2022年虚拟仪器技术的运行环境仿真系统的开发分析研究.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 本文主要关注于运行环境仿真系统的开发讨论, 介绍了基于案例的动态仿真模型库和基于虚拟仪器技术的硬件在环测试系统的开发方法；最终给出了一个洗衣机主控板测试系统 的详细例子前言现代工业要面对猛烈的市场竞争和环境爱护方面政府的严格约束；针对这些挑战的主要 策略是削减新产品的设计和测试时间 , 削减开发费用 , 削减产品投入市场的周期；解决这些问题的方法主要是在产品开发和过程设计过程中有效利用CAD/CAE/CAM技术；在两个最困扰机电产品设计和开发人员的主要问题中 , 第一是如何合理挑选部件和子系统以满意系统需求 , 其次是如何在低成本条件下测试系统

2、性能；仿真技术是解决这两个问题的答案；运算机仿真为在变条件和不同参数的情形下描述和分析系统行为供应了可能 , 同时可获得足够数量和质量的分析数据；它具有不需要实际工作环境 多优点；, 不需要复杂加载系统等许过去 , 仿真技术的讨论主要集中于仿真工具方面 , 而对于现代机电系统 , 就相对忽视了仿真模型的精度和功能精确度；不管仿真工具如何先进 仿真结果；这是现代仿真技术面对的重要问题；, 不合适的仿真模型确定会导致错误的美国国家仪器公司发布了一整套软、硬件工具用于建立测控应用 , 为仿真系统和仿真模型的开发供应了一个良好的基础；运行环境仿真系统的讨论第一集中于仿真模型, 精确建立一个针对机电部件

3、和系统的动态案例仿真模型库；这个动态仿真模型库具有三个优点：1. 它供应了一个基于案例推理技术的仿真模型分类结构 构以满意实际系统需求；, 可以动态调整模型数据库结2. 它具有测试仿真模型和真实系统匹配度的功能；, 并重构动态模3. 它具有一个系统辨识工具, 可以从实际的试验结果中提取精确模型型库；这些优点可以有效解决以前静态模型库带给仿真试验的问题；运行环境仿真系统另一个关注的是建立硬件在环测试系统；以虚拟仪器技术为基础 运行环境仿真系统的结构和开发方法 运行环境仿真系统包含两个部分：一是动态案例模型库 构见图 1；1 / 9 , 这项工作变得更加简洁；, 二是硬件在环测试系统；详细结名师归

4、纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 1 运行环境仿真系统结构图动态案例模型库主要包括几个模块：索引引擎、数学模型库、数据描述库、其他数据库、动态辨识模块、模型测试和评判模块；硬件在环测试系统可以分为软件和硬件部分；软件部分主要是测控软件模块；硬件部分包括全部硬件系统 , 如 PXI 总线系统 ,PCI 总线系统 ,Compact-RIO 系统等；动态案例模型库动态案例模型库的开发主要以NI LabVIEW 仿真模块、 Matlab 和其他仿真工具包为基础进行；动态案例模型库包含以下几个主要部分：案例模型库 索引引擎、数学

5、模型库、数据描述库、其他数据库, 系统辨识软件模块 , 模型测试和评判模块 , 模型传输和修改模块；主要结构见图 2；2 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2 动态案例模型库的结构图1. 案例模型库模型库采纳案例推理技术实现, 这项技术在 20 世纪 80 岁月后期逐步被越来越多的人工智能讨论人员关注 , 它是一种利用过去案例和体会解决问题的类推方法；总的来说 骤：, 案例推理技术采纳以下的推理步a 确认问题：输入需求 , 初始化条件和问题相关信息；b 猎取案例：依据需求和初始条件, 查找与实际问题类似的

6、案例；c 修改案例：从最类似的案例或案例组中提取目标解决方案 修改目标方案满意实际需求；, 通过d 储备案例：解决完问题后, 将最新的解决方案储备到案例库中；案例推理技术最重要的部分是建立案例的索引引擎和设计索引算法 ,可以利用这个技术建立案例数据库；整个数据库将来可以建立成具有可重构特性的分布式网络结构 , 它最主要的优势在于能够依据用户需求重构分布式网络 , 并快速引导到合适的案例；这项技术具有很强的自适应才能；在这个模型库中 , 机电系统和部件的模型可以分为几个主要部分 , 如机械、电子电气、液压等；这些分类组建成一个树型结构；例如 , 电子电气组件可以分为微处理器、执行器、驱动系统、传

