計算機仿真和可視化設計(一)

計算機仿真和可視化設計

基于LabVIEW的工程軟件應用

目錄

1LABVIEW概述

2LABVIEW模板簡介

3創(chuàng)建VI程序

4LABVIEW結構

?5LABVIEW數(shù)據(jù)類型

?6圖表及圖形

1字符串和文件I/O

8數(shù)據(jù)采集

9工程仿真和設計常用編程技法

?10虛擬設備實例水環(huán)境工程仿真軟件

11附錄

9工程仿真和設計常用編程技法

9.1創(chuàng)建用戶自己的控件或指示器

s9.1.1創(chuàng)建用戶控件或指示器的步驟

89.1.2編輯用戶控件或指示器

89.1.3用戶控件的部件

?9.2虛擬設備的控件屬性及其可視化應用

89.2.1屬性節(jié)點的創(chuàng)建和使用

e9.2.2用可見屬性節(jié)點調(diào)用參考規(guī)范和重設參數(shù)

69.2.3用位置屬性設置部件位置

e9.2.4用尺度屬性節(jié)點實現(xiàn)動態(tài)顯示

?:*9.3向容器內(nèi)注入流體

9.4用控件指定工作模式和類型

9工程仿真和設計常用編程技法

?9.5LabVIEW程序成批地獲得數(shù)據(jù)

?9.6用數(shù)學模型進行驗證性虛擬實驗

?9.7用虛擬設備展示實驗和設計項目運行結果

9.8循環(huán)迭代處理多因素交互作用

9.9反應動力學控制過程的反應器動力學

e9.9.1零維反應器模型

e992推流式反應器模型

?9.10用當量因子和短板效應處理多因素反應

9.11程序的自學習和參數(shù)重設

學習指導

?LabVIEW提供的用戶控件編輯器可以建

立具有特征形象的模擬控件，用于工程

仿真；

*掌握屬性節(jié)點(PropertyNode)的概

念，設置前面板對象的屬性，可以實現(xiàn)

運行時的計算機動態(tài)模擬和仿真，體現(xiàn)

更好的人機交互功能；

學習要點

LabVIEW提供的用戶控件編輯器可以建立具有特征形

象的模擬控件，用于工程仿真；

掌握屬性節(jié)點(PropertyNode)的概念，設置前面板

對象的屬性，可以實現(xiàn)運行時的計算機動態(tài)模擬和仿

真，體現(xiàn)更好的人機交互功能；

*掌握應用幾種反應動力學編程操作，學習將反應動力

學作為子VI運行于后臺的反應器動力學編程；

?學習LabVIEW環(huán)境下項目選擇、使用數(shù)據(jù)庫的實用技

法。學習使用數(shù)學模型和再現(xiàn)驗證性實驗結果的實用

技法；

學習LabVIEW環(huán)境下曲線擬合和程序自學習實用技法。

9.1創(chuàng)建用戶自己的控件或指示器

接近的控件或指示器作模本，并在此基礎

上進行修改。

5.保存完成的控件或指示器。

創(chuàng)

建

演

示

變速水泵

9.1.2編輯用戶控件或指示器

控件編輯器只允許包含一個控件，盡管該用戶控件可以包含一人具

有許多控件的簇。只包含一個控件的用戶控件才是有效的。使用控

柞編輯器來改變控件或指示器的顏色、尺寸、相對位置和顯示圖形。

1.使用選擇工具選取準備編輯的控件和指示器，母次只能對一人控件

或指示器進行編輯，編輯工作則在出現(xiàn)的控件編輯器前面板市進行。

2.在編輯菜單下選擇編輯用戶控件條目。

3.用與編輯VI前面板時一樣的方法，調(diào)整控件或指示器的顏色、尺寸

和相對位置。

4.在準備編輯的控件和指示器彈出窗口選擇PictureItem來選擇一個

圖形。

5.在編輯器窗口文件菜單用File?ApplyChanges保存修改。

IncrementArrow

nosliderNameLabel

月-

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三$o

3s

ZcalIe4oHousing

都

*會

Slider

對

E2o任

s

的

他

傘QoUnitLabel

a

DecrementArrow

9.2.1屬性節(jié)點的創(chuàng)建和使用

1、屬性節(jié)點的創(chuàng)建

Tank

「ank|

|rwi|

用途何用性水位

此池為備用水源0J35.00

/|HIIIMIk/Cll.k/12|||J|~|IT乂mo

控.一匚尼

1回T.-X

FileEditOperateToolsBrowseWindowHelp

曲二面

12ptApplicationFont二|怎"產(chǎn)

件|o|畫同回同祖

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Vis；viAJ

-ChangeAllToWrite

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CapDescriptionandTip.,t

LaSetBreakpoint

ChangeToWrite

Properties，1ClassID

AddElementOwner

RemoveElementOwningVI

HelpForVisible

:Position?l;AllElements

Create>Bounds?

