系统仿真范文10篇

摘要：分析数控加工仿真系统技术，介绍数控加工仿真技术的研究成果，提出目前数控加工和仿真方面存在的一些问题，以及仿真技术的发展趋势。

关键词：数控加工仿真系统；几何仿真技术；物理仿真技术；数控加工数据库

随着科技的进步，产品的研发周期越来越短，很多企业之间的竞争开始体现在产品的更新换代上。因此新产品的研发时间决定着企业的竞争力。最近十几年计算机技术的迅速发展，使与计算机配套的计算机图形技术发展越来越快，带动了计算机仿真技术的进步。计算机仿真技术在产品的研发中发挥着非常重要的作用。在这种背景下又出现了虚拟制造技术。这种技术可以使一个产品从研发初期到产品装配都具有模拟状态，并且对各个环节中可能出现问题进行有效预测。使设计人员能及时发现设计缺陷并及时提出改进措施。保证产品在设计和生产过程中不断优化，提高产品的设计成功率，同时缩短产品研发周期，减小产品研发过程可能出现的风险，极大提高了企业的竞争力。虚拟制造技术的出现能为人们提供更优秀的产品，主要的应用是在加工过程中进行仿真，西方发达国家的一些科研机构认为，制造业的发展必须要解决的几个问题，其中一个就是制造技术的建模和仿真技术。这种技术已经成为虚拟制造技术发展的关键，这种技术如果运用在机床上可以对机床刀具加工信息进行分析和预测，然后通过优化实现智能生产。这是一种非常先进的技术，不但可以保证机床的有效运行还能保证产品质量。

1数控加工仿真系统研究

1.1数控加工几何仿真技术。数控加工的几何仿真是数控加工仿真系统的一个组成部分，最初数控加工的仿真主要是几何仿真。其条件是在加工过程是一个几何问题，没有其他的因素。近几年随着几何仿真技术的发展，出现了很多优秀的仿真软件，其中最具有代表性的是Pro/ENGINEER，UG等。目前对几何的仿真技术已经非常成熟，在场景建模方面也取得了一定成就，数控加工过程中碰撞干涉检验一直是一个非常难的问题，同时也是非常重要的问题。针对这个问题很多学者也进行了大量的研究，得出了很多优秀的、成熟的算法，这些算法基本上包括2种：一种是基于图形的实时碰撞检测，一种是基于图像的实时碰撞检测。基于图形的实时碰撞算法主要是将物体作为包围盒，对包围盒进行求交计算。当包围盒相交时其包围的几何体才可能相交，如果包围盒不相交那么其包围的几何体就不一定相交，这样就可以通过这种方法很快的找到相交的几何部位。这种方法受到的场景影响较大，对于一些非常复杂的场景分析比较困难。因此除了要保证仿真的精度以外还要进一步提高算法的实时性。另外一种算法是基于图像的实时碰撞检测，其主要是利用物体的2D投影的图像和深度的信息进行相交分析。这种算法具有很多的优点，主要优点有①能够降低CPU（CentralProcessingUnit，中央处理单元）的计算负荷；②平稳性很高；③这种算法适合一些复杂的碰撞检验；④这种算法的发展前景很大。但是这种算法也存在一些问题，其中最主要的问题是运算过程中需要占用很大的内存，导致从硬件中读取深度值时就比较困难，仿真效率大大降低。1.2数控加工物理仿真技术。随着科技的发展，制造业开始运用一些先进的仿真技术，其中物理仿真是仿真技术的研究重点。物理仿真主要是将切削过程中的一些过程映射到制造系统中，然后对实际加工进行分析和预测，找出影响切削精度的一些因素，然后采取措施对工艺进行优化，这种技术也是目前比较先进的技术，能及时发现加工过程中的问题，提高加工质量。1.3人工智能预测模型。随着计算机技术的发展，人工智能的发展也加快了速度，目前在人工智能方面出现了大量的算法。比如遗传算法、神经网络等，这些算法都是非常优秀的算法。在智能系统中可以通过神经网络优化一些制造参数，其预测精度非常高。但不同类别的神经网络模型预测的精度有非常大的差别。人工智能预测模型的出现大大提高了生产效率，降低了生产成本。1.4机械加工数据库。机械加工数据库出现于20世纪末，世界上很多国家都加入了机械加工数据库，每个国家都收集大量的数据加工数据，传到加工数据库中。这种数据库可以使不同国家的数据进行对比，从中找出一些数据进行交叉检验。虽然这种机械加工数据库给各个国家带来了方便，但是它还是存在一些缺点。比如在进行数据分析时没有考虑一致性问题，对各个国家的使用者都是比较麻烦的，同时这种数据库没有考虑机床的影响，很多信息不准确。除了以上问题以外，还有一个非常重要的问题是由于加工过程中复杂和随机性，很多测量技术需要借助实验，前人得到的数据无法代替实际生产。

