数控系统仿真软件设计

数控系统仿真软件设计（精选十篇）

数控系统仿真软件设计 篇1

关键词：仿真系统,PLC,MCGS

PLC是“Programmable Logic Controller”的英文缩写, 意为“可编程序逻辑控制器”, 它是采用微电脑技术制造的电气自动控制设备。它以顺序控制为主, 回路调节为辅, 能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。与传统的继电器控制相比, PLC控制具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、硬件接线简单、改变生产工艺十分方便等优点。

一、PLC仿真软件的概述

PLC指令仿真模块的功能是根据已经读人的语法和语义结构赋予一定的意义, 使其具有PIE的CPU的功能, 对于指令仿真模块来说, 其输入是语法分析模块生成的语法树所包含的各种信息。这一部分要根据不同的PLC的功能具体实现PLC程序可看作由专用的编程语言 (梯形图、语句表等) 所编写的源程序。不能够直接被计算机执行而必须翻译成机器语言PLC程序仿真执行就是一个PLC语言的翻译过程, 主要有编译和解释两种方法实现。这里采用解释法, 即逐句解释并执行。每当逐句解释执行完毕后, 相当于一个扫描周期结束。虽然这种方式执行的速度比编译法慢。但是一般情况下仍在允许的范围之内, 而且采用解释法能够更接近实际PLC循环扫描的工作过程, 在模拟仿真过程中更方便观察、调试程序。

二、PLC仿真软件的设计

仿真技术伴随计算机应用技术的发展而来.是对工业生产系统进行分析、诊断和优化的有力工具之一。有效的设计控制仿真系统, 应用于各类实践, 可以起到投资少、效果好、效率高的作用。在工业控制系统领域, 由于工业生产向着高速、大型化及自动化方向发展, 大量重大生产设备或过程控制设备的应用, 成本日益增高, 对运行操作人员素质要求愈来愈高, 仿真系统可以基本真实贴近现场控制实际。

对控制对象的仿真设计包括两大部分, 即仿真对象的设计以及控制仿真对象动画的脚本程序的设计。仿真界面 (虚拟被控对象) 可以通过“组态王”软件中的子图连接、窗口连接或利用图片处理的方法按照制定样式的功能设计出来, 并根据系统要求在软件基础上对系统进行二次开发, 采用动画、声音连接技术, 使设计的人机界面友好、生动。

三、梯形图向指令表的转换

梯形图是由很多个梯级构成的, 在梯形图的人工转换过程中, 遵循着自上而下、从左往右的原则, 逐个梯级进行转换。因此, 梯形图本质上就是一个有向图, 梯形图在绘制过程中, 通过梯形图链表, 表明了各个元件所在的行和列。梯形图的转换过程就是根据了元件所在的行、列坐标, 仿照人工转换思维, 把梯形图先转换为一棵二叉树, 然后根据二叉树来识别相应的指令。1幅梯形图可以看成是触点或者电路块之间串联与并联。而电路块实质上就是2个或2个以上触点构成的。所以本质上还是触点的串联与并联.串联用“*”号表示, 并联用“+”表示。如图1所示。

按照自上而下、从左往右的原则, 该梯形图可转换为二叉树。二叉树是梯形图向指令表转换的关键, 每个梯级均对应1棵二叉树。二叉树清晰地表达了触点之间的关系, 通过对二叉树进行遍历, 结合对应的触点类型, 进行指令表的书写。

四、PLC仿真软件的工作原理

基于组态软件的仿真系统实现的原理, 在于PLC内部各种继电器的状态与组态软件数据库中数据的链接以及该数据与计算机界面上图形对象的链接。因PLC控制系统实际输出控制时, 是通过输出继电器Y和输出模块去驱动外部执行机构的, 外界的控制信号和反馈信号通过输入继电器x进入PLC内部。而在仿真运行状态时PLC的输出模块与外界是断开的, 输出 (继电器Y的) 信号通过通信线只与组态软件数据库中的数据进行交换, 而这些数据又与屏幕 (界面) 上显示的图形对象有关联。当PLC输出继电器Y的各点状态有变化时, 改变了数据库中的数据值, 继而使相应的图形对象发生变化, 产生我们所要求的模拟实际对象动作的仿真效果。同时, PLC的输入信号也要与数据库的数据进行关联, 通过对屏幕上图形对象的鼠标操作, 或组态软件内部变量事件触发而改变与其链接的数据库中的数据, 继而改变输入信号。在编写PLC程序时要注意通过对屏幕上图形对象的鼠标操作, 或组态软件内部变量事件触发给PLC的输入信号只是一个脉冲信号。组态软件仿真对象不仅可以接受多种由PLC发出的如数字、模拟等控制信号, 亦可向PLC反馈数字、模拟等各种信号, 与PLC进行各种状态数据的交换, 从而反映PLC运行与控制对象动作结果之间的关系。

五、结束语

可编程控制器 (PLC) 广泛应用于工业控制的各个领域。因PLC用于工业现场控制, 且PLC不同于微机, 无法通过显示器观察程序的执行结果, PLC程序的验证只有与被控对象结合才能实现, 因此实验环节非常重要。由于现行PLC的操作系统 (系统管理软件) 是建立在逻辑运算的基础上, 不具备系统管理能力, 没有良好的人机联系界面, 可视性差。如果采用组态软件和PLC控制系统相结合, 以“组态王”软件为基础, 进行二次开发, 利用“组态王”对PLC进行动画组态、硬件组态和控制组态, 通过计算机全真模拟PLC的实验过程, 对PLC的实验状态进行模拟, PLC仿真软件系统必将得到大力的发展。

参考文献

[1]郭纯生:可编程序控制器编程实战与提高fm1.北京:电子工业出版社, 2006

[2]金文兵:由组态软件、智能仪表及PLC等组成的工业控制系统[j], 电力自动化设备, 2005 (6)

注射机仿真系统软件设计与开发论文 篇2

一、注塑机综述

（一）注塑机的原理

现以XS—ZY—250A型注塑机液压系统为例介绍注塑机的原理。该注塑机采用了液压—机械式合模机构。合模液压缸通过对称五连杆机构推动模板进行开模和合模。连杆机构具有增力和自锁作用，依靠连杆弹性变形所产生的预紧力来保证所需的合模力。系统通过比例阀对多级压力（指开合模、注射座前移、注射、顶出、螺杆后退时的压力）和速度（指开合模、注射时的速度）的控制，油路简单，使用阀少、效率高，压力及速度变换时冲击小，噪声低，能实现远程控制和程控，也为实现计算机控制创造了条件。注射过程主要分为如下几个过程：合模–注射座前进–注射–保压–预塑–注射座后退–开模–顶出–螺杆后退。

（二）注塑机的发展

从注塑机出现起，大多数的中小型注塑机锁模力只达到1000～5000kN，注射量达到50～2000g。到七十年代末期，工程塑料取得了飞速的发展，特别是在宇航、汽车、机械、船舶以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注塑机的发展取得了巨大的进步，其中美国最为明显。在1980年全美国市场上大约有140多台10000kN以上锁模力的大型注塑机，到了1985年增加到500多台。目前，当今世界最大的注塑机是由日本名机公司制造的，其锁模力达到12万kN，注射量达到92kg。但是当前国内外尚无注塑机仿真系统软件的开发与设计，只是单纯的注塑机优化设计，在教学与培训中只能有昂贵的注塑机实体来进行。在注塑机仿真系统软件开发与设计领域，现在处于一片空白，塑料注射成型过程仿真集成系统是注射成形CAE软件用来模拟、分析、优化和验证塑料零件和模具设计。所以此软件的开发与设计具有广阔的前景。

（三）注塑机现状

注塑机是将热塑性塑料或热固性塑料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。由于塑料制品广泛应用于各个邻域，使得注塑机和注塑模具的应用也越来越广泛。注塑加工过程是一个周期性的生产过程，现代化的注塑机械大都采用计算机控制，自动化程度高，机械设备费用昂贵，一套精密模具动辄耗费数十万元，而且实际生产中有高温、高压的工作环境，因而对生产线的操作人员有严格要求。

不恰当的误操作，不仅会损坏机械设备和模具，为企业带来巨大的经济损失，同时也会危害到操作人员的身体健康，因而对注塑机械的操作人员一定要进行严格的培训。传统的注塑机操作培训必须在实际机床上进行，这既占有了设备加工时间，又具有风险。因此，要使学生了解注塑成型机的结构、操作流程和工艺过程，到实际的注塑成型机上实习是不太现实的。

