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刘劲松图形仿真技术在计算机自动控制中的应用
本科生毕业论文(设计)
题目图形仿真技术在计算机自动控制系统中的运用
学院制造科学与工程学院
专业机械设计制造及其自动化
学生姓名刘劲松
学号0843021045 年级08
指导教师朱鲁闯
教务处制表
二Ο一二年月日
图形仿真技术在计算机自动控制系统中的运用
机械设计制造及其自动化
学生:
刘劲松指导老师:
朱鲁闯
[摘要]计算机仿真(ComputerSimulation)(或称系统仿真—Systemsimulation)是作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法,随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。
近年来,随着信息处理技术的突飞猛进,使仿真技术得到迅速发展。
本文综述了仿真技术意义和发展趋势,分析其在火灾科学领域中的应用。
通过设计两款实时数据仿真模拟软件,将火灾中防火材料耐火性能检测的相关数据动态呈现出来,从而做到检测数据的可视化、直观化。
采用BorlandC++Builder6.0作为目标软件的设计平台,内嵌基于SQL的动态数据库系统,做到实时更新数据,科学精确实现防火材料性能检测的图形仿真。
[关键词]C++builder、实时数据模拟仿真、图形仿真、耐火性能检测
Graphicalsimulationtechnology
inthecomputercontrolsystem
MechanicalDesignManufacturingandAutomation
Student:
LiuJingsongsupervisor:
ZhuLuchuan
[abstract]Computersimulation(orsystemsimulation)astheanalysisandstudyofsystemoperationbehaviorandrevealthedynamicprocessandthelawofmotionisanimportantmeansandmethods,Withthedeepeningofthesystemofscientificresearch,controltheory,computingtechnology,computerscienceandtechnologydevelopmentandtheformationofanemergingdiscipline.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofinformationprocessingtechnology,simulationtechnologyhavedevelopedrapidly.Thisarticlereviewsthesimulationtechnicalsignificanceanddevelopmenttrends,andanalysisofitsapplicationinthefieldoffirescience.Simulation software through the design of two real-timedata, dynamicdataofthefireproofingmaterial in the fire detection is presented, therebyleadingto thedetectionof datavisualization,visualization.TheBorlandC++Builder6.0asthetargetsoftwaredesignplatform,embeddeddynamicSQL-baseddatabasesystem,sothatthedataupdatedinrealtime,scientificallyaccurategraphicalsimulationoftheperformancetestingoffireprotectionmaterials.
[keywords]C++Builder、Real-timedatasimulation、Graphicsimulation,、
Fireresistancedetection
目录
第一章绪论1
1.1课题研究的背景1
1.1.1仿真1
1.1.2计算机仿真的三个基本要素1
1.1.3计算机仿真三个基本过程2
1.1.4传统的仿真方法3
1.1.5国内外仿真技术的发展趋势5
1.2课题研究的意义6
1.2.1计算机仿真技术的特点6
1.2.2计算机仿真技术在火灾科学领域中的应用6
1.3课题研究的内容及方法8
1.3.1研究思路8
1.3.2论文安排8
第二章防火材料耐火性能检测9
2.1防火保护材料耐火试验原理9
2.1.1PID温度控制原理9
2.1.2部分关键试验标准9
2.1.3试验装置11
2.2防火材料耐火性能检测方法13
2.2.1炉内温度测量13
2.2.2测量方式及过程14
第三章软件设计平台15
3.1平台介绍15
3.1.1选择BorlandC++Builder作为开发环境的原因15
3.1.2C++Builder基础15
3.1.3集成开发环境(IDE)简介16
3.2第三方控件TeeChart介绍16
第四章软件设计18
4.1软件设计思路分析18
4.2软件设计步骤18
4.3设计分析与改进25
第五章总结与展望28
参考文献29
致谢30
第一章绪论
1.1课题研究的背景
1.1.1仿真
1961年,G.W.Morgenthater首次对“仿真”一词作技术性解释,是指在实际系统尚不存在的情况下,对系统或活动本质的复现。
近20年来,仿真技术的发展使人的认识与概念得以深化。
今天,一个较流行于工程技术界的技术定义是:
仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。
这种定义适用于概括了所有工程的(技术的)或非工程的(非技术的)系统。
显然,仿真是一门综合性技术学科,它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技术。
它作为一种研究方法和实验技术直接应用于系统研究,是一种利用相似与类比的关系来间接研究事物的方法。
它为进行系统分析,综合研究,设计,以及对专业人员的培训提供了一种先进的技术手段。
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。
人们利用这样的模型进行试验,从中得到所需的信息,然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。