2数控加工仿真系统存在的问题及发展方向

1引言

计算机仿真系统是仿真的依托，形象地说成是仿真的大舞台也很贴切，最准确的说法应当是，计算机仿真系统是基于仿真的系统研究不可或缺的实验工具。每个仿真应用领域，有了各自适用的计算机仿真系统，才能给出具有所需置信度的仿真结果。大量实例表明，仿真技术的有效应用，必须依托于先进的计算机仿真系统;只有服务于应用的计算机仿真系统的发展，才能带动仿真技术的发展。但是，迄今为止，国内外依然存在着建立仿真应用的时间太长、费用太高问题。原因就在于缺乏正确的技术理论指导，或盲目追求大而全，或低水平地重复。显然，在需求牵引、技术推动、经济支撑下，紧跟时代前进步伐，要用信息化理念和方法建立计算机仿真系统。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系统的设计与应用》一书中所说，高新技术与先进管理相结合才可能有高质量仿真系统的诞生。

2现有计算机仿真系统

现有许多计算机仿真系统、仿真试验室、仿真中心可供参考。诸如美国亚那巴马州红石兵工厂的高级仿真中心(ASC)、以法尔肯空军基地国家试验中心为核心的美国国家试验台、德国航空航天试验院的空间运行中心、中国航天部门遍布全国各地的仿真中心、国防科大三院的分布实时仿真系统(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服务系统(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系统(Systemonchip，SoC)等。国内外计算机仿真系统，真是琳琅满目。它们按空间分布不同可分为集中式、分布式和嵌入式三大类型。国内外集中式计算机仿真系统经过模拟仿真系统、混合仿真系统和数字仿真系统三大里程碑式地发展，从20世纪80年代开始，数字仿真在计算机仿真中独占鳌头，从此以后，集中式计算机仿真系统中的计算机系统都是数字式的，而且大都采用便于独立集中管理的主机－终端的体系结构，并能进行数学仿真和半实物仿真，而且随着科学技术发展，正在虚拟化、智能化。虚拟化使得计算机仿真系统用虚拟样机取代物理样机，从而能够广泛用于复杂产品设计、军事演习、复杂操作训练、过程排演等领域。智能化使得计算机仿真系统有机地融合人工智能技术，以适应信息化的需要。同时，还应该采用“结构规模优化”方法，构造多级结构、多层结构、多段结构，进行结构分析与综合，设计高性能价格比的优化结构，从主机—终端模式，向客户机—服务器模式、集中—分布模式发展。20世纪80年代开始出现了分布交互式仿真(DIS)系统，而且发展迅速，很快由基于高层体系结构(HLA)的DIS成为其主流。多年实践表明，HLA尚有许多需要改进的地方。现在，美国国防部已经认识到HLA是必要的，但仅有HLA却是不够的。目前经济有效的方案无非是通过网络化、集成化、协同化把地理分布较广的现有仿真设施组成一个新的计算机仿真系统。现在看来，性能价格比最高者当是多微机DIS系统，它不仅具有HLA的优点，而且弥补HLA不足，使邦员内部也有重用性和互操作性，而且具有结构仿真、实况仿真和虚拟仿真等功能。当前，欲将传统DIS许多成果用到HLA中，就得考虑HLA和DIS两系统之间的互联方式。一般来说有两种方式，即网关方式和中间件方式。两者的主要区别在于:网关方式以运行一个独立的应用程序来实现相关的转换，在该方式中将外部HLA邦员和DIS实体作为输入值，然后实现两者之间的互操作，而中间件方式则将转换的实现做为应用程序的一系列类嵌入在程序中，并通过执行应用程序将DIS和HLA中的相关信息输出。基于这两种基本方式，目前有四种相关的实现技术:①打包技术将软件直接嵌入到DIS底层接口，在数据传送前将DIS数据转换成HLA数据模式，并在接收数据后将HLA数据模式转换成DIS数据格式，显然无需特殊的硬件支持。