Replace>

/Visible

SelectVIServerClassbDisabled

Ssl*€tVISACla&s,KeyFocus

SelectActmXClwsx>Blinking

VTL03>Caption?

SelectIRASClas5>Label?

DowBc^sttoCla&sValue

NameFormat>Description

DisconnectFromControlKeyNavigation

Linkto>TypeDescriptor

IgnoreErrorsinsideNodeTipStrip

DataSocket?

TankFormat&Precision>

10-DataRange，

8-OutofRangeAction

UnitLabelVisible

6-

4-HousingSize

ActiveSlider

SliderColors

0-TextLabels[]

DigitalDisplays[]

FillStyle

FillColor

Scale

&2.2“可見屬性”調(diào)用規(guī)范和重設參數(shù)演

9.2.3用位置屬性設置部件位置

?在構建設備模型進行設計性實驗時，經(jīng)常需

要調(diào)整各個部件的位置和尺寸，以完成相應

的實驗要求。利用LabVIEW創(chuàng)造的虛擬設

備不僅能獲得設計設備的直觀形象，而且能

進行獲得模型的實驗，檢驗設計工作的可行

性。

?例9-6構建沉降柱裝置的虛擬設備，要求使

用位置屬性，在設計性實驗中為沉降柱設置

取樣口，并最終用于水處理實驗，文件名

e9_6.vio

癌e9_6.vi

用

位

置

屬

性

設

置

部

件

位

置

演

示

924用尺度屬性節(jié)點實現(xiàn)動態(tài)顯示

?使用控件的尺度屬性節(jié)點，在虛擬設備

的仿真實驗，可以實現(xiàn)動態(tài)顯示部件的

尺寸。

*例9-7構建模仿固定床的膨脹的虛擬設備，

使用尺度屬性節(jié)點實現(xiàn)動態(tài)顯示床身膨

脹的真實情況，文件名e9_7.vi。

用尺度屬性節(jié)點實現(xiàn)動態(tài)顯示演示

動態(tài)展現(xiàn)簡支梁多力的位置和大小

?:?構建集中力和均布力特色控件，使用

屬性節(jié)點，使之動態(tài)展現(xiàn)簡支梁上施

加力的位置和大小，新文件名

jz2p2q.vio

動態(tài)展現(xiàn)簡支梁多力的位置和大小

G自Applicati刁向^］商

2集中、2均布力作用下

簡支梁的剪力、彎矩與模度

梁長度(m)___________________________

1200000

集中力屬性M(x)N.

60.0

max

M_jnin

-20.0--22.70

均布力屬性

10.0-

-1490

-10.0-

q3(I/B)

-20.0-1

y(x)mm

y_max

y_mm

q4(1/■)

「8.0

6.0

LabVIEW程序成批地獲得數(shù)據(jù)

?：?有效率的程序需要數(shù)據(jù)庫的支持。調(diào)用數(shù)據(jù)

庫建立二維常數(shù)數(shù)組的操作過程，包括將資

料來源，二維數(shù)據(jù)庫磁盤文件轉(zhuǎn)換成文本

(TXT)格式，將文本文件內(nèi)容調(diào)入二維常

數(shù)數(shù)組的。

例9-10建立虛擬儀器將二維數(shù)據(jù)庫文件以

常數(shù)數(shù)組的形式供LabVIEW使用，并向文

字環(huán)中成批寫入字符串。

LabVIEW程序成批地獲得數(shù)據(jù)

9.8循環(huán)迭代處理多因素交互作用

定義：容積V；底物A反應速率是Z的

底物實時濃度CA，CB；函數(shù)

