物理层仿真论文

2024-06-09

物理层仿真论文（精选11篇）

物理层仿真论文第1篇

1 Matlab完成一个简单通信系统仿真所需的基本工作

1.1 信道调制

首先完成的是信道调制[1]工作, 其调制结果如图1所示。

从图1和BER数据中可以看出, 经过BPSK调制[2]的系统抗噪性能较直接发送数据有了很大的提高。其原因是经过BPSK调制之后, 在接收端的判决电平[3]就由原来的0.5变为0, 其判决电平的变化直接使得系统的抗噪声性能[4]有了大大的提高所以其误码率[5]与没有调制之前比较, 下降了很多。

1.2 不同信道比较

上面进行的是在相同的信道下, 未经过调制直接发送与经过BPSK调制后再发送两种情况下系统的性能比较。接下来要进行的是经过BPSK调制以后, 不同信道下系统性能[6]比较。比较结果如图2所示。

图2中的两条曲线分别是在BPSK调制下, 信号在AWGN信道模型[7]和瑞利衰落模型[8]条件下产生的, 从图2和BER数据中可以看出, 瑞利信道要比AWGN信道恶劣得多, 在SNR提高到30 dB时, 系统性能还比AWGN信道下差了好几个数量级。

2 CDMA多用户传输系统

2.1 扩频序列互相关性与系统性能的关系

从图3 BER数据中可以看出, 多用户传输系统的性能会比单用户的性能差, 表现为在同等SNR条件下[9], 误码率较单用户高。同时系统的性能也跟扩频码[10]的相关性有关, 当扩频码相关性提高时, 误码率却随之下降。这是因为在接收端解调时是利用扩频码的自相关性在接收端利用每一个用户惟一的扩频码进行接收解调, 由于该扩频码与其他用户的扩频码为近似正交, 所以其他用户的信号会被当作噪声而去除。可见, 系统的性能和扩频码的相关性是成正比关系的。

2.2 研究扩频序列自相关性抗多径干扰的能力

从图4中和下面的BER数据可以看出, 在抗多径干扰方面, 扩频码的自相关性是很重要的, 随着自相关性的提高, 系统的性能也越接近单径传输的性能。因为宽带信号的传输中是受到频率选择性衰落的, 而进行扩频后的信号在很宽的频谱上有着相同的能量, 任意给定时间只有一小部分频谱受衰落的影响。在时域上分析, 多径干扰是因为在不同的信道中传输, 到达接收端的时间有延迟, 不同时间到达的信号相互叠加而造成影响。而对于扩频后的信号而言, 由于经过延迟到达的信号其自相关性变差, 将会被当成不相关的别的用户信号而被滤除。而当扩频码的自相关性不好的时候, 就会造成系统性能的下降。

2.3 实际系统的模拟

在实际的CDMA系统中, 目前采用的是用M序列作为扩频码。因此在实验中用32位的M序列和GOLD序列作为对实际系统的模拟, 如图5所示, 按照M序列的性质, 该模拟系统总共可以容纳32个用户同时传输

3 结论

(1) 经过调制后的信号在信道中传输比直接将信号进行传输的系统性能要好得多。

(2) CDMA系统的抗多址干扰性能很好, 并且跟扩频码的正交性呈现正相关关系, 即扩频码的正交性能越好, 系统的抗多址性能也越好。

(3) CDMA系统的抗多径干扰性能也很好, 同样地, 系统的抗多径性能也跟系统的扩频码的正相关性有关

参考文献

[1]RAPPAPORT T S.无线通信原理及应用[M].2版.北京:电子工业出版社, 2004.

[2]樊昌信.通信原理教程[M].2版.北京:电子工业出版社, 2008.

[3][美]莫利斯.无线通信[M].田斌, 译.北京:电子工业出版社, 2008.

[4]J HONG Sam, LEE Leon.CDMA系统工程与手册[M].北京:人民邮电出版社, 2001.

[5][美]KI M K L.CDMA系统设计与优化[M].北京:人民邮电出版社, 2000.

[6]苏贝, 周常柱.多址干扰抑制在CDMA系统中的仿真实现[J].微计算机信息, 2005, 21 (8) :26-28.

[7]蔡涛, 李旭, 杜振民.无线通信原理[M].北京:电子工业出版社, 1999.

[8]彭林.第三代移动通信技术[M].北京:电子工业出版社, 2003.

[9]黄载禄, 殷蔚华.通信原理[M].北京:科学出版社, 2005.

大学物理仿真实验的应用研究第2篇

关键词：仿真实验真实实验

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0241-01

目前多数高校的大学物理实验室在实验课中都是多个学生共用一套仪器，大大影响了教学效果。已有的仪器“过期”现象严重，一个标准电池用上七八年很常见。像检流计、示波器这些仪器基本上都是修了再修凑合使用。更不用说那些耗资较大、仪器昂贵的实验，根本就无法开设。[1]

开放性实验的重要性不言而喻，它对于提高学生的创新能力和独立思考能力都有着积极的作用。但因受到经费、人力和管理上的限制，大多数院校都是小范围开展或者不开展开放性实验。

基于以上原因，仿真实验系统已逐渐地应用于大学物理实验课程中，将来势必会在所有高校普及。

1 仿真实验的优势

1.1 仿真教学环境

大学物理仿真实验是用软件对仪器形状进行建模，根据真实仪器的外形材质蒙皮，制作动画，并通过编程使得仪器能与操作者进行交互。它能够实现的功能有：学习者可以以拖动鼠标的方法连接仪器，自行设定参数，调节仪器，观察实验现象，记录实验结果。基本上能够实现实验必须的步骤。

最重要的一点是它能够再现实验环境。在真实实验室中，受课时限制，学生一般只能进行一次完整实验过程。而仿真实验却可以一直重复实验，提升教学效果。

另外，仿真实验系统认错性很强，在模拟的过程中学生操作一旦出错，系统立即指出调节错误，如果前一步调整不好就不允许进行下一步，迫使学生反复演练直至成功。这样就不用担心元器件的损坏。

1.2 提高教学效率

学生在课前预习的时候，会感到书上一些仪器介绍和概念性的原理或现象介绍很抽象。对实验原理也只是一知半解。而且有一些调节难度比较大的实验如分光计等，在真实实验教学中往往课时不够。所以我们可以把真实实验与仿真实验相结合，先安排学生课前进行仿真实验，熟悉仪器和实验过程后再进行真实实验，实现两段式教学。

再者，在大学物理实验中很多仪器都是黑匣子，学生不明白仪器的内部变化，不利于学生对实验原理和仪器原理的理解应用，仿真实验可以实现仪器的内部直观化。

所以，仿真实验可以很好地提高教学效率。

1.3 丰富教学内容

大学物理实验设备昂贵。开设的实验数目多的话对于多数院校来说是难以承受的。仿真物理实验系统能用相对低很多的价钱搭建出丰富的实验项目，满足新形势下实验教学的需求，无疑是一个实用的方案。灵活性的解决了资源严重不足和教学需求量大这一矛盾。仿真实验系统提供的实验内容涉及力热电光、近代物理和前沿领域攻击70多个实验项目。满足了大学物理实验的教学需求。

1.4 突破时空限制

我们所用的网络版仿真实验可以不受时间、地点、人次的限制。在办公室安放一台服务器，装上大学物理仿真实验Online版，并通过IP将其绑定于校园网。学生在终端申请用户名和密码，就可以随时随地的进行实验。使实验教学内容在时间、空间上得到了延伸。因此，仿真实验是一个极好的辅助性学习资源。

1.5 便于开放实验

目前，建立开放实验室需要解决的问题很多，如：开放实验室的实验选题多，教师要超时上课；学生自由操作仪器，损坏率会提高；为不断提高学生兴趣，根据实际情况须不断地更新实验项目和仪器；开放实验教学的实行给实验教学管理带来了新的问题；开放实验项目耗时长，经常使开放时间延长到课余和节假日。这一系列的问题都给开放性实验造成了障碍。而仿真实验系统具有设计性、研究性，为学生提供了自由的教学环境，克服了面向大面积学生开设开放实验受到实验课时等困难。