二、注塑机仿真软件的介绍

（一）基本思路及创新点

基本思路：该选题将注塑系统与虚拟制造技术相结合，采用OpenGL建立图形控制平台，采用3D数字化技术、多传感交互技术以及高分辨显示的科学可视化技术。通过生成三维逼真的虚拟场景，使用户与场景进行实时交互，感知和操作虚拟注射机。

创新点：研制开发出能模拟真实操作环境的虚拟注塑成型系统。该系统将多媒体技术与程序控制技术相结合，运用三维软件建立注塑机和注塑模具的三维模型，运用动画制作软件制作注塑成型过程的各个动画，采用程序控制技术，控制三维场景的加载和动画的显示。该系统能使学生与场景进行实时交互、感知和操作注塑机和模具，让学生在虚拟环境中动手去做实验。软件本身具有开放性、可移植性，操作简单易学，可以为广大高校、培训机构及注塑成型相关企业所接受。

（二）科学先进性

现有技术中关于注塑机这一领域，只有注塑机实体，尚无注塑机仿真系统软件。本项目基于虚拟现实技术的注射机仿真软件，可用于注塑机和注塑模具的教学、注塑机操作培训、注塑系统远程培训等多个方面。

该软件采用OpenGL建立图形控制平台，分别构造了基础数据库、场景数据库、显示驱动库、仿真展示库等模块。系统设计与实现中将操作面板、逻辑控制器、模型控制器和图形平台分为相对独立的模块。

该软件可以进行功能演示与模拟操作。功能演示主要以动画播放、声音解说与文字介绍三者结合的形式，介绍卧式螺杆注射机的结构装置、工作周期、工作原理以及操作过程。操作功能主要进行注射机合模、注射、射座、顶出、调模整个工作过程的仿真。仿真效果可以达到比较高的水平，在注射机的仿真过程中，不仅可以实现基本的图形操作：平移、旋转、缩放和选择，还可以隐藏注射机部分部件，使学生可以更好地观察注射机的内部构造。运用该软件，学生不仅可以更加直观清楚地掌握注射机的结构原理及其基本的操作过程，还可以在软件上进行注射机的模拟操作，加深对注射机操作的理解与记忆，方便教师的教学。

三、注塑机仿真软件使用说明及技术特点

（一）使用说明

该软件可以进行功能演示与模拟操作。功能演示主要以动画播放、声音解说与文字介绍三者结合的形式，介绍卧式螺杆注射机的结构装置、工作周期、工作原理以及操作过程。操作功能主要进行注射机合模、注射、射座、顶出、调模整个工作过程的仿真。

仿真效果可以达到比较高的水平，在注射机的仿真过程中，不仅可以实现基本的图形操作：平移、旋转、缩放和选择，还可以隐藏注射机部分部件，使学生可以更好地观察注射机的内部构造。

（二）技术特点

该软件采用OpenGL建立图形控制平台，分别构造了基础数据库、场景数据库、显示驱动库、仿真展示库等模块。系统设计与实现中将操作面板、逻辑控制器、模型控制器和图形平台分为相对独立的模块。

四、注塑机仿真软件设计路线

1、首先对现实世界的注射机进行深入的了解，掌握其基本的构成和工作原理以及其应用方法，为软件的实现打下基础。

2、选取HDX50型卧式注射机通过solid works进行三维建模，初步模拟其工作状态，并将其转化为STL格式，进行网格优化后作为之后场景数据库设计的基础。

3、通过需求分析将软件系统进行模块化设计。拟定四大模块：主界面模块、操作面板模块、控制器模块、展示平台模块。

4、着手软件数据库设计，根据需求进行以下几个方面的设计：基础数据库、场景数据库、显示驱动库、仿真展示库。其中基础数据库定义一系列基础数据库，包括颜色类，图形基础类（HsghObject）；场景数据库提供场景的构建，组织场景中的节点，并对其进行操作等功能；显示驱动库主要提供视点处理、显示驱动，材质渲染，图形处理等功能；仿真展示库是一个封装了将场景展方法的类，实现注射机运动动画仿真。

5、具体设计模块，设计好各模块之间的接口。使各模块的功能能得以实现。

6、进行软件测试，并针对测试结果对软件进行优化，基本上完成注射机仿真系统软件的设计与开发。

五、注塑机仿真软件应用前景

由于塑料制品广泛应用于各个邻域，使得注塑机和注塑模具的应用也越来越广泛。注塑加工过程是一个周期性的生产过程，现代化的注塑机械大都采用计算机控制，自动化程度高，机械设备费用昂贵，一套精密模具动辄耗费数十万元，而且实际生产中有高温、高压的工作环境，因而对生产线的操作人员有严格要求。不恰当的误操作，不仅会损坏机械设备和模具，为企业带来巨大的经济损失，同时也会危害到操作人员的身体健康，因而对注塑机械的操作人员一定要进行严格的培训。传统的注塑机操作培训必须在实际机床上进行，这既占有了设备加工时间，又具有风险。因此，要使学生了解注塑成型机的结构、操作流程和工艺过程，到实际的注塑成型机上实习是不太现实的。

该软件是基于虚拟现实技术的注射机仿真软件，可用于注塑机和注塑模具的教学、注塑机操作培训、注塑系统远程培训等多个方面。采用计算机虚拟注塑成型系统进行学习和培训，可以建立一个感性认识和理性认识相统一的实验环境，给学生以逼真的体验，能够在虚拟环境中动手去做实验，增加感性认识。这样不仅可以大幅度降低学习或培训的成本，缩短学习时间，还能消除安全隐患，使教学和培训工作变得安全可靠。因此，这是一个十分重要且具有广阔前景的研究课题。

参考文献

数控仿真软件在数控教学中的应用 篇3

关键词：数控仿真软件；数控教学；作用；应用

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）06-341-01

数控技术人才的培养既离不开专业知识的教授，但更重要的是理论的实践应用过程。然而，对于这样一种技术，要求全体学生实习是不可能实现，因为机器装备的成本太大，就算多人一台机都不可能，更别提一人一台。那么，数控仿真软件作为一种模拟的操作系统就应运而生。本文在对数控仿真软件做简单简介的基础上，分析数控仿真软件在数控教学中的积极和消极作用，并说明数控仿真软件在数控教学中的应用情况。

一、数控仿真软件简介

数控仿真软件是利用计算机对实际数控加工过程进行模拟与仿真，并通过二维或者三维图像传递给使用者。目前比较常用的数控仿真软件有：上海宇龙、南京斯沃、北京斐克等，这些数控仿真软件都有其自身的特点，但其共同点都在于把理论和实践紧密的结合，为学习机械专业的学生提供了实习的重要平台，让他们可以学以致用，也提高了他们的学习兴趣。

二、数控仿真软件在数控教学中的作用

1、减少了学校数控教学设备的投入，降低了教学成本

随着数控仿真软件在教学上的引入，学校在教学设备上的投入也不断减少，从而较低了教学成本。就现在的数控机床市场而言，数控的机床品种多，价格昂贵，学校从教学成本考虑，不会购进大批的数控机床，只会买进几个供学生实习用，而且好多学校就算有也不让学生怎么用，这就出现了人多机少的矛盾，而数控仿真软件的出现解决了这一矛盾，真正为学生所利用，同时减少了教学成本投入。

2、提高了学生的学习积极性，真正实现了学以致用

对于机械类的学生来说，专业理论知识枯燥无味，而且抽象难以理解。数控仿真软件的应用使很多知识更加形象生动，更加具体可行，不仅有利于学生的理解与应用，而且能激发学生的学习兴趣，让他们在做中学，学中做，例如对刀、程序的输入和验证等，具体的操作更能加深学生们的理解。教师在这个过程中要引导学生积极发现问题、分析问题、解决问题。

3、减轻了教师的教学负担，提高课堂效率

数控教学中应用数控仿真软件，学生可以自己在电脑上练习，也可以下载软件系统回家练习，然后有问题再请教老师，这样老师就不用课堂上临时想会出现的问题，不仅节约了老师的教学时间，而且提高了课堂效率。

4、无安全隐患，真正提高学生能力

数控仿真软件与实际的机床加工操作相比，更有安全性可言。对于初学者而言，没什么经验可言，安全意识又薄弱，就容易出现打刀，撞机等现象，严重的还会危害学生的身体健康。学生通过数控仿真软件这一虚拟的平台，可以有效避免安全事故的发生，让学生们可以放心地进行操作训练，反复练习，从而提高学生真正的能力。