②本地化技术产生一个本地的HLA仿真，这意味着所有网络接口都要包括一个仿真软件。这样可以很好地实现所有HLA的特性，但初始化传输时大量的程序修改以及相关协议的改变。③转换器技术提供单独的应用程序，一般来说，要使用单独的计算机来完成转换功能，虽然无需对仿真程序作任何修改，但仿真延时相应有所增加。④协议接口单元(PIU)技术通过定义API函数来实现不同协议之间的转换，这是DIS/HLA转换方式中较好的选择方案。嵌入式计算机仿真系统(Embeddedcomputersimulationsystem)广泛应用于工业控制和国防系统领域。其基本特征是小型化、可随身携带，一般通过软件和硬件来实现其功能，但硬件成本较高，而软件具有灵活和成本较低等优点。软硬件划分的结果直接决定嵌入式系统设计的优劣。郑州大学信息工程学院郭金金等人(2010)提出一种新的嵌入式系统软硬件划分算法，先采用嵌入式系统转化成有向无环图，可将嵌入式系统软硬件划分问题转换成一个多条件约束问题，用蚂蚁放置于有向无环图顶点上，对系统软硬件划分准确率作为蚂蚁算法优化目标，通过蚁群算法搜索最优目标函数值，有效避免传统划分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索时间。当前嵌入式系统领域一个十分重要的研究课题是，如何让嵌入式系统在遭受侵害时保持一定的性能并安全运行。国内外广泛探索，但往往缺乏支持动态安全策略的设计思想，对嵌入式系统在遭受侵害时如何保护系统安全、保持系统的性能，并将破坏降低等方面的研究较少。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院赵国冬等人基于模式匹配方法研发了安全等级评估系统。仿真结果表明，该系统可以在不显著增加系统开销前提下，有效地阻止系统异常的产生，提高系统的弹性应对能力。无论那种类型，计算机仿真系统通常由数字计算机系统，系统实际设备(实物)和一些专用、通用设备组成，且具有现代化技术水平，兼有构造仿真、实况仿真和虚拟仿真三种功能。计算机仿真系统的中心，当然是数字计算机系统，诸如，单片机、单板机、仿真机系统、微机系统、工作站系统、小巨型机系统、多机系统等等。它们各自都包括硬、软件两部分。数字计算机的机型往往直接决定着计算机仿真系统的类型，用户可从中选择经济适用的机型。通用设备就是商品化的观测记录设备，信号发生器，声像通信设备等，而系统实际设备(实物)和一些专用设备，随仿真应用领域不同差别甚大。比如，航空航天领域的飞行仿真系统，除了需要控制系统实物以外，还需要转台、负载台、离心机、必要的模拟器和实物操作台等专用设备。

3计算机仿真系统发展的最新动态

1)多层次使能技术美国国防科学局(1997)认为，建立集成的综合仿真环境和仿真系统，必须解决实现的技术，即下述五个层次使能技术:①基础技术(光纤通讯、集成电路、软件工具、人的行为模型、环境模型等);②元、部件级技术(内存、显示、局域网、微处理器、数据库管理系统，数模转换器，建模与仿真构造工具，测试设备等);③系统级技术(微机系统，人一机界面，远距离通讯/广域网、计算机图像生成等);④应用级技术(制造过程仿真、工程设计建模与仿真，含人仿真系统，随机作战仿真等);⑤集成综合仿真环境技术(样机、规划、设计与制造，训练与备战，测试与评估等)。其中，大部份的硬件和网络能力由商业市场作为成熟产品提供，如微机系统、远距离通讯/广域网、人一机界面、计算机图像生成、数据库管理系统、局域网、光纤通讯、软件工程工具等，而有些如制造过程仿真，工程设计建模与仿真，随机作战仿真，环境模型等满足军用仿真需求者都由国防部组织解决。

