计算机仿真技术的优点范文

导语：如何才能写好一篇计算机仿真技术的优点，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：仿真　计算机仿真　计算机仿真技术

一、引言

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中某一层次的问题做出决策。计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验的研究过程。计算机仿真技术即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法，也称计算机仿真方法。在科技飞速发展的今天，它已经成为控制系统分析、研究、设计不可缺少的重要工具。

二、计算机仿真技术的特点

1.模型参数可根据要求任意调整、修改和补充。人们可以得到各种可能的仿真效果，为进一步完善研究方案提供了可能。与传统的实物实验相比，具有运行费用低、无风险、方便灵活等优点。

2.系统模型求解快速。运用计算机仿真，能够在较短的时间内得出仿真运算的结果，为生产实践提供最及时的指导。

3.仿真运算结果可靠、准确。在机器没有故障的前提下，只要系统模型、仿真模型、仿真程序科学合理，那么计算机的运算结果是准确无误的。

4.实物、实时仿真直观、逼真。这一特点使它在一些复杂工程系统中例如核电、航天等领域得到了广泛应用。

传统的仿真技术是一个迭代过程，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，根据判断的情况反复修改模型和有关的参数，不仅效率低，也存在环境、安全等因素的限制，所以很难达到实验者满意的仿真效果。而计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在试验条件下对模型进行动态实验，它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统尤其是复杂系统的重要工具。

三、计算机仿真技术的研究现状

计算机仿真技术的发展与计算机的发展是密不可分的。20世纪50年代的计算机仿真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，数字模拟混合计算机仿真得到发展。从70年代末起，以数字机为主机的各种各样的专用和通用计算机仿真得到了普及和推广。转贴于 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了引人瞩目的进展，在80年代人们对智能化的计算机仿真寄予了希望，也在综合集成数字仿真和模拟仿真优势的基础上，设计出了在更高层次上的数字模拟混合仿真技术，在一些特定的仿真领域内，这种智能计算机仿真和高层次的数字模拟计算机仿真都取得了令人鼓舞的结果。80年代初推出了一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真技术的代表。90年代又开始了交互式仿真和虚拟仿真的研究并取得了一定的成绩。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，计算机仿真技术也得到了蓬勃发展，已经从传统的工程领域扩展到非工程领域，在社会经济系统、环境生态系统、生物医学系统、能源系统、教育培训系统等得到了广泛应用。

四、计算机仿真技术的展望

随着计算机应用技术和网络技术的发展，计算机仿真技术也在不断地发展。未来的发展主要有两个方向：

1.仿真技术的网络化

众所周知，现在已经开发研制出来的仿真系统有很多，它们不能互相兼容，可移植性差，实现共享困难，与开发的高成本、低效率、长时间不成正比，更不能充分加以利用。要想解决这些问题，首先要解决的是采用兼容性好的计算机语言来编写仿真系统，其次是采用网络化技术实现仿真系统的共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中具有重要的意义。实现仿真系统的网络共享，不但可以在一定程度上避免不必要的社会资源的浪费，而且可以通过适当的收费来弥补开发成本的不足。

2.仿真技术的虚拟制造

计算机仿真技术发展的另一个大方向是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年展起来的一种先进的制造技术，它利用计算机仿真技术和虚拟现实技术的结合，在计算机上实现了从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制。这使得制造技术不再主要依靠经验，便可实现对制造的全方位预测，为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。

参考文献

[1] 王中鲜 MATLAB建模与仿真应用.机械工业出版社，2010。

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关键词：计算机；仿真；技术；环境；执法

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 18-0000-01

Computer Simulation Technology Application in Environmental Law Enforcement

Zhou Jing

(Changzhou Environmental Monitoring Unit,Changzhou 213022,China)

Abstract:This paper studies the computer simulation technology in environmental law enforcement applications,analysis of the advantages of computer simulation technology and the specific implementation,and enforcement of environmental chemical companies as an example,chemical companies environmental systems Fencheng water,air and solid Waste three parts,to establish a chemical environment,the system dynamics simulation model,has some practical significance.

Keywords:Computer;Simulation;Technology;Environment;Law enforcement

一、计算机仿真技术的优点以及实施过程

（一）计算机仿真技术的优点。计算机仿真技术可以十分迅速的对多种方案进行比较，通过计算机能够在很短的时间之内对多种方案进行仿真模拟；计算机仿真技术的成本比较低，它和真实的原型试验的不同之处是，它是虚拟现实技术，不会破坏原型，需要的只是软件的开发和应用费用，而且，只要软件投入到使用中，它就能够进行多个方案的计算，并且具有极高的重复使用率，总体成本比较低；计算机仿真技术的可靠性高；计算机仿真技术的实用性强，它可以在多个方面进行应用，只要是能够用数学进行描述的模型，几乎都是能够用计算机来对系统的行为进行模拟，并且还能够对未来的发展趋势进行预测等等。

（二）计算机仿真技术的实施过程。首先就是模型的建立，按照研究对象以及研究目的的不同，在进行仿真之前，首先就是要按照实际的问题来抽象出一个确定的系统，并给出系统的边界条件以及约束条件，接着利用数学、动力学以及其他学科的相关的只是来把这一系统用数学表达式进行描述，这也就是我们所说的数学建模，按照研究目的的不同，系统的数学模型也不同，具体可以划分成为静态模型、动态模型、离散事件动态模型以及混合时间动态模型等等。其次就是要进行模型的输入，也就是要结合软件的不同特点来对前一步中所建立的数学表达式输入成计算机所能够处理的形式，也就是仿真模型，这一模型是进行计算机仿真的关键之所在。接着是模型的仿真计算，把前一步所得到的仿真模型载入到计算机中的计算模块中，并根据预先设定好的实验方案来进行仿真的计算，这也就是我们所说的“模型仿真计算”。

二、化工企业环境系统的仿真模型

仿真模型的建立

对于化工企业来讲，资源对系统的影响主要体现在固体废弃物污染、水污染以及大气污染这三方面对环境的影响，所以，环境系统的结构是把资源作为核心，并且是由污水处理系统、大气污染的处理系统以及固体废弃物污染处理系统构成的，具体情况如下：

（一）污水处理系统。以苏南某个县区的化工工业园区的化工企业所排放的废水为例，废水中的污染物主要就是五日生化需氧量、化学耗氧量、氨氮含量、悬浮固体物质以及石油类等等，另外还有一些少量的铁离子、硫离子以及氯离子等等污染物，经检测，只有化学需氧量是超标的，所以污水处理系统把化学耗氧量存量作为状态变量，把化学耗氧量产生量、化学耗氧量的减少量以及化学耗氧量的自然降解量来作为速率变量，并同时用多个辅助变量来和其他的子系统相互连接。这样，就能够把这一模块的结构关系进行确定。并可以得出以下的方程：

