计算机仿真和可视化设计

1. 计算机仿真和可视化设计 ——基于LabVIEW的工程软件应用 蔡建安 陈洁华 张文艺

2. 目录 • 1LABVIEW概述 • 2LABVIEW模板简介 • 3创建VI程序 • 4LABVIEW结构 • 5LABVIEW 数据类型 • 6图表及图形 • 7字符串和文件I/O • 8数据采集 • 9工程仿真和设计常用编程技法 • 10虚拟设备实例水环境工程仿真软件 • 11附录

3. 9工程仿真和设计常用编程技法 9.1创建用户自己的控件或指示器 • 9.1.1 创建用户控件或指示器的步骤 • 9.1.2 编辑用户控件或指示器 • 9.1.3 用户控件的部件 • 9.2虚拟设备的控件属性及其可视化应用 • 9.2.1 属性节点的创建和使用 • 9.2.2 用可见属性节点调用参考规范和重设参数 • 9.2.3 用位置属性设置部件位置 • 9.2.4 用尺度属性节点实现动态显示 • 9.3向容器内注入流体 • 9.4用控件指定工作模式和类型

4. 9工程仿真和设计常用编程技法 • 9.5LabVIEW程序成批地获得数据 • 9.6用数学模型进行验证性虚拟实验 • 9.7用虚拟设备展示实验和设计项目运行结果 • 9.8循环迭代处理多因素交互作用 • 9.9反应动力学控制过程的反应器动力学 • 9.9.1 零维反应器模型 • 9.9.2 推流式反应器模型 • 9.10用当量因子和短板效应处理多因素反应 • 9.11程序的自学习和参数重设

5. 学习指导 • LabVIEW 提供的用户控件编辑器可以建立具有特征形象的模拟控件，用于工程仿真； • 掌握属性节点（Property Node）的概念，设置前面板对象的属性，可以实现运行时的计算机动态模拟和仿真，体现更好的人机交互功能；

6. 学习要点 • LabVIEW 提供的用户控件编辑器可以建立具有特征形象的模拟控件，用于工程仿真； • 掌握属性节点（Property Node）的概念，设置前面板对象的属性，可以实现运行时的计算机动态模拟和仿真，体现更好的人机交互功能； • 掌握应用几种反应动力学编程操作，学习将反应动力学作为子VI运行于后台的反应器动力学编程； • 学习LabVIEW环境下项目选择、使用数据库的实用技法。学习使用数学模型和再现验证性实验结果的实用技法； • 学习LabVIEW环境下曲线拟合和程序自学习实用技法。

7. 9.1创建用户自己的控件或指示器 • 用户控件编辑器没有程序框图，所以不能运行。工具条上没有运行按钮，而代之以控件编辑器的状态按钮。 • 9.1.1 创建步骤 • 选择 File»New. 获得对话框； • 在Create new 条目下选择 Control； • 单击 OK，出现控件编辑器窗口； • 放入一个与需要创建的控件和指示器最为接近的控件或指示器作模本，并在此基础上进行修改。 • 保存完成的控件或指示器。

8. 创建演示

9. 变速水泵

10. 9.1.2 编辑用户控件或指示器 • 控件编辑器只允许包含一个控件，尽管该用户控件可以包含一个具有许多控件的簇。只包含一个控件的用户控件才是有效的。使用控件编辑器来改变控件或指示器的颜色、尺寸、相对位置和显示图形。 • 使用选择工具选取准备编辑的控件和指示器，每次只能对一个控件或指示器进行编辑，编辑工作则在出现的控件编辑器前面板中进行。 • 在编辑菜单下选择编辑用户控件条目。 • 用与编辑VI前面板时一样的方法，调整控件或指示器的颜色、尺寸和相对位置。 • 在准备编辑的控件和指示器弹出窗口选择 Picture Item来选择一个图形。 • 在编辑器窗口文件菜单用 File»Apply Changes 保存修改。

11. 9.1.3 用户控件的部件 • 用户的控件或指示器是由多个部件组成。例如一个slide控件就是由滑块、模壳导轨、增量和减量箭头，数字标尺和标牌组成。 • 在编辑模式下，用户模式下隐藏的部件都会显示出来，每个部件变成相互独立的，对任何一个部件加以编辑时，都不会影响其他的组成部件。

12. 9.2.1 属性节点的创建和使用 1、属性节点的创建 • 选择对象，在快捷菜单上选Create/ Property Node，则在框图上出现属性节点。将鼠标停留在属性节点的右下角，按住左键向下拖拉，展现出一系列属性节点。 2、属性节点的使用 • 属性节点按照其提供数据和接受数据的不同作用有Read 和Write 两种类型，连线时象control和 indicator 端口一样使用。

13. 控件属性及其应用演示

14. 9.2控件属性及其应用

15. 9.2.2 “可见属性”调用规范和重设参数演示

16. 9.2.3 用位置属性设置部件位置 • 在构建设备模型进行设计性实验时，经常需要调整各个部件的位置和尺寸，以完成相应的实验要求。利用LabVIEW创造的虚拟设备不仅能获得设计设备的直观形象，而且能进行获得模型的实验，检验设计工作的可行性。 • 例9-6 构建沉降柱装置的虚拟设备，要求使用位置属性，在设计性实验中为沉降柱设置取样口，并最终用于水处理实验，文件名e9_6.vi。