毋庸置疑，歼、强击机利用航炮攻击是作战中其配合地面进行协同必须具有的基本战术。如何提高射击精度，则是利用航炮射击时必须关注的问题。笔者基于航炮武器系统的射击条件，分析了影响其射击精度的外在因素，在此基础之上，依托现有的计算机平台，设计了一套综合性仿真评估系统，并借助战例及其仿真结果阐述了开发航炮射击评估系统的实际意义。该综合性仿真评估系统既可为进一步研究航炮武器系统的效能提供技术支撑，又可从作战使用的角度为航炮的使用提供重要参考。

1影响因素分析

航炮射击的特点是：

1)攻击时需考虑攻击机进入的方向、角度和时机等。

2)受飞机性能和安全高度的限制比较大。

3)作战中需考虑气象条件。综合航炮武器使用的特点，并结合弹丸散布理论，将这一问题归纳为阵风和人为因素对航炮射击的影响。

摘要：分析了自动化运维安全管控现状，介绍了堡垒机的基本功能，并按相关要求在电力监控仿真培训系统中部署了堡垒机，提出了堡垒机“一个目标、三种角色”的培训方案，开发了堡垒机培训项目，以提高自动化运维安全管控水平。

关键词：自动化运维；安全管控；堡垒机；培训

电力行业关系到国计民生，电力监控系统的安全问题至关重要，如果维护人员违规操作导致信息安全事件，会造成难以挽回的损失和影响。堡垒机在特定的网络环境中，通过不同方式进行网络活动分析处理，确保网络安全稳定。堡垒机的安全稳定运行与企业数据安全有着直接联系。堡垒机从最早的跳板机发展为目前的第三代堡垒机，可接管终端计算机对网络和服务器的访问，并可融合多种用户使用要求，其支持的协议也逐渐增加，例如FTP协议、数据库协议、Web应用协议、网管协议等。目前电力运维堡垒机的建设工作陆续开展，但现场工作人员对堡垒机功能和使用方法的了解有待加强。本文在调度自动化仿真系统中部署堡垒机，并对学员开展堡垒机相关培训。堡垒机可在不改变业务系统原有架构的情况下实现对内部违规操作风险的有效控制，从而提升学员的职业素养，预防内部信息安全事件的发生。

1自动化运维安全管控现状

传统运维模式下，运维人员主要通过KVM（Key⁃boardVideoMouse，简称KVM）或直连信息设备进行变更、配置、备份与维护等操作，存在一定安全风险［1］。

1.1账号及授权管理混乱

1基于OpenGL的数控加工仿真系统的总体结构

OpenGL是SGI研发的一种三维图形接口，通过该接口获得的三维图形效果更为逼真，质量更高，这也是目前交互式图形处理的一个衡量标准。Win32下OpenGL是一种与硬件、窗口系统以及操作系统独立的API具有过程性特点，其命令解释模式的命令由客户发出，被服务器解释并处理，其中含有上百个库函数，在运行时只需添加相应的动态库便能够实现对OpenGL的支持。OpenGL的功能可以概括为以下几点：①几何建模。除点、线、多边形绘制函数外，OpenGL图形库还提供了椎体、多面体等复杂三维物体以及曲线、曲面绘制函数。②坐标变换。通常坐标变换主要有视图变换、造型变换、视口变换和投影变换四种，OpenGL还能完成矩阵变换以及附加剪裁面变换。③光照与材质。光照分为辐射光、镜面光、环境光和漫反射光，可设置8个光源，用光反射率表示材质。④设置颜色模式。包括颜色索引模式和RGBA颜色模式。此外还具有纹理映射、位图显示和图像增强以及双缓存实时动画和人机交互技术功能。