水污染化学耗氧量存量（CSWR）CSWR.K=CSWR.J+DT×（CCSL.JK-CJSL.JK）

化学耗氧量产生量（CCSL）CCSL.JK=CCSL.JK+CSHWSL.JK

生产废水化学耗氧量产生量（CSCFSL）CSCFSL.JK=SCFSPFL.JK×pndz.k

生产废水排放量（SCFSPFL）SCFSPFL.JK=GYZCZZ.JK SCFSPFLgfwypfl.k

生活污水化学耗氧量产生量（CSHWSL）CSHWSL.JK=SHWSCSL.JK×Indz.k

生活污水产生量（SHWSCSL）SHWSCSL.JK=P.K×rjwscsl.k

化学耗氧量减少量（CJSL）CJSL.JK=CZRXJL.JK+CXJL.JK

化学耗氧量自然消解量（CZRXJL）CZRXJL.JK=CSWR.K×czrxjxs.k

化学耗氧量自然消减量（CXJL）CXJL.JK=WSCFSL.JK×（fsnd.k-dbnd.K）

污水厂进废水量（WSCFSL）WSCFSL.JK=IF THEN ELSE（FSZL.K×fscll.k>=WSCCLL.K，FSZL.Kfscll.k）

废水总量（FSZL）FSZL.K=SCFSPFL.JK+SHWSCSL.JK

污水厂污水处理能力（WSCCLL）WSCCLL.K=WSCLTZ.K×wywscll.k

污水处理投资（WSCLTZ）WSCLTZ.JK=HBZTZ.K×wstzl.k

区域地表水化学耗氧量浓度（CDBSND）CDBSND.K=bjnd.K+CSWR.K÷njjll.K

水质相对污染度（SZXDWRD）SZXDWRD.K=CDBSND.K÷bjnd.K

（二）大气污染处理系统。对于化工工业区化工企业排放的大气污染来讲，主要污染物有二氧化硫、二氧化氮、总悬浮颗粒物等等。现在把二氧化硫存量作为状态变量、把二氧化硫产生量和消减量作为速率变量，同时把多个辅助变量和其他子系统相互连接。这样，就能够把这一模块的结构关系进行确定，就可以列出相应的方程，其方法和上述方法相同。

三、结语

总之，环境执法工程的计算机仿真是一项比较系统且较为复杂的工程，利用计算机仿真技术能够为环境执法人员搭建出一个真实且能够自然交互的管理平台，从而为环境执法人员工作的有效开展提供有力的依据。

参考文献：

[1]孙玉峰.矿区环境系统力学仿真模型的建立[J].辽宁工程技术大学学报,2006,2

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关键词： 职业教育 计算机仿真 应用

传统的职业教育教学，大都采用课堂讲授然后在实训场所进行实习实验的方法。尽管现在我国已进行了大刀阔斧的职业教育改革工作，尽量实行或者实现理实一体化教学，即边理论学习边实习实验。但由于这样那样的原因，要使这二者有机地结合起来非常困难，当然势必会出现理论和实际脱节的问题。尤其对于那些资金不足地实验条件有限的学校，特别是一些中等职业学校和技校，相当数量的实验和实习只能在黑板上或书本上进行，缺少教学应有的环节，导致学生在学习过程中完全受到教师和教材的束缚，缺少创新和学以致用的能力，直接影响教学的效果。

为了改变这种状况，人们一直在追寻应用仿真技术尽量避免和减少理、实脱节的问题。早些时候的仿真通常都是物理仿真，随着科学技术的发展，现在的仿真技术已分为了两大类：物理仿真和计算机仿真。物理仿真的优点是直接、形象、易懂，但模型受限，易损坏难以重复使用。而计算机仿真则是将研究对象进行描述，建立虚拟模型，在计算机的运行中即可实现。优点是：不怕破坏，易修复修改，可以反复使用。实践证明，职业学校的一些常设专业，比如电工、电子、机械、数控、模具、汽车、服装、化工等均可引入仿真教学，计算机仿真教学即可应用于理论教学，也适用于实习实验教学。最大的好处是能够实现节能降耗，在一定程度上可缓解教育资金的不足，节约大量的教育经费。

计算机仿真教学与物理仿真教学和真实的实习实验教学相比，具有一系列的优点。

一、直观、形象

仿真教学能够提供一个近乎实际的平台环境，一些高校、科研单位研制的三维仿真软件，能够模拟和实际完全吻合的虚拟情景。例如，利用仿真软件我们可以模拟一个个电子单元电路、直至一个完整的电路。而且能够清楚地显现这个电路工作时的各种电学状态，甚至教师在授课时无法展示的波形图。并能保存仿真中的各种技术数据，为电路的测量、记录提供了非常方便有效、快捷的理论数据。另外仿真还能提供电路中各种元器件的模型参数，既能满足同学们的感官要求，又能满足在教学中的实际效果。在数控加工教学中，通过软件，同学们可从任意的角度去观察数控机床的加工过程，加工的毛坯变为成品的过程历历在目。再如化学仿真，仿真过程能够对物质化学变化前后的形态、颜色、温度等都可模拟得非常逼真。

二、节约、安全

应用仿真教学，无论是在理论课堂还是实习实验场所，我们不必要准备大量的物质材料，不必具备很大的空间场所，仅此便可节约大量人力、物力和财力。例如，电气课程，我们可以节约大量的模拟板、面包板及各种电器、电子元器件。数控加工可以不必设置场地、机床、可不必投放加工材料，化学实验无需真材实料、无需瓶瓶罐罐，等等。由于这些教学情况均是在虚拟状态下进行的，因此对于电气、电子电路的数据测量，我们可以借助于虚拟的仪器、仪表进行操作。在安装、调试、测量电路过程中，由于人与设备、电路非实际接触，从而可以避免学生触电。即便电路出现短路、漏电等故障，也不会毁坏设备与器件，安全系数大大提高。再说数控加工，机床和加工工件、材料、刀具在数控加工的过程中，投资是巨大的，一台机床动辄几十万，甚至上百万。虚拟毛坯代替实际材料，虚拟冷却液替代实际冷却液，极大地降低实习实验消耗。且刀具不会因为进给量过大而损坏。在化学仿真中，酸、碱、盐都是虚拟物品，没有消耗更没有污染。

三、高效、全面

仿真教学可缩短实验、实习材料、仪器仪表、工卡量具的准备过程学习或实习完毕后，也节省了回收时间。在仿真教学过程中，教师、学生可以轻松对实行过程初始化，对未能完成的实验实习进行状态的存贮，对在实验、加工、实验过程中出现的错误及时地修正，对已经完成的实验实习进行调入回顾，极大地提高了实验实行的效率。

仿真教学软件可充分考虑实际环境中的各种因素，避免由于特定条件而导致的操作结果的单一取向。如电气仿真，可对失压、欠压、过压、过载、短路、断路、漏电、电路调节等诸多因素进行全面的仿真，可人为模拟各种状态下的故意破坏而不损坏设备、电路。总之，仿真教学几乎可以构建我们所要的一切。

综上所述，计算机仿真教学，尤其是在职业教育教学中能够起到前所未有作用与功效，既能节约大量教育资金，能够收到在传统课堂上达不到的教学效果，特别是由于它的安全性、无破坏性，可以反复修改或格式化，从而会激发同学们更高的学习、探索、创新的意识，会使得课堂气氛更加活跃，互动性更强，真正使同学们由被动学习转而变为主动学习，从而将我国的职业教育提升到一个崭新的阶段。

参考资料：

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【关键词】计算机；仿真方法；汽车工程

汽车指的是以汽油等燃料或者太阳能灯新型能源作为发动机动力的运输工具，汽车在1885年由本茨所发明。汽车由原先简单的结构变得越来越复杂，原有的汽车结构相当简单，但是随着科技的进步、物质水平的提高，人们对于汽车的要求越来越高。现今的汽车包含有上万个零部件，并且适应能力极强。为了确保汽车的行使安全在汽车的研发过程中就使用到了较多的计算机仿真方法来模拟实际情况，通过计算机仿真方法的应用，汽车的安全性以及稳定性得到了较大的保障。利用计算机仿真方法可以修改汽车设计的参数，并利用模拟技术来确定参数是否合理，如果参数不合理那么就可以利用计算机仿真软件来重新设定参数直至符合安全要求。计算机仿真方法在一些豪华汽车或超级跑车的设计制造过程中运用的更多，因为这些汽车的设计要求更加严格。