7、感器等；进一步 , 执行器仍可依据不同的类型 , 如功率、最大转速、驱动方式等再进行分类；图 3 给出了一个简化的电机分类的例子；其中案例 i代表模型库中的一个原始模型；3 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3 简化电机模型分类依据以上的分类 , 就可以对不同的模型获得多种快速、有效的索引方 法；例如 , 如图 3 所示 , 现在在这个模型库中具有三个案例 , 每个代表 一种类型的电机模型；假如现在需要得到功率大于 1kW,最大速度大 于 3000rpm的沟通电机模型 , 但目前在图 3 所示的库中没有匹

8、配的模型；案例模型库将自动建立一个新的案例, 并重构模型库 , 重构的模型库结构如图 4 所示 , 以上的例子说明了模型库重构的方法；上述方 法对于动态案例模型库特别关键 , 由于它供应了一个方法来自适应调整模型测试 , 评判和辨识的索引和重构过程；人工神经网络、模糊逻 辑, 或其他人工智能理论可以应用于重构工作 , 从而进一步提高模型 库的自适应才能；4 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4 重构的简化电机模型库结构2. 模型测试和评判模块 模型测试和评判模块主要包括两个部分 , 参见图 2；第一部分完

9、成仿 真试验结果和实际试验结果的对比 , 判定两者之间的差异；其次部分 测试和评判仿真模型是否对应实际的部件和系统；在获得试验结果 后, 案例模型数据库会自动挑选相关的模型和仿真试验结果供应应测 试过程；模型测试和评判的两个功能描述如下；a 对比功能：对比仿真试验结果和真实试验结果的有效方法是运算 两者输出数据的差异 , 同样也可以对比两者系统参数、性能指标、动态特点图等方面的误差；经过对比 价模块；, 这些误差将供应到模型测试和评b 模型测试和评判功能：假如误差序列是具有零均值和特别小的方 差的白噪声序列 , 可以判定仿真模型和实际系统特别接近 , 模型不需 要修改或者重构；否就 , 必需修

10、改仿真模型或重构来提高匹配精度；3. 动态辨识模块假如模型测试和评判结果说明相关的模型必需进行修改或者重构 , 动态辨识模块就要进入工作；动态辨识模块将利用真实试验结果获得 新的模型 , 并进行模型校准和修改；现代系统辨识理论在这个模块中担负着重要的责任；系统辨识主要 依据被辨识系统的输入和输出猎取等效的系统 数学模型 ；通用的模型描述方法包括传递函数、状态方程和微分方程等；传递函数的辨识方法分为时域和频域方法；状态方程的辨识方法比较复杂 从微分方程或传递函数转化过来；微分方程的辨识主要是采纳统计, 可以分析和参数预估 , 如最小二乘、最大似然等方法；非线性系统可以采用非线性微分方程、 Vol

11、terra级数、双线性模型等来描述；对于不同的部件和系统 , 需要挑选不同的模型来描述；甚至对于同一 个部件 , 都需要建立不同的描述方法以满意不同的需要；在系统辨识 的开头阶段 , 第一要依据实际需求正确合适的数学模型的类型；然 后, 下一步是挑选合适的辨识方法通过实际试验数据获得模型参数；举例说明 , 一个电机可以描述成一个线性模型 , 也可以描述成一个非线性模型；依据所需的仿真精度和功能, 可以挑选一个单入单出的传递函数 , 也可以使用最小二乘方法构建 Volterra 级数模型；在这里 ,很多现代人工智能理论可以采纳进行辨识 , 如人工神经网络、模糊逻辑、H、遗传算法等；5 / 9 名

12、师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 系统辨识模块主要完成以下功能：a 依据所需的仿真精度和仿真器功能 实际系统；, 挑选合适的数学模型来描述b 挑选合适的系统辨识方法 , 以获得所需的模型参数和其他描述；c 测试数学模型的精度；经过以上的辨识工作 , 改进的或新的数学模型将进入案例模型库；案 例模型库、模型测试和评判模块、动态辨识模块这三个部分的工作 形成了一个闭环 , 从而保证了整个模型库的自适应性能 , 并组成了整 个动态案例模型库；硬件在环测试系统硬件在环测试系统最初是被构思成一个单一功能的测试系统 , 在汽车行业

13、中的应用最主要是用于发动机掌握元件的测试；现在, 越来越多的电子掌握元件和其他通用的测试应用都逐步采纳了硬件在环技术来实现；工程技术人员面对的建立硬件在 环测试系统的主要问题是如何将仿真系统和实际系统通过大量高速的 I/O 通道和信号调理通道同步运行起来, 并保证功能和性能；随着现在运算机的功能和敏捷性越来越强 , 工程师和科研人员更倾向于使用虚拟仪器来实现硬件在环测试系统；通过使用虚拟仪器技术, 硬件在环测试系统的实现变得越来越简洁；图5 是一个硬件在环测试实现的详细例子；这个程序采纳LabVIEW实现, 一个采纳传递函数描述的数学模型嵌入了测试的过程 试流程；, 从而实现了实际系统和数学模

