第6章 计算机仿真的基本概念

1、2022-5-2912022-5-292第六章第六章 计算机仿真的基本概念计算机仿真的基本概念第一节第一节 控制系统的实验方法控制系统的实验方法第二节第二节 仿真实验的分类与性能比较仿真实验的分类与性能比较第三节第三节 系统系统 模型与数字仿真模型与数字仿真2022-5-293第一节 控制系统的实验方法 一般包含：解析法、实验法、仿真实验法 一、解析法解析法：对控制系统进行理论分析计算。 如：研究汽车轮子悬挂系统的减震器性能及其弹簧参数变化对汽车运动性能的影响(通过理论分析来设计)2022-5-294第一节 控制系统的实验方法-解析法解析法22( )d xdxmBKxF tdtdt纯数学分析问

2、题问题问题：由于理论不完善，对事物认识不深入，有局限性 mKBXF(t)悬挂系统动力学模型悬挂系统动力学模型从动力学角度出发，将系统等效为所示模型，再由理论分析出该模型的动态方程：2022-5-295第一节 控制系统的实验方法-实验法系统输入输出信号响应 实验法：对于已经建立或存在的实际系统，施加一定类型的信号，测取系统响应来确定系统性能的方法。 特点：特点：简明、直观、真实。缺点：缺点：1、控制系统还没有建立，无法实验。2、实际系统不允许进行实验研究。如化工系统进行实验会导致产品报废，造成巨额损失。(如何辨识)3、费用较高、周期较长、具危险性。如核系统航天系统2022-5-296第一节 控制

3、系统的实验方法-仿真实验法 仿真实验法：仿真实验法：在模型上（物理或数学的）进行系统性能分析与研究的实验方法。 基本原则：基本原则：相似原理 系统的模型分为物理模型和数学模型两类： 物理模型仿真：物理模型仿真：如船舶设计制造时，先按比例缩小建造一个模型，放在水中进行各种动态性能实验研究，满足“几何相似”。飞行器研制中，常常将实物放到“风洞”中进行实验研究，满足“环境相似”。 特点：特点：效果好，精度高；造价高，耗时长。 数学模型仿真：数学模型仿真：用数学模型在（数字或模拟）计算机上进行仿真研究，满足“性能相似”的原则。 前提条件：前提条件：建立高精度的数学模型。2022-5-297第二节 仿真

4、实验的分类与性能比较1 1、按模型分类：、按模型分类： 物理仿真、数学仿真 物理仿真特点：物理仿真特点：总有实物介入，具有实时性和在线性。构造复杂，造价高。 数学仿真特点：数学仿真特点：在（模拟或数字）计算机上进行，具有非实时性和离线性。经济、快捷。2022-5-298第二节 仿真实验的分类与性能比较2 2、按计算机类型分类、按计算机类型分类 模拟仿真、数字仿真、混合仿真模拟仿真、数字仿真、混合仿真 模拟仿真：模拟仿真：采用数学模型在模拟计算机上进行的实验研究。 特点：特点：1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然逼真。2）仿真速度极快，失真小，结果可靠。3）受元器件性能影响，仿真精度较低。4

5、）对计算机控制系统（采样控制系统）的仿真较难。5）实验过程的自动化程度低。2022-5-299第二节 仿真实验的分类与性能比较 数字仿真：数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算的方法进行的仿真实验。 特点特点：1）计算与仿真精度高。理论上，精度可以任意高，但是受到误差累积、仿真时间等因素影响，精度不宜过高。2）对计算机控制系统的仿真比较方便。3）仿真实验的自动化程度较高。4）计算速度较低。但是将来不会成为问题。2022-5-2910第二节 仿真实验的分类与性能比较 混合仿真：混合仿真：将上述两种仿真方法结合起来的仿真实验系统。 应用场合应用场合：要求与实物连接进行实时仿真，同时又

6、有复杂计算问题。如参数寻优、统计分析等反复迭代运算。 特点特点：具有上述两种仿真的优点。但复杂，价格高。2022-5-2911第三节 系统、模型与数字仿真-系统一、系统一、系统：由一些具有特定功能、相互间以一定规律联系着的物体所构成的有机体。1 1、系统组成的三要素：、系统组成的三要素：实体、属性、活动实体、属性、活动实体实体：存在于系统中的具有确定意义的物体。如阀门。属性属性：实体所具有的任何有效特征。如阀门的开度。活动活动：系统内部或外部发生的变化过程。如阀门的开启或关闭是热力系统的内部活动。电网电压波动是电力拖动系统的外部活动。2022-5-2912第三节 系统、模型与数字仿真-系统2