一、基于数值模拟方法的仿真分析

数值模拟方法有较多的种类，其中包括有限元方法、统计能量分析方法、计算流体力学方法以及多体动力学分析方法，这些计算机仿真方法对于汽车工程有着较大的作用。

1、在汽车结构方面的应用 在汽车结构的设计中要考虑结构的强度大小、运动性能、耐久性等，为了使得汽车结构设计的更加合理就需要利用有限元方法以及计算流体力学等计算机仿真方法，利用这些仿真方法来设计汽车的结构，可以使得汽车的结构达到最优化[1]。利用数值模拟方法可以使得汽车各个部件的结构得到优化，并使得汽车的承载能力得到加强，通过这些优化必然会使得汽车的使用年限延长。另外通过数值模拟方法使得汽车的噪声降低、汽车自重减轻，这就可以使得汽车的动力效果更强，降低了汽车油耗，提高了汽车的经济性能。

2、汽车被动安全方面的应用 汽车被动安全指的是汽车在不可避免发生交通事故之后对于车内人员的保护作用，或者在发生车祸之后降低车内人员所受的损失[2]。为了提高汽车被动安全性能就需要进行大量的碰撞试验，但是利用实车进行试验的话会使得研究成本增大，那么就可以利用计算机数值模拟方法，即在不利用实车进行实验的情况下来进行汽车被动安全实验，这样就可以显著的节省实验成本，当模拟实验做到一定程度之后就可以利用实车进行实验，用实际情况来检验汽车被动安全性能，由此可见计算机数值模拟方法对于汽车设计有非常重要的作用。

二、基于MATLAB/Simulink的仿真技术

MATLAB/Simulink仿真技术在汽车工程中的应用主要是预测汽车的性能、能量消耗以及车辆零部件的效率，这对于汽车工程有着非常重要的作用。该仿真技术可以完整的模拟汽车运行时的状态以及逻辑结构，这对于车辆控制器的开发与测试有着较大的作用。利用该仿真技术还可以根据实际情况搭建，便于调整，使得仿真结果输出结构更加直观[3]。仿真过程中信息的流动分为前向仿真和后向仿真两类，前向仿真的数据流方向与实际系统的能量流动方向相同，即以驾驶员的需求目标作为仿真的起点，这样便可以真实的反应系统的运行状态。后向仿真循环的数据流方向与实际系统的能量流动方向相反，能够反映系统的静态特性，后向仿真循环常用于设计阶段的能量控制策略。

三、硬件在环仿真分析

硬件在环仿真最初是应用在结构复杂系统的开发和测试上，即用数学模型来描述一部分的仿真系统，然后利用虚拟运行环境进行逼真的模拟，其最大的特点就是实时性。硬件在环仿真分析可以充分的发挥物理仿真以及数学仿真的优点，避免了物理仿真与数学仿真的缺点，而且硬件在环仿真分析能够在没有车的情况下对于整车或者车部件进行仿真，这样就可以对各个部件的组合进行较好的评价，使得汽车的结构更加合理[4]。硬件在环仿真分析不仅能够缩短汽车的开发周期，而且在车辆测试过程中可以不必使用实际的硬件，有效的降低了车辆的研发成本以及维护资金。虽然硬件在环仿真分析能够对实际情况进行逼真的模拟，但是并不会产生真实的危险。

四、虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种新型的使用技术，虚拟现实技术是以计算机作为基础，并在特定的环境下进行的虚拟实验，虚拟现实技术可以让人在虚拟的环境中感受到现实。现今虚拟现实技术在很多行业中都有较多的运用，包括军事、游戏等，当然虚拟现实技术也运用到了汽车工程中，利用虚拟现实技术可以将汽车数字化，然后配合一定的环境，驾驶员进行仿真驾驶，驾驶员进行仿真驾驶的过程中就可以感觉到汽车的震动、噪音，这样驾驶员就可以对于汽车的性能做出一个直观的评价，而且不需要利用实车进行测试，这样不仅减少了研发资金而且降低了汽车研发过程中的风险[5]。虚拟现实技术在汽车工程中的应用使得汽车的开发速度显著加快，而且汽车的舒适性也得到了较大的提高。

五、高层体系结构技术

高层体系结构技术是美国在1995年所研发出的技术，高层体系结构技术能够将应用层与环境分离，并最大限度的利用新技术来进行服务功能，这种系统有非常强大的适应能力。无人驾驶飞机就是利用高层体系结构技术发展起来的吗，如果将高层体系结构技术与交通工程仿真技术结合起来的话便可以达到更好的效果。随着计算机技术的不断发展，更多的计算机技术将运用到汽车工程之中，并以此来达到人们对于汽车的各种要求，使得汽车行业得到更好的发展。

参考文献

[1]李艳霞.计算机仿真五种方法在汽车工程中的应用[J].科技创新与应用，2013-12-18

[2]于志新，宗长富，何磊.基于LQR的重型半挂汽车列车稳定性控制策略[J].中国公路学报，2011年

[3]陈勇，罗大国，付军.基于CAE仿真的量产双离合器自动变速器开发实践[J].汽车工程，2013年

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关键词：实验教学改革；仿真技术；实验整合

中图分类号：G641.0 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)31-0000-00

Improving Experimental Teaching in the Electronic Information Profession by Simulation

WANG Yan, WU Bo, WANG Fang

(College of Physical and Information Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)

Abstract: The paper proposed a reform combined with the actual conditions and the experimental teaching problems. Adopting simulation in the experimental system can avoid the space and time constraints, enhance the initiative of students and improve the quality of experiment teaching.

Key words: experimental teaching reform; simulation technology; experiment integration.

实验是电子信息类专业学生课程教学的一个重要环节，是对理论教学的补充和深化，其开设方式关系到学生对理论知识的掌握和应用，直接影响着学生的操作技能、主观能动性和实际动手能力的提高，也决定着理论和实验的教学水平。因此，在教学过程中一定要加强实验这个实践性教学环节，充分利用实验资源来培养和提高学生解决问题的能力和创新能力，使学生能够更加快速地适应于将来的工作。加强实验教学环节，最大限度地利用学校的实验教学资源，对提高教学水平，培养学生的实际应用能力和综合素质具有重要的意义。

1 实验教学的传统模式和问题

在我国高校工科教育中，实验教学硬件条件普遍不足，或者是硬件实验条件的发展跟不上技术的要求，同时各高校大幅度扩大招生，实验教学硬件条件更显不足。加大对实践教学条件的投入，加强培养实践教学科技人才，强化实践教学内容和条件的改革与建设，在当前来说具有特殊重要性[1]。我国教育主管部门也在积极得进行着推进实践教学的改革与建设。例如：在全国高校本科教学水平评估中，实验室建设基地和建设经费以及实验教学改革就是一项重要的指标内容。越来越多的高校开始响应教育部的号召，实行了“双基”实验室，并在此基础上进一步建设“实验教学示范中心”。

目前，实验教学的传统模式的缺点主要表现有：

1）实验设备陈旧，实验模式单一；

2）验证性实验分量大，与设计性、综合性和创新性实验之间的比例失调；

3）先进的实验教学手段在实验教学中的引入还不够；等。

2 实验教学方法改革势在必行

随着计算机的普及和应用，在教学中也越来越多地借助计算机来辅助设计方法，同样，在实验中借助计算机仿真技术具有很大优点：减少实验中所需的耗材、降低对实验器材的破坏性、完成更复杂更高难度的设计性实验、更加全面地分析实验对象以及结果的性能指标等，具有高效、快速、直观、完整的优势。开展仿真实验作为一种新型的实验教学方法是在现有实验室设备的基础上采用计算机新型软件对实验进行模拟，大大提高了学生对本专业知识的应用能力和科研创新能力。因此，在当今的实验教学中，仿真实验的引入势在必行。