三、如何实现数控仿真软件在数控教学中的应用

1、做到真正上机实训操作，提高学生重视程度

在真正上机实训操作时，老师要注重规范示范，强调安全第一，提高学生的注意程度，更加注重细节，例如操作过程中学生要记得戴眼镜，女生要记得把头发压在帽子里，加工零件时必须关上机床的门，还有注意旁边是否有人，以防发生危险事故。所以，教师在数控教学的过程中一定要强调仿真软件和实际机床的区别，让学生们牢记安全的重要性。真正实现理论与实践的结合。

2、反复强调仿真与实际机床的不同，减少安全事故的发生

仿真软件与实际机床存在很大的差距，例如仿真时钻头也可以进行轮廓形腔加工，而在实际加工中钻头只能钻孔。同学们也一定要注意安全，一定要安全操作。

3、正确对待数控仿真系统

数控仿真软件的作用有积极和消极两个方面。它的积极作用是为学生们提供了一个机床操作的模拟平台，使他们可以通过这个系统进行反复练习，发现自己的问题并及时解决，增加了他们的实践经验，提高了工作水平。但凡事总是利弊随行，它的弊端之一就是无法实现实际机床的功能，例如仿真软件中不能合理选择切削三要素及加工工艺参数；另一方面，

数控仿真软件虽然种类繁多，但其发展仍不完善，还会存在不能识别某些功能，出现死机，难以运行等一系列的问题，教师在教学过程中要积极引导学生正确看待这些问题，并向厂家反馈，以求数控系统的进一步发展。

四、结论

无论是从国家科技发展的角度，还是从学习机械数控的学生自身的角度来说，数控仿真软件都发挥着其最大的作用，对于数控人才的培养，数控技术的进步都至关重要。学生应该正确对待数控仿真软件的作用，趋利避害，利用其优势方面发展自己的能力。当然，在数控教学过程中，教师也要交给学生们必要的使用技巧和注意事项，以免发生意外，把数控仿真软件的弊端降至最小，实现教学效率的最大提高。最后，相信我国的数控技术会更上一层楼。

参考文献：

[1] 刘才志.数控仿真软件在数控教学中的应用之思考[J].湖南 工业职业技术学院学报，2008（2）.

线性控制系统仿真软件的设计与开发 篇4

在工程和科学的发展过程中, 自动控制起着重要的作用。刘瑞林等建立了控制对象的数学模型, 设计了进气压力模糊PID控制算法, 并利用MATLAB/Simulink对其进行了仿真研究。潘迪夫等开发了铁路运输仿真控制系统。控制系统的仿真, 已经成了控制系统设计的一个关键步骤。改进仿真的途径, 一是研究仿真算法, 二是探讨仿真语言。Z变换法、离散相似法、状态转移法等仿真算法各有不同的特点, 适合于不同类型仿真问题。仿真语言目前以FORTRAN和C为基本语言, 它们的特点是, 采取程序结构化法编写程序, 科学计算能力强、比较方便。但其用户界面不够理想, 而且参数的输入方法也存在许多限制。本文采用面向对象编程语言, 开发了一个基于结构方块图的线性控制系统分析仿真软件, 软件在Windows操作平台使用。从输入、中间环节到输出, 采用交互式构建和编辑方块图及参数的方法, 实现方块图自动简化、时域响应、频域响应、稳定性计算、绘制伯德图、乃奎斯特图等仿真功能。

1 控制系统理论的算法设计

在MATLAB/Simulink软件中实现控制系统仿真, 算法设计的任务主要有两个:一是要实现控制系统框图的输入和化简, 得到系统的开环或闭环等效传递函数;二是要根据等效传递函数在主窗口中实现系统频率响应的仿真。

1.1 控制系统框图的输入和化简

设系统结构框图由N个环节组成, 算法设计的过程为:将各环节的传递函数转换成状态空间表达式的形式—将系统各环节的状态空间表达式写成矩阵形式—将系统各环节之间的连接关系用关联矩阵K描述—得出系统某输出与某输入之间总的状态空间表达式—通过模型转换得到相应的传递函数。

1.2 系统频率响应的计算

频率响应分析的基本思想是把控制系统中的各个变量看成是由许多不同频率的正弦信号叠加而成的信号;各个变量的运动就是对各个不同频率的信号的响应的总和。

1.2.1 频率特性

频率响应是指系统对谐波输入的稳态响应, 对于线性系统, 当输入为:

其稳态输出应为同频率的正弦信号:

频率特性是指系统在正弦信号作用下, 稳态输出与输入之比对频率的关系特性, 可表示为:

即, 系统的频率特性相当于系统传递函数的自变量s只沿复平面的虚轴变化, 因此也将G (jω) 称为谐波传递函数。

1.2.2 Nyquist图

频率特性G (jω) 是频率的复变函数, 可以在复平面上用一个矢量来表示。该矢量的幅值为│G (jω) │, 相角为∠G (jω) 。当ω从0→∞变化时, G (jω) 的矢端轨迹被称之为频率特性的极坐标图或Nyquist图。

如果不考虑频率特性的物理意义, 仅将它看作是ω的1个函数, 我们还可绘制出当ω为负数时的频率函数的图形。由于G (jω) 和G (-jω) 是互为共轭的一对复数, 因此它们在复平面上的位置是关于实轴对称的。当ω从0→∞变化时, G (jω) 的矢端轨迹是封闭的, 利用封闭的Nyquist轨迹可进行系统稳定性的分析, 即Nyquist稳定判据。

1.2.3 Bode图

如果把频率特性函数G (jω) 的角频率ω和幅频特性│G (jω) │都取对数, 则称之为对数幅频特性和对数相频特性, 其中:

l (G (jω) ) 为对数幅频特性, 单位为分贝 (dB) ;φ (G (jω) ) 为对数相频特性, 单位为度 (deg) 。

其频率轴采用对数分度。则以为横坐标, 和为纵坐标绘制的曲线分别称为对数幅频特性图和对数相频特性图, 统称为系统的Bode图。

与其它采用直角坐标的频率特性绘图方法相比, 由于Bode图可以以适当的比例清晰地展现系统在低、中、高频各段的频率特性, 并且非常便于手工绘制, 同时可以用叠加的方式绘制高阶系统的Bode图, 因而成为工程实距中进行系统频率特性分析的重要工具。

1.3 稳定性的判别

在系统特性研究中, 系统的稳定性是最重要指标。由控制理论可知, 以状态方程模型表示的系统, 它的状态矩阵A的特征根和以传递函数模型表示的系统的极点是一致, 只有他们的值都为负数时系统才会稳定。因此, 直接而简便的方法就是求出系统的极点, 则系统的稳定性就可以立即得到。

对于一个单输入输出系统, 其传递函数为:

判别其稳定性的方法是计算特征方程:

的根λ1, ……λn (可以是实根、虚根、复数根, 还可能存在重根) 。当特征根的实部为负时, 系统是稳定的 (当有虚根存在时, 系统处于稳定边界) 。我们称为时间常数, 并令。本文采用牛顿法和撒网格法求解 (5) 特征方程的全部根以判断系统的稳定性。

2 仿真软件系统的设计与实现

软件采用面向对象技术 (OOP) 开发了控制系统仿真软件, 通过建立控制系统的传递函数模型实现系统的仿真。

软件主要由变量定义模块、图形绘制模块和计算模块3个模块组成, 能够根据传递函数参数设置和系统的稳定性判断, 计算出时间、幅频、相频等参数, 然后根据计算结果绘制幅频曲线、相频曲线、伯德图和乃奎斯特图等。

变量定义模块中软件自定义了数据类型, 如串连接定义、连接方块线定义、闭环反馈传递函数定义、信号源和响应拉氏变换多项式系数、总传递函数定义、输出示波器定义、加法器 (比较器) 定义、信号源定义等。图形绘制模块主要包括一些绘制函数, 比如:选择对象绘图、绘制方块、绘制加法器、绘制信号源、绘制示波器、画矩形、画连接线等等, 这些绘制函数主要用于建立控制系统模型。计算模块是整个软件开发的核心, 它包括了整个仿真计算的函数, 比如:简化方块图、稳定性判别、计算输出响应拉氏变换、计算闭环传递函数和总传递函数、计算拉氏变换、龙格库塔积分等等。

2.1 软件的主界面和主菜单

软件的主界面和主菜单的设计如图1所示, 主界面的图形区包括建立传递函数模型、分析计算以及计算结果显示, 主菜单包括该软件的各种功能调用。

2.2 传递函数模型的输入

线性系统的传递函数模型一般以微分方程表示, 为了化简微分方程的求解, 经过Laplace积分变换后传递函数表示为:

在本程序中传递函数被看作2个多项式的比值, 将多项式的系数按s的降幂次序排列后表示为1个数值向量, 这样用2个向量可以表示传递函数的分子、分母多项式。关于传递函数的分子、分母系数设置的界面如图2所示。首先, 选择程序右边的图形建模工具中的“画方块”选项, 出现图2所示的界面。在两个输入框内分别输入分子、分母系数 (系数默认为1) 、起始时间、终止时间, 然后按“确定”按钮。

例如, 将分子的数值向量设为1、2, 分母的数值向量设为1、2、3, 则表示的传递函数为:。

2.3 参考输入的信号设置

控制系统的动态性能是通过某典型输入信号作用下系统的瞬态响应过程来评价的。基于系统的瞬态响应过程既取决于系统本身的结构和参数, 又与其外施信号的形式有关, 而控制系统的实际输入信号往往是未知的。为了便于对系统的分析和设计, 就需要假定一些典型的输入函数作为系统的试验信号。据此, 为系统的性能作出评述。

典型的试验信号一般应具备两个条件: (1) 信号的数学表达式要简单, 以便于数学上的分析和处理; (2) 这些信号易于在实验室中获得。

基于以上原因, 在控制工程中通常采用下列所述的5种信号作为典型的试验信号:阶跃信号、斜坡信号、等加速度信号、脉冲信号、正弦信号。

本软件设置了其中的4种作为参考输入的信号, 设置界面如图3所示。

3 仿真实例

测试参考输入为阶跃信号的反馈系统, 在软件主界面内建立并编辑控制系统方块, 如图4所示。

选择主菜单的“稳定判别”, 首先分析系统的稳定性:

从图5可以看出, 特征方程的根全部小于零, 所以系统稳定。选择主菜单的其他分析功能, 设置仿真开时间为0, 终止时间为100s, 时间步长为0.01s, 得到输出响应如图6、图7、图8。

从该仿真实例表明, 开发的软件能方便快速地建立线性控制系统方块图模型, 并通过菜单驱动实现仿真分析功能。

4 结束语

采用面向对象编程语言, 开发了一个基于结构方块图的线性控制系统分析仿真软件。系统的结构方块图的各环节传递函数可为任意形式, 环节间的连接方式可为串联、并联及反馈连接。使用中只要输入系统原始结构图中各环节传递函数的参数及其连接, 就可化简系统结构方块图, 得出等效传递函数, 并对其进行指定的仿真和分析, 仿真结果采用文本和图形显示方式, 仿真计算表明, 软件运行结果正确可靠。

摘要：采用面向对象编程语言, 开发了一个基于结构方块图的线性控制系统分析仿真软件。从输入、中间环节到输出, 采用交互式构建和编辑方块图及其参数的方法, 实现了方块图自动简化、时域响应、频域响应、稳定性计算、绘制伯德图、乃奎斯特图等仿真功能。仿真实例证实该软件正确。

关键词：线性控制系统,结构方块图,传递函数,仿真

参考文献

[1]李友善.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社, 1982.

[2]刘瑞林, 李凯, 董素荣, 等.车用柴油机低气压模拟控制系统仿真研究[J].军事交通学院院报, 2009 (2) .

[3]潘迪夫, 梁海啸, 刘满足, 等.铁路运输仿真控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制, 2009 (1) .

[4]林叶锦, 杜佳璐.控制系统仿真与分析软件设计[J].大连海事大学学报, 1999 (4) .

数控仿真软件在实训中的应用论文 篇5

数控仿真软件在实训中的应用论文【1】

摘要： 本文着重探讨如何合理有效地利用好实训时间，让学生在短期内掌握数控编程和操作的基本理论和实践知识，结合本校数控实训经验，探讨了数控仿真软件在数控实训中的作用和使用方法。

关键词： 数控实训;工程实训;数控仿真软件;数控教学

0 引言

随着科学技术的发展和经济的市场化，高校人才培养的理念也发生了根本性的转变，着重强调素质教育。

数控编程是一门对科学思维和实践操作能力要求很高的实训内容，如果仅仅通过单纯的理论教学和实践上机操作，容易使初学者感到抽象、难学，再加上学生知识结构、学习习惯等诸多不利因素[2]，无法有效地利用工程实训的有限时间，掌握数控机床的编程和操作技能。

在统观传统数控教学的优缺点的基础上，我们发现，引入数控仿真软件可以避免传统教学的缺点，让学生在数控实训有效的时间内，在数控机床数量有限和指导教师人数有限的条件下，通过理论教学、实践操作和仿真软件交互使用的这一教学方法，可以提高教学效果，促进学生学习的兴趣和动力，保证了教学的安全，取得了良好的教学效果。

1 传统数控教学特点

在传统的数控实训中，因为数控机床的数量有限，指导教师的人数也有限，导致一般是10-15人左右围聚在一台数控机床旁边，听老师讲解数控机床具体操作方法，导致大多数学生因无法看到数控机床具体操作面板，而无法认真听讲或者听课效果很差。

由于数控机床属于昂贵设备，学校购买数控机床的数量有限，教师人数有限，指导学生单独上数控机床操作的时间受限，并且数控机床的错误操作容易引起安全事故的发生，因此，使用传统的数控教学方法进行的数控实训效果很差，学生无法在有限时间内达到高校数控实训的目的和要求。

2 数控仿真软件在数控实训中的应用

2.1 数控仿真软件 数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。

该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，能使每一个学生，对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作，有效解决了因数控设备昂贵和有一定危险性，很难做到每位学生“一人一机”的问题，在培养全面熟练掌握数控加工技术的实用型技能人才方面发挥显著作用[3]。

数控仿真软件是应用计算机的编程和建模，将加工过程用二维图形或者三维图形的动态形式演示出来的软件，使在传统数控教学中，需要数控实验室或者实习工厂才能完成的大部分教学演示功能在虚拟软件环境中就能实现，使数控教学模式变得更加灵活、方便。

2.2 数控仿真软件在数控实训中的作用 数控仿真软件在数控实训中的使用，改变了传统的教学方式，对数控实训的效果有重要的影响，主要表现在以下几个方面。

①数控仿真软件可以模拟真实数控机床加工，使数控实训教学变得生动形象，易于理解学习。

数控仿真软件提供了多种数控仿真系统，可以全面仿真加工的整个过程，学生可以多方位了解数控机床结构，通过仿真软件的模拟加工，掌握实际数控机床的操作方法。

②数控仿真软件提供了学习数控机床操作的安全平台，避免了数控机床操作时易于发生的安全隐患。

在使用数控仿真软件进行加工时，所有的加工都是在虚拟环境中进行，不会因为学生的错误操作引起人身安全问题，也不会损坏机床。

③数控仿真软件的使用可以节省教学设备的投资，减少材料的消耗。

如果按照传统的方法来进行数控实训，学生在操作的过程中要消耗大量的材料，并且集中实训期间，连续40天，每天都有学生参加数控实训，数控机床的保养和维护无法满足需要，如果一台机器运转不良，将会导致整个数控实训受到严重阻碍。

在数控实训中如果引入数控仿真软件，可以避免机器长期运转得不到维护的问题，也可以减少原材料的消耗。

仿真软件一般都是绿色软件，不用安装，只要有一台普通的电脑，就可以安装使用。

学生可以在机房练习，也可以在自己的电脑上练习，节约了学生学习的时间，提高了学习的效率。

④仿真软件可以激发学生学习数控编程和数控机床操作的动力。

学生在使用数控仿真软件中，可以通过直观形象的加工过程，增加学习数控机床和编程操作的动力，激发学生的自信心，挖掘学生的内在潜力。

2.3 数控实训中要把数控软件和传统教学相结合

2.3.1 传统数控实训方法 在以往的数控实训中，我们的数控实训开展方法是，教师在课堂上讲解数控编程的基本方法，要求学生学完数控编程之后提交一个手工编程的程序。

学生在数控车间学习数控机床的原理和操作方法，这一项要求学生能够用给定的程序完成一个简单零件的加工操作。

传统的数控教学方法在执行过程中，学生感觉学习枯燥、单调;在编写数控程序提交给教师中，增大了教师的工作量;在机床操作实训中，学生因为对刀失误或者忘记关舱门等失误，导致安全问题频出，教学的效果不是很理想。