2 仿真实验的消极作用

模拟过程还比较僵化。在实际测量时，多次测量取得的结果往往有一定的偏差。我们就会鼓励学生排查错误或回溯误差来源，就比较有效的培养了学生解决问题的能力。而在仿真测量实验中，只要按照实验过程来操作，同一个实验重复做多次得到的结果都是一致的，忽视了实验的不确定度。

不能完全的模拟真实实验现象。在牛顿环法测量曲率半径实验中，我们在显微镜中看到的牛顿环中心会是暗斑或者亮斑，有时会是不规则环形。施与牛顿环装置不同的压力，环纹形状会相应改变。而仿真实验中看到的始终是标准的牛顿环图。诸如此类，学生会忽视实验操作与实验现象的因果关系。

仿真实验过于理想化。目前的大学物理仿真实验多是理想化的：标准的仪器，正确的方法，理想的环境，完美的结果，一切都是无误差的，即使有偏差也是人为设置。整个实验过程就是移动鼠标、敲击键盘。而只有亲自去操作真实的仪器，才能在实践中提高实验技能和能力。因此仿真实验在培养学生的实验技能和能力、创造发现的机会与环境方面有所欠缺，用仿真实验替代真实实验不合适。

3 对仿真实验的期待

综上所述，大学物理仿真实验虽然有着很多的优势，但并不能带来视觉、听觉、触觉和嗅觉全方位的真实感受。针对当前仿真实验的不足，我们除了选择合理的教学方法提高教学质量外，还应完善仿真实验系统。作为教师，我们对仿真实验有着以下的期待。

更好地虚拟实验的不确定性。目前部分仿真实验也能形成误差，但相对于真实实验中误差的随机性而言，仿真实验的误差机制过于单一。这就要建立在大量实际实验测量数据分析的基础上，找出随机误差的分布规律，并考虑到一定的实验系统误差因素，添加各种随机模拟测量程序代码组合，合理生成数据误差。

进一步提高实验细节的仿真性。例如惠斯通电桥实验，在实验中我们着重训练学生的接线故障排除技巧。还要注意螺丝固定、检查接触是否良好等基本实验规范。但在仿真实验中，学生连接线路只需拖动鼠标即可简单实现顺利接通，根本没有犯错的机会。所以我们认为，在仿真实验中是否可以随机设置出一定的干扰，制造出不合理的测量现象或结果，引导学生去分析解决问题。

是否能在仿真系统中建立一个仪器设备库。使得这些仪器设备能实现跨实验的完美组合，并且这里面的所有仪器能够高度模拟真实仪器的每一个功能和每一块细节。为开放性、探索性实验提供良好的平台和交互界面。鼓励学生选择和组织不同的仪器，自主设计创新实验项目和实验方法。

4 结语

当然，无论仿真实验如何改善，它是不可能替代真实实验的作用和功能的。我们期望真实实验与仿真实验优势互补。通过两段式乃至三段式教学，形成一个完整的学习链，在仿真实验更优化的基础上，开发一种高效的教学模式来适应目前的信息化环境。

参考文献

用Scratch进行物理实验仿真第3篇

Scratch在学科融合中的应用可以从测量、记录、控制、仿真四个方面进行尝试:1测量就是通过传感器来获得需要的数值,如我们通过温度传感器测量获取所需要的温度数值。2记录就是用电脑程序代替人工记录数据,通过程序的方式记录可以把人解脱出来,并且更容易对数据进行分析,如我们会把数据导入学习过的电子表格,对数据进行分析。3控制简单地说就是通过程序做出适当的反应,如在太阳底下如果感觉到热了,我们会走到阴凉的地方,“走”就是人脑对“腿”做出的控制。4仿真就是模仿真实世界,如可以根据光的放射定律模仿平面镜、凸透镜成像,让学生理解成像规律;可以把重力加速度加入到游戏中去,让角色的落地更接近于真实;还可以用程序的方式模拟分子运动……本文从仿真的角度做了一些案例尝试。

●用Scratch仿真平面镜成像

这个仿真程序可以让学生理解平面镜的特点和规律,为进一步完成凸透镜成像的仿真打好基础,如图1为平面镜成像的程序界面。

程序设计的过程中光线会随着操作者的控制随时变化,如移动物体远近、大小时光线会随时变化,所以这里的黄色光线及物体用画笔完成。我们先自定义一个画线的模块(如图2)。

我们只要提供两组坐标,然后调用这个程序就能完成中间的线。而对两组坐标我们可以在程序中设计一些特殊的点作为角色,如物体就是用底部A点和顶部箭头决定的。在Scratch程序中的这种画图方式可以解决动态变化的问题,如果你把这个例子中的“物”画成一个固定角色,后期的调整物体大小和位置就很难实现。

平面镜成像的规律是“像和物大小相等,像和物离平面镜距离相等,像和物连线于镜面垂直”,如何在程序中体现这一点呢?这里也需要设计一个模块体现平面镜成像规律脚本(如图3)。

在这个基础上,我们可以设计凸透镜成像的程序,主要也是在光线和成像规律上。下页图4为凸透镜成像界面。

通过Scratch设计的这种程序具有开放性,是学生可以参与的仿真实验程序。在设计的过程中,学生要理解相应的物理规律,如果是教师设计完成的,学生则可在使用过程中加入一些游戏元素。

●用Scratch仿真分子运动

分子运动这种微观现象,如何能直观地让学生体验到?除了用传统多媒体的方式,也可以用Scratch程序做一些模拟。我们这里用Scratch的一个扩展版本BYOB完成了这个例子,之所以选择用BYOB是因为它有一个非常不错的拓展功能“锚点”。锚点的主要作用就是把一个角色“附着”到另一个角色上,并且两个角色可以独立编辑脚本。图5为BYOB界面,在图中的例子中,“孙悟空”和“金箍棒”是两个不同的角色, 可以分别编辑脚本。我们可以用鼠标“拖拽”金箍棒到舞台上的孙悟空处, 这时候角色“金箍棒”右上角就多了一个锚点标志,说明金箍棒已附着到了孙悟空上,孙悟空就可以边运动边玩他的金箍棒了。

分子热运动就是利用这个锚点功能来实现的,图6是用BYOB的升级版本Snap完成的分子热运动的例子。Snap是一个网页编辑的图形化编程软件,所以可用浏览器打开。在这个例子中,我们设计了一个“小立方体”角色,然后建立9个分子小球角色,让这9个分子附着到小立方体上,当小立方体运动时,小分子会随之运动。我们构造好了这样一个神奇的小立方体,便可以在物理学习中加以应用了。

小立方体可以在后期的热学中得到应用,作为分子热运动的例子,在这里我们把9个小分子的运动脚本设计为图7。我们只要给变量a赋一个初始值,小分子就会在-a~a之间选择一个随机数,小分子的X、Y坐标会在原来坐标基础上有轻微变化,仿真出分子热运动的物理现象。如果把这个a值与外接的温度传感器关联,当温度升高时a值增加,分子热运动会加剧。

●用Scratch仿真小球的自由落体运动

自由落体运动是匀加速运动的一个典型实例,对学生来说彻底理解自由落体运动后,很多运动的问题就都能解决了。如果用Scratch来模拟体验这个过程,并实时反映出速度、距离、时间的变化,学生将会非常直观地了解和感受到自由落体,比看公式算数字要好得多。图8为小球的自由落体脚本。

添加一个对象“sprite1”的小球,将该对象的位置定位在(0,170) 的坐标上,设置一个变量“y”记录当前所处的位置,“计时器”表示小球下落的时间,小球设置的初始高度为170,在Scratch中表示为170像素,重力加速度为9.8米每秒,放到Scratch中表示为9.8像素每秒。那么小球下落的距离就是(),即。然后用最初的位置高度170减去这个下落的距离,就能得出当前小球的y坐标。如图9所示,坐标有正负170,因此小球相当于从340米的高空做自由落体运动。

通过这种仿真程序的设计,我们还可以给物体一个质量、弹性系数来研究小球的反弹,给小球一个初速度来研究小球的运动情况,这种仿真如果用到动画设计中,会使得角色更逼真。

●小结

物理层仿真论文第4篇

【摘要】本文主要从目前大学物理实验教学现状出发，探讨了虚拟仿真实验教学模式的特点与优势，简单介绍了仿真实验在大学物理实验教学中的应用问题，进而培养创新型人才具有重要的参考价值。