对当今高校来说，学生人数不断增加，实验室设备和资金满足不了大学中学生的试验要求，为了不断提高实验教学的质量，又进一步解决实验设备少、不好维护、建设费用高等问题。将仿真技术引入实验教学中来，学生一方面可以利用计算机实现实验方案的设计，又可以直观地验证仿真过程和结果，不受实验室条件和空间的限制，可将实验设计带入到课余生活中来进行，大大提高了学生对实验的操作兴趣。利用仿真实验由于方法的灵活性可以充分发挥学生的想像力和创造力，比起传统的实验教学更利于培养科技创新人才，且有利于降低实验成本，能够使得实验室的建设和发展进入一个良性循环中。

3 实验教学改革方案

3.1 实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验

在实验教学中引入计算机仿真技术，一方面，充分发挥学生的主观能动性，激发学生学习兴趣，另一方面，老师可以利用计算机技术来观察学生的实验过程，采集学生的实验结果，更好地跟踪和指导学生，先进的教学理念和教学手段有助于提高实验教学效果，提高教师的教学水平。而计算机的引入可把实验设备、理论教学、教师指导和学生的思考、操作有机地融合为一体，克服了传统实验教学过程中受到课堂、课时、实验设备等的限制，使实验教学内容进一步灵活化，在时间和空间上得到延伸，也进一步激发了学生的实验热情。

在实验中引入相应的仿真技术来进行虚拟实验，可以使得学生在进行实验的过程中培养独立思考能力，激发学生的学习兴趣，提高学生的创新意识，同时为学生提供了更加开放灵活的实验条件。对实验内容和实验教材来说，采用仿真技术把将虚拟实验和真实的电路实验有机地整合起来，充实了实验内容，增强了实验的能动性和趣味性，有利于实现培养学生综合实践和探索创新能力[2]。目前，越来越多的高校重新对实验室建设进行了规划，利用计算机仿真技术改革实验教学是一个新的发展方向。在高校实验室中引入计算机以及相应的软件技术不仅可改善实验条件、改革实验教学方法、充实实验教学内容，还可大大提高实验效率，降低实验成本，增强学生学习的积极性和创新性，为实验教学和科研提供良好的实验平台[3]。

以单片机实验教学为例，在实验过程中我们引入proteus仿真软件，用它来模拟单片机硬件系统。由于软件的灵活性，可以克服实验箱硬件电路固定、实验内容难于改动等局限。整个实验设计都是基于计算机仿真技术的，除了计算机外不再需要任何硬件即可进行实验，这样有利于促成课程和教学改革，更有利于人才的培养。仿真技术的另一应用表现在学生的业余爱好上，比如目前的电子设计大赛，挑战杯等，学生完全可以利用计算机来进行仿真，先用计算机仿真出相应的实验模型，在计算机上进行模拟调试，最后用硬件实现。在整个过程中，学生可充分发挥自己的才能，通过大量仿真对比，达到设计目的，学生也可以大胆地反复调试，避免了损坏器件。在电子设计竞赛中，我们使用proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。

另外，开展仿真教学对于我国的远程教学也是一种很好的尝试，有着重要的意义。

3.2 重新安排各类性质的实验，适量增加综合性、设计性实验

验证性实验是实验中最基本的，可以使学生巩固理论知识，它的实验内容相对简单，重点培养学生的基本操作、数据处理和计算技能，验证和加深对课本知识的掌握和理解。综合性实验则要求学生必须具有一定的专业基础知识和基本操作技能，能够运用某一课程或多门课程的综合知识，进而对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。目前工科高校中越来越多地提出课程设计也是为了加强学生对综合知识的运用。为充分调动学生的学习积极性和主观能动性，设计性实验也必不可少。设计性实验能加深学生对理论知识的认识，由学生自己负责计划和执行，充分提高了学生的思维能力、动手能力、分析和解决工程实际问题的能力[3]，发挥了学生的主观能动性，设计性实验的完成可以充分借助于计算机仿真技术来完成。

验证性、综合性、设计性实验相结合，培养了学生基本的实验技能和方法，同时又促进了学生的创新思维，打破了原有实验教学附属于理论教学的模式，建立与理论教学并行的，既相对独立、又相互联系的实验教学体系。在某些应用性强的实验教学中，综合性和设计性实验的比例至少要达到60%以上，同时设计性实验最好要跟得上科学技术的发展。一方面保证基本实验技能训练，另一方面，实验内容应与当今先进技术的发展相结合，适应社会发展的需要，将科研成果转化为实验内容，提高实验的先进性和代表性。那么，工科院校中一方面加大实验器材的投入，提高实验教学条件，开设先进的实验内容，提高学生的积极性，使学生适应当今社会的发展；另一方面，要充分利用现有的条件，引进先进的仿真技术，使得实验条件进一步升华，充分发挥教师和学生的主观能动性和创新能力。

3.3 硬件软件都要抓，都要硬

计算机仿真实验虽然可以准确地反映整个实验过程， 是一种新型的应用技术，十分有效，但是仿真技术不是万能的，它毕竟不是真正的实验，在许多场合仿真只能起辅助作用。也就是说不能用仿真实验来全部代替硬件电路实验，而是将仿真试验和传统的硬件实验相互结合，根据学校的实际情况和实验的情况灵活运用，虚拟实验不是万能的，如果所有的实验都用虚拟实验替代的话，学生在虚拟环境中实验会产生或多或少的不踏实的虚拟感，实践能力也不可能得到真正的提高。

3.4 加强对实验课教师的培训，通过培训交流更多地了解新的实验技术

在实验教学改革的同时，必然对教师提出更高的要求：一是教师也应加强专业知识和技能的学习，来提高自己的业务能力和综合素质，另外，不断更新专业知识的结构，了解前沿技术的发展也是必需的；二是高校中要大力创造条件促进教师经常参加基础理论知识的培训和实验的培训以及学术研讨会，从而扩大视野，更新教学观念，及时了解嵌入式系统发展趋势和动态，促进电子类实验技术的发展；三是要大力组织专业教师去积极申报相关的创新实验和科研项目，提倡以科研资金来促进实验室的建设，用科研成果去改进实验内容，同时可以提高教师的科研能力，在科研中更好地去锻炼自己，为实验教学服务。

4 结论

随着社会对人才要求的提高，大力推进实验教学改革迫在眉睫，而大学实验教学的改革又直接影响到学生的动手和创新能力。实验教学必须能够跟得上时代的脚步，将仿真技术应用到实验教学中可以充分调动学生的主观能动性，激发学生的创新能力，加快学生适应社会的能力，同时学习了先进的新技术。

参考文献：

[1] 丁美荣,柴少明.基于虚拟实验与真实实验整合的计算机网络实验教学改革[J].现代教育技术,2007,7(17):99-102.

[2] 孙晓明.土力学实验课程教学方法的研究与改革[J].黑龙江教育,2006(11):59-60.

[3] 高金辉,杨军平,邱爱中.虚拟仪器技术及虚拟实验室的构建[J].河南师范大学学报:自然科学版,2008,36(2):63-66.

[4] 邹自明.成人教育电子技术实验教学改革的探讨[J].高教论坛,2007(12):43-44.