14、型混合的硬件在环测图 5 硬件6 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在环测试示例这种实现方法可以把很多机电产品通过不同的描述方式引入到测控系统中 , 这些不同的描述方式包括数学模型、数据表、数据图, 等等；通过与动态案例仿真模型库的有机结合 , 这些模型将加入仿真模型库中；这样硬件在环测试系统就具有了坚实 的模型库作为资源中心了；洗衣机主控板测试系统简介主控板是全自动洗衣机的核心掌握单元；在装配终止后 , 必需对主控板的功能和输入 / 输 出接口进行测试；主要的测试目标包括门开关信号、关断信号、水位信号、进水

15、阀掌握 信号、驱动掌握信号、电机掌握信号等；为了完成上述工作 , 开发了基于运行环境仿真系 统的洗衣机主控板测试系统；这套系统采纳 NI 公司多功能板卡和 LabVIEW软件平台实现 了模拟洗衣机正常工作状态和全自动测试的工作；下面介绍这个具有肯定代表性的运行 环境仿真系统的开发方法；第一 , 提取与主控板紧密联系的部件的仿真模型, 如鉴频式水位传感器、电机、入水阀等；其中 , 鉴频式水位传感器很具有代表性；下面先简要介绍如何建立鉴频式水位传感器 的仿真模型；图 6 鉴频式水位传感器的结构图鉴频式水位传感器的结构见图6；它采纳 LC电磁谐振电路作为敏锐元件, 将水位信号转变成 LC参数变化 ,

16、 最终输出频率信号；原理可以简洁描述如下：水位第一影响在气腔内的 气压 , 气压的转变使导板运动 , 磁芯也就在线圈中移动 , 这就转变了线圈的电感 , 最终 LC电 路产生了不同的频率信号；鉴频式水位传感器的等效电路见图 7；7 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 7 鉴频式水位传感器的等效电路图一般来说 , 在鉴频式水位传感器安装固定后 , 它的线圈匝数、空气导磁率、磁芯导磁率、线圈平均半径、磁芯有效半径和线圈长度都是不变的 , 唯独转变的是磁芯在线圈中移动的位置；这个运动是线性的 , 也就导致电感的转

17、变是连续的；通过理论分析和试验验证 , 水位信号和鉴频式水位传感器的输出频率是成反比关系；下面给出了两种比较常用的鉴频式水位传感器产品的特性表 应关系 , 第一个是 SW-4型, 其次个是 XQB52-108G型；和输出频率对应关系表水位和输出频率对应关系表, 描述了水位和输出频率的对表 1 SW-4 型的水位表 2 XQB52-108G型通过试验结果和数学分析 , 便获得了不同鉴频式水位传感器的数学描述方法；这个方法同样应用于其他部件的仿真数学描述 , 并将这些数学描述加入动态案例仿真模型库 , 以便下一步建立全自动洗衣机主控板测试系统；在整套硬件在环测试系统中, 挑选了 NI 公司 M系列

18、多功能卡作为数据采集模块,NI 的LabVIEW软件平台开发了整套测试软件；依据硬件输出模拟了主要的传感器和执行元件的信号 , 如门开关信号、关断信号、水位信号、进水阀掌握信号、驱动器掌握信号、电机控制信号等 , 最终完成了全自动洗衣机漂洗、洗涤、甩干等状态的全自动测试工作；结论运行环境仿真系统具有两个重要的组成部分：动态案例仿真模型库和基于虚拟仪器的硬件在环测试系统；前者主要用于扩展真实部件和系统的数学描述范畴 , 采纳案例推理方式合理分类；后者主要针对如何通过使用数学描述方法实现实际的测控系统 , 以削减开发难8 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 度、费用和其他投资；这两部分具有特别亲密的关系, 但两者是相对独立的系统；运行环境仿真系统为这两者搭建了一座桥梁 , 从而使真实对象与虚拟运行环境中的仿真对象紧密结合形成更高层次的测控系统；今后的工作主要在两方面开展：第一是提高模型建立和索引引擎的质量 , 扩展仿真模型的类型 , 简化数学描述形式；其次是在硬件在环仿真技术 方面进一步提高；9 / 9 , 实时测控环境 , 分布式通信技术等名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页