【关键词】大学物理实验;虚拟仿真实验;应用问题

1.引言

大学物理实验是一门面向理工科学生开设的基础课程，在培养学生动手能力和科学研究方面发挥着重要的作用。但由于实验仪器复杂、精密、昂贵等原因往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器，不利于学生自行设计实验参数、反复调整仪器、剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法。而仿真实验的引入能突破课堂实验教学时空条件的限制与约束，相对于传统实验教学能更加容易揭示物理现象与其他重要的内在规律，能给学生提供独立创新的实验平台，充分发挥学生的积极主动性。实际教学中，由于实验室和师资力量等限制，很难提供给学生大面积实验预习的环境，使学生无法对实验环境建立直观认识;由于教学时间和手段限制，教师也无法有效的对学生的预习情况进行有效检查。这样导致实验教学中长期存在“走过场”，严重影响了教学质量的提高。目前，我校已购买科大奥锐科技有限公司开发的实验预习和自动评判系统和大学物理仿真实验教学平台，有效地弥补了传统实验教学中存在的不足。

2.大学物理实验教学现状

学生基础薄弱，动手能力差,并且大学物理实验理论性较强。另外，实验仪器陈旧，内容笼统，多数仪器经过多年的使用过于老旧，易受损。实验项目也大都趋向于验证性的实验，缺少设计性和综合性的实验项目，与先进的科学技术和实际应用脱轨，对培养学生的科学素养和动手能力作用甚微，导致学生学习的积极性和主动性下降。目前，专职实验教师稀缺，这就导致了实验仪器设备维护，实验教学效果欠佳。

3.仿真实验在大学物理实验教学中的应用

3.1仿真实验的主要优势。

(1)自由性高。学生可根据实验方案选择合适的仪器自主完成实验，激发各层次学生学习兴趣。

(2)互动性强。仿真实验具有高度的开放性，学生可以随时进行访问站，完成系统当中现有的验证性实验，也可自行设计实验。通过系统模拟出真实的实验环境，有助于学生创造力和想象力的开发。

(3)效率高。虚拟仿真大大提高了工作效率，学生可以通过实验平台进行预习，实验操作等，教师通过系统能够查询学生完成实验项目情况，有利于实验教学的良好有序进行。

3.2实验预习和自动评判系统。预习是物理实验教学的.重要环节，通过预习环节，学生实验中才有目的、有指导地进行操作和观察,独立思考，利用掌握的知识对现象进行合理分析讨论，解决实验问题。学生通过物理实验预习和实验报告自动判卷系统用户截面上通过学号登录，下载升级实验预习大厅软件进行考试。根据教学要求自动形成预习安排，学生在线预习、模拟操作、完成对实验原理、仪器原理的理解，做到课前胸有成竹。系统自动记录学生预习情况，通过专家系统自动评判，教师通过系统了解学生的预习情况，针对性的调整教学要点。另外，每个学生实验操作的初始状态和测量值都是随机产生，所对应答案各不相同，从根本上避免了考试中实验操作的作弊现象。同场考试可调用多分卷子，可安排学生对应不同的试卷，有效避免书面试题的作弊现象，从而对实验教学质量的提高具有重要的作用。

3.3大学物理仿真实验平台。大学物理仿真实验平台的引入，很大程度上加强了虚拟实验的模型设计，建设与理论考试相结合的在线实验预习环境，从根本上解决了实验仪器状况及师资力量不足的问题。仿真实验代替了学生按书本抄袭实验步骤、实验原理的过程。促使学生在做真实实验前了解实验过程和仪器操作，能够完成一完整的学习链过程，提高实验教学质量，同时很大程度上减少教师批改预习的工作量，使课堂教学实现自主学习、有利于实验教学的良好有序进行。

4.结语

物理层仿真论文第5篇

关键词：仿真物理实验；中学物理教学；新课改；创新；自主探究

结合中学物理课程改革的理念就仿真物理实验室运用在中学物理教学中的意义，我进行了初步的探讨。

一、运用于中学物理实验教学中，有利于培养学生的创新能力

中学物理是以实验科学为基础的，实验教学在中学物理教学中有着举足轻重的作用。丰富多彩、生动有趣的实验是物理实验教学的特点，利用实验课不仅可以让学生记住某些相关结论、实验步骤，而更为重要的是能够使学生透彻理解并且完全掌握产生实验结论的过程。实验教学可以激发学生的学习兴趣，促使学生积极主动地参与到物理教学中，而且在进行实验操作的过程中，不仅培养了学生的动手能力、创造能力以及分析问题的能力，还培养了严谨、认真、耐心的科学态度。

但是在传统中学物理实验室存在很多弊端，比如，实验条件的限制导致实验结果与理论不一致，甚至相反，让学生经常对正确的理论产生过分的怀疑；还有些中学出于安全考虑和为了避免仪器损失而在实验室规定了许多规章制度，束缚了学生的创新性思维；甚至，有的学校教师因为实验室太小、仪器缺乏、上实验课需要的时间太长影响课程进度等原因，不愿意带学生做实验等等。这在中学物理教学中，严重影响了学生的动手操作能力，更是抑制了学生的创造性思维的发展。

利用仿真物理实验室可以大大改善传统实验教学对学生的种种制约。在操作实验之前，学生先在仿真实验室进行模拟实验，帮助熟悉实验步骤及实验方法，熟练之后再实际操作，既做到真正动手，又避免了仪器的损坏，还节省时间，从而有效地提高实验课教学效率。

二、运用于中学物理课堂教学中，有利于提高教学效率

在物理概念、定理和规律的讲解中，经常会采用实验演示法，对一些抽象的、难以观察和课堂中难以真实再现的实验，比如，说明牛顿第一定律的伽利略理想实验，磁感应线的空间分布，LC回路中自由电子的振荡过程，核爆炸等，教师无法进行实验演示，造成学生对这些知识点理解的困难，不能很好地掌握物理概念、定理或规律，甚至逐渐导致学生对物理的学习失去兴趣。而采用仿真物理实验室对这些实验进行仿真模拟、永久再现，将抽象知识具体化、形象化、微观现象可视化、瞬间现象永久化，可以避免过于空洞的描述，使学生产生真切的体验，激发学生的学习热情，提高学生学习的积极性。同时将这些难以理解和观察的实验现象或概念更清晰、直观、深刻地印入学生的脑海，实现对抽象物理概念和规律的感性认识，再上升为理性认识。这样也有助于发挥演示实验在中学物理教学中的作用，是教学最优化。

仿真物理实验室不单单是对实验的模拟，也可以用来帮助分析物理规律。例如，平抛运动是垂直方向上的自由落体运动和水平方向上的匀速直线运动的合成。从自由落体运动到平抛运动，将一维空间转变为二维空间，对这两种运动进行对比的时候，就可以创建两个小球，设置高度和速度等相关属性，使其从空间中同一位置开始分别做自由落体和平抛运动，然后利用仿真物理实验室提供的一种闪照的数据输出方式，便可清晰地看到两种运动情况，从而得出结论。再如，简谐运动的新课教学中，学生习惯了分析恒力作用下物理的单程运动，对振动过程的分析和理解存在思维定式，难以理解，在教学中辅以仿真模拟，可以有效地帮助学生进行分析，解决教学难点，提高教学效率。

还可利用它来方便地制作一些比较复杂的课件，突破技术屏颈，使教师的精力主要放在如何优化课堂教学设计上，从而提高教学效率。

三、运用于中学生自主学习中，有利于培养自主探究能力

中学生课后通过做习题巩固所学内容时，会遇到一些情况复杂的物理场景，尤其是对在电场、磁场或者电磁场中运动的粒子的复杂轨迹的分析，可以在仿真物理实验室中建立相应的物理模型，对软件自动生成的运动轨迹进行分析，结果一目了然，帮助学生理清分析思路。在没有老师辅导的情况下，学生也可以利用仿真模型再现习题中的物理情景，加深印象，进一步分析问题，细化知识点。仿真物理实验室作为目前中学物理学科实现信息技术与学科教学整合的技术软件，能够提高教学效率，帮助培养学生的自主探讨能力、创新能力和分析能力，但是在应用于实际教学中，一定要明确它是一种创设真实情景的工具，在教师教与学生学的过程中，都应将它作为一种辅助性工具，不可盲目地运用，更不可将仿真实验取代传统实验，应该将两者辩证地统一起来，提高学生的科学分化素质和实验技能。总之，合理地将仿真物理实验室运用到中学物理教学中才能充分发挥它的力量和魅力，使其有效地服务于教学过程。

参考文献：

[1]邵泽义，秦晓文.圆周运动的模拟实验：利用“仿真物理实验室”突破学生认知障碍[J].教学仪器与实验：月刊，2003（3）：26.