7、2、系统的特性：、系统的特性： 整体性、相关性、隶属性整体性整体性：即系统中的各部分（子系统）不能随意分割。如一个闭环控制系统中，控制对象、控制器和传感器组成一个有机整体，缺一不可。相关性相关性：即系统中各部分以一定的规律和方式联系，由此决定了其特有的性能。隶属性隶属性：一般情况下，有些系统并不象控制系统（由人工制成的）那样可清楚地分出系统的“内 部”与“外部”，常常需要根据所研究的问题来确定哪些属于系统的内部因素，哪些属于系统的外部环境，其界限也常常随不同的研究目的而变化。将这一特性称为隶属性。分分清系统的隶属界限是十分重要的，往往可使系统仿真问题得以简清系统的隶属界限是十分重要的，往往可使

8、系统仿真问题得以简化，有效地提高仿真效率。（电水壶的加热和安全性能）化，有效地提高仿真效率。（电水壶的加热和安全性能）2022-5-2913第三节 系统、模型与数字仿真-系统3 3、系统的分类、系统的分类按照不同的依据有多种分类方法。下面按“时间”可分为：连续系统连续系统：系统中的状态变量随时间连续变化。如锅炉温度调节系统。离散时间系统离散时间系统：系统中状态变量的变化仅发生在一组离散时刻上。如计算机系统。离散事件系统：系统中状态变量的改变是由离散时刻上所发生的事件所驱动的系统。如仓储系统中的“库存”问题，是受“出库”和“入库”事件的随机变化影响的。混合系统混合系统：一部分是连续系统，一部分是

9、离散系统。如计算机控制系统。2022-5-2914第三节 系统、模型与数字仿真-模型二、模型：二、模型：是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象。1、模型分类：物理模型、数学模型、描述模型物理模型、数学模型、描述模型描述模型描述模型：对不能或难以用数学方法描述的系统，只能用语言（自然语言或程序语言）进行描述的模型。模型的精确与实现之间有矛盾。为了有效地对一类复杂系统实现控制，人们不再单纯地追求“数学模型”，而是建立起基于“经验”或“知识”的描述模型。如：在模糊控制中，对控制对象的描述就是一组基于经验的If-then-else语句的描述。2022-5-2915第三节 系统、模型与数字仿真-模型2、

10、模型的建立模型的建立1）确定模型结构，建立系统约束条件，确定系统的实体、属性和活动。2）测取有关的模型数据。3）运用适当理论建立系统的数学模型。4）检验所建立的数学模型的准确性。2022-5-2916第三节 系统、模型与数字仿真-模型3 3、系统建模的重要性、系统建模的重要性 由于控制系统的数字仿真是以其“数学模型”为基础的，所以，对于仿真结果的可靠性来说，系统建模至关重要！往往决定了数字仿真的成败。否则，“仿真”就不“真”了！ 现代仿真技术，不但具有理论探讨意义，还对实际工作具有指导作用！如驾驶飞机训练。2022-5-2917第三节 系统、模型与数字仿真-数字仿真实际系统数学模型计算机结果分

11、析仿真结果一次模型化二次模型化系统辨识仿真实验将实际系统抽象为数学模型称将实际系统抽象为数学模型称为一次模型化，它还涉及到系为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模统辨识技术问题，统称为建模问题。问题。将数学模型转化为可在计算机将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称为二次上运行的仿真模型，称为二次模型化，这涉及到仿真技术问模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。题，统称为仿真实验。2022-5-2918第三节 系统、模型与数字仿真-数字仿真 所谓实现问题，就是根据已知的系统所谓实现问题，就是根据已知的系统传传递函数递函数求取该系统相应的求取该系统相应的状态空间状态空间表达表达式。即把系统的式。即把系统的外部描述外部描述模型转化为系模型转化为系统的统的内部描述内部描述模型。模型。 一般高阶微分方程较难求解，所以要化一般高阶微分方程较难求解，所以要化为具有一阶微分方程组的状态方程，使为具有一阶微分方程组的状态方程，使之适宜数字计算机求数值解。之适宜数字计算机求数值解。2022-5-2919第三节 系统、模型与数字仿真-数字仿真仿真实现仿真实现是指将已得到的控制系统的数学模型数学模型通过一定的方法、手段转换为可在数字计算机上运行求解的“仿仿真模型真模型”，即“二次模型化”。一般步骤：1 1、根据已建立的数学