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【关键词】物流系统仿真；Flexsim软件

随着我国经济的发展，物流业迅速地成长，全国各地的物流工程建设也在逐步展开，但在项目的投资建设中产生了一系列的合理性分析的问题，如技术、经济可行性和管理方法等。如物流配送中心在规划建设过程中的选址是否恰当，其容量设计、装备配置和场地规划是否合理，是否能够更好简化工作，节约成本和时间，对理货、存储、分拣等工作区的划分是否能够更加方便各项作业的进展和管理。对于这些实际的问题，如果只凭经验和感觉来判断，难免会有些方面被疏忽，建成后再进行调整就会增加建设的成本，耽误正常的工作，从而带来巨大的损失。

物流仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学手段，采用虚拟现实方法，对物流系统进行实际模仿的一项应用技术。它需要借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的瞬间仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果。物流仿真技术最大的优点就是不需要实际设备的安装，不需要实际实施相应的方案，即可验证如下目标：①增加新设备后给企业带来的效应；②设计新的生产线的好坏；③比较各种设计方案的优劣等等。本文主要研究物流系统仿真技术的基本理论，并通过Flexsim仿真软件进行说明说明。

1.物流系统仿真的特点

物流系统仿真的特点主要体现在以下3个方面。

（1）物流系统中流的仿真：对于物流系统中的多种流，如货流、车流、信息流、资金流等，可以采用动态仿真 描述流的产生、流动、消失、积累和转换等。

（2）物流系统中排队的仿真：由一个或多个服务台和等待服务的顾客组成的离散系统成为排队系统。物流系统是复杂的离散事件系统，并且各种设施设备可以看作是服务台，各种实体货物等可以看作是顾客等待接收服务。

（3）物流系统组织中资源的因素仿真：物流组织是通过各种人员和设备参与实现的，这些都是物流系统中的资源。通过对各种资源不同的规划，物流服务质量和运作效率也是有差异。利用计算机仿真技术描述人和设备的行为过程，可以得出较优的物流体统组织方案。

2.物流系统仿真的优势

在构建物流系统时，由于建设投资巨大，存在一定的投资风险，且建成后发现了不合理的地方需要改造，成本将会非常的高。利用仿真技术实现物流系统各个模块的运行状况，并得出适应发展、经济有效的设计方案。物流系统仿真技术的主要有以下优点。

（1）对于复杂的物流系统可以采用仿真的方法构建模型；（2）对于新的物流系统，无需实际建设投资，可先利用计算机仿真模拟对新系统进行可行性和效率做出正确的评判，如方案合理再实施，降低投资风险；（3）可以对多个方案进行分析对比，从中选择最优方案；（4）通过仿真调整目标函数和约束条件来优化方案。

3.物流系统仿真的步骤

物流系统仿真的一般步骤：（1）弄清问题，掌握实际情况；（2）收集整理资料；（3）确定各个因素之间的相互关系；（4）构造仿真模型模型；（5）确定模型参数；（6）检验模型的正确性；（7）仿真模型的运行及结果分析。

4.Flexsim仿真软件

4.1 Flexsim仿真软件介绍

Flexsim是由美国的Flexsim Software Production公司出品的，是一款商业化离散事件系统仿真软件。Flexsim采用面向对象技术，并具有三维显示功能。建模快捷方便，显示能力强大，特别适合于生产制造、配送、交通运输等领域。其主要特点包括：（1）基于面向对象技术建模；（2）突出的3D图形显示功能；（3）建模和调试的方便；（4）建模的扩展性强；（5）开放性好。

4.2 应用Flexsim仿真软件建模仿真方法

（1）设置模型布局

Flexsim对象库中的对象基本能够反映各项实际设施。如进货源和出货源可以分别用发生器和吸收器来表示，加工作业可以用处理器表示，货架、运输机、操作员分别有相应的实体表示。并根据各个实体的数量尺寸，将其调整到适当的位置，使其与实际方案相符。在设置这些参数时，要根据具体的对象特征设置参数才能正确的模拟显示。

（2）定义“流”

根据系统中各对象之间的逻辑关系，连接相应的端口，构建模型的逻辑流程。

实体与实体之间的联系可用输入输出（A）连接或者中间端点（S）连接。作业的流程要与实际作业时的流程相符合。

（3）设施参数的设计

根据每个对象所描述的物流系统的特征，设定对象的参数。Flexsim中常用的一些仿真参数主要有：

①生成器参数：可按到达时间间隔模式、到达时间表模式、到达序列模式创建临时实体。通过生成器可以设置货物的到达类型和到达时间分布等。

②处理器参数：处理器参数一般用到的是处理器容量、处理时间、预置时间、平均故障时间和平均维修时间等。

③暂存区参数：暂存区参数主要有暂存区容量、暂存区大小、暂存区货物堆放形式等。

④货架参数：货架参数主要有货架容量、货架列数、层数、列宽、层高、最小停留时间和堆存方式等。

⑤运输工具参数：运输工具包括工人、运输叉车、堆垛机等，参数主要有装载时间、卸载时间、运行速度、装载量、加速度以及运输线路设计等。

⑥临时实体流参数：临时实体流参数决定实体如何将临时实体送到下游。这些参数主要有送往端口、是否使用运输工具、是否拉动、拉动条件、优先级等。

4.3 编译运行与仿真结果分析

在完成模型的建立后，可以对仿真模型进行编译运行。为了减小误差，可以通过反复多次的运行或根据不同的设定条件运行，得出仿真的结果。分析实验中各个对象的工作状况及效率，对比不同的实验的结果，提出改进优化措施，并再次进行验证。最终得出最优的方案。

【参考文献】

[1]彭扬，吴承健.物流系统建模与仿真[M].杭州：浙江大学出版社，2009.

篇7

关键词 电子计算机；电力拖动；虚拟实验

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0132-02

Abstract： The emergence of electronic computer technology and development， is the cross time in the history of science innovation. Along with the development of the computer， that is associated with the electronic computer technology also emerge such as blowout， and the birth of the computer simulation technology is one of many new technology. Apply the simulation technology to the electric drive system of virtual experiment， the abstract theory of intuitive display in order to facilitate understanding. Combined with the virtual experiment also has the advantages of low cost and high efficiency， therefore to pay attention to and the use in the electric drive system.

Key word： electronic computer；electric drive；virtual experiment

随着社会经济的发展，以及人们素质的普遍提高，社会对人们的要求也日益提高。但是由于种种方面的限制，诸如资金的不足，实践活动的缺乏等种种因素，导致实际操作能力与创新能力缺乏。而虚拟实验技术的引用能够大大缓解以上种种因素的限制。具体到电力拖动的虚拟实验技术当中，MATLAB等软件的运用，成为了虚拟实验开发与创新技术培养的全新方式。

1 虚拟实验

1.1 概述

虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。众多计算机仿真软件的不断被研发出来，并应用于科研技术设计之中，做出了极为巨大的贡献。PISPCE和MATLAB是当今较为常见的计算机仿真软件，其中MATLAB是虚拟实验的主要开发软件。

1.2 优势

在如今大多电机课程实验设备条件下，运用直流电机作为调速对象，仅仅只能开出直流调速系统实验。传统实验虽然拥有众多优势，但是劣势也显而易见，诸如体积巨大，维护繁琐，故障频出，购置需要大量资金等。同时在培养方面也具有巨大局限，如容纳人数的数量方面受到限制，对实验计划和方案制定会提出很高的要求，容错率很低，难以满足人才培养的需求。因此，由于传统实验存在的种种不足，衬托出了虚拟实验多种优势。基于计算机平台上的虚拟实验技术将以上劣势化为优势，对仪器和设备几乎没有需求，同时节省资金和空间。

2 具体运用

通过在计算机外接设备上的点击与拖动，将虚拟的各种仪器，按实验的目标与步骤整合成一个完整实验系统的过程，就是虚拟实验。而实验条件的变动，数据的收集汇总，实验结果的分析归纳三个方面全部完成，才意味着整个实验的达成。本文以带有RLC滤波器的交流电机变频调速实验作为实例，实验中包括电机、电力电子、驱动控制三个方面，分析虚拟实验的强大作用，并与传统实验进行比较。

2.1 模型的建立

将电压源型逆变器、电动机主回路以及RLC滤波器通过使用MATLAB中PSB库中的元件模型完成建立。一般出现超过功率变换电路的情况，并产生多环节控制，多信号反馈，多非线性环节的特征，说明控制电路规模较大，需要大量运用集成电路。但是，基于对电路的控制，其输入输出特性是我们研究所要了解的主要目标，而其内部的电压与电流则是可有可无的旁枝末节，导致无法使用虚拟实验来进行电路的控制。所以想要实现仿真的方式，可以通过SIMULINK数学函数进行SPWM的调制电路模型的驱动控制。而右图即为所示。