17. 用位置属性设置部件位置演示

18. 9.2.4用尺度属性节点实现动态显示 • 使用控件的尺度属性节点，在虚拟设备的仿真实验，可以实现动态显示部件的尺寸。 • 例9-7 构建模仿固定床的膨胀的虚拟设备，使用尺度属性节点实现动态显示床身膨胀的真实情况，文件名e9_7.vi。

19. 用尺度属性节点实现动态显示演示

20. 动态展现简支梁多力的位置和大小 • 构建集中力和均布力特色控件，使用属性节点，使之动态展现简支梁上施加力的位置和大小，新文件名jz2p2q.vi。

21. 动态展现简支梁多力的位置和大小

22. LabVIEW程序成批地获得数据 • 有效率的程序需要数据库的支持。调用数据库建立二维常数数组的操作过程，包括将资料来源，二维数据库磁盘文件转换成文本（TXT）格式，将文本文件内容调入二维常数数组的。 • 例9-10 建立虚拟仪器将二维数据库文件以常数数组的形式供LabVIEW使用，并向文字环中成批写入字符串 。

23. LabVIEW程序成批地获得数据

24. 定义：容积V； 底物实时浓度CA，CB； 底物初始浓度CA0，CB0； 交互作用量，Y=CACB，Z= CA/CB； 底物A反应速率是Z的函数 底物A遵循一级反应 实时浓度CA 预测 反应时间T 步长Δt 交互作用量Y遵循一级反应， 实时Y预测 实时浓度CB 预测 9.8循环迭代处理多因素交互作用

25. 循环迭代处理多因素交互作用 生成匹配的循环总数 设置时间步长 确定计算的基本单元 该循环结束后B的浓度 一级反应运算子程序 某循环结束后A的浓度 作为下个循环开始的浓度初值

26. 9.9反应动力学控制过程的反应器动力学 • 反应动力学与反应器动力学 • 工程应用除了要考虑反应动力学外，还特别重视对反应器动力学的研究。虚拟设备运行时，把反应动力学置于后台控制反应过程，将反应器的物料平衡和各时间、空间点的状态，经动力学模型计算，以可视化方法进行实时显示，这对工程设计和模拟预测都具有极其重要的意义。 • 应用后台控制的虚拟设备

27. 连续流反应器模型 • 一个同时具有进水和出水的虚拟设备反应器，其反应器内的物料容积与水力平衡有关，是一个变化的量。 • 反应器的进水由水泵提供，以重力为驱动的出水流量的平方则与水深成正比。比例系数可根据排放阀门完全开启的实际流量确定。 • 反应动力学置于后台控制反应过程 • VI文件名为e9_14.vi。

28. 连续流反应器模型

29. 推流式反应器模型 • 与零维模型不同，推流式反应器仅在横截面上处于均匀的混合状态，而沿流动方向，处于不断变化的状态，即底物浓度是 x 的函数。 • 例9-15 一个左侧进水右侧出水的推流式反应器，推流式反应器的进水流量、反应器横截面积和进水底物浓度都是可控量。虚拟设备表现沿程发生反应的结果。 • 虚拟设备文件为e9_15.vi。一个随动的检测装置可以根据推流的沿程位置测定该点的底物浓度。由于反应底物相同，反应底物遵循的反应动力学与完全混合的连续流反应器一样。

30. 推流式反应器模型

31. 用当量因子和短板效应处理多因素反应 • “短板效应”是一种基本效应。 • 一只木桶能盛多少水，取决于桶帮上的最短的木板。 • 存在于多种底物之间反应，对于参与的各种底物的需求在数量上是不对称的，所以首先要获得能够进行相互比较的数值，称为当量指数。按照反映平衡关系的当量系数求得各种底物的反应参与量，多余部分认为与反应无关，称为长板裕量。以限制性因子的反应模式为依据实施反应，并将结果与长板裕量进行叠加获得最终结果。 • “短板效应”的虚拟设备。VI文件 e9_16.vi。

32. 多种参与反应底物的初始浓度值 反映底物间平衡关系的当量系数 当量指数： 寻求短板 限制性因子的编号和数值 反应时间，反应速率 反应模式 长板裕量预测 浓度预测 反应结果 当量因子和短板效应

33. 当量因子和短板效应

34. 观测数 据组 模型结 构选择 参数 估计 模型 应用 检验与验证 新观测数据组 程序的自学习和参数重设 • 数学模型必须经过实践对于模型的反复检验和多次修改，建立数学模型的一般步骤如图。 • 模型的建立是一个逐步完善的过程，由于外部条件的变化，需要不断调整模型的参数。 • 程序能够自动将获取的新观测数据组，滚动代替旧的观测数据组并以此为根据重新设置数学模型，这就是程序的自学习。

