基于flash虚拟实验中仪表可视化的一种方法.doc

基于FLASH虚拟实验中仪表可视化的一种方法冯绍勇景德镇高专物理系,江西景德镇333000摘要介绍了基于FLASH的在可视化上具有逼真效果的虚拟仪表的开发方法，对一般学科教师在开发自己的仿真实验软件时有一定的借鉴作用。关键词虚拟实验；虚拟仪表；数值仿真；FLSAH中图分类号TP3919文献标识码AONEKINDOFMODELOFELECTRICITYSIMULATIONEXPERIMENTANDHISALGORITHMFENGSHAOYONGJINDEZHENCOMPREHENSIVECOLLEGE，JINDEZHENJIANGXI333000ABSTRACTBESHORTOFWELLANDBEFITFORTHEINVENTEDSIMULATIONEXPERIMENTSOFTWARETHATEXPERIMENTONSTUDENTSPREPAREDUSEFULNESSINACCORDANCEWITHPRESENTTIMEINTHEELECTRICITYCONTENTCOURSETEACHINGTHEAUTHORDEVELOPEDSIMULATIONEXPERIMENTSOFTWARETHATCANACHIEVECERTAINLYINVENTEDEFFECTANDTHENATUREIMMERSINGDOTHEINTRODUCTIONTODEVELOPINGTRAINOFTHOUGHTANDALGORITHM,THEMODELOFTHISSIMULATIONEXPERIMENTSOFTWAREANDHISDEVELOPMENTARETHEREFERENCEEFFECTTOGENERALTEACHERWHENDEVELOPINGSIMULATIONEXPERIMENTSOFTWAREOFONESELFKEYWORDSVIRTUALEXPERIMENTVIRTUALINSTRUMENTNUMERICALSIMULATION一、引言在理工科教学中，实验占据着比较重要的地位，随着现代化教学方式的普及和远程教育的发展，虚拟实验在集体教学与个体自学中用得越来越广泛1。大型虚拟实验室系统往往基于专有硬件开发，价格高昂，且实验资源的开发需要专门的技术和创作工具，很难在基础教育和中等教育领域推广。而目前广为流行的FLASH技术却为我们提供了一个成本低、易学易用、具有推广价值的虚拟实验开发平台2，事实上，自FLASHMX2004以后,FLASH已显示了强大的编程功能,完全能够轻松开发出交互性极强的虚拟仿真软件3。基于用FLASH开发虚拟仿真实验软件门槛低的特性，所以目前很多理工科教师都在用FLASH开发自己的仿真实验软件49。为了给学生好的沉浸效果，仿真实验教学软件应该尽可能做到给学生一个接近真实的虚拟环境，器件和仪器设备不但在理论建模上做到仿真而且在空间形象上、光感和声效上也应做到仿真1。然而目前很多基于FLASH的仿真实验软件并没有很好地做到这些，在实验设备的可视化上不够理想，比如指针式测量仪表，指针偏转时是跳跃的，从一个值直接跳到另一个，这与实际情况很不相符，有的做得好些的，指针能连续偏转，但是运动方式仍然与实际情况相差较大，让使用者觉得不够逼真。这都说明软件开发者对仪表指针运动规律的研究不够深入，作者开发的仿真实验软件10，在可视化上有着鲜明的特色，如图3所示，作者对仪表指针的运动规律做了深入的研究，并建立了指针运动的数学模型，致使仿真实验中的仪表指针运动具有逼真的效果，给学生带来一定的视觉冲击，让他们能对仿真实验产生浓厚的兴趣，并沉浸在实验当中。下面就仪表的基于FLASH开发软件的可视化方法做深入细致的介绍，以便对开发此类仿真实验的同仁有所启发和借鉴。二、仪表可视化的实现算法1、指针式仪表的数学模型当指针式仪表通入电流时，指针在电磁力的作用下将发生定轴转动，必须搞清楚指针转动时的运动规律，才能在虚拟仿真实验中使虚拟仪表的指针按照这种规律运动，从而使仪表看起来有逼真的效果。下面以图1所示磁电式仪表为例，来建立指针运动的数学模型。图1磁电式仪表的结构（1）仪表结构它的固定部分包括马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。极掌与圆柱形铁心之间的空气隙的长度是均匀的，其中产生均匀的辐射方向的磁场，如图2所示。仪表的可动部分包括铝框和线圈，转子轴，螺旋弹簧及指针等。图1中所示的线圈是绕在门框形铝框上的，铝框又套在圆柱形铁心上，线圈的两个端头分别与轴上的两个螺旋弹簧的一端相接，弹簧的另一端固定，以便将电流引入线圈，指针也固定在轴上。（2）受力分析仪表在工作过程中，可动部分将受到驱动力矩、螺旋弹簧的阻力矩和阻尼MCM机构产生的阻尼力矩。如图1所示，电流I通Z过一个螺旋弹簧流入线圈，再从另一个螺旋弹簧流出，此时通电的线圈在磁场中将受到力的作用，如图2所示，此作用力对仪表可动部分产生一个力矩，使它们发生偏转，此力矩即为驱动力矩M，在此例中，驱动力矩与电流成正比，即MK1I；螺旋弹簧由于轴的旋转被扭紧而给可动部分以阻力矩，此阻力矩与指针的偏转角成正比，C即，式中为指针偏转角，当指针及2K其它可动部分达到平衡位置静止下来时，有，式中A为指针最终偏转角；12CMI可动部分在摆动过程当中还受到与运动方向相反的阻尼力的作用，这里主要是绕线框铝框在磁场当中运动而产生感生电流，流通着感生电流的铝框在磁场当中受到阻尼力的作用。此阻尼力矩与运动方向相反，与旋转角速度成正比，即Z，为指针偏转角的导数即角速3DMKT度。（3）数学模型仪表可动部分在驱动力矩、两个阻力矩、的共同作用下做定轴CZM转动，根据定轴转动定理，有2K3DT，式中为仪表可动部分的转动惯量，2DJTJ为角加速度。因为驱动力矩，则转2DT2MKA动定理方程可写为，整2KA3DT2J理得，此为指针偏转32JDKTT角的二阶常系数非齐次线性方程，解此微分方程即可得指针偏转角随时间变化的关系，也即求解出了指针的运动规律。此非齐次线性方程的一个特解为。A齐次线性方程的特征方230KJDTT程为，解此特征方程，得231PK解为。当2331,2KJJ时，为一对共轭复根，设32K1,2P，，则，3J32KJ1,2PJ那么齐次线性方程的通解为，非齐次线性方程的通解为SINTBE，根据初始条件，TA时，，，可得0T10DT，，自此，21BARCTN非齐次线性方程的解为21SIARCTTAAE图2线圈在磁场中，此种情况为指针从偏转角开始偏转，在最终1A偏转角附近振动几次后静止，即指针做欠阻尼A振动，这是比较常见的仪表工作情况，和是与仪表的转动惯量、阻尼系数、螺旋弹簧的弹性系数有关的物理量，作者经过多次试验，得到，，此为经验数值，仅供参考，1428357如此得到指针做欠阻尼振动的运动规律为。14280SIN357682TAET再一种情况就是，此时齐次线性32KJ方程的特征根为相等的实数根，即，则齐次线性方程的通解为312P，非齐次线性方程的通解为TBE，根据初始条件，时，12TA0