我校工程训练中心在数控实训中根据传统教学方法的不足，经过认真分析问题原因，参照兄弟院校成功的经验，多次修改我校数控实训的教学方法，并根据本校学生实训的特点，把传统的数控教学方法和仿真软件进行结合，使得学生在短期的数控实训中，快速掌握数控编程的基本原理和数控机床的基本操作，取得了良好的教学 效果。

2.3.2 仿真软件和传统教学有效结合的教学流程 针对学生实训时都是集中实训，数控实训的时间一般是2天。

在这个前提下，学生开始学习数控机床的基础理论知识，内容主要包括学生实训所要用到的数控机床的编程方法。

通过数控编程理论知识的学习，要求学生掌握自己将要使用的数控机床的数控编程方法。

学生在学习期间有不明白的地方，可以找老师咨询，也可以自己查阅我们编写的《机械制造技术实践》中关于数控编程部分的内容。

在学生掌握了基本的编程方法之后，学生开始在数控车间学习机床操作，实训教师会给学生讲解数控机床的面板和操作方法，主要讲解如何对刀，学生在教师的指导下，练习对刀。

因为对刀是数控加工中非常重要的一部分内容，所以要求每个学生都在机床上练习如何对刀。

经过前面的学习，学生已经具备编写数控编程软件的能力和数控机床的基本操作能力，很多学生因为看到仿真软件可以快速加工出零件，对数控仿真软件操作产生了兴趣，已经开始想自己设计加工零件了。

这时，教师对学生加以引导，让学生观看以往同学设计的零件图样，启发学生自主设计零件图样，激发学生的创造力。

学生在模拟仿真加工后，可以提交自己仿真加工完成的作品给老师，教师可以对学生作品评分，并挑选部分设计加工得比较好的零件，组织学生在数控车间里使用数控机床进行实际加工。

2.3.3 教学效果 在把仿真软件和传统的数控教学相结合进行数控实训后，我校的数控实训避免了以往数控实训中出现的问题，数控仿真软件本身的优势极大地调动了学生学习数控编程的积极性，在每次实训中，学生都很积极主动地设计和加工，独立完成数控实训的要求。

针对我校集中实训的特点和要求，教学效果明显提高。

3 总结

虽然仿真软件有很多优点，但是也有一些不足之处，比如，学生在选择工艺参数时都很随意;学生多次错误操作导致软件系统出现问题;学生的安全意识降低等等。

我校数控实训把数控仿真软件和数控实训结合在一起，还处于尝试阶段，该教学方法改善了传统数控教学的弊病，提高了数控实训的教学效果。

在实训中，我们要努力扬长避短，发挥数控仿真软件的优势，有效合理地把数控仿真软件和数控实训结合起来，提高数控实训的教学质量。

参考文献：

[1]王彦章.数控仿真软件在数控教学中的应用[J].科技创新导报，(15).

[2]潘应晖.数控仿真软件教学应用探讨[J].武夷学院学报，2011(2).

[3]邓遵义.数控仿真软件在数控教学中的应用浅析[J].中国电力教育，(6).

数控仿真软件在数控培训中的应用【2】

【摘要】数控机床属于高科技产品，品种多、价格高，一般学校很难承受此种消耗和投入，为此数控仿真软件的应用在实际教学中比较广泛。

与传统的教学相比，该软件操作方便，不但提高教学质量，而且加快数控技术人才的培养速度。

【关键词】数控机床;数控仿真;教学质量

仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。

仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。

数控加工仿真软件是利用计算机来模拟实际的加工过程。

在数控机床教学过程中使用仿真软件，可以验证数控加工程序的可靠性，减少毛坯的损耗，提高了学习的效率。

一、数控仿真软件简介

数控仿真加工是应用计算机技术对数控加工操作过程进行的模拟加工。

国内广泛应用的数控仿真软件主要有上海宇龙、南京宇航和斯沃、北京斐克、广州超软等。

其中上海宇龙数控仿真软件在各大院校和培训机构应用最为广泛。

我校就是采用的上海宇龙数控仿真软件，其特点主要有：

(1)提供了多种机床和控制系统。

(2)具有丰富的刀具材料库。

(3)机床操作全过程仿真。

软件可以仿真机床操作的整个过程：毛坯定义、工件安夹、压板安装、安装刀具、机床手动操作、自动加工、模拟走刀路线等。

(4)具有灵活的考试系统和师生互动交流窗口。

学生遇见问题时也可以直接通过交流窗口，进行提问。

数控系统仿真软件设计 篇6

关键词：仿真；建模；原理分析

一、引言

数控加工仿真采用可视化技术，通过仿真和建模软件，模拟实际的加工过程，在计算机屏幕上按照铣、车等加工方法把加工路线描绘出来，使工程师能预先看到制造过程，及时发现生产过程中的不足，达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

本文着重介绍VERICUT的机床文本模块功能，在VERICUT环境下建立数控机床模型的方法及应注意的问题，并结合MAKINO-A55型号卧式加工中心的模型实例展现了VERICUT5.4版本环境下建立数控机床全过程。

二、利用CATIA实体造型后的机床建模结果

三、机床建模的导入过程

①工艺系统分析。②建立机床几何模型。③建立刀具库。④设置CNC系统并建立部件树。⑤添加各部件的几何模型，并准确定位。⑥设置机床参数。⑦保存所有文件。

四、机床3D模型建立方法

在VERICUT中，机床可以分解为Base（基座）、X轴、y轴、z轴、C轴、A轴Fixture（夹具）、Spinde（主轴）、Tool（刀具）、Stock（毛坯）Design（CAD设计原型）等几个部件构成，建立机床可以根据机床的结构逻辑关系，由以上部件进行约束化的堆砌而构成的。

五、建立部件树

先设CONTROL为“FANUC-0T”：选菜单“SETUP→CONTROL→OPEN”，在弹出对话框中设“SHORT CUT”为“CGTECH_LIBRARY”，选“fan0t.ctl”打开后建部件树。选菜单“MODEL→COMPONENT TREE”，弹出部件树对话框，单击“BASE→右键单击→在光标菜单选APPEND→选ZLINEAR”，添加Z轴，单击“ZLINEAR→右键单击→在光标菜单选APPEND→选XLINEAR”，添加X轴。同样方法，添加其他部件，得到部件树。

六、导入机床建模的结果

七、機床控制及机床原始位置的定义

（1）在VERICUT软件中选取Setup／Machine／Setting选项，定义机床的起始位置。

（2）在“Base”上单击右键，选择Append>Tool Chain Model>Creat Model File>Sweep...在弹出的Sweep Profile对话框中设置刀具链。

八、机床建模分析

通过对机床模型文件（.mch机床文件）的分析，基本掌握机床模型的文本结构。它是由UNITS，COLORDEFINATION and MACHINE三大部分组成，其中MACHINE又由Base，X，Y，Spindle，Tool，Z，Fixture，Stock，Design，Tool Chain，Other Base等部分组成。

九、结论

仿真建模的步骤：定义坐标系、定义装配件、添加模型、机床参数设定、机床3D建模、保存机床模型及文本文件，经过最终的模拟运行，建立三轴卧式加工中心。

参考文献：

[1]李军锋.五坐标数控机床的加工仿真[J].CAD/CAM与制造业信息化，2002，（1）.

[2]VERICUT，使用手册.

[3]尤春风.CATIA V5机械设计[M].清华大学出版社，2002.

数控系统仿真软件设计 篇7

1 配送中心分拣系统概述

在传统意义上，分拣就是把不同的物品按照一定的原则分类，实现物品有序的空间位置搬移。随着现代科技的高速发展，具有高技术含量的自动化处理模式逐渐取代人工处理模式，成为现代分拣的主要实现方式。分拣作业将用户所订购的货物从储存区取出，按用户的要求分类集中、处理放置。随着商品经济的发展，用户需求向小批量、多品种方向发展，配送中心配送货物的种类和数量将急剧增加，分拣作业在配送中心作业中所占的比例越来越大，如图1所示，分拣的工作量约占配送中心工作量的40%～60%，是最耗费人力和时间的作业。所以，分拣配货是配送中心的核心工作，其作业效率直接影响配送中心的运作效率和经营效益，要提高配送中心的效率，首先应该提高分拣作业的效率。

配送中心在整体规划设计中，分拣系统设计是其中最重要的部分。因此，分拣系统设计规划是配送中心总体规划过程的中心环节，并且主导其他规划环节的进行。应用系统仿真软件，可以在配送中心投资建设之前对其进行有效的模拟分析，分析设计中存在的不足，找出合理的设计策略，将可以大大减少投资风险，给企业及整个社会带来更大的效益。Flexsim系统仿真软件对分拣系统乃至整个配送中心的辅助设计和分析在我国仍属起步阶段，但其发展潜力巨大。