[2]刘玫.金数龙仿真物理实验室介绍[J].物理教学探讨，2004（8）：44.

[3]石鸥，刘丽群.课程改革中的若干问题[M].广东教育出版社，2004.

（作者单位湖南省湘陰县第一中学）

物理层仿真论文第6篇

《数学物理方法》是理工科学生的基础课程之一, 也是科研中常用的基本方法。数学物理方法课程的内容繁多, 公式推导繁杂, 尽管教材中的例题通常具有明确的物理意义, 但是从眼花缭乱的数学表达式中看出其中所表达的物理图像, 不仅学生会觉得困惑、枯燥, 教师也难免觉得棘手。探索数学物理方法数值化教学的新方法, 是数学物理方法课程教学中的一项重要工作, 也是数学物理方法教学改革中的重要内容。利用MATLAB数值求解数学物理方程, 将传统教学手段与计算机仿真教学相结合, 改变只用公式符号教学的模式[1], 令学生对复杂、抽象、烦琐的数学物理问题具有更深刻的理解。本论文旨在进行数学物理方程仿真求解实践训练, 着力培养大学生应用数学物理思想解决实际问题的能力。本着“重理论、强实践、突创新”的教育理念, 结合科技前沿, 以光子晶体的电磁场理论作为实践内容, 利用MATLAB对复杂的电磁场本征值问题进行计算机仿真求解, 将结果三维可视化, 以此来展现复杂电磁场问题的物理图像, 对培养大学生创新能力具有重要意义。

二、光子晶体电磁理论基础

在利用分离变量法求解数学物理方程时, 最后都归结到求解本征值问题。在用本征函数系展开法解数学物理方程时, 也要对所用的本征函数系有较好的理解[2]。所以, 各种本征函数系在数学物理方程课程的学习中有非常重要的地位。周期结构对电磁波的调控是物理学领域的基础问题。光子晶体是由介电常数周期排列形成的一种合成材料, 是非均匀介质中少数可以严格遵循电磁理论的新型人工材料。在一定的晶格常数和介电常数条件下, 布拉格散射使在光子晶体中传播的电磁波受到调制形成类似于电子的能带结构[3]。利用计算机仿真求解光子晶体中的复杂本征值问题, 可以帮助学生熟悉并更好地掌握本征函数系的性质和求解方法。

1.理想二维光子晶体的结构。假设介电常数为εa, 半径为r的介质柱平行于z轴, 背景介质的介电常数为εb, 在 (x, y) 平面内的晶格常数为a, θ为相邻基矢a1和a2之间的锐角, 当θ=90°和60°时, 分别为正方形晶格和正三角形晶格。 (x, y) 平面的傅里叶变换空间为倒易空间 (如图1所示) , 对应于由波矢k定义的频谱。

2. 理想二维光子晶体的本征值问题。

平面波的指数形式表示为

联立无源Maxwell方程组, 分别得到电场和磁场的传播方程

ε (r) 是光子晶体介质分布的周期函数, 本征值方程 (3) 和 (4) 式与电子材料中的周期性势场问题的Schr觟dinger方程类似, 称为光子晶体的支配方程[5]。本征场H (r) 和E (r) 分别对应于理想二维光子晶体中横磁 (TM) 模式和横电 (TE) 模式的空间形态, 通过求解本征值 (ω/c) 2, 可以得到频率ω与波矢k之间的色散关系, 即光子晶体的能带结构。

3. 光子晶体中的平面波展开。

根据Bloch理论, 将光子晶体本征场用平面波展开为

G为倒格矢, 将 (5) 和 (6) 式分别代入本征值方程 (3) 和 (4) 式, 利用平面波基{G, exp[i (k+G) gr], …}的正交性[6], 得到如下关于电磁场展开系数的本征值方程

矩阵k% (G) 是k (r) =1/ε (r) =k% (G) ei G·r的傅立叶展开系数

u表示一个周期单元, Au为周期单元横截面的面积。c表示一个散射单元横截面上的积分边界。 (9) 式右边包含了G≠0和G=0的项

其中J1 (GR) 为第一类贝塞尔函数, fr为填充比。

三、仿真求解电磁场本征值问题

我们通过计算机仿真求解TM模式电磁场本征值方程 (7) 式, 获得二维菱形晶格光子晶体的本征频率ωk与波矢k之间的色散关系, 绘制出能带曲线。

1. 光子晶体的数学建模。

对于θ=70°的二维菱形晶格光子晶体, 背景介质的介电常数为εb=12, 空气柱的半径r=0.4a。仿真步骤和MATLAB程序如下:

(1) 定义光子晶体的结构参数。

(2) 定义倒易空间中对称点的坐标。

(3) 产生一个20×20的矩阵, 确定平面波的波数NPW, 定义倒格矢G。

(4) 确定κ (r) =1/ε (r) 的傅里叶展开系数。

2. 仿真计算光子晶体TM模式能带曲线。

(1) 定义倒易空间波矢路径。

用Keach代表波矢路径上的取值密度, Ktype为对称点的数目, 第一布里渊区内沿波矢路径Γ→T→N→M→Γ的仿真程序为:

(2) 求解本征值方程。

(3) 绘制二维能带曲线。

修饰过后的二维菱形晶格光子晶体TM偏振模式能带曲线如图2所示。

四、本征值函数的三维可视化仿真

绘制三维等频面, 关键是建立波矢平面 (kx, ky) 内二维点阵的坐标, 再求解出每个点对应特征值, 仿真步骤和MATLAB程序为:

1. 定义波矢 (kx, ky) 平面内点阵的坐标Keach=36;

2. 求解本征值方程。

3. 绘制前四个能带的三维能带曲面。

图3为二维菱形晶格光子晶体的前四个能带的TM偏振模式三维能带曲面。

五、结论

本论文通过计算机仿真求解二维菱形晶格光子晶体的电磁场本征值问题, 绘制出能带曲线和三维能带曲面。将传统教学手段与计算机仿真教学相结合, 对复杂的数学物理方法问题进行三维可视化求解, 着力培养大学生的创新思维和解决实际问题的能力。

参考文献

[1]杨华军.数学物理方法与仿真[M].第2版.北京:电子工业出版社, 2011:359-377.

[2]彭芳麟.数学物理方程的MATLAB解法与可视化[M].北京:清华大学出版社, 2004:62-63.

[3]E.Yablonovitch.Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics.Physical Review Letters, 1987, 58 (20) :2059-2062.

[4]温熙森.光子/声子晶体理论与技术[M].北京:科学出版社, 2006:115-116.

[5]John D.Joannopoulos, etc.Photonic Crystals Molding the Flow of Light.Second Edition.Princeton University Press, 2008:8-10.