2数控加工仿真系统的功能模块及仿真实现

2.1加工仿真系统各功能模块

在数控切削加工过程中，实时三维仿真可根据输入的NC代码要求进行动态过程仿真，这一过程可分为数据收集和输入、几何实体模型构造、图形仿真结果交互等阶段，各阶段都赋予了相应的定义，为使动态过程仿真达到交互性、准确性和有效性的要求，应对各功能模块进行优化。系统以软件用户界面和内部计算检查过程为主体，软件用户界面由公共模块、NC代码编辑模块、仿真显示模块和加工控制模块构成，其中，公共模块对CFild类的成员函数有所继承，其功能显示在File下拉菜单；NC代码编辑模块具有强大的文本编辑功能，对于一些较为简单的加工零件无需预先编程，除一般记事本基本功能外，还设有互锁功能，可对编辑后的代码进行读写切换，更好地保护代码，保证加工顺利进行；仿真显示模块将图像和数据信息呈现在计算机屏幕上，实现动态显示，通过调节窗口便能够观察到加工工件，图像和数据信息由OpenGL收集，其处理过程为：图像操作/逐个顶点操作→光栅化→各片段操作→帧缓冲区→仿真图像显示；加工控制模块根据代码检查解释加工进给信息，整个路线为：回参考点→对刀→开始加工→暂停加工→退出加工[2]。内部计算检查过程包括内部模块和外部数据输入，内部模块由NC代码检查和解释模块、代码过滤以及内部仿真计算构成。

2.2三维模型在OpenGL中的实现

摘要：自20世纪80年代末至今，我国的仿真技术获得了极大的发展。在电力系统中，应用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电所仿真。一般说来，凡是需要有一个或一组熟练人员进行操作、控制、管理与决策的实际系统，都需要对这些人员进行培训、教育与培养。

关键词：仿真技术电力系统

自20世纪80年代末至今，我国的仿真技术获得了极大的发展。在电力系统中，应用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电所仿真。一般说来，凡是需要有一个或一组熟练人员进行操作、控制、管理与决策的实际系统，都需要对这些人员进行培训、教育与培养。早期的培训大都是经过理论讲解和现场实习，通过实际操作经验的积累来完成的，这种培训方式因是在实际运行的系统上进行操作，不仅培训成本高、培训时间长，而且有些故障只能在实际发生时才能得到实际操作的机会，致使一部分知识只有感性认识，得不到实际操作的锻炼。随着系统规模的加大、复杂程度的提高，特别是造价日益昂贵，训练时因操作不当引起的破坏而带来的损失大大增加，因此，提高系统运行安全性、可靠性事关重大。为解决这些问题，出现了培训仿真系统，模拟实际系统的工作状况和运行环境，以避免运用实际系统时可能带来的危险性及高昂的代价。

变电所培训仿真系统集仿真技术、图形图象技术、数据库等技术于一体，依据变电所电力设备实物、一次设备和二次设备接线图进行设计，如主控室、控制屏、保护屏及设备连接状况，可在模拟设备和二次接线图上进行相应操作，采用鼠标点击的操作方式，简单、直观、易学(见图1)。这种方式使变电运行人员的培训手段大大更新，提高了培训效率，缩短了培训周期。也进一步提高了运行人员的正确判断和处理事故的能力，防止事故扩大化和缩短事故处理时间，从而确保电网安全、可靠、经济运行。

图1

1变电所仿真的现状

［摘要］目的探讨基于医学影像虚拟仿真平台的考核系统（以下简称虚拟仿真考核系统）在影像断层解剖学考核中的应用效果。方法选取锦州医科大学2015、2016级五年制医学影像专业学生177人作为研究对象，其中2016级作为观察组，2015级作为对照组。观察组采用虚拟仿真考核系统进行考核，对照组采用传统考核方法，比较2组考核成绩，并采用调查问卷调查学生对考核方式的满意度。结果观察组考核成绩为（84．75±5．48）分，明显高于对照组的（71．03±7．03）分，差异有统计学意义（P＜0．05）。2组考核方式满意度比较，差异有统计学意义（P＜0．05）。结论虚拟仿真考核系统可以显著提高课程考核效率和学生满意度，能更好地促进课程教与学，让考核服务于教学，实现以能力为导向的考核目标。

［关键词］医学影像虚拟仿真系统；影像断层解剖学；虚拟教学；考核

影像断层解剖学与影像诊断学、核医学、放射医疗医学等学科有着密切联系，是现代医学重要的基础学科［1］，起着沟通基础医学与临床医学的桥梁作用，在医学教育中具有十分重要的作用和地位［2］。该课程的学习效果直接影响着未来专业课的学习。传统的考核方式主要偏向理论，容易导致学生不能将所学知识很好地与临床相结合。近年来，本校推进实施了医学影像虚拟仿真平台，在医学影像理论和实践教学研究方面提供了新的研究思路和解决方案［3］。本研究采用基于医学影像虚拟仿真平台的考核系统（以下简称虚拟仿真考核系统），建立影像断层解剖学题库，全面覆盖考点，以理论内容与实际影像图片检查相结合的方式，帮助学生构建良好的影像空间感及建立“整体－断层－整体”的影像思维方式［4］，实现了以临床实践能力为导向的考核目标。