底物初始濃度CAO,CBO；

交互作用量，Y=CACB,Z=

C/B；底物A遵循一級反應

實時濃度CA

反應時間T

步長At

交互作用量Y遵循一級反應,

實時濃度CB

預測

□回

9.9反應動力學控制過程的反應器動力學

?反應動力學與反應器動力學

卬工程應用除了要考慮反應動力學外，還特別重視

對反應器動力學的研究。虛擬設備運行時，把反

應動力學置于后臺控制反應過程，將反應器的物

料平衡和各時間、空間點的狀態(tài)，經(jīng)動力學模型

計算，以可視化方法進行實時顯示，這對工程設

計和模擬預測都具有極其重要的意義。

?:?應用后臺控制的虛擬設備

連續(xù)流反應器模型

?一個同時具有進水和出水的虛擬設備反應器，

其反應器內(nèi)的物料容積與水力平衡有關，是一

個變化的量。

?:?反應器的進水由水泵提供，以重力為驅(qū)動的出

水流量的平方則與水深成正比。比例系數(shù)可根

據(jù)排放閥門完全開啟的實際流量確定。

反應動力學置于后臺控制反應過程

?VI文件名為e9_14.vi。

工m卜一心?一進入流量-輸出流量m止工

現(xiàn)水位=原水位+------------------------x時間步長

反應器截面積

連續(xù)流反應器模型

推流式反應器模型

與零維模型不同，推流式反應器僅在橫截面上

處于均勻的混合狀態(tài)，而沿流動方向，處于不

斷變化的狀態(tài)，即底物濃度是X的函數(shù)。

例9-15一個左側進水右側出水的推流式反應器,

推流式反應器的進水流量、反應器橫截面積和

進水底物濃度都是可控量。虛擬設備表現(xiàn)沿程

發(fā)生反應的結果。

?虛擬設備文件為e9_15.vi。一個隨動的檢測裝置

可以根據(jù)推流的沿程位置測定該點的底物濃度。

由于反應底物相同，反應底物遵循的反應動力

學與完全混合的連續(xù)流反應器一樣。

推流式反應器模型

用當量因子和短板效應處理多因素反應

“短板效應”是一種基本效應。

一只木桶能盛多少水，取決于桶幫上的最短的

木板。

存在于多種底物之間反應，對于參與的各種底

物的需求在數(shù)量上是不對稱的，所以首先要獲

得能夠進行相互比較的數(shù)值，稱為當量指數(shù)。

按照反映平衡關系的當量系數(shù)求得各種底物的

反應參與量，多余部分認為與反應無關，稱為

長板裕量。以限制性因子的反應模式為依據(jù)實

施反應，并將結果與長板裕量進行疊加獲得最

級結果Q

1房板效應”的虛擬設備。VI文件e9_16.vi。

當量因子和短板效應

e9_16.vi■□E?

FileEditOperateToolsBrowseWindowHelp

tApplicationFont▼|"QT,*|剪▼]H

理板效應的受盤茶效法義理多因素反應

當量系數(shù)

初始濃度9。終給濃度

反應速率Q/h）

即k

長板裕量

2

限制性因子

匏板項）

^6.00反應歷時圖）

反應后

3.49當量指數(shù)

程序的自學習和參數(shù)重設

?數(shù)學模型必須經(jīng)過實踐對于模型的反復檢驗和多

次修改，建立數(shù)學模型的一般步驟如圖。

程序能夠自動將獲取的新觀測數(shù)據(jù)組，滾動代替

舊的觀測數(shù)據(jù)組并以此為根據(jù)重新設置數(shù)學模型,

這就是程序的自學習。

自學習模型編程要點

編程要點：

3需要提供足夠數(shù)量的基礎數(shù)據(jù)組，程序不斷用

自動獲取的新數(shù)據(jù)，對基礎數(shù)據(jù)組滾動更新。

3使用更新后的基礎數(shù)據(jù)組，選擇適當?shù)哪Ｐ徒Y

構進行曲線擬合。

8使用局部變量或全局變量調(diào)整初始參數(shù)，完成

程序的自學習。

系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性

更新數(shù)據(jù)相對于基礎數(shù)據(jù)組的數(shù)量關系決定

了的系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性。

要提高系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定性可以減小更新數(shù)據(jù)

比，也可以劃出部分基本數(shù)據(jù)，對這部分基

本數(shù)據(jù)始終不作更新。

③本例中，基礎數(shù)據(jù)組共有200組數(shù)據(jù)，如果新入

數(shù)據(jù)量的XY關系與原來的不同，按照每次5個的

方法滾動更新數(shù)據(jù)。面板上有一個底艙位控件，

對這部分數(shù)據(jù)始終不作更新。

能夠自學習修正初始參數(shù)文件e918.vi

原始粼焉數(shù)據(jù)在更新參

Y=rr

士三

重新獲得的mO和

bO,通過局部變量

為原始控件賦值，MS

電完成自學習。

X和Y兩個序列

自學習線性結構模型

e9_18.vi?

FileerateToolsBrowseWindowHelp

?[12ptApplicationFont▼]回|^3畫

曲線擬合與程序的自學習尸口XYGraph

b10°-

a8.0.

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Q6.