仿真是一个相对概念,任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。
仿真是有层次的,既要针对所欲处理的客观系统的问题,又要针对提出处理者的需求层次,否则很难评价一个仿真系统的优劣。
1.1.2计算机仿真的三个基本要素
计算机仿真是由系统、模型、计算机三个基本要素构成了。
所谓系统指的是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。
它具有特定的功能和特性。
即具有整体性和相关性。
系统模型是用来描述系统的内在联系及系统与外界的关系。
当然,完全准确地描述系统的内在联系和外在联系是很难的,只能近似地描述。
建立的模型可以是物理模型,也可是数学模型。
物理模型是建立在物理属性相似的基础上,描述真实系统的逼真感较强,但随系统复杂性增加,所需的费用也随之增加,同时较难改变结构或有关参数。
数学模型是将系统的内在联系和它与外在联系抽象,所需费用少,对系统的结构,有关参数变动容易,是当今使用广泛的方法。
仿真模型是为了在计算机上运行,反映系统模型同仿真工具(仿真器或计算机)之间的关系。
它是对系统的数学模型进行一定的算法处理,使其在变成合适的形式(如将数值积分变为迭代运算模型)之后,能在计算机上进行数字仿真的“可计算模型”。
对一个实际系统来讲,系统模型是系统的一次近似模型,而仿真模型中算法引起了误差,是系统的二次近似模型。
计算机则是计算机仿真中最重要的仿真工具。
用于仿真的计算机基本可分为模拟计算机、数字计算机和混合计算机等三类。
模拟计算机的电路基础主要是运算放大器,可实现加法或积分等一些数学运算。
数字计算机采用大量的数字集成电路,运行精度高,同时软件、接口和终端技术的发展,使人机交互能力得到很大的提高,已成为现代仿真技术中主要工具的物质条件。
混合计算机是把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作,以充分发挥模拟计算机所有的高速度和数字计算机所有的高精度、逻辑运算及存储能力的优点。
自动控制系统仿真是一门新兴的技术学科。
它是对自动控制系统进行分析、设计与综合研究的一种重要手段。
自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的工程技术及科研人员所必须掌握的一门技术。
系统:
系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体,这个整体叫做系统。
“系统”是一个很大的概念,通常研究的系统有工程系统和非工程系统。
工程系统有:
电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。
非工程系统:
宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。
模型:
模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。
通过模型对原型系统进行研究,将具有更深刻、更集中的特点。
模型分为物理模型和数学模型两种。
数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。
系统仿真,就是以系统数学模型为基础,以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。
要对系统进行研究,首先要建立系统的数学模型。
对于一个简单的数学模型,可以采用分析法或数学解析法进行研究,但对于复杂的系统,则需要借助于仿真的方法来研究。
仿真就是模仿真实的事物,也就是用一个模型(包括物理模型和数学模型)来模仿真实的系统,对其进行实验研究。
用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真,它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。
而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。
我们这里讲的是后一种仿真。
数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型,并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。
通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真,又称计算机仿真。
自动控制系统仿真是近20多年来发展起来的一门新兴技术。
随着计算机科学与技术的快速发展,计算机的运行速度越来越快,功能日益强大,价格日趋大众化,目前计算机已经十分普及。
在此基础之上,控制系统计算机仿真已经成为对自动控制系统进行分析、设计和综合研究中的一种常规手段。
随着控制系统的日益复杂,控制功能和任务多样化,传统的控制系统分析方法已经无法胜任。
使用计算机进行自动控制系统的分析计算和仿真研究,已经成为从事自动控制以及相关专业的研究人员和工程技术人员所必须掌握的一门技术。
在工业、农业、交通运输、国防军事、科学研究等领域,都离不开自动控制系统与装置。
控制理论与控制工程已经成为现代科学技术中不可缺少的重要组成部分,而自动控制系统计算机仿真技术则是自动控制系统建模、分析和设计过程中极其重要的工具。
计算机的发展(包括计算机仿真技术的发展)不仅在技术层面,而且在理论层面,都深刻地影响着控制理论与控制工程学科的发展。
相信在未来,计算机技术必将在更大程度上改变控制系统分析和设计的理论与方法。
1.1.3计算机仿真三个基本过程
建立系统模型、建立仿真模型和仿真实验(仿真运行)是计算机仿真中的三个基本过程。
建立系统模型是仿真第一步,也是十分重要的一步。
通过对实际系统的观测或检测,在忽略次要因素及不可检测变量的基础上,用物理或数学的方法对系统加以描述,从而获得实际系统的间化近似模型。
模型同实际系统的功能与参数之间应具有某些相似性和对应性。
建立仿真模型则是确定对系统的二次近似模型。
只有在建立了仿真模型后,才能书写出相应的计算机程序,在计算机上实现系统的仿真。
仿真实验便是对仿真模型进行运行,让人们能了解包含在系统中各变量之间的关系,观察系统模型变量变化的全过程[2]。
通过仿真实验,进行多次运行,参数优化等工作,以对仿真模型进行深入研究和结果优化,便于对系统的分析。
仿真三要素及三过程关系如下:
仿真的一般步骤:
建模与形式化:
确定模型的边界,模型进行形式化处理
仿真建模:
选择合适的算法(稳定性、计算精度、速度)
程序设计:
将仿真模型用计算机能执行的程序来描述(包括仿真实验的要求、运行参数、控制参数、输出要求)
模型校验:
程序调试,检验所选仿真算法的合理检验模型计算的正确性
仿真运行:
对模型进行实验
仿真结果分析:
对系统性能作出评价,模型可信性检验,只有可信的模型才能作为仿真的基础。
1.1.4传统的仿真方法
传统的仿真方法是一个迭代过程,即针对实际系统某一层次的特性(过程),抽象出一个模型,然后假设态势(输入),进行试验,由试验者判读输出结果和验证模型,根据判断的情况来修改模型和有关的参数。
如此迭代地进行,直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。
模型对系统某一层次特性的抽象描述包括:
系统的组成;各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系;在某些输入条件下系统的输出响应等。
根据系统模型状态变量变化的特征,又可把系统模型分为:
连续系统模型——状态变量是连续变化的;离散(事件)系统模型——状态变化在离散时间点(一般是不确定的)上发生变化;混合型——上述两种的混合。
计算机仿真技术和用于仿真的计算机(简称仿真机)都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。
用于仿真的计算机。
20世纪50年代的仿真机大部分是以电子模拟计算机为主机实现的,在部分特殊应用领域内也有以液压机、气压机或阻抗网络作为主要模拟设备的。
由于电子模拟计算机的精度较差等缺点,从70年代初开始,数字模拟混合仿真机得到发展。
从70年代末起,以数字机为主机的各种各样专用和通用仿真机得到普及和推广。
由于高性能工作站、巨型机、小巨机、软件技术和人工智能技术取得引人瞩目的进展,在80年代内人们对智能化的仿真机寄予希望,也在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上,设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机,在一些特定的仿真领域内,这种智能仿真机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的结果。
随计算机技术的飞速发展,在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。
80年代初推出的一些仿真机,SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。
仿真系统为了建立一个有效的仿真系统,一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。
为了构成一个实用的较大规模的仿真系统,除仿真机外,还需配有控制和显示设备。
近年来,由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展,系统仿真方法学致力于更自然地抽取事物的属性特征,寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法,等等。
在这些探索的推动下,生长了一批新的研究热点:
(1)面向对象仿真(ObjectorientedSimulationOOS)[1]:
从人类认识世界模式出发,使问题空间和求解空间相一致,提供更自然直观,且具可维护性和可重用性的系统仿真框架。
(2)定性仿真(QualitatuveSimulationQS)[1]:
用于复杂系统的研究,由于传统的定量数字仿真的局限,仿真领域引入定性研究方法将拓展其应用。
定性仿真力求非数字化,以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出,通过定性模型推导系统定性行为描述。
(3)智能仿真(IntelligenceSimulationIS)[1]:
是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术,引入整个建模与仿真过程,构造各处基本知识的仿真系统(KnowledgeBasedSimulationSystemKBSS),即智能仿真平台。
智能仿真技术的开发途径是人工智能(如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等)与仿真技术(如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软件等)的集成化。
因此,近年来各种智能算法,如模糊算法、神经算法、遗传算法的探索也形成了智能建模与仿真中的一些研究热点。
(4)分布交互仿真(DistributedInteractiveSimulationDIS)[1]是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连,构成时间与空间互相偶合的虚拟仿真环境。
实现分布交互仿真的关键技术是:
网络技术、支撑环境技术、组织和管理。
其中:
网络技术是实现分布交互仿真的基础,支撑环境技术是分布交互仿真的核心,组织和管理是完善分布交互仿真的信号。
(5)可视化仿真(VisualSimulationVS)[1]:
用以为数值仿真过程及结果增加文本提示、图形、图像、动画表现,使仿真过程更加直观,结果更容易理解,并能验证仿真过程是否正确。
近年来还提出了动画仿真(AnimatedSimulationAS),主要用于系统仿真模型建立之后动画显示,所以原则上仍属于可视化仿真。
(6)多媒体仿真(MultimediaSimulationMS)[1]:
它是在可视化仿真的基础上再加入声音,就可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。
(7)虚拟现实仿真(VirtualRealitySimulationVRS)[1]:
是在多媒体仿真的基础上强调三维动画、交互功能,支持触、嗅、味知觉,就得到了VR仿真系统。
1.1.5国内外仿真技术的发展趋势
1、硬件方面:
基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度,大大增强数字仿真的实时性。
2、应用软件方面:
直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新,各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中,使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。
3、分布式数字仿真:
充分利用网络技术,协调合作,投资少,效果好。
4、虚拟现实技术:
综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科,使人置身于真实环境之中。
