装备综合保障仿真一体化建模研究
2009年8月第23卷第4期
装甲兵工程学院学报
J o u r n a l o f A c a d e m y o f A r m o r e dF o r c e E n g i n e e r i n g
A u g .2009
V o l .23N o .4
文章编号:1672-1497(2009)04-0006-05
装备综合保障仿真一体化建模研究
曹军海,孙 涛,史劭坤,靳文志
(装甲兵工程学院技术保障工程系,北京100072)
摘 要:装备综合保障一体化模型是更有效地实现装备综合保障仿真的基础,解决元模型的异构和分布性问题是综合保障仿真一体化建模技术的关键。针对装备综合保障仿真一体化建模问题,探索了利用可扩展标记语言(e X -t e n s i b l eM a r k u pL a n g u a g e ,X M L )对综合保障仿真元模型进行一致性描述,并建立了综合保障仿真一体化模型。以X M L 为基本建模语言,通过设计各类元模型的X M L 描述结构和表达方式,实现了综合保障仿真中各类异构元模型的集成化、一体化表达,该一体化模型为综合保障仿真集成化开发环境的实现奠定了良好基础。关键词:综合保障;仿真;一体化建模;X M L 中图分类号:E 92;T P 391.9 文献标志码:A
R e s e a r c h o nt h e I n t e g r a t e d Mo d e l i n g o f E q u i p m e n t
I n t e g r a t e d L o g i s t i c s S u p p o r t (I L S )S i m u l a t i o n
C A OJ u n -h a i ,S U NT a o ,S H I S h a o -k u n ,J I NW e n -z h i
(D e p a r t m e n t o f T e c h n i c a l S u p p o r t E n g i n e e r i n g ,A c a d e m yo f A r m o r e dF o r c e E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g 100072,C h i n a )
A b s t r a c t :T h e i n t e g r a t e d m o d e l o f I L S i s t h e g r o u n d w o r k f o r I L S s i m u l a t i o n ,w h i c h c a n s o l v e t h e i s o m e r -o u s a n d d i s t r i b u t i o n p r o b l e m s a n d i s a k e y t e c h n o l o g y i n I L S s i m u l a t i o n .A i m i n g a t t h i s p r o b l e m ,t h i s p a -p e r e x p l o r e s t h e m e t h o d s o f m a k i n g g e n e r a l d e s c r i p t i o nt o a n d b u i l d i n g I L S s i m u l a t i o n m o d e l s w i t h X M L (e X t e n s i b l e M a r k u p L a n g u a g e ).
B y d e s i g n i n g t h e X M Ld e s c r i p t i o n s t r u c t u r e s a n d e x p r e s s i o n s o f v a r i o u s m e t a m o d e l s ,t h i s p a p e r r e a l i z e s i n t e g r a t e d a n d g e n e r a l p r e s e n t a t i o n t o a l l m e t a m o d e l s o f I L S s i m u l a t i o n
a n d i t l a y s a g o o d f o u n d a t i o n f o r t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e g r a t e d I L S s i m u l a t i o n d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n t .K e y w o r d s :I n t e g r a t e d L o g i s t i c s S u p p o r t ;s i m u l a t i o n ;i n t e g r a t e d m o d e l i n g ;X M L 收稿日期:2009-05-14基金项目:军队科研计划项目
作者简介:曹军海(1972-),男,副教授,博士.