2 Flexsim系统仿真软件

2.1 Flexsim系统仿真软件简介

Flexsim由位于美国犹他州奥勒姆市的Flexsim Software Products公司出品，是一款商业化离散事件系统仿真软件。Flexsim已成功地应用在多个领域，特别适合于生产制造、仓储配送、交通运输等物流系统领域。Flexsim采用面向对象技术，并具有3D显示功能。建模快捷方便和显示能力强是Flexsim仿真软件的重要特点。该软件提供了原始数据拟合、输入建模、虚拟现实显示、运行模型进行仿真实验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等功能，也提供了与其他工具软件的接口。Flexsim提供了仿真模型与ExperFit和Microsoft Excel的接口，通过ExperFit对输入数据进行分布拟合，可以同时在Microsoft Excel中方便地实现和仿真模型之间的数据交换，包括输出在运行模型过程中动态修改的运行参数。

2.2 Flexsim运行的软硬件环境

Flexsim仿真软件应用于PC机和Windows操作系统环境中。运行此软件要求计算机系统的最低配置为：

(1)英特尔奔腾IV处理器;

(2)150MB可用磁盘空间;

(3)128MB系统内存;

(4)Windows 2000/XP/2003操作系统;

(5)Microsoft Visual Studio.Net开发环境;

(6)32MB NVIDIA显卡。

Flexsim的推荐配置为：

(1)英特尔奔腾IV处理器，2.4GHz或以上;

(2)200MB可用磁盘空间;

(3)256MB系统内存;

(4)Windows 2000/XP/2003操作系统;

(5)Microsoft Visual Studio.Net开发环境;

(6)64MB NVIDIA GeForce4MX显卡。

2.3 仿真步骤

物流系统仿真一般步骤为调研系统、建立系统模型、确定仿真算法、建立仿真模型、运行仿真模型、仿真结果分析、仿真结果输出、系统方案分析、修改系统参数、重复仿真运行和分析，直至仿真结束。具体步骤见图2。

3 基于Flexsim的配送中心分拣系统设计

3.1 构建分拣系统模型

3.1.1 系统描述与系统参数

配送中心在发货时，需要根据发货的去向进行分拣。在整箱拣货区，配送中心以箱为拣选单位，出货简单。但是在拆零拣货区，复杂多路的分拣系统往往需要优化其通道数量和通道分配，才能得到最佳的分拣效率。假设一个大型分拣系统有来自存储区的四种货物A、B、C、D，经过一条分拣传送带将分配给四条不同的传送带。大型分拣系统的平面布局如图3所示。

分拣传送带的空间结构如图4和图5所示。

分拣系统的流程描述和系统参数如下。

(1)四种货物A,B,C,D各自独立到达传送带入口端:

A的到达频率服从正态分布函数normal(400,50)s。

B的到达频率服从正态分布函数normal(200,40)s。

C的到达频率服从均匀分布函数uniform(500,100)s。

D的到达频率服从均匀分布函数uniform(150,30)s。

(2)四种不同的货物沿一条传送带传送,根据品种的不同由分拣装置将其推入到四个不同的分拣道口,经各自的分拣通道到达操作台。

(3)每个检验包装操作台有操作工一名，货物经检验合格后放入箱笼，每累计20个打包，被取走。

(4)设计每检验一件货物占用时间为uniform(60,20)s。

(5)每种货物都可能有不合格产品。检验合格的产品放入箱笼;不合格的通过地面传送带送往检修处进行修复;A的合格率为95%;B为96%;C为97%;D为98%。

(6)传送带的速度采用默认速度。

3.1.2 分拣系统仿真模型

以上定义了实体及其参数，各段传送带的参数和传送系统的空间布局，定义了系统的按货物类型进行分拣的逻辑流程，即可构建分拣系统仿真模型如图6所示。

3.2 运行仿真模型

对上述分拣系统进行仿真运行，仿真系统按一天8小时的运行状况，连续运行一段时间，仿真系统的仿真过程如图7所示。

3.3 仿真结果分析

运行以上构建的分拣系统模型，可以得到数据和图表等多种结果输出。根据结果输出进而可对系统加以分析。可以得到该分拣系统一天的总货物流量的数据，分析按照目前的配置，该系统能够承受的最大日流量，作为配送中心的主管，可以分析如何调整这个系统的物流安排和人员配置。可以比较24小时工作制和8小时工作制设定模型运行，看运行结果是否是简单的大约3倍关系;连续运行一个月或更长时间，分析仿真结果。还可以改变source到达系统的随机分布函数种类和参数，观察仿真结果的变化，优化分拣过程，提高分拣效率。

4 总结

在设计配送中心时分拣系统的设计是主要的组成部分，利用系统的方法进行规划、建设是不可或缺的。目前我国正在大力发展物流基础设施的建设，为了避免建设的盲目性，应该大力发展对模拟设计软件的开发和利用。利用Flexsim等物流CAD软件对分拣系统乃至整个配送中心的分析在国内仍属于起步阶段。通过我们对Flexsim系统仿真软件在配送中心分拣系统设计中的应用的介绍和分析，我们认为Flexsim等模拟设计软件还有很大的潜力可以挖掘，若能充分地应用于实际，将会给企业和社会带来极大的效益。

参考文献

[1]贾争现,刘康.物流配送中心规划与设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]董海,梁迪.设施规划与物流分析[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]张晓萍,石伟,刘玉坤.物流系统仿真[M].北京:清华大学出版社,2008.

数控系统仿真软件设计 篇8

近些年来国际上相继发展了一些雷达仿真系统[1,2], 而国内相控阵雷达系统和脉冲压缩雷达系统仿真软件的研究已经成为一个热点[3,4,5]。对于一个复杂的雷达系统, 系统建模与仿真技术是雷达系统设计和研究的一个重要方向和发展趋势[6]。这些仿真软件系统主要是为工程设计人员服务的, 具有较高的实用参考价值。基于此, 本文参考了上述雷达系统的仿真思想, 利用Matlab图形用户界面开发出一套供学生自学、教师教学的雷达系统分析辅助教学软件包。该软件包主要立足于教学自学辅助软件, 供学习者高效理解和掌握雷达系统分析的相关知识。

在各种教学实验软件中, 往往只限于Matlab的编程实现, 而在贴近学习者需求和多媒体学习中尚有不足之处[7,8]。Matlab具有非常强大的数值计算、数据分析处理等功能, 然而Matlab 程序是一种解释执行程序, 不用编译等预处理, 导致程序运行速度较慢。VC具有很高的编码效率, 可对操作系统和应用程序以及硬件进行直接操作[9,10]。因此, 该软件包利用Matlab和VC混合编程, 提高了代码的运行效率, 发挥了两种语言的长处。运行结果表明, 该软件包具有良好的人机交互功能、较高的软件运行速率和丰富的多媒体学习方式。

1利用VC和Matlab混合编程实现MEX文件

在Matlab和VC混合编程中, 它们可分为在Matlab中调用VC程序和在VC中调用Matlab两个方面。前者旨在弥补Matlab程序所不能实现的软件功能或者解决Matlab运行速度过慢的缺陷;后者一般是为了在VC环境下调用Matlab程序, 充分利用Matlab在矩阵计算、数据分析方面的强大优势。

在Matlab 与VC混合编程之前, 首先要对Matlab的编译应用程序mex 和编译器mbuild 进行正确的设置。对MEX编译器进行设置并生成配置文件即一个后缀为bat的批处理文件, 它是通过在Matlab命令窗口输入命令:mex-setup, 然后按照输出信息提示选择编译器和路径实现的。Matlab调用VC的方式主要有两种:利用MEX技术和VC动态链接库。本文通过调用VC动态链接库来编写mexrun文件。实际上, 在Matlab环境中就可以方便地编辑MEX文件, 但对于大型的MEX程序, 可能会比较复杂, 容易出错, 这时就可以利用Visual C++强大的调试功能。图1给出在VC环境中建立MEX文件的过程。

Matlab提供了对动态链接库DLL文件的接口, 且其接口支持VC编写的DLL文件, 因此在对m文件进行编译后会产生一个与mexrun.cpp同名的mexrun.dll动态链接库文件。这样在Matlab的m文件中就可以直接回调mexrun () 函数。通过VC来编写mexrun文件是因为需要在Matlab中直接运行诸如MP3, MP4, CHM和TXT等格式的文件, 而用Matlab本身来实现这一过程的执行效率较低, 代码具有重复性, 对每种格式还需要区别对待。因而, 考虑到VC语言和操作系统及硬件之间的直接联系, 通过VC来编写程序并提供给Matlab调用, 无疑会提高运行效率。