化学水处理系统的半物理仿真第7篇

化学水处理系统是火电厂生产过程中重要的辅助系统,通过除去原水中的各种盐类等有害杂质,为锅炉提供符合规格的补给水,从而保证锅炉补给水的数量和品质[1]。该系统具有控制设备多、工艺流程复杂、环境恶劣等特点,并且针对该系统中各种控制阀门和连锁开关较多这一特点[2,3],火电厂中实际化学水处理系统一般选用可编程逻辑控制器(PLC)实现对该系统的顺序控制,即按时序控制和条件控制实现阀门的开闭和设备的启停操作。由于PLC具有造价低、可靠性高、抗干扰能力强、灵活通用等突出优点[4],将其用于火电厂化学水处理的顺序控制系统可大大提高该系统的可靠性、安全性和经济性,进而对提高整个电力生产过程的安全性和经济性具有十分重要的意义。

本文设计了基于化学水处理仿真模型的顺序控制系统,并采用西门子PLC(S7-300型)实现了该顺序控制系统的半物理仿真,重点介绍了对故障仿真的分析和处理。

2 化学水处理仿真系统

实验室中化学水处理系统仿真模型主要包括四个阳离子交换器(阳床)、四个阴离子交换器(阴床)、四个混合离子交换器(混床),另外还有除碳器、中间水泵、中间水箱、凝结水换热器及其他辅助设备。该系统中各气动阀门的手轮是由有机玻璃雕刻成的,手轮中间安装有红绿双色二极管,它们可由基于单片机和CAN总线技术开发的控制电路板控制,进而用来模拟阀门的状态[5]。本化学水处理系统仿真模型如图1所示。

本化学水处理仿真系统,采用“一级复床加混床除盐”工艺,首先通过阳床,除去水中阳离子。水中的重碳酸根会与氢离子发生复分解反应,生成碳酸。阳离子交换后的水首先经过除碳器,与底部风机鼓入的空气接触,析出二氧化碳。出水接着通过阴床,除去水中阴离子和残余强酸阴离子。这样一级除盐完成后,进入混床再进行二级除盐,原理同阳、阴离子交换器基本类似。阳、阴离子交换树脂失效后,分别利用盐酸和氢氧化钠进行再生,再生过程为上述交换过程的逆过程[6]。其系统工艺流程如图2所示。

本系统中阳床、阴床和混床的具体模型如图3～图5所示。

注:A1——进水门;A2——出水门;A3——进酸门;A4——中间排水门;A5——反洗进水门;A6——正洗排水门;A7——反洗排水门;A9——正洗进水门

注:A1——进水门;A2——出水门;A3——进碱门;A4——中间排水门;A5——反洗进水门;A6——正洗排水门;A7——反洗排水门;A9——正洗进水门

注:A1——进水门;A2——出水门;A3——反洗进水门;A4——反洗排水门; A5——进碱门;A6——进酸门;A7——正洗排水门;A8——进压缩空门;A10——中间排水门

3 硬件配置与逻辑组态

3.1 系统结构

本系统结构采用总线型拓扑结构,选用SIMATIC S7-300系列PLC作为主站,ET200S系列远程I/O作为从站。上位机通过Ethernet与PLC相连,PLC通过Profibus与远程I/O相连,远程I/O再通过控制电路板与仿真模型连接。下面以一个离子交换器的顺序控制为例,其系统配置如图6所示。

本系统的硬件配置和逻辑组态均利用西门子公司的逻辑组态软件STEP 7实现。

3.2 硬件配置

在硬件配置中,选用SIMATIC S7-300系列PLC作为主站,其中CPU选为315-2 PN/DP,该型号CPU自带MPI/DP接口和PN-IO接口,通过PROFIBUS将MPI/DP接口与远程I/O相连,通过Ethernet将PN-IO接口与上位机相连。主站机架插接一块PS307电源模块。选用ET200S系列中IM151-1 STANDARD型号的远程I/O作为从站。硬件配置如图7所示。

3.3 逻辑组态

在逻辑组态中,首先定义虚拟反馈和虚拟指令变量。在本系统中,采用两个开关量输入反馈描述阀门的三种反馈状态:已开、已关、故障;采用两个开关量输出指令描述阀门的两种指令状态:开指令、关指令。其具体定义如表1所示。

为简化编程,本系统封装了三个基本模块,分别是虚拟反馈封装块、驱动级封装块和步序单步通用程序封装块。虚拟反馈封装块根据两个开关量输入反馈(阀门反馈1#位和2#位)判断阀门的状态(已开、已关或故障);驱动级封装块根据手/自动开(关)指令实现对阀门的单独开关操作;步序单步通用程序封装块根据全自动/半自动/手动指令执行步序中某一步的阀门动作,然后根据阀门状态反馈判断该步运行状态(成功或失败)。

根据参考文献[7]、[8]及仿真系统模型,可设计出阳床、阴床和混床的投运、再生、停运步序,分别用步序表的形式描述,如表2～表4所示。

注:○——阀门打开

根据以上的步序表,通过调用已封装的模块,即可对该系统中阳床、阴床和混床的投运、再生、停运步序进行组态。步序中每一步的组态都遵循以下原则:全自动/半自动/手动开始执行该步——发出阀门的动作指令(调用驱动级封装块)——该步阀门状态反馈(调用虚拟反馈封装块)——该步运行成功(调用步序单步通用程序封装块)——进入下一步。

本化学水处理顺序控制系统的逻辑组态完成后,得到逻辑组态的总体画面如图8所示。

4 人机接口设计

本系统的人机接口设计是利用西门子公司的画面组态软件WinCC实现的。

首先设计出阀门的单独操作画面。在此画面中,既可以实现对阀门状态的监视,又可以对阀门进行开关的操作。本系统中,为阀门定义了七种状态,分别是:已开、已关、开途中、关途中、位置反馈故障、开故障、关故障。前四种状态的定义如表5所示,后三种故障状态的定义和分析详见后文中的故障分析部分。

然后设计出步序的运行模式。为了方便对投运、再生、停运的顺序控制,本系统设计了三种运行模式:全自动、半自动和手动。这三种运行模式之间的切换可以在人机接口中实现。

点击启动按钮和全自动按钮,则选择了步序的全自动运行模式。此时,投运、再生、停运将从各自的第一步开始,依次顺序执行。

第一,点击启动按钮和半自动按钮,则选择了步序的半自动运行模式。此时,点击步序中某一步的半自动按钮,则开始自动执行该步中的所有阀门的动作。待此步执行结束后,再点击其他步的半自动按钮,则可自动执行其他步中阀门的动作。

点击启动按钮和手动按钮,则选择了步序的手动运行模式。此时,若需执行步序中某一步,必须先手动操作此步中每个阀门所要求的动作。待此步运行成功后,可按照以上方法执行下一步。

第二,当选择步序运行在自动(包括全自动和半自动)模式下,运行人员可以通过画面对步序的自动执行过程采取暂停或跳步的操作。暂停操作可以使整个步序中的每一步进入暂停状态,跳步操作可以使步序跳过某一步继续执行而不必等待执行此步的时序条件。

第三,分别设计出阳床、阴床和混床的步序操作画面。在此画面上应包含:全自动/半自动/手动运行模式选择、跳步和暂停操作、各阀门的状态反馈以及每一步的运行状态(成功或失败)。这样,在步序操作画面上,既可以实现对阀门等设备的状态监视和单独操作,又可以实现对阳床、阴床和混床的投运、再生、停运过程的运行监视和顺序控制。

第四,分别设计出阳床、阴床和混床的运行指导画面,以便于运行人员在不熟悉各步中阀门的具体动作时也可以准确无误地监视和控制系统运行。

最后,分别设计出阳床、阴床和混床的控制画面。在此画面上既可以实现对阀门等设备的单独操作,又可以实现对阳床、阴床和混床的投运、再生、停运步序的运行监视和顺序控制,以及运行指导的显示。以1#阳床为例,其控制画面如图9所示。

本化学水处理顺序控制系统的人机接口设计完成后,得到人机接口的总貌如图10所示。

5 阀门故障仿真

5.1 阀门故障仿真的定义

为了更贴近火电厂化学水处理生产实际,本系统定义了阀门的三种故障状态。如果阀门反馈1#位和阀门反馈2#位均为1,则阀门处于位置反馈故障状态;如果阀门在开指令发出后的规定时间内仍未处于已开状态,则阀门处于开故障状态;如果阀门在关指令发出后的规定时间内仍未处于已关状态,则阀门处于关故障状态。阀门的单独操作画面如图11所示。

在此画面中,可通过阀门控件的颜色及闪烁变化代表阀门所处的七种状态,分别是:已开、已关、开途中、关途中、位置反馈故障、开故障、关故障。

图中的阀门控件变化和它所代表的阀门状态之间的对应关系,如表6所示。

5.2 阀门故障仿真的分析和处理

火电厂化学水处理系统中的阀门大部分是气动阀门,所以下面主要对气动阀门的故障仿真进行分析和处理。

5.2.1 气动阀门的状态仿真

当气源压力低于标准压力的30%时,阀门不动作;