近些年来,仿真技术被引入到装备综合保障工程中,在提高装备保障性设计分析水平、提高装备使用效能和战备完好性等方面提供了新思路。但是在具体的开发和应用中,装备保障系统的建模技术一直是没有很好解决的问题,特别是随着装备作战使用任务、装备保障系统体制、装备维修保障组织、装备保障流程等更加灵活而复杂,这一问题更突出。装备保障系统的建模技术必须能够很好地解决仿真建模与系统分析一体化、异构元模型的集成、仿真模型表达体系化统一化等问题,才能有效地提高装备保障系统仿真建模的可信性、有效性和工作效率。因此,装备综合保障仿真模型及其一体化建模方法,
是综合保障仿真技术的基础和关键。笔者针对上述问题,提出了一种综合保障模型的一体化建模方法。该方法运用通用标记语言(e X t e n s i b l e M a r k u pL a n -g u a g e ,X M L )技术[1]
,建立综合保障仿真一体化模型,实现了仿真模型表达的体系化和一体化,对于实现异构元模型的集成及仿真建模与系统分析的一体化具有很好的实际意义。
1 装备综合保障仿真
装备的综合保障仿真是应用系统仿真技术在装备论证、研制、生产、部署、使用与保障的各个阶段,通过对装备投入使用后的使用与维修保障过程的模
第4期曹军海,等:装备综合保障仿真一体化建模研究
拟,实现对装备的R M S 设计特性以及保障资源和保障方案等的分析、预计、评估和优化的系统工程过
程[2]
。综合保障建模与仿真的一般工作流程如图1所示。其中的建模过程包括了系统元素建模、子模型建模、仿真实体建模和仿真想定建模4个步骤。系统元素建模需要描述装备的使用任务、系统或子系统、故障模式、维修工作、备品备件、保障设备保障设施、人力人员和技术资料等;子模型建模需要建立装备结构模型、产品故障树模型、维修网络模型、使用单位模型、资源库模型、维修单位模型和供应单位模型等;仿真实体建模的任务是面向仿真运行,建立装备实体模型建模、任务单位实体模型、维修单位实体模型和供应单位模型等;仿真想定建模对任务列表、兵力部署、保障单位、保障关系和资源配置进行定义。建模过程完成后将进入仿真运行及后续评估阶段。在这一过程中,模型的可信性、有效性及精度等均取决于上述建模过程。因此,这一过程是实现综合保障仿真的关键
。
图1 综合保障建模与仿真工作流程
2 装备综合保障仿真一体化建模技术
综合保障仿真建模的4个建模子过程涉及不同
形态、不同结构和不同性质的模型元素,通常这些模型元素是采用不同方法、不同建模语言来进行描述的,如P e t r i 网、E -R 模型、U M L 、I D E F 流程图等,因此以往的建模过程是借助不同工具、相互独立地进行的,产生的模型文件也是不同结构、不同类型的,这大大增加了建模和仿真引擎开发的难度。装备综合保障仿真一体化建模就是利用通用建模语言来解决装备综合保障仿真建模中存在的分布性、异构性问题,并建立能够清晰反映出装备综合保障仿真的建模流程、子模型之间的关系、数据交互和排队规则等仿真要素的模型体系,其目标就是要实现4个建模子过程的系统化、集成化和一体化。
综合保障一体化建模技术需要解决2个主要问题:一是一体化建模语言;二是一体化建模方法和工具。其中一体化建模语言是一体化模型的载体,它必须具备通用性和可扩展性,同时还具有很强的表达能力,能够适应各种异构对象的统一表达,特别是应具备对结构、关系、流程、交互、数据等各种模型要素的完整表达能力。笔者经过深入研究,选用X M L 可扩展标记语言作为一体化建模语言
[3]
,通过系统规划模
型的体系结构,并对不同类型元模型的X M L 表达方式进行设计,实现了对综合保障模型的一体化表达。
3 基于X M L 的装备综合保障仿真一体化建模
3.1 系统元素建模
系统元素建模是对综合保障仿真系统中涉及的基本信息对象进行描述。这些基本信息对象作为后续建模的基础。综合保障仿真建模涉及的基本仿真元素主要包括使用任务、装备的系统/子系统、故障模式、维修工作类型、备品备件、保障设备、人力人员及其他保障资源等。
以任务建模为例,介绍利用X M L 语言开发综合保障任务模型的过程。首先,通过对任务元素分析,建立其属性信息表,如表1所示。
表1 任务建模元素及其属性信息表
建模要素属性
任务标识
名称、编号、描述性信息任务类型任务性质、关联装备、关联能力列表、外场可更换单元列表任务时间开始时间、结束时间任务规模装备品种、装备数量、持续时间
任务剖面任务阶段、任务阶段时间分配、外场可更换单元列表
