动态可视化自动控制系统在纺织机械中的应用

蔡小平

（山东省纺织设计院，山东 济南 250013）

一般做模拟实验需要分析大量的数据，通常情况下，会将数据代入方程，但是因为方程是静态的，这种方法既麻烦又容易出错，很难反应一个动态变化的过程。在这种情况下，动态可视化系统作为一种更加有效的方法就应运而生［1］。

动态可视化是一门新兴科学，是指将数据信息通过图形或动画的方式进行表达、传递和理解的过程。它是一门交互地视觉呈现三维数据场的技术，动态可视化信息呈现互动性、立体化和跳跃性的特点。它从纸媒介为代表的二维静态传统视觉领域发展到以数字化为技术支持，以二维三维动态形式及动态机动媒介存在方式传播的新领域，允许用户直观方便地理解数据中所包含的几何结构和特征信息，在医学影像、石油勘探、大气气象和科学计算模拟等领域中得到广泛应用。它可以模拟纺织机械自动控制系统，为设计和评估提供理论基础。

1 动态可视化系统简介

动态可视化反映的是空间感知效果，是分析纺织机械性能的一种非常科学、简便和直观的方法，提供了更为自然有效的信息表达方式，为人们提供一种实时交互的良好界面，提高了人们视觉获取信息的能力。当人们看到图纸上许多方程和曲线的时候，很难评判这个系统是好还是坏。但是当人们看到一段动态影像时，效果一目了然。所以将复杂数据转化成影像会成功地帮助人们评估系统特性，这是动态可视化系统最大的优点，也是它能够得以广泛应用的原因。

当启动仿真系统后，系统会自行记录仿真运行过程。当仿真系统结束后，计算、分析和优化仿真结果，满足工作人员的需要。同时，为反映动态过程，在仿真过程中，除了描述机械的特征和属性外，还应体现时间参数。模拟出来的三维模型，可根据空间三维轴任意旋转、缩放、改变视角以及位置，从而增强对纺织机械的全面了解。

动态可视化系统主要有以下功能：①归纳出基本的动态环境指标；②将适用于动态模拟的系统分门别类；③开发动态可视化三维模拟；④开发控制系统；⑤进行参数识别；⑥通过模拟系统，评估控制器性能。

动态可视化仿真系统还有查询功能，极大方便了人们的工作。查询功能包括双向查询、条件查询和热链接。双向查询是指可以通过特定部件查询属性，也可以通过属性反向查询这个属性所描述的特定部件；条件查询是指输入一定的条件，如速度、温度和牵引力等，查询与这些属性相关的部件。热链接是指把部件与其它的图形、文本、数据库和模型链接起来，当鼠标点击链接时，可以显示与该部件相关的对象。

2 动态可视化系统的应用

目前将动态可视化仿真技术应用较为成功的是德国Monforts 公司生产的新型Montex 6500拉幅机。我们以动态可视化系统应用于Montex 6500拉幅机为例，观察它的建模方案。Montex 6500拉幅机的显著特点是包含一系列机型，功能繁多，而且有用户交互接口。这款机型采用动态可视化模拟系统来预测产量、评估性能［2］。

2.1 动态可视化系统参数设计

系统开发必须先确定参数。将所有参数结合起来，构成参数化实体建模。参数化实体建模就是通过相互作用关系组成一系列用参数控制的特殊部件，从而构成整个机械模型的技术。而确定参数前，必须先确认要模拟哪方面性能以及如何模拟，从而使得这些参数在整个系统中作用明晰，表达准确。参数集合主要包括：表述Montex 6500拉幅机的参数，如位置、速度、加速度、稳定性和牵引力等；表述控制器的参数，如：误差和期望值等。通常情况下，位置和速度之类的参数能很容易地得到准确值，但是很多其它参数往往得不到准确值［3］。因此动态可视化系统需要根据一些算式得出某些参数值。比如，牵引力就是不能直接得出的参数，而牵引力值直接与最终产品质量息息相关，因此需要根据已有参数，通过模拟处理器来估算它的值。为有效得到各参数值，用户交互界面非常重要，这也是动态可视化系统的重要组成部分。