当气源压力处于标准压力的30%～80%时,阀门无法达到满行程;

当气源压力处于标准压力的80%～100%时,阀门可达到满行程,但行程时间长,中途故障,最终转为正常运行状态。

5.2.2 气动阀门可能出现的故障及其原因分析

由于气源压力不足可能会使阀门出现以下三种故障:气源消失或气源压力过小,不足以使阀门动作;气源压力使阀门动作,但不足以使阀门达到满行程;气源压力可以使阀门达到满行程,但行程时间过长。

其他故障及其原因还有:当阀门遇到较大阻力而出现卡塞时,其动作无法达到满行程;由于行程开关故障而无法将阀门所处的状态反馈给系统;由于气源电磁阀故障,阀门对PLC指令不作任何反应。

5.2.3 系统的故障仿真

本系统中,若阀门未处于目标状态或者阀门状态无法反馈给系统,则处于位置反馈故障状态;若PLC发出开关指令后,阀门未动作或者未达到满行程或者达到满行程的时间超过了规定时间,则处于开故障或关故障状态。

5.2.4 系统的故障处理

当步序中某一步指令发出后,阀门由于故障而未动作,此故障可能是由于阀门的两个开关量输入反馈均为1引起的位置反馈故障,也可能是由于指令发出后在规定时间内阀门没有处于指令所要求的状态。此时,一方面画面上会出现故障类型的提示信息,另一方面此故障会导致此步反馈不满足运行成功的条件,而使此步运行失败。这样,操作员需要对阀门进行检查和维修。

当步序中某一步正在运行时,会不断检测之前各步中动作的阀门是否处于动作后所要求的相应已开或已关状态,从而判断此步反馈是否满足运行成功的条件。若前面步序中已动作的某个阀门突然出现故障,则此步反馈不满足运行成功的条件,此步运行失败。此时,画面上会出现故障原因的提示信息以供操作员判断故障出现的原因,从而可尽快排除故障。

6 结束语

本文基于火电厂化学水处理系统仿真模型,利用西门子PLC实现对该系统中阀门等设备的单独监控及投运、再生、停运步序的运行监视和顺序控制,并对故障仿真进行了分析和处理,从而达到模拟火电厂实际的化学水处理顺序控制系统的目的。本系统已经通过仿真调试和在线调试验证了本设计方案的可行性和正确性,为将PLC应用于火电厂实际化学水处理系统的顺序控制具有一定的参考价值和借鉴意义。

摘要：以华北电力大学顺序控制实验室中的火电厂化学水处理仿真模型为背景,采用西门子PLC实现了对化学水处理顺序控制系统的半物理仿真。首先介绍了化学水处理的仿真模型及其工艺流程,然后设计了其顺序控制系统的硬件组态、逻辑组态和人机接口,最后通过仿真模型模拟实际运行中由于各种原因引发的设备故障,重点阐述了对故障的分析和处理。最终实现了对仿真模型中阀门的监控及设备启停操作的顺序控制,成功模拟了设备在实际运行中可能出现的各种故障及其处理过程,从而达到了完全逼真地模拟实际火电厂化学水处理顺序控制系统的目的。本系统的成功实现有利于深化对化学水处理顺序控制系统的认识和理解,为将PLC应用于火电厂实际化学水处理顺序控制系统提供了有益的借鉴。

关键词：化学水处理,PLC,顺序控制,半物理仿真

参考文献

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[6]陈志和.电厂化学设备及系统[M].北京:中国电力出版社,2006:112-179.

[7]程世庆,姬广勤,史永春.化学水处理设备与运行[M].北京:中国电力出版社,2008:108-148.

燃机控制器半物理仿真试验研究第8篇

半物理仿真, 即针对控制对象, 将其一部分以实物方式引入仿真回路, 其余部分以数学模型在计算机上描述, 建立起一个模拟实验平台, 实现控制系统与仿真系统的互动。半物理仿真的逼真度取决于接入的实物部件的多寡、仿真计算机的速度、精度和功能。

在燃机控制器研发阶段, 往往燃机本体的研制要远远落后于控制器的研制。若要等到燃机本体研制结束后再进行控制器的联机调试, 必然会延长整个燃机项目的开发周期, 且控制器性能未得到验证, 增加了燃机试验的技术风险。在完成控制器软、硬件研制后, 通过半物理仿真试验, 可以有效地检验控制系统设计的正确性。

2 燃机工作原理简介

燃机一般由发电机、压气机、透平、燃烧室、回热器等几大部件组成, 如图1所示。

2.1 起动过程控制

在燃机起动阶段, 电机在软起动单元的驱动下拖动压气机、透平一起升速。当达到点火转速后, 控制器接通点火电嘴、燃料截止阀和调节阀, 开始点火。点火成功后, 透平开始做功, 与发电机共同拖动燃机继续升速, 此阶段称双机拖动。控制系统监测发电机起动电流, 当电流减小到某一定值时, 切断电机驱动电路。之后, 燃机在透平的单独驱动下进入空载转速, 起动过程结束。

2.2 燃机变工况运行控制

为了提高燃机在各功率等级下的热效率, 燃机常采用一种变功率、变转速的控制策略, 即控制系统根据负载的变化, 及时调整燃机转速, 实现燃机全工况的最优化控制。

3 构建燃机控制器半物理仿真试验平台

3.1 硬件平台

上述燃机的运行过程也就是控制器对燃机的控制过程。我们构建的半物理仿真试验平台应该是一个能够接收燃机控制器的控制信号, 并按照燃机运行规律作出相应响应的一个试验平台。

半物理仿真系统硬件平台包括模拟量、开关量输入模块, 用于接收燃机控制器的控制信号。还包括有模拟量、开关量输出模块, 用于仿真系统输出对控制器控制信号的响应。

1节流阀;2回热器;3燃烧室;4透平;5压气机;6电机。

3.2 软件平台

半物理仿真试验的软件平台包括两部分, 一部分是控制软件;另一部分是人机交互软件。

控制软件模拟燃机工作过程, 实时采集燃机控制器输出的控制信号, 经燃机数学模型计算得到响应信号, 然后输出给控制器。人机交互软件用于显示仿真系统的运算结果, 并可修改模型参数, 增加扰动信号。

4 燃机控制器半物理仿真试验

构建完成半物理仿真试验平台后即可以开始进行仿真试验。燃机控制器的仿真试验主要有冷起动试验、热起动试验、正常停机试验、紧急停机试验、保护停机试验等。通过这些试验, 能够最大程度地发现控制器设计中存在的软、硬件漏洞, 并及时纠正。

4.1 冷起动仿真试验

燃机冷起动过程, 即电机带转燃机升速至冷转目标转速, 并在该转速运行一段时间后自动停机的过程。

仿真系统接收到燃机控制器发出的冷转信号后, 在其代表燃机转速的模拟量输出口按照燃机数学模型输出逐渐增大的转速信号。控制器检测到该信号达到冷转转速后开始冷转运行时间计时, 计时到自动停机, 完成冷起动仿真试验。

4.2 热起动仿真试验

燃机热起动过程, 即驱动燃机进入额定发电工况的起动过程。

仿真系统接收到燃机控制器发出的热起动信号后, 按照设定的工作时序及数学模型在其输出端口输出响应信号, 并将接收到的和输出的响应信号传输到人机交互软件, 方便试验人员观察试验现象。

在整个试验过程中, 可以通过人机交互软件改变燃机状态参数, 以实现不同工况下的燃机热起动试验。

4.3 停机仿真试验

在进行4.2试验中, 按下“正常停机”操作按钮, 检验系统是否能够按照正常停机流程完成燃机停机控制。按下“紧急停机”操作按钮, 检验系统是否能够按照紧急停机流程完成燃机紧急停机控制。

4.4 保护停机仿真试验

通过人机交互软件改变燃机相关模拟量给定信号, 使其达到燃机控制器设定的超限报警值, 检验控制器是否有报警输出, 是否执行了相应的报警控制。继续改变模拟量给定信号, 使其达到燃机控制器设定的保护停机限定值, 检验控制器是否执行保护停机控制。

5 结语

燃机半物理仿真试验平台能够有效地在实验室中检验燃机控制器软硬设计的正确性, 及早发现其存在的问题及不足, 从而有效地降低燃机台架试验的风险及试验成本, 缩短了研制周期, 是燃机控制器研发过程不可或缺的重要环节。

参考文献

[1]顾辉.半物理仿真系统在机械工程控制器中的应用[J].制造业自动化, 2012 (1) .