在mexrun.cpp文件中需要包含如下头文件:

C语言的MEX文件源程序主要由两个部分组成:第一部分是算法程序, 用于完成实际工作;另一部分是入口子程序, 它是算法程序与Matlab的接口。入口子程序实现接口功能是通过在输入指针数组中获得算法程序所需的数据, 同时也能把计算结果返回到输出指针数组。在这里mexFunction有着输入/输出与变量转换的作用[11]。参照本文编写的mexrun.cpp文件, 需要注意以下几点:

(1) void mexFunction (int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray*prhs[]) 。函数头中nlhs 是Matlab 命令行方式下输出参数的个数;*plhs[]是一个mxArray结构体类型指向所有输出参数的指针数组;*prhs[]也是是一个mxArray结构体类型指向所有输入参数的指针数组;nrhs是输入参数的个数。

(2) 还需定义以下几个变量:char *inputarg1, *inputarg2;int len1, len2, status1, status2。其中:*inputarg1, *inputarg2是两个字符指针;len1, len2表示分配空间长度;status1, status2是两个数据空间变量。

(3) 输入的必须是单行字符串, 行矢量, 如下:

(4) 把输入的字符串拷贝到C字符串里面, 如下所示:

按照上述流程设置好编译环境和源程序后就可以编译此工程, 编译成功后, 在debug文件夹中会生成mexrun.dll链接库文件。实验结果表明, 只要把mexrun.dll链接库文件放在Matlab的当前工作区中, 就可以在GUI设计中的m文件编写中直接调用。

2系统模块的设计与实现

雷达系统软件包的总体结构采用分离式的多模块结构, 即各功能模块彼此相互独立, 分别完成一定的功能。从方便用户的角度出发, 设计的雷达系统软件包采用多层次的分级菜单驱动形式, 先由主菜单选择进入各功能模块的子菜单, 在每一个功能模块的菜单下, 可以选择参数设置、程序运行、获取帮助和返回上级菜单等操作。

2.1 系统实现方法

图形用户界面 (graphical user interfaces, GUI) 是用户与计算机进行信息交流的方式。计算机在屏幕显示图形和文本, 用户通过输入设备如键盘、鼠标等与计算机通信。GUI中包含各种控件, 通过对控件设置一些事件响应函数, 这些函数可以在控件创建或删除等事件发生时执行, 从而实现特定事件触发下需要的某些功能。这些事件响应函数即是句柄图形对象的回调函数。

本文使用GUIDE界面来对各种控件进行布局, 并利用属性编辑器对每个控件进行设置。软件包的实验界面主要有登陆界面、主界面和各部分子界面。下面以登陆界面为例, 说明图形用户界面的设计过程。

2.2 登陆界面设置

图2表示GUIDE界面下对登录界面进行设置, 其中包含了按钮、静态文本框、编辑框和坐标轴。在对每种控件的属性编辑器进行编辑时, Matlab对于每个控件都会在其相应的m文件中初始化出一个回调函数。

首先, 可以通过调用混合编程实现的mexrun.dll库文件打开help文档、MP3文件和MP4文件。以video按钮为例, 打开它的属性编辑器可以看到其对应的Tag属性pushbutton1, 在其回调函数中加入如下代码。video按钮打开后是关于软件包使用说明的一段简单视频。

其次, 编写坐标轴控件的属性和构造函数, 这里的坐标轴函数是用来显示一张JPEG格式的静态图片。Matlab提供imread () 函数和imshow () 函数来读取和存放静态图片, 函数中的X是一个矩阵。

最后, 关于登陆界面的密码设置, 需要对OpeningFcn函数进行初始化设置, 也即是软件包默认的用户账号和密码。这里需要使用函数set () 来设置编辑框中输入的字符串即用户账号和密码, 并对该账户和密码进行初始化赋值。

3仿真结果

雷达系统分析包含各个部分仿真结果分析, 这里选择雷达天线中典型的线性天线阵列仿真结果进行分析。仿真界面实例如图3所示, 这里选择的实例是线性天线阵列的增益方向图。其中, 阵列中的单元数为19, 可以看到当单元间距为1.5个波长、扫描角度为-38°、使用Hamming窗进行幅度加权、并用23量化电平时, 相应地在-38°处有主瓣产生, 并且第一副瓣的电平约为-13.4 dB。若在面板中选择不同的设置值, 则可以得到在不同的阵列天线 (即阵列中的单元数不同或单元间距不同) 、不同的扫描角度、不同的加窗函数、不同量化电平时的增益方向图。

通过该系统进行模拟仿真, 并将仿真结果进行对比, 可以清晰地了解天线在各个转向角处的增益方向是如何随天线阵列的单元间距、扫描角度、加窗函数、量化电平这些参量的变化而变化的, 从而形成对线性阵列天线增益方向图的直观感受。

4结语

雷达系统分析课程理论性强, 抽象难懂, 如何帮助学习者理解课程中的基本概念、基本分析方法等是该课程教学中所要解决的关键问题。考虑到Matlab的图形用户界面非常形象, 本文采用VC和Matlab混合编程充分发扬了两种语言的优势, 开发实现了该课程教学实验GUI软件包。实验表明, 该雷达系统仿真软件包界面友好, 参数设置灵活, 并且在仿真的过程中能随时看到雷达信号发射、接收和信号处理等各方面的文字或图形描述。

参考文献

[1]SEVGI L, SANAL A S.Surface wave HF radar simulator[C]//Radar Conference.Edinburgh:SPEC, 1997:181-184.

[2]PALMER J, HOMER J, MARTORELLA M, et al.Tar-get height estimationin an emulated bistatic radar via inter-ferometric processing[C]//20051st IEEE International Workshop on Computational Advances in Multi-sensor A-daptive Processing.[S.l.]:IEEE, 2005:20-23.

[3]杨立柱, 郭英, 齐立峰.脉冲压缩雷达系统分析与仿真研究[J].现代防御技术, 2007, 35 (3) :90-94.

[4]李钦富, 许小剑.相控阵雷达系统仿真模型研究[J].中国电子科学研究院学报, 2007 (2) :239-243.

[5]康蓬, 赵正予, 倪彬彬.人工扰动电离层仿真系统的设计与实现[J].武汉大学学报:理学版, 2006, 52 (1) :119-123.

[6]董英凝, 张宁.高频地波雷达系统性能仿真软件的设计与实现[J].现代雷达, 2009, 31 (10) :30-34.

[7]李强, 明艳, 陈前斌, 等.基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现[J].实验技术与管理, 2006, 23 (5) :81-83.

[8]沈捷, 王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现[J].实验技术与管理, 2008, 25 (2) :88-91.

[9]戢小亮.基于Matlab和VC混合编程的数字信号处理的实现[J].现代电子技术, 2007, 30 (15) :107-108.

数控系统仿真软件设计 篇9

发电系统采用鼠笼式异步电机,风力机通过变速箱拖动发电机,电机的定子绕组通过变频器和电网相连接。由于风速的变化,风力机及发电机的转速也随之变化,发出来的电是变频的。采用转子磁链定向的矢量控制及网侧PWM整流的方法将频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能。

1 背靠背式变流器结构组成及运行原理

发电机定子绕组通过背靠背变流器和电网连接,见图1。发电机侧PWM变流器通过调节电机转速和转子磁链,控制发电机的电磁转矩,使发电机运行在变速恒频状态;网侧PWM变流器通过调节d轴和q轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功功率和无功功率的解耦控制,控制流向电网的无功功率[1]。

2 机组的数学模型及控制原理

2.1 异步电机数学模型

在转子磁场定向条件下,φrd=φr、φsq=0,异步电机在d-q旋转坐标系内的电压方程如下[2]。

定子电压方程:

转子电压方程:

定子磁链方程:

转子磁链方程:

其中,φr为转子磁链,ω1为定子电角速度,ωs为转差角速度,Ls为定子电感,Lr为转子电感,Lm为励磁电抗。联合式(3)和式(4),消除转子电流ird、irq后得到定子磁链表达式,再将定子磁链表达式代入式(1),并经过整理后得到转子磁链定向坐标系统下的定子电压方程式为:

其中,异步电机漏磁系数σ=1-Lm2/(LsLr),定子时间常数Ts=Ls/Rs。由式(2)和式(4)消除转子电流ird、irq后得到定子电流转矩分量和转子磁链表达式,其中,转子时间常数Tr=Lr/Rr。