1资料与方法

1．1一般资料选取锦州医科大学2015、2016级五年制医学影像专业学生177人作为研究对象，其中2016级作为观察组，2015级作为对照组。2组一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0．05）。1．2方法2组由同一教师授课，对照组采用传统考核方法，利用纸质试卷进行答题。观察组采用虚拟仿真考核系统进行考核。按照影像断层解剖学不同章节建立题库，每个章节根据教学大纲重点、难点比例选取影像图片，要求考点题目图片清晰、结构明确。每个章节编辑题目数不低于200个，选取的影像图片数不低于400个，上传到虚拟仿真考核系统后，根据考点编辑题目。试题难度按照比例分配，中等难度占50％，低难度占25％，高难度占25％。考试题型主要包括单选题、填空题、名词解释题、简答题。将编辑后的题目进行分类汇总，建立抽题系统，并结合雨课堂等手机软件建立线上、线下考核系统。2组考核题型一致，试题难度经教研室专家组评测一致，均为100道题，答题时间为2h，分值均为100分。2组试卷主观题部分由相同教师阅卷，统计2组考核成绩。在考核结束后，采用调查问卷调查学生对考核方式的满意度，包括教学匹配度较好、有利于实践应用、能减轻复习难度、有效反应所学知识，其中非常满意为10分，比较满意为7．5分，一般为5分，比较不满意为2．5分，非常不满意为0分。本次调查共发放问卷177份，回收有效问卷177份，有效回收率为100％。1．3统计学处理采用SPSS22．0软件进行统计学分析。计量资料以x±s表示，组间比较采用t检验。P＜0．05为差异有统计学意义。

2结果

摘要：基于MATLABGUI的《信号与系统》课程仿真平台实验设计，主要是利用MATLAB的强大功能，绘制出《信号与系统》中不同冲激函数的响应，方便对比学习不同的波形。在该仿真平台中，分别设计一个主界面和八个子界面：主界面是设计平台的总入口，通过GUIDE工具箱中的各个控件，实现对子界面的跳转，使得子界面与主界面相互联系，方便用户使用；子界面中包括《信号与系统》一书中八个章节的内容。在该平台中，用户可以反复多次地输入不同信号的不同参数，使得平台产生不同的波形，这对于研究信号的响应十分便利。

关键词：MATLAB；信号与系统；仿真平台；可视化；交互式；实验系统

随着计算机技术的不断更新发展，开发和设计可视化和交互式的《信号与系统》课程的虚拟实验平台成为必然[1-2]。通过设计仿真平台，可以让学生和老师以及其他用户直接地观看到仿真波形，使得大家对于较为晦涩难懂的原理有更好的理解和掌握，为教学和研究提供了诸多便利[3-6]。为此，具有强大的数学功能以及波形显示功能的MATLABGUI工具便成了最好的选择。利用MATLAB设计和开发的虚拟仿真实验平台可以为用户提供形象的仿真波形，显示不同信号在不同激励下的响应。与此同时，GUIDE工具中还含有各种控件，方便人们依据自己的需要创建具有不同功能的虚拟操作平台[7-10]。

1系统设计

系统总体设计如图1所示。

1.1系统设计原理

摘要：运用仿真软件系统进行数控课程教学，解决教育资源不足、教学短缺、学生操作机会少等问题。将理论知识与实际操作进行有机结合的新型教学方法，可以帮助学生更加便捷地理解数控方面的理论，加强学生对数控技术与知识的掌握能力，获得更好的教学效果。

关键词：数控；仿真软件系统；教学效果

在数控实习教学工作中，应根据实际情况选择应用数控仿真软件系统。选择与实际需要相符合的软件，能在很大程度上加强数控学科教学效果。在实际操作过程中，有效掌握数控仿真软件系统所适合的应用对象及整体范围，能帮助数控学科教师更好地对教学内容进行优化与完善，提升教学效果。通过多年积累的实际教学经验得出，宇龙数控仿真软件系统应用在数控学科的教学工作中，既能改善教学实践环节资金不足的问题，又能使理论知识与实际操作完美结合，激发学生在数控操作方面的主观能动性，提高学生的实际操作能力，并且在不断训练的过程中加强操作熟练度。数控仿真软件系统在教学工作中的运用，对于教学方法来讲是一次重要的改革，通过这种方式展开教学工作，在很大程度上减少了数控教学工作所需要花费的经济成本，并且对过去所应用的传统教学方法做出了进一步的优化，使原本抽象的问题变得更加形象。