成功条件最低执行任务装备数量、时间约束7
装甲兵工程学院学报第23卷
然后,根据任务元素的属性信息,建立任务模型结构,如图2所示
。
图2 任务模型结构
最后,根据任务模型结构图,利用X M L 建立任务模型的描述如下:
;
-<任务模型>;
<任务标识名称=""编号=""描述信息=""/>;
-<任务类型>;-<关联装备>;-<关联能力列表>;
<任务时间开始时间=""结束时间=""/>;
-<任务规模持续时间="">;<装备品种=""数量=""/>;任务规模>;-<任务剖面>;
<任务阶段装备品种=""装备数量=""L R U 列表=""/>;
任务剖面>;
<成功条件最低执行任务装备数量=""时间约束=""/>;
<退出条件完好装备数量约束=""时间约束=""/>;
任务模型>。
上述任务元素的X M L 模型很好地描述了其
E -R 图,建模所使用的代码清晰简洁,容易阅读。以上任务模型中,任务类型需要关联装备的能力列表和L R U 列表,其列表将在装备结构模型中进行详细的描述;任务规模仅考虑参加任务的装备型号和数量;对任务剖面的描述从任务阶段划分的角度进行;执行任务期间,当可执行任务装备的数量少于某值或达到任务执行时间约束时,退出任务;任务结束(时间结束)时,通过可用装备的数量来判断任务是否成功。其他元素模型建立与之类似。
3.2 子模型建模
子模型指多个元素模型根据其层次关系和逻辑联系组织在一起的关系模型,主要包括装备结构模
型、可靠性模型、故障树模型和维修网络模型等。3.2.1 装备结构建模
装备结构建模是对装备各个功能单元的层次关系的描述,包括单元间的从属关系和各个单元的数量。装备的结构模型通常以产品树的形式进行描述,其组成结构如图3所示。从保障性的观点而言,每个系统都是由许多外场可更换单元(L a n dR e p l a -c i n g U n i t ,L R U )组成,每个L R U 又是由更小的车间可更换单元(S h o pR e p l a c i n g U n i t ,S R U )组成,而每个S R U 再由更小的工厂可更换单元(S u b -S h o p R e -p l a c i n g U n i t ,S S R U )组成。装备结构树的每个节点都具有0或多个故障节点,每个故障可以包含多个维修工序节点。子系统节点、故障节点和维修工序
图3 装备结构模型组成
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第4期曹军海,等:装备综合保障仿真一体化建模研究
节点成为装备结构模型与其他子模型联系的纽带。装备结构模型的X M L 描述,可以分为结构建模
元素、子系统建模元素和故障模式元素三大组成部分
[4]
。其中结构建模元素包括装备名称、I D 、装备
型号、成员数量、使用可用度、单车任务准备时间、预防性维修间隔期和子系统的相关参数。预防性维修间隔期的确定,首先应确定各种维修工作类型的间隔期,然后归并成产品或部件(L R U )的维修工作间隔期,再与维修级别分析相协调,必要时还要影响装备设计。因此,X M L 建模时,将预防性维修间隔期与L R U 能力列表相关联。在任务状态中,L R U 使用寿命到期继续使用;通过预防性维修去替换使用寿命到期的L R U 。
L R U 单元的保障建模包括L R U 名称、I D 、型号、数量、功能、故障模式、使用寿命、维修级别、修复率、更换时间等属性。L R U 关联任务建模中任务能力。S R U ,S S U R 与之类似,其中故障模式的相关信息还需要继续分解、细化。故障率是产品可靠性的一个基本参数,其度量方法是在规定的条件下和规定的时间内,产品的故障总数与寿命单位总数之比。其分布包括正态、指数、威布尔、泊松等类型。故障模式还需要与维修网路模型关联。
3.2.2 系统可靠性建模
系统的可靠性框图反映了系统的各个功能单元对整个系统可靠性的影响。从图3中可靠性模型与装备结构模型的关系可以看出:每个子系统节点根据其可靠性分类组成一个完整的装备系统可靠性框图,由于子系统节点具有层次性,因此可靠性框图也应具有层次性。
利用X M L 建立系统可靠性模型是先对系统单元的各个节点建模,各个节点的可靠性模型元素包括节点I D 、紧前单元(I D )、故障模式和维修工序等,然后形成系统的可靠性框图,完成系统可靠性模型的建立。3.2.3 系统故障树建模