当操作人员用动态可视化模拟Montex 6500拉幅机工作时，应当实现以下功能：可以根据需要实时停止，可以流畅地前进或者后退以寻找关键点，任意选择需要重点观看的时间段，可随机改变参数等，使操作人员象操作视频播放器一样，按照自己的意愿观看，而且像导演一样，通过设定不同的参数值，得到不同的演示结果。事实上，如果没有用户参与界面，动态可视化模拟系统将没有实际意义。要想发展用户交互界面，模式选择非常重要［4］。在整个过程中，应用模式都要处于可控状态。如果在一个动作被设计以前，操作人员在只能特定的预设范围内输入参数，察看结果，那么这种模式不适合动态可视化模拟系统。因为动态可视化系统的目的是基于结果的，将参数输入后，使系统能够在不同的时间根据不同的情况做出不同的反应。可视化系统开始于一个静态页面，根据不同的情况，不同的功能将被启用，从而进入循环。一个有效的用户交互界面可以让用户随时随地更改时间参数，从而精确地反映出动态的细微差别。时间段相互间隔越短，模拟过程越精确。这时候就要用到插补技术。所谓插补技术，是指以插补点周围各点的数值为依据，经过专门的函数计算，得到插补点值。这个计算是通过软件来完成的。在演示结果中，该点并非是真实的反映，往往与实际有较大的差异。插补软件可以是线性的，也可是是二次方程式的。当用线性插补软件的时候，原始数据中的时间步长一般都非常小，Montex 6500拉幅机的各参数变化也是线性的。将插补技术与计算机性能结合起来，人们可以按照自己的意愿得到动态模拟效果，可以和时长相同，也可以稍慢或者稍快于时长。为了让用户能够更好地理解，动态可视化模拟过程还必须能够放大一些环节。这也是此系统与其他模拟系统不同的地方［5］。

2.2 Montex 6500拉幅机的经纬模型

在线模拟是动态可视化模拟系统的重要方面，建立Montex 6500拉幅机的演示模型也非常关键。建模的时候要考虑两点，一是模型要是实时状态的，这样才能反应真实情况。二是模型相对简单，这样才能反应迅速。根据以上要求，建立一个纬度控制模型如图1所示，它包括四个部分：发动机、变速器、传输器和制动。

图1 横向建模示意图

这个模型对于评估Montex 6500 拉幅机性能非常有效，但是它比较复杂而且运算步骤较多，这会导致模拟速度比较低。另外在线模拟需要与实际情况同步且容易受到计算机性能影响，因此我们还要加强研究，力争使模型操作简单［6］。

鉴于动态可视化模拟系统针对Montex 6500拉幅机的环境指标，模拟系统更侧重于在线模拟。动画效果有以下特点：

可以同时模拟好几组设备，每一组设备最多可包括10台Montex 6500拉幅机。每组机器并排摆放，同一系列的环境参数使得比较控制器性能非常方便。

可以模拟每台Montex 6500 拉幅机的经纬位置、速度、加速度，自行决定是否开启测量仪，这样可以模拟在数台Montex 6500 拉幅机同时运行时，每一台机器的性能指标情况。

可以根据模拟结果，评估性能好坏。在模拟过程中，用户可以通过电脑自行设定参数值，通过参数值的细微变化，演示结果的不同，从而取得最优值。

可以在任何时候开始、停止、重放、快进和慢放模拟动画，也可以从快到慢非匀速播放，最大限度方便操作人员选取最佳值。

3 结论

动态可视化模拟系统可以及早避免不理想或者错误操作，在评估和设计纺织机械性能方面有重要意义。它无论对于操作人员和设计人员来说，都是一个非常有效的工具，必将有着广阔的发展前景。

［1］薛广库.数控加工工装物流自动控制系统的设计［J］.自动化仪器仪表，2012，（6）：74—76.

［2］宋运富，王胜斌.提升机自动控制与变频节能改造实践［J］.黄金，2012，（11）：46—49.

［3］金利.数控机床的发展［J］.中小企业管理与科技，2012，（31）：310—311.

［4］蒋长虹，邱华东，杨晓光.新型带钢卷取机自动控制系统的设计［J］.太原理工大学学报，2012，（6）：758—761.

［5］李志刚.PLC和变频器在全自动上料装置上的应用［J］.中国科技信息，2012，（22）：111—113.

［6］侯志辉.PID自动控制系统在优化电炉供电曲线中的应用［J］.河北冶金，2012，（11）：69—70.