2.2 模型参数的构建

通过鼠标对元件图标的点击，在出现的参数设置对话框输入诸如电机的额定电压、功率、频率、转动惯量和定转子数据等各种必要参数。通过滤波效果进行滤波器的RLC参数的设计与运算。在接收变频调速的恒压频比所产生的调制信号之后，通过SPWM调制和驱动模块内部函数的计算，再与设计的三角载波进行比较。

2.3 设置仿真模型

设置仿真参数是在仿真模型开始之前必须完成的步骤。包括对开始与终止的时间、步长以及解电路运算方式等仿真类型和相对与绝对的误差等方面进行设置。较快模拟速度的得出需要使用如ode23tb、ode15s这样的刚性系统的参数运算方式。同时，MATLAB软件参数锁设定的虚拟时间与现实的时间并不一致，只是一种对于时间流逝的表现手段。若是缩小步长，则会造成采样点数的增加，使得现实中的执行时间变长。

2.4 实验成果观测

验证参数设计以及电路结构是否合理，是虚拟实验的主要目标。而上述实验能够经过观测器观测电机速度的变化方式与电压的波形，并依靠给定频率的大小，在进行理论的分析之后，对结果的正确性进行判断。而下面两图中的前者是电机转速的变化图，后者则是在固定的载波频率与固定的调制频率之下的逆变器输出线电压幅度频谱。两张图示将谐波各次的大小、总谐波的有效值和基波有效值三个方面十分明了的展示出来。由于电机的运行效率和机器寿命受到谐波的影响，因此，为了减少电机受高次谐波损害，将RLC滤波器安装于电机与逆变器的中间成为了有效的解决方法。总谐波畸变率在经过RLC参数的设计与电机端电压频谱的观测之后可以保持在10%之下。

2.5 实验结果总结

由上面的实验可以得知，作为旋转机械的电机设备，作为是大功率电力开关的逆变器设备等传统实验设备，存在损耗高、构建繁琐、危险性强、价格昂贵等种种弊端。因而既可以对已有系统展开研究又能对处于构想中的设备进行探索，虚拟实验展现了极为显著的优越性。比如上述实验中，在模型库中虽然并不存在满足观测要求的频谱分析仪，但是在运用MATLAB函数展开构建之后，使不可能成为了可能。而虚拟实验的自定义、自主性强的特点，成为了其另一个巨大的优势。同时，虚拟实验具有良好的通用性、与其他系统开展数据交换的便利性以及升级与扩展的成长性，使其在实验数据的分析处理方面显得极为高效迅速。

3 结束语

虚拟实验的优越性，通过上文的分析与具体的实验体现的淋漓尽致。但是，十全十美的系统终归是不存在的，虚拟实验尽管在各个方面上都具有显著的优势，然而也无法取代传统实验。建立极为准确的数学模型，始终是虚拟实验仿真技术中的一个难关，各种限制会使之与实际情况产生差异，这也是传统实验存在的必要性体现。因此，只有现实实验与虚拟实验相互配合，才会使电力拖动等电子电路设计技术得以真正的进步与发展。

参考文献

[1]木合亚提.“电力拖动自动控制系统”课程实验的改革[J].实验室研究与探索，2010（29）：131-133.

[2]卢卫娜，陈秀敏，马玉泉，等.仿真技术在电力拖动实验教学中的应用[J].大学物理验，2011，24（6）：55-58.

[3]孙新柱，张浩，陈跃东，等.《电力拖动控制系统》虚拟实验平台的开发[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2013，34（3）：62-65.

篇8

关键词:虚拟人 行走模型 运动控制

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0019-01

虚拟人是人在计算机上生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。在虚拟环境中,我们利用虚拟人来模仿真人的各种行为,尤其是人类最普遍的正常行走运动,而且能模拟军事的运用训练和医学的仿真实验中,还能设计产品增加产品的真实性。

1 虚拟人行走模型

1.1 虚拟人行走模型的建立

虚拟人是由计算机合成的真实的人,人体是个复杂的机构,如果要建模生成一个三维立体的人体模型就要对真人身体的头、四肢、躯干、皮肤肌肉等部位进行严格的分析,还包括人体上百个关节和细密器官的分析,建立一个运动模型,人体中肢体与肢体之间是相关联系的,可以将人体的关节看成几个点,各个骨骼之间形成一条一条的链条,根据关节之间不同的旋转和身体部位安置的角度让身体的各个部分相互融洽连接。

1.2 虚拟人行走过程

人体行走的过程看似简单但是相对与虚拟过程就比较复杂,人在行走时每条腿会经历承受期和摆动期,腿的承受期主要分为脚后跟着地到脚尖接触到地面,行走周期是相对循环的,很多步子聚集到一起构成人体进行路线行走的平移,还要对支撑脚与地面之间进行准确的碰撞测试,由于两条腿的来回摆动,以两步为周期平移一步,以此循环也就形成了两条腿的摆动过程,进一步地实现了在水平地面上的连续行走。

2 虚拟人的运动控制技术

2.1 运动控制的关键帧方法

关键帧技术来源与动画片的制作方法,最初关键帧技术只是通过编入帧与帧之间的卡通的形状,在动画片中,所有的影像画面都通过设计关键帧中位置角度的一些参数问题来设计,关键帧技术根据人体的运动和活动状态将人体的动作分解成一系列的动作,每个动作对应相应的帧,但是电脑技术有时不会考虑人体的物理等一些特殊特性,所以会存在不恰当的插入导致虚拟人的不合理的动作,所以通常采用双值插入的方法来有效解决关键帧出现运动轨迹错误的现象,通过设定动作和运动速度的插值参数,让速度来控制动作形成流畅的轨迹。

2.2 运动捕捉技术

随着技术的进一步成熟,运动捕捉技术有着非常广泛的应用领域。运动捕捉方法是指通过记录三维空间中的人体运动轨迹,并将运动轨迹转化为运动数据,对这些数据合成编辑以此合成虚拟人运动的过程。用于动画设计的运动捕捉技术通过一种光学设置将演员的表演姿势头部运动以及表情投射在计算机上,通过调整数据再加入真实的情感来完成制作。运动捕捉技术最大的优点在于能有效的捕捉真人的运动数据,数据传输能将运动数据从捕捉设备准确迅速地传送到主机系统再生成很多高难度的动作,因而虚拟人的运动能和真人运动十分相似,模仿度逼真度超高。但运动捕捉技术同样存在设备昂贵虚拟人本身的条件制约等一些缺陷,动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性,但运动性太强。还可能因为冗杂的或者错误的数据和设备本身的干扰造成虚拟人身上跟踪器的移位反而导致画面运动的失真。但是运动捕捉技术仍然因能自动捕捉到人体运动的各个细节广泛运用在各领域。

2.3 物理的仿真技术

物理的仿真技术利用生物学动力学等物理定律完成运动,从而弥补了关键帧技术的不足之处,一般有半物理仿真技术和全物理仿真技术,半物理仿真技术的逼真度较高,主要重视人机之间的关系,全物理仿真采用物理模型的仿真,主要通过对实物的模拟完成仿真。我们通常应用人体关节的基本动力学和动力学模型,通过分析物理规律计算运动的过程,来完成动态的仿真,使得创作出的虚拟人的运动更加逼真。物理的仿真技术的优点主要是能结合动力学相关物理定律实现关键帧技术无法实现的理想运动控制。优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先,利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动,人机之间的更多的交流使得捕捉到的技术更加精确。