5、屏弃单专业的仿真:
单一专业仿真将退出系统设计的领域,专注于单一专业技术的深入发展。
作为总体优化的系统级设计分析工具,必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。
6、跟随计算技术的发展:
随着计算技术在软硬件方面的发展,大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势,力争从模型和算法上保证仿真的准确性。
更强更优化的算法,配合专业的库,将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。
在高性能计算方面,将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。
7、平台化:
要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理(包括二次开发后的集成和封装)、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能,并且通过数据流集成在更大的PDM/PLM平台上。
同时,在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求,在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。
8、整合和细分市场:
整合化:
将出现主流的标准工具。
其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求,并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交互,有协同工作的能力;软件自身的技术进展迅速,具有强大的发展后劲。
专业化:
随着市场需求的细分,走专业化道路,将出现极专业的工具。
这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持,如开发特殊的库或模型,专注于具有鲜明行业特征的技术,满足特殊的行业标准。
将出现整合型工具和专业化工具互补的局面。
智能化:
将引进更加友好的操作界面,智能化的求解器及模型管理。
不断改进GUI,让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能,同时减少软件学习和使用的困难。
提供易学易用的强大工具。
9、丰富的二次开发选项:
提供源代码级的二次开发支持,开放的架构满足不同用户的专业开发要求。
在强大的工具平台上,根据自身的需要,进行二次开发。
这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。
今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候,从源代码级别开始的创新和工程化定制,并能够通过封装集成到原有平台中去。
这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共享和传承的同时,保护自身知识产权的必然选择。
1.2课题研究的意义
1.2.1计算机仿真技术的特点
①经济
大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的,如:
空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右,而采用仿真实验仅需其成本的1/10~1/5,而且设备可以重复使用。
②安全
某些系统(如载人飞行器、核电装置等),直接实验往往会有很大的危险,甚至是不允许的,而采用仿真实验可以有效降低危险程度,对系统的研究起到保障作用。
③快捷
提高设计效率:
比如电路设计,服装设计等等。
④具有优化设计和预测的特殊功能
对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的,这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。
在非工程系统中(如社会、管理、经济等系统),由于其规模及复杂程度巨大,直接实验几乎不可能,这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。
计算机仿真(ComputerSimulation)(或称系统仿真—Systemsimulation)是作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法,随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。
近年来,随着信息处理技术的突飞猛进,使仿真技术得到迅速发展。
1.2.2计算机仿真技术在火灾科学领域中的应用
(1)必要性
众所周知,火灾给人类带来了巨大的生命和财产损失。
为减少火灾损失,人们需要更多了解火灾规律,事先预测火灾的发生和发展。
然而火灾发生和发展是个复杂的过程,且具有随机性,实尺火灾实验将消耗大量资金,实验周期长,消耗人力物力多,有时也无法进行。
这时,运用计算机仿真方法,进行缩小比例火灾实验或盐水模化实验及建立数学模型进行模化计算,便可以较少的资金,在较短的时间内仿真火灾过程,帮助人们进行火灾烟气特性的研究。
(2)可行性
火灾在建筑物中燃烧的过程是一个连续过程,所以它属于对连续系统的仿真。
通常,对连续系统仿真所用的数学模型有四种:
微分方程模型、传递函数模型、状态空间模型和结构图模型。
建立系统的数学模型大致有三种方法:
理论推导方法,即根据系统作用原理,导出系统的数学模型;实验方法,即进行实验,根据系统的输入输出数据,经过分析整理来建立模型的方法;理论推导和实验相结合的方法,该方法结合了前二者的优点。
在当今的火灾科学的仿真技术中,对数学模型的建立,通常采用理论推导和实验相结合的方法。
利用历年来人们所获得的实际火灾数据和实尺火灾实验数据,结合燃烧学,热力学和流体力学等学科的理论知识,建立了微分方程组,可对火灾烟气的能量、动量、质量建立控制方程。
通过各种数值计算的方法,进行离散化,确定相应的仿真模型(迭代方程组)。
对仿真模型编制计算程序,便可通过该程序的运行(仿真实验),对设定的建筑结构,火源条件,预测出相应的火灾烟气的主要参数值。
除运用数学模型对火灾烟气特性进行仿真外,还可进行物理模型的仿真,如按实际建筑制作一个缩小比例的建筑模型,进行缩小比例的火灾实验及在缩小比例模型中进行盐水模化实验。
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