I

I

d40

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2.0

oo-i

10實例水環(huán)境工程仿真

?10.1水環(huán)境工程虛擬設備仿真實驗簡介

810.1.1虛擬儀器和設備的仿真實驗

m10.1.2WEEfz_3.5的安裝和使用

810.1.3WEEfz_3.5的菜單

?10.2水泵后水泵站

e10.2.1水泵與水泵站子模塊

e10.2.2水泵的系統(tǒng)工況和特性曲線

e10.2.3水泵的調(diào)速和換輪工況

e10.2.4泵站配制和調(diào)度

e10.2.5多泵多塔多節(jié)點供水問題

?10.3給水工程實驗

10.3.1過濾實驗

10.3.2自由沉淀

e1033絮凝沉淀

10實例水環(huán)境工程仿真

?10.4排水工程實驗

a10.4.1擁擠沉淀與壓縮實驗

e10.4.2充氧實驗和曝氣設備效率測定

elO.4.3吸附實驗

?10.5污水處理實驗和設計

e10.5.1活性污泥法污水處理

e10.5.2壓力溶氣氣浮實驗

e10.5.3生物轉(zhuǎn)盤污水處理

e10.5.4曝氣生物濾池工藝實驗

?10.6水環(huán)境工程設計性實驗

e10.6.1水環(huán)境工程設計性實驗任務

e10.6.2水環(huán)境工程設計性實驗指導書

水環(huán)境工程仿真軟件學習指導

綜合應用本教程的一個系統(tǒng)軟件實例。

作為一個完整的LabVIEW開發(fā)實例，集軟

件使用說明書和水環(huán)境工程仿真和設計性

實驗的指導書于一體，深層次地揭示水環(huán)

境工程系統(tǒng)隨時間動態(tài)變化的規(guī)律，可以

進行全工況操作和學習。

非環(huán)境工程專業(yè)的讀者可以借鑒界面的組

織方法。

學習要點

。體會LabVIEW提供的“所見即所得”應用

軟件，如何應用于學校的仿真實驗教學，

對于教學改革有怎樣的意義；

?:?學習如何利用虛擬設備進行仿真實驗，取

得實驗數(shù)據(jù)、演練實驗設計、比較實驗方

案和對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行處理；’

學習如何利用虛擬設備進行可視化設計。

口1和干模塊調(diào)用

水泵與水泵站子程序

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錄音機

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水泵和泵站給水實驗排水實驗污水處理高級實驗Exit

水

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Windows資源

管理器水環(huán)境工程仿真實彌

與與設計性實瞼

快捷方式到

添加或刪VIWEEfz3.5

水

National

lustrums.

泵安俄工業(yè)大學林綻工程系

蔡建安

站

我的文檔給水實驗排水實驗污水處理停止

屏幕教鞭exefiriy

SlimtnSize,

泵站配制和調(diào)度

?:?泵站中，在解決水量、水壓的供求矛盾時，蘊藏著

豐富的節(jié)能潛力。使用多臺定速泵和調(diào)速泵的水泵

組合，則可以在更大范圍內(nèi)適應用水量的變化，但

由于出現(xiàn)了眾多的方案選擇，也給調(diào)度工作帶來了

難度。用管路性能和水泵特性參數(shù)建立起的虛擬儀

器，通過的仿真操作在設計階段，根據(jù)用戶需求來

確定泵站的配置方案，在運行階段對水泵工況加以

優(yōu)化調(diào)度，為泵站設計和調(diào)度人員在解決供求矛盾

的同時，實行節(jié)能措施提供了有力的工具。

二定二調(diào)的泵站配置

圖10-7二定二調(diào)的泵站的配置示意圖

二定二調(diào)泵站運行

泵站配置和調(diào)度的操作流程

泵站配制和調(diào)度

港2定2調(diào)ruviE?區(qū)I

二定二調(diào)泵站配置和調(diào)度系統(tǒng)

STOP安*工或大等的舞水美■麥V

定1

泵1管阻s2/m5費Q0HxGn)定2泵2管聞0m5多更?二|?x

$師西］定2流量L/s三室I

定1流量L/sSxs2/m5

J263-r00-IIIiIII1100.00

-------------01002003004005005-----------

0100200300400500

供水系統(tǒng)特性用戶靜物程J調(diào)2

m調(diào)速比新而一調(diào)1調(diào)速比4P.97

50.0-1=0.8,0,90.80.9^ooj

G◎

運行效率%

40.0-運行1效塞%2

S

0.71.0

0710HxGn)

^08|MxGr?)

泵巖阻

泵3管附s2/m5-4627m5

M力河nn4kl

|羿°口口

和00|Sxs2/m5Sxs2/m5

^|io^oo~|理流量L/s3

管道阻俏調(diào)1流量L/s

s2/n>5

0.0250.0500.0

給水工程實驗

回

給自由沉降虛擬實驗系統(tǒng)

安*工業(yè)大學給捧木專業(yè)M胭

4.2-

畚考濃度

沉降時間Sin)

4.0-

200-

SSmg/L

1Z0

沉淀柱直徑(cm)

水14U

50-

2。-

3.5二

150-

原本濃度SSm*L：

45-

采樣口高度(5)

工100-