系统故障树模型是描述系统所有故障模式与其本身发生故障现象的关系。通过故障树模型,可以找到该系统的关键故障模式,即影响其正常工作的关键原因。系统的故障树模型是层次化模型,可以支持自下而上的多级建模。
利用X M L 建立故障树模型,元素模型主要包括故障模式率、故障模式分布类型及其分布参数。3.2.4 维修网络建模
维修网络建模是针对某一故障模式所进行的维
修工作的详细步骤,以及各工序所需的保障资源的描述。通过维修网络模型的定量分析,能够获取故障维修所需的各类资源,包括人员类别及数目,维修设备的类别及数目和维修所需的时间等。在仿真过程中一旦某个故障发生,维修单位就要根据故障的维修网络模型获取其资源需求,然后分配相应的资源以完成维修。
维修网络的建模元素主要包括故障名称、I D 、保障资源和维修工序。保障资源是进行装备使用和维修等保障工作的物质基础,包括物质资源(如保障设备、保障设施、备品备件等)、人力资源(如人员数量、专业技术等级)和信息资源(如技术资料、计算机资源保障等)。维修工序包括工序名称、I D 、紧前工序、时间等元素。3.3 仿真实体建模
综合保障仿真实体建模是建立保障系统中仿真实体的成员模型。综合保障建模仿真中,主要涉及2大类实体:装备和设施。单装备的综合保障仿真系统只有一种装备实体,而多装备的综合保障仿真系统包含多种装备实体。设施实体根据其功能主要分为任务单位实体、维修单位实体和供应单位实体等3类。这些实体模型都是由多个子模型按照一定的层次关系组合而成的,同样其X M L 模型由多个子X M L 模型构成。3.4 仿真想定建模
仿真想定建模,又称仿真预案建模,指建立与真实或假想保障系统相对应的仿真组成方案,它是将各类仿真实体模型联系在一起的纽带,描述了仿真系统中使用的所有仿真实体模型类型及其相互联系。装备综合保障想定模型结构如图4所示。
图4 想定模型结构
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装甲兵工程学院学报第23卷
想定模型中,链接各个子模型间的数据源需要的信息包括:
1)子模型数据库的名称;
2)子模型数据库的I D;
3)需解析包含元数据映射关系X M L文件。
建模如下:
;
;
;
;
;
。
从以上D T D文件可以看出:用X M L对象文档建立的想定模型包含连接多个子模型。D A T A S O U R C E S包含了多个连接信息S O U R C E S子元素。而S O U R C E S标签内表示连接一个数据源所有信息在内,它的子元素有D B N a m e(数据库名称)、A d d r (数据库的地址)、D B X M L(需解析包含元数据映射关系X M L文件)。以上D T D表示D A T A S O U R C E S 可以包含任意个S O U R C E S子元素,而S O U R C E S子元素(D B N a m e,A d d r,D B X M L)有且只能包含一个。当有2个子模型数据源时,X M L文件如下: ;
c o n n e c t.
d t d">;
I D1;
;
I D2;
;
…
。
上述文件第2行表示该文件使用了外部的D T D文件,也就是已经建模的c o n n e c t.d t d文件;第1个标签下各个子元素包含的连接信息为:数据库名称为S t u d e n t;I P地址为I D1;解析的元数据模型文件为C:S t u c t u r e.X M L。以下的< S O U R C E S>标签同理可得。
想定模型的最终输出形式是整个模型仿真态势,全面反映出对象系统的任务定义、任务规则、兵力部署、任务关系、保障机构配置、保障资源配置、保障策略、供应关系、装备及组成部分的周转流程、仿真时间和退出条件等。
4 结论
装备综合保障仿真建模涉及的因素繁多、关系复杂,实现高度集成化的建模很困难。笔者尝试通过X M L语言来实现综合保障仿真的一体化建模,解决了异构元模型的集成问题,实现了各种类型模型的一致化表达,通用性、扩展性强,与开发工具无关,为后续的综合保障一体化仿真开发奠定了良好基础。开发基于通用语言的综合保障仿真集成建模环境是该领域未来的发展方向,X M L语言对于综合保障仿真涉及的各类元模型是否具有普适性,还需进一步验证。
参考文献:
[1] 郭齐胜.系统建模与仿真[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2] 单志伟.综合保障工程[M].北京:国防工业出版社,2007.