3 虚拟运动的进一步发展

3.1 虚拟人运动控制的研究现状

近几年,国内外研究虚拟人运动控制的团体日渐壮大,国外相关团队对虚拟人的运动行走运动控制技术和捕捉进行了透彻研究,还有团队研究虚拟人面部的表情头发衣服进行了动画研究,实现了运动的仿真。国内的研究机构致力研究虚拟人运动的实时控制,通过对虚拟人身体部位的相关约束实现了虚拟人步行跑步等运动方式的拓展。

3.2 虚拟人的广泛应用

虚拟人广泛应用在国防航天和医学等人类活动领域,应用虚拟人可以制作出符合中国人航天服的数据,在汽车防撞的实验中也可以运用虚拟人检测防撞强度质量,在医学领域,虚拟人可以有效的帮助医生观察人体组织,提高医学效率。例如美国公司开发了Jack的虚拟人行走,能实现人体模型的建立和行走的仿真控制,通过关键帧动画方法,用户可以自己实现虚拟人姿态的调节,拓展了虚拟人行走的仿真功能。Jack虚拟人除了能直立行走还能跑跳弯腰低头行走,还能进行攀登跳跃等高难度的动作。本文对目前虚拟人几何模型建市的几种常用方法进行了阐述,并对它们的优缺点进行了对比分析,同时对走步、跑步等几种典型的运动的控制方法进行了概述和对比研究。总而言之,随着科学技术的发展,虚拟人运动控制技术逐渐成为虚拟现实技术的关键,已经日益广泛的渗透到人们的日常生活中,因而受到人们的关注和重视。我们应当继续对虚拟人行走建模进行深究,通过多种技术的相融合解决运动控制的各方面问题满足虚拟技术的需要和快速发展。

4 我们的工作

通过对虚拟人行走建模及运动控制的研究,我们建立了自主虚拟人智能行为的通用框架,包括两个模块,模块一主要解决虚拟人骨架建模方法,虚拟人运动建模方法,骨骼蒙皮方法,模块二重点解决了虚拟人运动控制问题,包括参数化关键帧方法,逆向动力学ik求解,基于运动融合技术的运动切换。该框架实现了一种生成真实感智能行为反应动画的方法,具有较好的真实感。在实时虚拟环境中进行的仿真实验结果表明作者提出的通用框架可有效进行自主虚拟人建模,为实时交互虚拟环境创建具有高度自主性、环境感知能力智能行为决策与运动控制能力的真实感虚拟人。

参考文献

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【关键词】半实物仿真 飞行控制 实时性 MATLAB/simulink

1 引言

仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化专业手段，在科学技术领域起到了极其重要的作用。半实物仿真技术是所有仿真技术中仿真置信度很高的一类，它的应用不仅局限于理论研究，更多被工程设计、开发测试使用，从早期的航空、航天逐步扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船等多种行业。计算机技术的快速发展使得半实物仿真的核心――实时仿真计算机的运算能力得到极大提升，从传统的纯数字仿真逐步向人在环半实物仿真领域扩展。

传统物理试验或飞行试验验证直观、真实，但是费时费力，且验证不充分，一旦失败则会造成较大的经济损失，甚至发生严重的事故。纯数字仿真简单易懂，但难以模拟试验件的复杂特性，仿真精度不高。半实物仿真结合了实物试验和数字仿真的优点，将系统中的部分实物引入到计算机仿真系统中，既可以在实验室条件下对试验件进行各种状态下的测试验证，又可以保证试验测试的可靠性和安全性。国内外的飞机或飞机部件的供应商在飞机的研发测试中大都应用了半实物仿真技术。

本文旨在浅述通用的飞行控制系统半实物仿真平台设计思路，为以后试验设计提供基础。

2 系统设计

本文飞行控制系统半实物仿真平台采用一体化设计，是基于MATLAB/simulink飞行仿真模型的实时仿真系统。飞行控制系统半实物仿真平台的基本架构如图1所示。系统可分为5个子系统：

（1） 实时仿真系统：为系统的主体部分，完成实时仿真和信号转换功能，包括仿真主计算机（上位机）、实时仿真计算机（下位机）、信号转化换算机、信号调理机箱、接线盒及附件（包括工作台、机柜、电源、电缆等）。主要进行飞机模型实时解算，信号实时转换及传递。

（2） 综合控制台：由仿真测试计算机和仿真测试控制软件组成，完成实时仿真过程中数据显示、曲线绘制和数据管理等功能，一般放置在近试验人员的测控间，方便试验人员实时分析及监控数据。

（3） 模拟座舱及仪表系统：是仿真中用户和系统进行交互的设备，使系统支持人在回路的飞行仿真试验，驾驶员可通过驾驶盘（杆）、脚蹬、油门等对飞机进行操纵控制，并通过虚拟仪表显示，对飞机的参数进行监控。

（4） 实时网络通讯系统：为系统的通讯设备，包括以太网和反射内存网两种网络，系统中对实时性要求不高的部分采用以太网传输；实时性要求较高的部分采用光纤反射内存网通讯。

（5） 简易视景系统：模拟飞机座舱外的景象，给座舱内的驾驶员以足够的视场角的景象显示。简易视景系统一般由图形生成子系统、投影子系统、音响子系统组成，能接收来自实时仿真计算机传递的飞行数据，并进行3D显示。

2.1 实时仿真系统。实时仿真系统为整个半物理仿真平台的主体部分。本系统构建引入分布式布局思想，设计一对多的分布式模式。采用RTW-xPC作为实时仿真的框架。在半物理仿真系统中，飞机无法以物理部件的形式出现，为保证实时性飞机模型需要运行在实时仿真目标机上。飞控系统中其他部件的实现方式均有物理和数字两种方式。当缺少该部件时可借助实时操作系统保证部件模型仿真的实时性，将运行该代码的仿真目标计算机代替真实部件在半物理仿真系统中的位置。物理信号和数字信号之间的转换以及物理部件在系统中的接口均通过信号转化计算机实现。

飞行仿真模型是实时仿真系统的核心。在仿真主计算机的MATLAB/simulink环境下完成飞控系统离线和实时仿真模型的搭建，并运行在实时仿真计算机内。模型所模拟的部件要与真实物理部件的参数一致，是对物理部件的分析、抽象而建立，是真实系统的近似模型。在Matlab/Simulink环境下搭建模型，运用了模块化的设计思想，便于今后对模型的修改和完善，提高系统的通用性。

2.2 模拟座舱及仪表系统。模拟座舱及仪表系统是半物理仿真平台中的人机交互设备。模拟座舱采用虚拟现实技术模拟生成飞机在空中的飞行环境条件，使仿真人员具有身临其境的“真实”感觉。仪表系统从实时网络上接收实时仿真计算机发送来的飞机位置、姿态等信息，向驾驶员反馈飞机的实时操纵状态和飞机飞行状态，另一方面采样驾驶盘（杆）、脚蹬、油门的输出信号。当驾驶员操纵时，反映设备状态的模拟量输出就发生改变，模拟信号经过采样滤波处理后，输出给实时网络。

虚拟仪表软件开发平台主要采用GL Studio，它可以创建实时的、三维的、照片级的互动图形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代码可以单独运行，也可以嵌入其他视景软件中使用，且能够方便的被其他目标优化平台使用。

2.3 简易视景系统。简易视景系统一般由视景计算机、投影系统、音响系统和视景管理软件组成。由专门的视景软件配合硬件在视景柱幕上生成3D景象。音响系统一般包括音响计算机、功放等，模拟飞机飞行中的各种声音，包括那飞机起飞着陆及正常飞行的气流声、发动机声、起落架收放声等。

3 结论

本文提供了一种通用且实时可靠的飞行控制系统半物理仿真平台设计手段。平台采用一体化设计原则，可以在线调参、实时查看试验及飞行效果，极大地提高了试验效率。

篇10

关键词：计算机技术；图形图像处理；应用

Abstract: The application of computer technology is more and more widely, the whole society into the information age, modern computer technology in the application of image processing on the break mode method of traditional image processing, so that it has good reappearance function, more flexible application, applicable scope is wide. Especially the BIM technology for the application of graphics and image building, is brought about a revolutionary upgrade. At the same time and the virtual simulation technology in the latest architectural aspects of the application, the computer image processing technology is becoming more and more important in building construction.

