计算机仿真和可视化设计(一)

计算机仿真和可视化设计

基于LabVIEW的工程软件应用

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

1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

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

s9.1.1创建用户控件或指示器的步骤

89.1.2编辑用户控件或指示器

89.1.3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

89.2.1属性节点的创建和使用

e9.2.2用可见属性节点调用参考规范和重设参数

69.2.3用位置属性设置部件位置

e9.2.4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

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

e9.9.1零维反应器模型

e992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

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(PropertyNode)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；

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(PropertyNode)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。

9.1创建用户自己的控件或指示器

接近的控件或指示器作模本，并在此基础

上进行修改。

5.保存完成的控件或指示器。

创

建

演

示

变速水泵

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人具

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

柞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。

1.使用选择工具选取准备编辑的控件和指示器，母次只能对一人控件

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市进行。

2.在编辑菜单下选择编辑用户控件条目。

3.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。

4.在准备编辑的控件和指示器弹出窗口选择PictureItem来选择一个

图形。

5.在编辑器窗口文件菜单用File»ApplyChanges保存修改。

IncrementArrow

nosliderNameLabel

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Slider

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DecrementArrow

9.2.1属性节点的创建和使用

1、属性节点的创建

Tank

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用途何用性水位

此池为备用水源0J35.00

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FileEditOperateToolsBrowseWindowHelp

曲二面

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ChangeToWrite

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AddElementOwner

RemoveElementOwningVI

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Create>Bounds►

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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“可见属性”调用规范和重设参数演

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.vio

癌e9_6.vi

用

位

置

属

性

设

置

部

件

位

置

演

示

924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。

用尺度属性节点实现动态显示演示

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.vio

动态展现简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

简支梁的剪力、弯矩与模度

梁长度(m)___________________________

1200000

集中力属性M(x)N.

60.0

max

M_jnin

-20.0--22.70

均布力属性

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。

LabVIEW程序成批地获得数据

9.8循环迭代处理多因素交互作用

定义：容积V；底物A反应速率是Z的

底物实时浓度CA，CB；函数

底物初始浓度CAO,CBO；

交互作用量，Y=CACB,Z=

C/B；底物A遵循一级反应

实时浓度CA

反应时间T

步长At

交互作用量Y遵循一级反应,

实时浓度CB

预测

□回

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

卬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

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。

工m卜一心»一进入流量-输出流量m止工

现水位=原水位+------------------------x时间步长

反应器截面积

连续流反应器模型

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。

推流式反应器模型

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

级结果Q

1房板效应”的虚拟设备。VI文件e9_16.vi。

当量因子和短板效应

e9_16.vi■□E®

FileEditOperateToolsBrowseWindowHelp

tApplicationFont▼|"QT,*|剪▼]H

理板效应的受盘茶效法义理多因素反应

当量系数

初始浓度9。终给浓度

反应速率Q/h）

即k

长板裕量

2

限制性因子

匏板项）

^6.00反应历时图）

反应后

3.49当量指数

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。

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。

自学习模型编程要点

编程要点：

3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。

3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。

8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。

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。

③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。

能够自学习修正初始参数文件e918.vi

原始粼焉数据在更新参

Y=rr

士三

重新获得的mO和

bO,通过局部变量

为原始控件赋值，MS

电完成自学习。

X和Y两个序列

自学习线性结构模型

e9_18.vi»

FileerateToolsBrowseWindowHelp

®[12ptApplicationFont▼]回|^3画

曲线拟合与程序的自学习尸口XYGraph

b10°-

a8.0.

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I

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2.0

oo-i

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

810.1.1虚拟仪器和设备的仿真实验

m10.1.2WEEfz_3.5的安装和使用

810.1.3WEEfz_3.5的菜单

❖10.2水泵后水泵站

e10.2.1水泵与水泵站子模块

e10.2.2水泵的系统工况和特性曲线

e10.2.3水泵的调速和换轮工况

e10.2.4泵站配制和调度

e10.2.5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

e1033絮凝沉淀

10实例水环境工程仿真

❖10.4排水工程实验

a10.4.1拥挤沉淀与压缩实验

e10.4.2充氧实验和曝气设备效率测定

elO.4.3吸附实验

❖10.5污水处理实验和设计

e10.5.1活性污泥法污水处理

e10.5.2压力溶气气浮实验

e10.5.3生物转盘污水处理

e10.5.4曝气生物滤池工艺实验

❖10.6水环境工程设计性实验

e10.6.1水环境工程设计性实验任务

e10.6.2水环境工程设计性实验指导书

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。

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。

口1和干模块调用

水泵与水泵站子程序

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水泵和泵站给水实验排水实验污水处理高级实验Exit

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管理器水环境工程仿真实弥

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水

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泵安俄工业大学林绽工程系

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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。

二定二调的泵站配置

图10-7二定二调的泵站的配置示意图

二定二调泵站运行

泵站配置和调度的操作流程

泵站配制和调度

港2定2调ruviE®区I

二定二调泵站配置和调度系统

STOP安*工或大等的舞水美■麦V

定1

泵1管阻s2/m5费Q0HxGn)定2泵2管闻0m5多更®二|„x

$师西］定2流量L/s三室I

定1流量L/sSxs2/m5

J263-r00-IIIiIII1100.00

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

0100200300400500

供水系统特性用户静物程J调2

m调速比新而一调1调速比4P.97

50.0-1=0.8,0,90.80.9^ooj

G◎

运行效率%

40.0-运行1效塞%2

S

0.71.0

0710HxGn)

^08|MxGr»)

泵岩阻

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

管道阻俏调1流量L/s

s2/n>5

0.0250.0500.0

给水工程实验

回

给自由沉降虚拟实验系统

安*工业大学给捧木专业M胭

4.2-

畚考浓度

沉降时间Sin)

4.0-

200-

SSmg/L

1Z0

沉淀柱直径(cm)

水14U

50-

2。-

3.5二

150-

原本浓度SSm*L：

45-

采样口高度(5)

工100-