[3] 孙更新.X M L完全开发指南[M].北京:科学出版社,2008.
[4] 刘驰洋.基于异构数据连接的X M L建模与实现[D].武汉:
华中科技大学,2004.
(责任编辑:戚琼华)
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课程作业报告 课程名称 MATLAB计算及仿真院部名称机电工程 专业电气工程及其自动化班级) 学生姓名 学号 指导教师应明峰 金陵科技学院教务处制
第2章MATLAB概论 1、与其他计算机语言相比较,MA TLAB语言突出的特点是什么? MATLAB具有功能强大、使用方便、输入简捷、库函数丰富、开放性强等特点。 2、MATLAB系统由那些部分组成? MATLAB系统主要由开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、图形功能和应用程序接口五个部分组成。 3、安装MA TLAB时,在选择组件窗口中哪些部分必须勾选,没有勾选的部分以后如何补安装? 在安装MATLAB时,安装内容由选择组件窗口中个复选框是否被勾选来决定,可以根据自己的需要选择安装内容,但基本平台(即MATLAB选项)必须安装。第一次安装没有选择的内容在补安装时只需按照安装的过程进行,只是在选择组件时只勾选要补装的组件或工具箱即可。 4、MATLAB操作桌面有几个窗口?如何使某个窗口脱离桌面成为独立窗口?又如何将脱离出去的窗口重新放置到桌面上? 在MATLAB操作桌面上有五个窗口,在每个窗口的右上角有两个小按钮,一个是关闭窗口的Close按钮,一个是可以使窗口成为独立窗口的Undock按钮,点击Undock按钮就可以使该窗口脱离桌面成为独立窗口,在独立窗口的view菜单中选择Dock ……菜单项就可以将独立的窗口重新防止的桌面上。 5、如何启动M文件编辑/调试器? 在操作桌面上选择“建立新文件”或“打开文件”操作时,M文件编辑/调试器将被启动。在命令窗口中键入edit命令时也可以启动M文件编辑/调试器。 6、存储在工作空间中的数组能编辑吗?如何操作? 存储在工作空间的数组可以通过数组编辑器进行编辑:在工作空间浏览器中双击要编辑的数组名打开数组编辑器,再选中要修改的数据单元,输入修改内容即可。 7、命令历史窗口除了可以观察前面键入的命令外,还有什么用途? 命令历史窗口除了用于查询以前键入的命令外,还可以直接执行命令历史窗口中选定的内容、将选定的内容拷贝到剪贴板中、将选定内容直接拷贝到M文件中。 8、如何设置当前目录和搜索路径,在当前目录上的文件和在搜索路径上的文件有什么区别? 当前目录可以在当前目录浏览器窗口左上方的输入栏中设置,搜索路径可以通过选择操作桌面的file菜单中的Set Path菜单项来完成。在没有特别说明的情况下,只有当前目录
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利用Matlab 实现Romberg 数值积分算法 一、内容摘要 针对于某些多项式积分,利用Newton —Leibniz 积分公式求解时有困难,可以采用数值积分的方法,求解指定精度的近似解,本文利用Matlab 中的.m 文件编写了复化梯形公式与Romberg 的数值积分算法的程序,求解多项式的数值积分,比较两者的收敛速度。 二、数值积分公式 1.复化梯形公式求解数值积分的基础是将区间一等分时的Newton —Cotes 求积公式: I =(x)[f(a)f(b)]2 b a b a f dx -≈ +? 其几何意义是,利用区间端点的函数值、与端点构成的梯形面积来近似(x)f 在区间[a,b]上的积分值,截断误差为: 3" (b a)()12 f η-- (a,b)η∈ 具有一次的代数精度,很明显,这样的近似求解精度很难满足计算的要求,因而,可以采用将积分区间不停地对分,当区间足够小的时候,利用梯形公式求解每一个小区间的积分近似值,然后将所有的区间加起来,作为被求函数的积分,可以根据计算精度的要求,划分对分的区间个数,得到复化梯形公式: I =1 1 (b a)(b a) (x)dx [f(a)f(b)2(a )]2n b a k k f f n n -=--≈+++∑? 其截断误差为:
2" (b a)h ()12 R f η--= (a,b)η∈ 2.Romberg 数值积分算法 使用复化的梯形公式计算的数值积分,其收敛速度比减慢,为此,采用Romberg 数值积分。其思想主要是,根据I 的近似值2n T 加上I 与2n T 的近似误差,作为新的I 的近视,反复迭代,求出满足计算精度的近似解。 用2n T 近似I 所产生的误差可用下式进行估算: 12221 ()3 n n n I T T T -?=-=- 新的I 的近似值: 122 n n j T T -=?+ j =(0 1 2 ….) Romberg 数值积分算法计算顺序 i=0 (1) 002T i=1 (2) 102T (3) 012T i=2 (4) 202T (5) 112T (6) 022T i=3 (7) 302T (8) 212T (9) 122T (10) 032T i=4 (11) 402T (12) 312T (13) 222T (14) 132T … … … … 其中,第一列是二阶收敛的,第二列是四阶收敛的,第三列是六阶收敛的,第四列是八阶收敛的,即Romberg 序列。