控制系统如图2所示。

图2中系统采用转速给定与电机反馈转速相比较后,通过转速PI调节器,输出定子电流转矩分量给定值i*sq,定子电流励磁分量给定值i*sd由磁链发生器得到。定子三相电流经过坐标变换后的isd、isq与给定值相比较,再经过励磁电流调节器和转矩电流调节器后分别输出定子电压分量U'd、U'q,再经过PARK逆变换转换为静止坐标系统下的电压分量usα、usβ,通过空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到需要的脉冲信号提供给绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

2.2 网侧变流器模型及其控制原理

由整流器数学模型,可写出同步旋转坐标系下桥臂输出的数学方程[3]:

vd、vq为桥臂输出电压d、q分量,Ud、Uq为电网电压d、q分量,id、iq为输入电流d、q分量,ωe为同步角速度。在两相同步旋转的d、q坐标系中,使d轴定向于电网电压矢量,控制三相电流此时的d轴和q轴电流id、iq,便可以达到控制输出电流功率因数的目的。

图3为PWM变流器在同步坐标系中的双闭环控制系统原理框图。PWM整流方案可以实现稳定的直流电压输出,且输入侧的电流波形良好,功率因数可调,具有宝贵的四象限运行能力。

3 模型参数和仿真结果

3.1 模型参数

为了验证系统仿真模型的正确性,电机参数标幺值设置:励磁电抗Lm为3.242 6,转子电感Lr为0.090 1,定子电感Ls为0.100 9,转子电阻Rr为0.005 02,定子电阻Rs为0.006 15。电机侧电压、电流额定值为0.69 kV、2.5 kA,定子额定频率50 Hz。网侧电感L=0.1 mH,电容C=36 000μF。直流给定控制电压1.2 k V,电机给定角频率为80 rad/s。

3.2 仿真结果

图4为电机侧定子三相电流波形,图5为角频率、电磁转矩波形。

系统在5.7s时给定转矩由0.5p.u.突增到0.8p.u.,电机侧电流由1.9 kA突增为2.2 kA,但电机转速保持不变。仿真表明负载突变时定子电流稳定性好,转速无波动,转矩动态响应快。

如图6所示,当网侧无功电流给定值iq*为0 A且转速保持不变时,系统在5.7 s时电机转矩增大,网侧电流也随之增大,表示发电机输出功率增加。

4 结语

基于鼠笼式异步风力发电系统,采用转子磁场定向控制方法,网侧对无功、有功电流综合控制,实现功率因数可调。保持转速不变,当转矩增大,发电机输出功率增加,网侧电流也随之增大。验证了该系统的合理性和有效性。

参考文献

[1]李建林,许洪华.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

飞行仿真软件系统初步研究 篇10

关键词：工程模拟器,飞行系统,飞控系统

0 引言

飞行仿真系统是飞机模拟器的一个纯软件仿真系统, 通过建立气动力、地面特性、起落架、质量、运动方程、大气环境和特殊环境等数学模型实现对飞机的飞行特性、动力特性以及相关系统逻辑的仿真仿真。仿真软件系统中的数学模型覆盖所模拟对象的工作过程, 包括从发动机启动之前直到发动机停车之后的所有飞机特性, 包括因环境条件变化所引起的正常延迟效应, 通过接口系统驱动驾驶舱仿真设备工作, 同时也实现对系统故障进行仿真。

本文主要对飞行软件仿真系统进行研究, 主要包括建立飞行动力学方程, 坐标变换, 并对气动力, 起落架力, 发动机拉力等作用在飞机上的力和力矩, 给定大气条件、大气扰动 (含风切变) 等数学模型进行计算。

1 飞行仿真系统的组成

飞行仿真软件系统按实现功能及与飞机相关系统的对应关系主要包括以下7个子系统:飞行软件系统、飞控软件系统、操纵软件系统、动力软件系统、电源软件系统、燃油软件系统、液压软件系统。飞行仿真软件系统运行在模拟器的主计算机上, 由实时管理软件调度运行, 对飞机的相应系统和设备进行建模, 并通过主计算机上的接口软件、网络通讯程序与驾驶舱设备及其它交联系统进行数据交互, 驱动驾驶舱内的仿真设备工作。

主飞行仿真软件系统运行在工程模拟器的主控计算机上, 由实时管理软件调度运行, 对飞机的相应系统和设备进行建模, 并通过主控计算机上的接口软件、网络通讯程序与驾驶舱设备及其它交联系统进行数据交互, 驱动驾驶舱内的仿真设备工作。图1为仿真软件外部交联关系。

仿真软件系统建模过程中将依据《飞行力学-概念、量和符号坐标轴系和运动状态变量》GB/T 14410.1-93标准中的定义确定模拟器仿真模型坐标系统的定义和各通用符号的表示。

飞行仿真软件系统将根据飞行器的相关数据进行建模, 并使用对应的模型校验数据进行模型正确性校验, 最终利用验证数据完成整个系统逼真度的验证。

2 飞行软件系统

2.1 系统组成

飞行软件仿真系统是飞行仿真系统中的核心子系统, 动力、飞控、液压等系统的仿真结果最终都要汇集到飞行软件仿真系统来实现对飞机运动的控制。飞行软件仿真系统以刚体运动方程和绕质心的转动方程为基础对飞机在地面和空中的运动特性进行了全面的模拟。图2为飞行软件系统信息铰链原理。

本系统主要完成如下几个模拟功能:①气动力计算:飞机在各种飞行条件下的气动特性和操纵面力矩特性的实时计算, 随系统油耗的变化、起落架收放等对重心、质量、惯性矩、惯性积等惯性特性实时计算, 对起落架、扰流板、襟翼等系统设备对飞机在起飞、飞行、着陆时的系统响应进行实时仿真计算等;②飞机运动方程:飞机空中和地面的六自由度运动方程进行计算;③地面控制特性;④大气环境模拟:对稳定的平流、紊流和阵风等大气环境、大气扰动 (含风切变) 进行实时仿真等;⑤对系统控制台设置的飞行参数、试验/飞行科目、故障参数的响应。

2.2 运动方程建模

建立飞机运动方程有如下基本假设:

①飞机为刚体, 不考虑机翼、机身和尾翼的弹性自由度, 而且质量是常数;②设地面为惯性参考系, 地坐标为惯性坐标;③忽略地面曲率, 视地面为平面;④重力加速度g恒定, 即不随飞行高度而变化;⑤不计飞机绕流和发动机喷流的相互作用;⑥飞机几何外形对称, 内部质量分布亦对称。

以英美坐标系, 则飞机完整的六自由度非线性数学模型如式 (1) ～ (12) 所示

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3 飞控软件系统

飞控软件系统以模拟飞机的多余度飞控数字计算机、作动器电子控制装置及远程控制电子装置, 以及机电、电液伺服作动器, 实现对飞机的全权限实时操纵并实现主动控制以及自动飞行等功能。

在飞控软件系统中, 飞行控制律软件驻留在飞控仿真计算机内, 进行飞控系统闭环仿真。其中飞控仿真计算机中运行有模块化设计的主飞控模块、自动飞行控制模块、自动油门模块和作动器模块。主计算机和飞控仿真计算机之间通过UDP协议进行信息交互。飞控软件计算机可以只运行主飞控模块和作动器模块, 进行主飞控控制律的验证和调试, 也可运行自动飞行控制模块和主飞控模块以及作动器模块, 进行自动飞行控制模块的验证和调试。

飞控软件系统的软件仿真可以采用Matlab/Simulink搭建控制律的模型, 通过RTW将其转换为C代码, 其中的控制律模态切换逻辑可以使用C代码直接编制。

4 结束语

本文对飞机工程模拟器实时飞行仿真系统作了初步的研究, 研究了飞行软件仿真系统, 通过建立动力学数学模型, 使飞行仿真系统尽量还原真实飞机的操纵特性和飞行性能, 通过建立飞控系统模型, 使驾驶员在模拟器上能够实时地通过软件解算操纵相应的舵面, 使飞机达到预定的飞行目标。这就为飞行员在模拟器上进行逼真模拟飞行训练提供了保证。

参考文献

[1]方振平.航空飞行器飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[2]ALEX SCAMPS, PETER GIBBENS.Development of a VariableStability Flight Simulator as a Research/Education Tool[C].AIAA modeling and simulation technologies conference and exhib-it, Austin, Texas.USA, 2003.

[3]王行仁.飞行实时仿真系统及其技术[M].北京:科学出版社, 1985.