[2]常同立.空间对接地面半物理仿真台系统仿真研究[J].航空学报, 2007 (7) .

物理层仿真论文第9篇

关键词：医学物理实验,仿真实验,操作技能

物理实验教学是提高学生科学素质的重要手段,其对于培养学生的探索和创造能力、理论联系实际的科学思维方式及研究技能是理论教学所不能企及的。与理论教学相比,实验教学更容易体现出学生学习的主动性,但由于很多实验耗资较大,尤其是在医学院校物理属基础课程,一些价格昂贵的实验仪器学校不会购买,而已有仪器如果在使用过程中全交由学生摸索操作,必然会加速损耗。因此,诸多因素制约着实验教学质量的提高[1,2],而设计性和研究性实验更是难以开展。

物理仿真实验系统就是用计算机将实验条件、教学内容、教师指导和学生操作等融为一体,借助计算机编程和3D动画营造一种仿真实验环境,学生可以通过操作电脑进行相关实验操作。通过图形化界面联系理论条件与实验过程,加深学生对实验物理思想和方法、仪器结构及原理的掌握,培养学生设计思考能力和分析问题能力,这就为教师和学生进行传统物理实验及自由实验探索提供了平台,节省了很多实验仪器更新费用。为此,个别高校也进行了物理实验仿真教学的尝试[3,5]。

1 研究目标及对象

为提高医学物理实验教学质量,并考虑到学生作为学习的主体,我们设计了调查问卷和访谈内容,了解学生对物理实验中开设仿真实验的看法,从而探讨应用仿真实验进行物理实验教学改革的有效途径[6]。

围绕该目的自编调查问卷,由10道选择题、14道填空题和1道问答题组成。1~4题是对学习者基本情况的调查,5~10题是调查学习者对实物实验教学的看法,11~24题是调查学习者对仿真实验应用效果的评价,问答题为开放性试题,旨在获得一些意见和反馈。分别对我校2012、2013级本科生物医学工程班和2013级本科信息班共129名学生进行了问卷调查,发放问卷129份,收回有效问卷121份;同时对几名有丰富实验教学经验的物理教师进行了访谈。

2 研究发现

2.1 基本情况

考虑到仿真实验需要借助于计算机完成,学习者使用计算机的熟练程度会直接影响到仿真实验的有效利用率。调查数据显示,只有3人表示对计算机操作不熟练,大部分学生都有一定的计算机操作基础,而且有86.00%的学生曾经接触过其他学科的虚拟实验,这就为物理仿真实验的顺利进行提供了技术支持。

在网络便捷度调查中,只有1.00%的学生表示网络不便。这就为物理仿真实验的网络应用提供了一个很好的外部环境,同时也为学习者自主探索提供了便利条件。

2.2 物理实物实验与仿真实验效果对比(见表1)

由表1可知,物理实物实验与仿真实验效果的最大差别在于数据处理方面,在实物实验数据处理中,有近85%的学生还是沿用手算方法,而仿真软件的拟合计算功能会有效帮助学生课后处理实验数据,画图功能可以给出精确的实验数据曲线,从而引导学生在本学科甚至其他学科计算中使用拟合软件、甚至编写程序来辅助进行复杂运算。

在使用便捷程度上,半数以上学生曾有过在学习中产生疑问、想借助实验验证时却由于实验室不是随时开放而放弃想法的经历,仿真实验不受地域和开放时间限制,可以随时帮助学生进行实验操作,解决学习过程中的疑问,这一优点也得到学生的认可。

此外,在操作技能和实验理解方面,两种实验区别不是太大。在记忆重现方面,仿真实验由于其界面的新奇性,对学生的感官刺激更大,使得学生留下更为深刻的印象。

2.3 仿真实验学习效果(见表2)

表2显示,绝大多数学生认可物理仿真实验软件操作界面,认为其界面友好、逼真,学生认为仿真实验有助于他们理解实验原理,该系统的应用使得实验步骤更加清晰,能够帮助其掌握仪器的功能和操作,对物理实验教学十分有帮助。对于能否提高学习兴趣,仅有极少数学生持反对意见。对于仿真实验后,调查对象产生了疑问会不会通过理论学习寻找答案,只有极少数人不赞成,这说明仿真实验在知识迁移方面和传统实物实验一样,可以实现理论教学与实验教学的相辅相成。

3 结语

大学物理实验教学改革是一项巨大的系统工程,因其涉及实验教学条件、教学方式方法等诸多方面。借助调查问卷及访谈结果,我们可以了解到学习主体的想法,在我们积极购置实验仪器的同时,可以尝试将仿真实验引入课堂教学,摸索仿真实验教学与实物实验教学的最佳结合方式,从而最大限度地调动学生学习物理知识的主动性,提高学生自学能力。

参考文献

[1]李亦宁,姜照林.“仿真物理实验”得失初探[J].中国医学教育技术,2002,16(3):142-143.

[2]辛旭平.仿真与物理实验[J].大学物理实验,2005,18(3):106-108.

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[5]郝杰.大学物理网络仿真实验在高职院校的应用研究[J].长春师范学院学报:自然科学版,2012,31(9):18-20.

物理层仿真论文第10篇

关键词物理 Matlab 可视化系统计算

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.07.070

Computing Design and Implementation of Multi-purpose Physical

Computing Simulation System Based on Matlab

YANG Zixin

（College of Physical Science and Technology， Yunnan University， Kunming， Yunnan 650504）

Abstract In order to facilitate the undergraduate physics teaching and studying， through the MATLAB programming and visualization method， design a system based on MATLAB. Features include electromagnetic simulation， scientific computing， graphics. And transform it to the executable file.

Key words physics; matlab; visualization; system; computing

Matlab是一种用于数值计算、可视化及编程的高级语言和交互式环境。使用 Matlab，可以分析数据，开发算法，创建模型和应用程序。其应用广泛，其中包括信号处理和通信、图像和视频处理、控制系统、测试和测量、计算金融学及计算生物学等众多应用领域（1）。Matlab的GUI功能可以帮助用户实现数据可视化。本系统围绕大学物理的课程需要，利用Matlab的绘图功能，让物理本科学生在学习的同时，生动的对学习内容进行理解，把抽象的“场”等概念用图像、曲线、二维图形、三维图形来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析，增强学生对物理的直观印象和兴趣。同时利用matlab强大的计算功能和来快速方便的解决在物理学习中遇到的数学障碍。可视化系统的设计让学生在系统得学习matlab之前，即可享受它带来的计算便利，增强学习信心和兴趣。

1 可视化系统的制作方法

可视化系统即matlab GUI。在制作matlab GUI时，使用GUIDE开发环境将带来很大便利。在命令行输入GUIDE，弹出GUIDE界面，可以选择4种GUIDE模板。有时可以直接使用模板从而减少工作量，但是大多数情况下选择空白GUIDE即可。单击确定新建空白GUIDE将会打开如图空白GUIDE界面同时生成相应的m文件。

左侧为各种组件，通过单击和拖拽的方法安排GUIDE界面的布局，双击控件可编辑选中控件的属性。通过在相应m文件中编写callback，可以实现不同组件之间的相互调用，进行输入输出的控制和运算。

完成m文件的编辑后，使用Matlab compiler，将其转化为可执行可执行文件（即exe文件），以便能在没有Matlab的电脑上运行。

2 可视化系统的内容

主程序分为三个部分：电磁场仿真、科学计算、函数绘图。

图1

打开welcome进入此程序。单击“yes”弹出相关版权信息，之后进入主界面，由主界面可进入三个主模块，然后打开各项子程序。进行各种相应操作。使用Modal Question Dialog模板配合“run”、“open”指令，修改“string”属性即可完成。