1当前数控教学分析

从目前的实际情况来看，数控这一学科已成为各职业院校普遍重视的专业。从根本上讲，数控学科的学习是重视实践作用的，只有通过不断的实际操作，才能将数控的相关理论知识确实有效地转变成能实际应用在操作中的数控技术。数控技术在实际运用时一定要通过机床，因此，具备实践活动能力的课堂教学一定要保证有足够的硬件设备供学生进行实际操作。虽说目前职业院校在国家政策支持的背景之下引进了一些数控硬件设备，但从根本上讲，学校是进行新型人才培养的平台，并不能只注重数控教学的相关服务，因此在硬件设备的购买方面、以及学校内部教学场地不足方面都对数控技术的实际操作教学造成了一定的阻碍。同时，数控硬件设备需要操作人员自身能力较高，学生属于数控技术的初学者，暂时还没有全方位掌握数控技术的操作方法，在此基础上，直接在机床进行操作很容易造成硬件设备损坏。对此，为了保证学生实际操作的安全性以及学校方面的经济投入，越来越多的职业院校运用数控仿真软件系统与实际机床操作相结合的方法进行数控学科的教学。

2仿真软件系统在数控教学中的重要性

《电力系统分析》是电气工程及其自动化本科类教学的核心课程,做好电力系统分析实习对学生来说至关重要。电力系统分析课程涉及的知识点较多,理解起来有难度,另外由于该课程为专业限选课,在大三下学期才开课,学生对此学习积极性不高。由于该校实验室条件的限制,目前仅有1个场地和硬件资源有限的专业实验室,要开展一些涉及高压部分的实验,需要更多的资金和实验室老师去支持,但这些在短期内暂时无法解决。基于目前的现状,综合了目前常用的PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP和Matlab/simulink等常见的电力系统仿真软件的功能和结构特点,将PSCAD仿真软件用于电力系统实习中。PSCAD仿真软件具有完整的元件库,可针对不同的大小交直流系统建模,丰富的可视化界面,可使复杂的电力系统进行可视化[1]。PSCAD还可以通过特殊的接口访问和使用与Matlab命令和工具箱功能的能力,与学生常用的Matlab/simulink可以相互联系起来[2]。采用PSCAD仿真软件可以解决系统规模和复杂性限制、场地条件限制、绝对安全性和接触电力系统中的前沿技术等优点[3],保证学生实习的质量,培养学生学习该课程的积极性,为了以后的学习和工作奠定良好的基础。

1PSCAD电力系统仿真分析软件

PSCAD的概念最初是在1988年被提出,针对Windows系统的PSCAD是在1999年才[4]。目前已成为世界上功能最强大和广泛使用的电力系统仿真软件。PSCAD包括绘图功能、仪表和控制,允许用户以图形化的方式建立电力系统电路,进行仿真后对结果进行分析,还可以使用户在仿真运行中改变参数,对仿真过程进行观测等。PSCAD具备电力系统中从简单无源元件和控制功能到更加复杂的电动机、柔性交流输电设备和输电线路等设备的模型,这些模型都是经过已经编程和测试的仿真模型。如果搭建的电力系统仿真模型中,没有所需的特殊模型,PSCAD可以提供给用户自建模型。PSCAD设有主元件库,提供常用的模型有:(1)无源元件(Passive),包括电阻、电感、电容、固定/可变负载、电抗器和避雷器等;(2)电源(Source),包括电压源、电流源和光伏电源等;(3)仪表(Meters),包括频率/相位/有效值测量表、电压表和电流表等;(4)I/O设备(I/O_Devices),包括数据的导入和导出、其他软件接口和多重运行等;(5)变压器(Transformers),包括单相双/三绕组、三相双/三/四绕组和自耦变压器等;(6)断路器故障(Breakers_Faults),包括单/三相断路器及其定时控制逻辑、模拟单相和三相故障及其定时控制逻辑等;(7)输电线路电缆(Tlines_Cables),包括导纳/阻抗数据或导体/绝缘属性、地阻抗数据以及所有塔和导体的几何位置、电气接口元件等;(8)电动机(Machines),包括笼型感应电动机、绕线感应电动机、同步电动机以及励磁机、调速器、水轮机、汽轮机、风力机和内燃机等;(9)控制元件(ControlSystemsModelingFunctions),包括线性和非线性控制元件;(10)保护(Protection),包括保护信号的采集、监测和继电保护模型等;(11)其他元件(Miscellaneous),包括文件引用/读取、输入输出和节点等。PSCAD仿真软件可以用来仿真模拟进行电力系统中元件参数及其物理含义、电力系统对称和不对称故障仿真、电力系统简单和复杂潮流计算以及有功和无功功率控制等,还可以将电力系统与电力电子结合起来,比如新能源发电技术的应用和电能质量(SVC、STATCOM)的应用等。学生通过自己搭建部分模型,可以亲自操作。

