一个对象生命线的箭头表示。箭头以时间顺序在图中从上到下排列。

在图3给出了教材管理系统中样书借出模块的顺序图。

4) 建立实现模型

UML使用构件图和部署图来描述系统的实现, 这两种图都描述了系统在实现时的一些特征, 主要涉及到源代码的静态分布特征和要使整个系统运行时的实现特性。

构件图显示系统中软件构件的分布以及它们之间的依赖关系, 即显示逻辑结构。

建模完成以后, UML建模工具Rational Rose2003可根据系统的构件图生成系统的代码框架, 可根据特定业务选择合适的编程语言, 本系统选用C#语言, 完成整个代码的编写, 最终实现系统。

3 结束语

本系统在分析某高职院校教材管理系统功能的基础上采用UML和Rational Rose2003对其进行面向对象的建模设计, 采用这种方法比传统的过程开发方式要好, 能够对整个系统的开发过程提供灵活、一致、易读的表达, 在很大程度上降低了软件开发的风险性, 提高了软件开发的质量, 加快了高职院校信息化建设的速度。

参考文献

[1]徐宝文.UML与软件建模[M].清华大学出版社, 2006.

[2]Joseph Schmuller.UML基础、案例与应用[M].人民邮电出版社, 2004.

控制系统设计与建模 篇10

关键词：高精度,惯导组件,误差建模,测试系统

0 引言

惯导组件用于测量导弹在弹体坐标系三个轴上的线加速度和角速度,利用补偿模型可对惯导组件的误差进行实时补偿。所测量的弹体线加速度和角速度信号,既用于导弹导航参数的计算,也可用作稳定回路的反馈信号,所以决定捷联惯导系统的导航精度的主要因素是惯导组件的性能。因此,为了进一步提高惯导组件的性能,本文提出了一种高精度惯导组件误差建模与测试系统。

1 系统组成及功能

该系统属机电一体化、计算机控制的自动化测试设备,其惯导组件工作于-50℃~+70℃温度范围内,该设备主要由转台、控制单元、高低温箱和产品测控系统等组成,转台提供惯导组件三轴六位置的速率和位置测量功能,高低温箱则给惯导组件提供需要的环境温度,产品测控系统主要承担控制惯导组件供电和数据采集的任务,此外还要监测和控制转台。产品测控系统中的主控计算机与转台控制系统的控制计算机,通过数字I/O通讯,主控计算机能够发送命令到转台控制计算机,以便遥控转台。该系统的组成框图如图1。

2 转台

转台的主要技术指标如下:

位置精度:≤±2”

位置重复性:≤±2”

速率范围:0.01°/s~700°/s

速率分辨率:≤0.0001°/s

速率精度:1°平均:5×10-4

10°平均:1×10-4

360°平均:2×10-5

速率稳定性:1°平均:5×10-4

10°平均:1×10-4

360°平均:2×10-5

台面水平精度:≤10”

台面相端面跳动:0.02mm

周脉冲定位精度:≤±2”

工作温度范围:-50℃~70℃

3 产品测控系统的设计方案

3.1 硬件设计

产品测控系统主要承担控制被测产品供电和数据采集的任务,此外还要监测和控制转台。产品测控系统中的主控计算机与转台控制系统,通过数字I/0进行通讯,主控计算机能够发送命令到转台控制系统,以便遥控转台。

产品测控系统由主控计算机、脉冲计数卡、数据传输卡、两个程控直流电源和交流电源等组成。

(一)主控计算机

主控计算机作为整个测试系统的控制管理中心,负责系统支撑、软件平台、资源调度、数据采集、接口控制。

主控计算机通过转台通信卡实现与转台控制系统的通信,协调计算机与转台测控系统之间的工作过程:查询转台测控系统的工作状态、接收转台的请求或指令;向转台测控系统提出必要的请求或指令。

(二)脉冲计数卡

脉冲计数卡主要功能是把惯导组件角速度通道、加速度通道输出的频率-脉冲信号采集并转换成数字编码。脉冲计数卡能采集陀螺6路脉冲信号、加速度计6路脉冲信号和1路温度信号,同时还提供惯导组件所需的各种同步时钟信号。

脉冲计数卡支持RS-232和PCI通信,实现了脉冲计数卡与主控计算机的直接通信。主控计算机能够经RS-232或PCI总线发送指令到脉冲计数卡,使脉冲计数卡处在不同的工作模式;脉冲计数卡也能将存储单元内容直接反馈回主控计算机。脉冲计数卡与主控计算机的直接通信,让产品测控系统使用更加灵活,便于满足产品的测试要求。

(三)数据传输卡

数据传输卡主要功能是读取脉冲计数卡产生的脉冲计数值,并把处理后的数据发送给主控计算机。在静态测试时,如果同步脉冲信号SP产生一个上升沿,FPGA就可以通过总线接口从脉冲计数卡读取脉冲计数值并存储到FIFO中。同时,FPGA还通过PCI接口与主控计算机进行通信。而在动态测试时,由转台周脉冲信号控制数据传输卡读取脉冲计数卡中的脉冲计数值。

数据传输卡采用FPGA作为系统的主控芯片,FPGA主要由逻辑控制模块、FIFO模块、RS-232通信模块和PCI通信模块等组成。其中FIFO模块主要负责计数脉冲值的存储,方便主控计算机随时进行读取。转台的周脉冲信号为转台旋转一周产生的脉冲信号,其信号由于电磁干扰,所以需要对其进行光耦隔离、整形,从而得到规整的方波信号。

3.2 软件设计

测试系统要求所使用应用软件具有较高的可靠性、较高的运行效率和较直观的软件操作界面。Lab Windows/CVI是一个完全的开放的仪器开发系统,利用它可以构成任意形式的虚拟仪器,如GPIB、VXI、PXI、串行系统、PLC和插入式数据采集系统等,并可通过互联网与其它数据源连接进行动态数据交换,还可以在Lab Windows/CVI中嵌入Active X控件,或用Lab Windows/CVI以动态链接库的形式在Windows下以分享库的形式调用现存代码,具体软件流程如图2。

惯导组件误差补偿模型设计与试验系统的应用软件设计完成如下功能:

a)用于标定惯导组件的误差系数;

b)用于检测惯导组件的指标参数,包括静态检测和动态检测;

c)建立惯导组件误差补偿模型;

d)用计算机对测试结果进行记录和处理,并形成测试文件。

4 结论

该高精度惯导组件误差建模与测试系统是国内自行研制的全温范围内(-50℃~+70℃)对惯导组件进行误差建模的测试系统。通过实际使用,该系统运行稳定,操作方便,可靠性高,目前已应用于对惯导组件的误差建模与测试中。

参考文献

[1]陈哲.捷联惯导系统原理[M].北京:宇航出版社,1986.

[2]刘丰军,尹利国.一种陀螺仪自动测试系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2006,14(1):12—14.

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