2.1.1 点电荷激发电场仿真

在输入框中输入电荷数目比如3，点击计算按钮则弹出3个对话框，在对话框中分别输入每个电荷的位置、带电量。用两个FOR语句接收点电荷信息，并用公式得到相互作用力的大小，使用函数“atan”得到力作用于电荷的角度，将结果用“msgbox”函数输出为一组对话框。

2.1.2 带电圆环激发磁场仿真

单击“绘制电流环产生的磁场”在弹出的输入框中填入相应参数点击即可确定得到结果。该程序较为复杂其中使用了“linspace”“subplot”“quiver”“axis”等函数。但操作过程简单，结果非常直观如图所示：

图2

2.1.3 电位线绘制

单击“绘制等电位线按钮”在弹出的输入框中输入电位方程得到三维等电位线使用的主要matlab函数为“inputdlg”“linspace”“meshgrid”“cell2mat（v）”“Eval”“gradient”“meshc”“subplot”“quiver”

图3

图4

2.2.1 解方程

在此子程序中提供了两种解方程的方法：（1）通过线性代数方法来解线性方程组在两输入框中分别输入线性方程组的系数矩阵，点击解线性方程组即可生成解。（2）通过matlab内置函数solve求一般方程组的解析解点击解方程组，输入方程个数，如输入2，再依次输入方程即可得到方程解。两个变量默认为x1和x2，不同的取值用矩阵来输出。

2.2.2 多项式拟合

将要被拟合的点的x、y坐标分别输入两文本框，输入拟合多项式的系数N，点击拟合，多项式的系数在右边给出，可更换N的值比较不同系数多项式的拟合效果。核心函数为“polyfit”“polyval”。

2.2.3 积分

本子程序提供了两种积分方式。

（1）符号积分。可使用符号变量x a v b y i z t。

正无穷用inf表示，负无穷用-inf表示已在其中标出，输入完毕点击“符号积分”按钮即可。

（2）数值积分。需要在输入被积函数之后输入积分上下限，乘法符号“.*”，开方“.^”，除法“./”输入完毕点击“数值积分”按钮即可。

图5

图6

2.2.4

在输入框中输入被微分函数，可使用符号变量有x a v y t，默认微分对象x，已提示，输入完毕点击“微分”按钮即可。

2.3.1、2.3.2二维绘图、三维绘图

线条颜色默认为红色，用“r”表示，粗细默认为“1”，如需要可自行更改，分别输入二维、三维函数公式，点击相应按钮即可生成相应图形。这部分应用的核心函数为“ezplot”“meshgrid”。

3 结论

本文设计并实现了基于matlab的多功能物理计算仿真系统。系统层次化、人性化操作简单易上手。功能多且切合本科物理学生的迫切需要。维护、更新功能扩充简单。加以推广将方便本科物理的教学。

参考文献

[1] mathworks 中国产品服务 http：//cn.mathworks.com/products/matlab/ 2014.12.12.

物理层仿真论文第11篇

虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术,包括几何仿真和物理仿真两部分。几何仿真是数控加工过程仿真的前提,通过刀具扫略体和工件模型连续的布尔运算可得切屑的去除加工过程仿真,它也提供了物理仿真评估切削力和加工误差所需的主要参数。物理仿真主要是力学仿真,它是虚拟数控加工过程仿真的核心部分,其内涵就是综合考虑实际切削中的各种因素,建立与实际切削拟合程度高的数学模型,从真正意义上实现虚拟加工与实际加工的“无缝连接”。通过物理仿真与几何仿真的集成,在进行数控加工过程几何仿真的同时,显示和预测加工过程中物理量的变化,可以节省数控程序的调试时间,减少数控加工的试切费用,提高机床的安全性,预测工件的加工质量和机床的加工效率。

2 仿真系统的构成

本系统以UG软件为平台,以UG/ISV模块为基础,利用UG二次开发技术,扩充软件功能,通过考虑切削过程的各个物理因素,通过建立各个物理模型,然后利用遗传算法优化得出优化的切削参数并优化NC程序,从而缩短准备时间,降低操作难度,优化铣削结果,构建具有实用意义的虚拟数控铣削几何及物理仿真系统。系统主要由几何仿真模块和物理仿真模块两部分组成。其中,几何仿真模块主要利用ISV模块完成虚拟模型建立,刀轨建立以及干涉校验实现数控机床虚拟加工仿真;物理仿真模块主要通过建立影响加工的各物理模型,进行铣削参数优化,然后通过UG二次开发技术把物理仿真模块无缝集成与UG软件内,操作人员只需通过UG平台就可以实现几何及物理仿真。虚拟数控铣削系统总体结构如图1所示:

3 系统的实现

3.1 几何仿真模块的实现

几何仿真模块主要包括标准件库的建立,虚拟机床运动模型的建立,虚拟加工仿真校验模块三个部分。通过几何仿真模块可以描述刀具的真实运动轨迹,完成碰撞、干涉检验等功能。

3.1.1 虚拟机床运动模型的建立

在建立机床虚拟装配模型的基础上,定义装配模型中各移动部件间相互运动关系(即机床运动模型),指定机床各轴(如直线轴和旋转轴)的移动方向,行程及运动范围等。利用机床构建器(Machine Tool Builder)模块机床运动模型进行定义。运动模型是用来描述机床运动的,定义运动模型后,机床各组件的运动方式得以确定。

3.1.2 虚拟加工仿真

在完成机床加工工艺系统环境模型后,即可进入UG/ISV模块进行加工仿真。依据工艺文件各工序内容安排,合理选择加工对象,设定相关参数,生成刀轨。而后切换到程序视图,进入操作导航器,选择刀轨名称及模拟方式即可进行加工仿真,仿真过程如图2所示。

3.2 物理仿真模块的实现

物理仿真通过几何仿真预先获得加工过程中一些几何加工参数和物理过程变化量,并以此为依据建立综合目标优化模型,

在约束限定范围内通过遗传算法得出的最优加工参数,然后利用UG二次开发技术把物理仿真模块无缝集成与UG软件内。

3.2.1 铣削加工特征段的定义

在一个铣削加工中,切削深度、切削宽度、切削速度和每齿进给量从几何信息的角度对走刀步内的特征进行了描述,走刀步中产生的铣削力、产生的加工误差则构成了走刀步的物理信息。因此,将数控铣削加工过程中所包含有几何信息和物理信息的走刀步定义为铣削加工特征段,经这样构造的加工特征段既包括了数控铣削加工物理仿真关键技术研究,优化加工参数信息又包括了优化目标约束信息。

通过数控铣削加工仿真系统中的几何仿真模块进行仿真,获得每一加工特征段对应的铣削深度和铣削宽度,以每次走刀步作为一个度量单位,获得刀步数和铣削深度与铣削宽度对应的关系曲线,在铣削宽度的最大和最小值之间划分宽度区间,在铣削深度的最大和最小值之间划分深度区间,寻找同一刀步对应的宽度区间和深度区间,组合相同的宽度区间和深度区间中的刀步数,构成一个铣削加工特征组合段如图3所示。

3.2.2 综合目标优化模型的建立

在数控加工中,铣削速度V和每齿进给量fz对加工过程影响显著,本文以V及fz为变量,以效率和成本为目标进行优化。

1.效率目标函数铣削加工中生产零件的时间由铣削时间,换刀时间和辅助时间组成若在工序中使用相同的设计参数,则单一刀具铣削操作中生产以个零件的时间可表达为:

其中:TS为设备准备时间;Tm为铣削时间;Tc为换刀时间;Tt为刀具寿命

由经验得:

其中:V为铣削速度;L为铣削长度;D为有效铣削直;Z为铣刀齿数

所以总的加工时间为:

2.加工成本若在工序中使用相同的参数单个零件加工成本可用下面公式表示:

其中:Ct—刀具成本C1—单位时间劳动力成本及其余的开支

3.综合优化目标函数由于实际加工情况复杂多变,为了能使在加工成本与加工时间综合条件下寻求加工资源的最佳组合和合理配置,建立一个综合的优化模型采用多目标线性加权求合法,综合函数如下式:

由于各个铣削加工特征组合段的设计参数铣削速度v和每齿进给量fz之间相互独立,又因为铣削加工特征组合段对应的铣削条件组合之间也相互独立,所以综合目标函数转化为:

3.3 几何及物理仿真模块的集成