Key words: computer technology; image processing; application

中国分类号：TU71 文献标识码：A 文章标号：2095-2104（2012）03-0001-02

随着社会现代化的大发展，在很多的生产施工中，为了保证工作的高效、安全、准确，都趋向于生产的自动化。建筑业是国内经济的几大经济支柱之一，将计算机技术与工程建筑业结合在一起的趋势是有目共睹的。在追求低能耗、低污染、可持续发展的大背景下，工程建设信息化已成为时展的必然方向[1]。利用计算机技术对图形图像的处理就是通过计算机对图片进行修饰，分割，除噪等一系列的步骤，从而实现对图形图像的优化设计。计算机技术在建筑业方面的发展经历了两次重要的变革。早期出现的计算机辅助CAD技术使工程建筑业由传统的手工画图阶段转变为二维的计算机绘图阶段，给建筑业带来来了第一次的技术革命。随着建筑业与计算机技术的进一步的结合应用，又出现了专业应用于建筑业的3DStudio,FormZ,VIZ等技术。本文从工程建筑方面的角度出发，探讨几种计算机技术在施工图象处理的科学策略和应用，比如，虚拟仿真技术，BIM技术等。

BIM技术的应用研究

BIM（建筑信息模型）技术是在社会对工程建筑领域的管理技术的需求增长的条件下应运而生的，是建筑业图形图像处理的。在建筑制造行业，大概有三分之一的工程是需要再次返工的，这样就导致超过半数的劳动力以及资源流失，十分之一的材料损耗。不难察觉有数以亿万元的经济损失，而BIM技术就是针对该问题的突破性研究。对建筑业来说，BIM技术在建筑过程的应用可以设计出精确的三维模拟和能耗模型，高效的实现高效率、高质量、低风险的、低损耗的理念，轻松的完成建筑项目，从而带来更大的经济效益。BIM技术的应用是贯穿于建筑的整个过程。现今已有一些成功的应用案例，例如美国webcor公司，旧金山某基督教堂的虚拟施工模型。并且计算出后期施工的一系列数据（如图二）。只是应用简单的CAD是无法满足设计要求的。施工模型图如图一所示：

图一

图二

在施工阶段的应用主要体现在以下几个方面：

第一、可以创建三维逼真的设计方案图，给人以真实、直观的视觉感受，可以根据施工顺序的选择，形象的展示各个环节的施工方案，还可以进行四维的模拟，对比选择不同的施工方案建立好的BIM模型，大大提高了三维渲染精度与效率，最终给客户更为直观的图形图象展示。比如在地铁盖挖逆坐施工中起到了很大的作用。

第二、有效虚拟施工过程，协同作用强。三维直观的可视化功能加上时间维数，就可以虚拟施工过程，将施工计划与实际的工程进展做对比，这样有效的四维协同，可以让工程师对项目的各个过程都了解得很清楚，以便对施工过程中可能出现的问题进行提前的防备，BIM技术和施工方案、施工模拟有效的结合可以大大减少人力物力的损耗，减少返工和修整，提高建筑质量，节约资源成本，缩短工程建筑周期。

第三、优化设计方案，精确计划，提高质量。BIM技术最大的特点和优点就是三维立体逼真的可视化，它可以使图形图像形象地展示在人们的眼前。利用这个技术可以在施工前检测在施工过程中可能出现的碰撞和错误损失，进而进一步优化设计方案，尽量减少返工，提高施工的质量。

虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究

虚拟仿真技术包括虚拟和仿真两个方面，虚拟技术和仿真技术有效结合，并成功应用于设计施工中，打破了传统的设计和施工模式，它具有高度仿真性，无破坏性，可无数次反复试验，可控性高等优点，还具有高效、施工质量高、成本低等特点。其本身的软件平台是Revit软件，是基于上述的BIM信息模型而配套的技术。对于建筑设计中的结构和水暖加以概念性建模。它是迄今为止最经济有效的综合集成方法,是推动技术进步的战略技术。主要的虚拟仿真过程如图三所示;

图三

首先是利用现有的计算机水平建立三维模型，接着就是虚拟施工环境。某集团的新建住宅小区就是这一技术应用的实际案例，其平面是一个矩形图，建筑面积为24.3万m2。该建筑的设计造型需要使用很多的钢型结构，导致整个吊装工程巨大。只有通过虚拟仿真技术才能实际需求，得到一个可视化的虚拟模型，在施工前有一个准确的预估。建筑施工中图形图像的处理就是将设计出来的图形转化为更为直观的、形象的三维图像的过程，施工过程就是把图像转化为建筑实物的过程。在传统的建筑模式中，保证施工质量的条件是经验丰富的工程师，但这有很大的缺陷，光凭借经验往往使得在施工过程中出现缺乏全面性、客观性，具有主观性、盲目性等缺陷，也会出现很多难以控制的问题。虚拟技术在建筑领域的应用大大弥补了这一不足，虚拟技术下建立的图形具有高仿真性，交互性，沉浸性。工程师可以根据需要进行施工虚拟实验，从而在不断的实验中找到最佳的方案，实现设计图形的最优化，达到节约资源成本，缩短工程周期，提高质量等目的。

利用计算机技术对图形进行处理可以极大地提高形成图片的效率及提高图片的质量，也会给工作带来极大的方便，提高工作效率。图形的处理技术包括图形的屏幕显示，图形的字符处理以及成图。首先是利用CDI和位映像图来展现初步的绘图的效果，然后就是对图形的尺寸、特性用参数表示，所以在图片上进行尺寸的单位的标注也是图片处理的技术之一。

虚拟仿真技术为建筑的整个过程构造了一个整体、综合的环境，虚拟场景中的任何一个物体，都可以有高度仿真的声音、动作画面模拟，使画面的真实感强，它的三维动画的应用。如图四就是通过计算机仿真技术制作的该小区的外观效果图：

图四

虚拟仿真技术可以实现对施工全程的分析，施工过程中的细节都以高清晰的画面的形式展现出来，人们可以根据自己的需要在画面上做修改，并且这项技术在预防施工过程可能出现的安全隐患具有很好的预测性。未来的图象处理技术的发展，主要是朝着高度清晰、三维成像及多位成像、自动化、智能化的方向发展的，在技术的研究中，主要是将理论和实际操作结合起来，计算机技术在图象处理中的应用也将得到进一步的发展。

三、总论

图象处理技术的应用越来越广泛普遍，CAD、CAM技术对于建筑工程设计的基础构图中也有充分应用。在建筑施工中对图形图像的处理给我们的社会带来很大的经济效益，可以不费成本的无数次的反复试验施工过程，然后对施工过程进行细致的分析，尽量减少各种浪费，减少人力资源的耗损。BIM技术对图形图像的处理实质上也是对施工过程的一个模拟的过程，在计算机上近乎逼真的动态模拟，让我们如身临其境，达到一定实质性的效果。随着时代的进步，该技术所提供的数据会越来越详细和全面，对于建筑施工行业会带来巨大的革命。同时，5D技术也会在计算机图像处理中越来越多的应用。建筑设计等等中的问题依靠计算机技术的进一步发展来带动其变革。综上所述，计算机技术在建筑领域的应用有待于进一步的推广和深入的发展。

参考文献：

[1]刘刚，李鑫，王兴龙，等．建筑施工企业BIM应用浅析与建议[J]．施工技术，2012，41(3)：39-40,44．

[2]潘佳怡，赵源煜．中国建筑业BIM发展的阻碍因素分析[J].工程管理学报，201226(1):6-11