2电力系统仿真实例

电力系统实习主要是去发电厂、变电站等,这些单位出于安全的需要,不会让学生参与实际的操作,往往是只能看。以电力系统故障为例,学生到现场不能体验到故障发生和处理过程,像电力单位的一些工作多年的专业人员,碰到事故和处理事故时,也可能会不知所措。一些高校通过购买专业的物理模拟仿真系统,但这些花费很高、场地大,对于该校现有的资源不可能满足。所以,电力系统中的故障,特别是单相接地短路、两相短路、两相短路接地和三相短路的横向故障,通过PSCAD仿真软件可以模拟故障发生和恢复后各个量的变化。因篇幅有限,这里仅对电力系统横向故障中的三相短路进行介绍。PSCAD软件电力系统仿真软件计算机需求:(1)MicrosoftWindowsVista或Windows7操作系统,32bit或64bit;(2)附件软件IntelFortanComposerXE20112,Microsoft.NETFramwork4.0Full3,MicrosoftVisualC++2010Redistributables;首先通过讲解PSCAD的基本知识,然后设置相关的任务要求,最后以学生为中心,自己动手搭建35kV单侧电源输电系统,如图1所示。其中BAK为断路器,Tline和Tline1的长度均为20km,每公里电抗为0.4Ω的架空线路。负载的有功功率为15MW,无功功率为5MVAR。升压变压器为三角型/星型接法,降压变压器为星型/三角形接法。通过FAULTS模块设置故障,TimedFaultLogic模块设置故障发生时间为0.08s,故障持续时间为0.04s。采用工程研究方法,通过分析数字仿真结果,找出其内在规律,然后再通过理论进行分析,对比在不同量的变化下,电力系统相关量的变化,这样可以有助于学生加深对电力系统故障知识的理解。三相短路故障时电力系统中最严重的故障,以该故障为例对其进行仿真分析。发生三相短路故障时,电源端的三相电压电流波形和故障点的三相电压、三相电流波形如图2所示。由图2可知,发生三相短路故障时,电源端的三相电压只有微小的波动,没有发生显著的变化;电源端的三相电流幅值增大,A相电流呈整体上升趋势,B相和C相电流呈整体下降趋势。故障点电压由于发生三相短路,电压均为0V,当故障切除后,三相电压发生暂态波动,但很快就恢复到正弦变化;在故障发生前,由于故障发生器处于断开状态,因此故障点处的三相电流均为0A,在发生三相短路故障后,由于闭合时有初始输入量和初始状态量,故障点三相幅值都变大,并且A相电流波形上移,C相电流波形下移,在故障排除后,三相电流迅速变为0A。通过电力系统仿真,可以产生如下实习效果:(1)加深了专业理论知识,理论联系实际,有助于学生提高计算机应用、查找文献、分析问题和解决问题的能力;(2)对于电力系统更为复杂的建模系统,学生可以组成团队进行建模,培养团队合作和创新精神;(3)提高了学生学习的积极性,学生根据布置的任务主动去学习,激发了学生学习的欲望,每处理完一个小问题他们感到很有成就感。以上这些都为以后的工作和研究打下坚实的基础。

3结语