电力系统建模及仿真课程设计
某某大学 《电力系统建模及仿真课程设计》总结报告 题目:基于MATLAB的电力系统短路故障仿真于分析 姓名 学号 院系 班级 指导教师
摘要:本次课程设计是结合《电力系统分析》的理论教学进行的一个实践课程。 电力系统短路故障,故障电流中必定有零序分量存在,零序分量可以用来判断故障的类型,故障的地点等,零序分量作为电力系统继电保护的一个重要分析量。运用Matlab电力系统仿真程序SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型,并在此基础上对电力系统多中故障进行仿真,仿真波形与理论分析结果相符,说明用Matlab对电力系统故障分析的有效性。实际中无法对故障进行实验,所以进行仿真实验可达到效果。 关键词:电力系统;仿真;短路故障;Matlab;SimPowerSystems Abstract: The course design is a combination of power system analysis of the theoretical teaching, practical courses. Power system short-circuit fault, the fault current must be zero sequence component exists, and zero-sequence component can be used to determine the fault type, fault location, the zero-sequence component as a critical analysis of power system protection. SimPowerSystems Toolbox building design requirements to the power system model using Matlab power system simulation program, and on this basis, the power system fault simulation, the simulation waveforms with the theoretical analysis results match, indicating that the power system fault analysis using Matlab effectiveness. Practice can not fault the experiment, the simulation can achieve the desired effect. Keywords: power system; simulation; failure; Matlab; SimPowerSystems - 1 - 目录 一、引言 ............................................ - 3 -
距离保护PSCAD仿真
第三章距离保护仿真构建 3.1一次系统模型 本次距离保护模型采用双电源供电的长距离输电线路配备主保护是距离保护,双侧电源均采用 R-L-C中性点接地的230kV,50Hz的电源,其部电阻9.186Ω,电抗是138mH。通过万用表确定电压电流信号,加断路器B1配置距离保护通过长距离输电线路与另一侧相接,在线路中加上故障。 系统模型 加上三相故障数字控制器不同的数字对应不同的故障。0表示没故障,1表示A相接地故障,2表示B相接地故障,3表示C相接地故障,4表示AB两相接地故障,5表示AC两相接地故障,6表示BC两相接地故障,7表示ABC三相接地故障,8表示AB两相相间短路故障,9表示AC两相相间短路故障,10表示BC两相相间短路故障,11表示ABC三相相间短路故障。对应的数字转换开关有1-6个数,每个数对应一个故障状态数字 3.1.1电源模型 这个组件模型一个三相交流电压源,源阻抗可以指定为理想(即无限总线)。这个源可能是控 制通过固定、部参数或变量的外部信号。本次模型定义为采用R-L-C中性点接地的230kV,50Hz的首段电源,其部电阻9.186Ω,电抗是138mH。双击电源模型选项一:配置选项,可以确定电源名称source1,电源阻抗类型R-L-C,中性点是否接地YES,模型显示单线路。
选项二:信号参数,可以确定是否有外控电压NO,外控频率NO,电压230kV,电压启动时间0.05s,频率50Hz,相移0。 选项三:终端条件可以不用设置。选项四:电阻设定无。选项五:阻抗R/R-L设定无。选项六: 阻抗R-L-C设定9.186ohm,138mH,0uF。