35. 自学习模型编程要点 • 编程要点： • 需要提供足够数量的基础数据组，程序不断用自动获取的新数据，对基础数据组滚动更新。 • 使用更新后的基础数据组，选择适当的模型结构进行曲线拟合。 • 使用局部变量或全局变量调整初始参数，完成程序的自学习。

36. 系统参数稳定性 • 更新数据相对于基础数据组的数量关系决定了的系统参数稳定性。 • 要提高系统参数的稳定性可以减小更新数据比，也可以划出部分基本数据，对这部分基本数据始终不作更新。 • 本例中，基础数据组共有200组数据，如果新入数据量的XY关系与原来的不同，按照每次5个的方法滚动更新数据。面板上有一个底舱位控件，对这部分数据始终不作更新。

37. 能够自学习修正初始参数文件e9_18.vi 原始数据是按照 Y =m0 x +b0 关系形成的 新数据在更新参数估值的基础数据组 新数据是按照 Y =m1 x +b1 关系形成的 并存在10%的误差 重新获得的m0和b0 ，通过局部变量为原始控件赋值，完成自学习。 这样形成的数据共有200组，形成： X和Y两个序列 底舱位控制着不更新的基础数据

38. 自学习线性结构模型

39. 10实例水环境工程仿真 • 10.1水环境工程虚拟设备仿真实验简介 • 10.1.1 虚拟仪器和设备的仿真实验 • 10.1.2 WEEfz_3.5的安装和使用 • 10.1.3 WEEfz_3.5的菜单 • 10.2水泵与水泵站 • 10.2.1 水泵与水泵站子模块 • 10.2.2 水泵的系统工况和特性曲线 • 10.2.3 水泵的调速和换轮工况 • 10.2.4 泵站配制和调度 • 10.2.5 多泵多塔多节点供水问题 • 10.3给水工程实验 • 10.3.1 过滤实验 • 10.3.2 自由沉淀 • 10.3.3 絮凝沉淀

40. 10实例水环境工程仿真 • 10.4排水工程实验 • 10.4.1 拥挤沉淀与压缩实验 • 10.4.2 充氧实验和曝气设备效率测定 • 10.4.3 吸附实验 • 10.5污水处理实验和设计 • 10.5.1 活性污泥法污水处理 • 10.5.2 压力溶气气浮实验 • 10.5.3 生物转盘污水处理 • 10.5.4 曝气生物滤池工艺实验 • 10.6水环境工程设计性实验 • 10.6.1 水环境工程设计性实验任务 • 10.6.2 水环境工程设计性实验指导书

41. 水环境工程仿真软件学习指导 综合应用本教程的一个系统软件实例。 作为一个完整的LabVIEW开发实例，集软件使用说明书和水环境工程仿真和设计性实验的指导书于一体，深层次地揭示水环境工程系统随时间动态变化的规律，可以进行全工况操作和学习。 非环境工程专业的读者可以借鉴界面的组织方法。

42. 学习要点 • 体会LabVIEW 提供的“所见即所得”应用软件，如何应用于学校的仿真实验教学，对于教学改革有怎样的意义； • 学习如何利用虚拟设备进行仿真实验，取得实验数据、演练实验设计、比较实验方案和对获得的实验数据进行处理； • 学习如何利用虚拟设备进行可视化设计。

43. 菜单调用和子模块调用

44. 水泵与水泵站子程序 • 由水泵工况、泵站配置和调度、多泵多塔多节点三个板块构成。 • 它们分别展现了多种水泵原型和调速、换轮状况下的特性曲线和运行工况； • 在二定二调泵站系统配置下，根据不同的供水要求和调度操作，泵站系统表现的工况； • 多泵多塔多节点实验则用于解决多台泵与不同水位水塔联合工作于多节点上的多水源供水系统中的水力平衡问题。

45. 水泵与水泵站

46. 泵站配制和调度 • 泵站中，在解决水量、水压的供求矛盾时，蕴藏着丰富的节能潜力。使用多台定速泵和调速泵的水泵组合，则可以在更大范围内适应用水量的变化，但由于出现了众多的方案选择，也给调度工作带来了难度。用管路性能和水泵特性参数建立起的虚拟仪器，通过的仿真操作在设计阶段，根据用户需求来确定泵站的配置方案，在运行阶段对水泵工况加以优化调度，为泵站设计和调度人员在解决供求矛盾的同时，实行节能措施提供了有力的工具。

47. Hst Hx:76.25m Sx:100s2/m5 S0 4台 SH14-10 D1，D2定速泵 T1，T2调速泵 S0, 站外管路特性 S1-S4: 站内管路 A S4 S1 S3 S2 D2 T11 T2 D1 图10-7 二定二调的泵站的配置示意图 二定二调的泵站配置

48. 开始 确定泵站配置 泵特性 费用估算 站内管路 计算功率 用户扬程流量 开定泵 查欠流量 计算各 泵流量 站外管路特性 查效率 调速比 调整 开调泵 泵站配置和调度的操作流程 二定二调泵站运行

49. 泵站配制和调度

50. 给水工程实验