CS_0计算机仿真导论

1、主要内容主要内容仿真技术仿真技术及其重要性科研工作的基本方法基本方法学习本课程的目的与方法目的与方法相似原理相似原理及其应用模型模型及其建立科研工作的科研工作的基本方法基本方法解析法解析法： 运用已掌握的理论知识，对所研究的对象进行理论方面的分析、计算及综合。最佳路径问题庞得里亚金极大值原理工程最优问题科研工作的科研工作的基本方法基本方法解析法解析法：工程动力学问题 F=ma一阶倒立摆科研工作的科研工作的基本方法基本方法解析法解析法：Routh判据英国E.J.Routh建立（Routh-Hurwitz Stability Criteria）（1875年） 科研工作的科研工作的基本方法基本方法2

2、实验法：实验法：在所建立的实际系统（或模型）上，利用各种仪器仪表，通过施加一定类型的激励信号，测取系统响应来确定系统的性能。几个弊端科研工作的科研工作的基本方法基本方法2实验法：实验法：实际系统科研工作的科研工作的基本方法基本方法2实验法：实验法：系统模型+ +- -+ +- -dUdIMndnuFxFxM路面+ + +- - -( )U t( )i tLR( )cU tC1hhq1qty22( )d xdxabcxy tdtdtcuuxyxhq科研工作的科研工作的基本方法基本方法3仿真实验法：仿真实验法：在模型上（物理的/数学的）所进行的系统性能分析与研究的方法。遵循的基本原则是相似原理。科

3、研工作的科研工作的基本方法基本方法3仿真实验法：仿真实验法：数学模型3112321311223222233333112332323322()sinsin1()cossincos(sin)1(2sin)xfDxfxxxMxfDxxxxfx xgxxmMMxxfDxfxxxxx xgxxMmx 吊车摆动科研工作的科研工作的基本方法基本方法3仿真实验法：仿真实验法：虚拟模型科研工作的科研工作的基本方法基本方法3仿真实验法：仿真实验法：实物模型科研工作的科研工作的基本方法基本方法3仿真实验法：仿真实验法：仿真实验性能比较：数学模型虚拟模型实物模型实物原型仿真精度低高科研工作的科研工作的基本方法基本方法

4、3仿真实验法：仿真实验法：工程应用：飞行器设计的三级仿真体系科研工作的科研工作的基本方法基本方法4混合法：混合法： 解析法+实验法工程实例：水轮发电机组科研工作的科研工作的基本方法基本方法4混合法：混合法：gtMMdtdIttQHM流体力学：层流/紊流000000PaPHPQQaQHQPPPPPHQeeHe QHQQQQQHPeeHePHP我们要确定的“六系数”（偏导数）工程实例：水轮发电机组科研工作的科研工作的基本方法基本方法4 混合法：混合法：工程实例：水轮发电机组科研工作的科研工作的基本方法基本方法5猜想法：猜想法：又称为“假想法”，通过人们对所研究问题的“直觉”，提出“可能的”结果/结

5、论，利用“反演/推理/证明”的方法进行“创造性”的研究和发现。科研工作的科研工作的基本方法基本方法5猜想法：猜想法：哥德巴赫猜想相对论假说电磁波设想科研工作的科研工作的基本方法基本方法5猜想法：猜想法：宇宙大爆炸理论主要内容主要内容仿真技术仿真技术及其重要性科研工作的基本方法基本方法学习本课程的目的与方法目的与方法相似原理相似原理及其应用模型模型及其建立相似性原理相似性原理及应用及应用仿真实验所遵循的基本原则仿真实验所遵循的基本原则原理原理科学技术创新与应用的桥梁科学技术创新与应用的桥梁1、几何相似 2、环境相似 3、性能相似 4、思维相似 5、生理相似相似性原理相似性原理及应用及应用1、几何

6、相似、几何相似船舶实物仿真相似性原理相似性原理及应用及应用2、环境相似、环境相似船舶驾驶培训仿真系统相似性原理相似性原理及应用及应用3、性能相似、性能相似+ +- -+ +- -dUdIMndnuFxFxM路面+ + +- - -( )U t( )i tLR( )cU tC1hhq1qty22( )d xdxabcxy tdtdtcuuxyxhqRLC电路二阶系统汽车减震系统水箱液位控制系统直流电动机转速测量系统相似性原理相似性原理及应用及应用相似定理：相似定理：相似第一定理：相似第一定理：彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。第一定理:第二定理:第三定理:例：粘性不可压缩流体的稳定等温流

7、动问题；22wlPglww常数常数常数主要内容主要内容仿真技术仿真技术及其重要性科研工作的基本方法基本方法学习本课程的目的与方法目的与方法相似原理相似原理及其应用模型模型及其建立模型模型及其建立及其建立模型的重要性模型的重要性勾股定理模型模型及其建立及其建立模型的重要性模型的重要性电磁场理论涡旋磁场位移电流赫兹模型模型及其建立及其建立模型的重要性模型的重要性1、把世间的现象/问题上升到“数学抽象/数学模型”的理论高度是现代科学发现与技术创新的基础。2、“实验、归纳、推演”是建立系统“数学模型”的重要手段/方法/途径。3、“数学模型”是人们对自然世界的一种抽象理解，它与自然世界/现象/问题具有“

8、性能相似”的特点。模型模型及其建立及其建立建模三要素：目的，方法，验证建模三要素：目的，方法，验证1.目的要明确飞行器目的2飞行器的结构强度目的1飞行器的动态性能流体力学结构力学方法1方法2模型模型及其建立及其建立建模三要素：目的，方法，验证建模三要素：目的，方法，验证2.方法要恰当（1）逻辑推理方法：归纳、推演、类比、移植（2）机理建模法: 白箱问题（3）实验建模法：黑箱问题（4）综合建模法：机理+实验模型模型及其建立及其建立建模三要素：目的，方法，验证建模三要素：目的，方法，验证3.结果要验证数学模型必要条件实物模型充要条件实际应用结果检验模型模型及其建立及其建立建模过程建模过程主要内容主

9、要内容仿真技术仿真技术及其重要性科研工作的基本方法基本方法学习本课程的目的与方法目的与方法相似原理相似原理及其应用模型模型及其建立仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用 控制系统CAD 机械系统CAD仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性控制系统控制系统CAD固有特性分析Bode DiagramFrequency (rad/sec)Magnitude (dB)-50-40-30-20-1001010-1100101102T (S)2T (S)1L=1.1mL=1.0mL=0.9mT (S)1T (S)1L=1.0mRoot LocusReal AxisImag Axis

10、-6-5-4-3-2-10-3-2-10123Root Locus-10-50510-2.5-2-1.5-1-0.500.5Real AxisImag Axis仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性控制系统控制系统CAD闭环控制性能分析直流电动机双闭环调速系统设计仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性控制系统控制系统CAD闭环控制性能分析00.140.280.420.560.7-4-20246ASR输出/V00.140.280.420.560.70400800120016002000t/s转速n/r/minASR输 出转 速00.140.280.420.560.7-10-26142230电动机电流

11、/A00.140.280.420.560.70400800120016002000t/s转速n/r/min电 动 机 电 流转 速=5.3%=21.3%-10-4281420电动机电流Id/A0123450 400 800 120016002000t/s转速n/r/min1A13A转 速电 动 机 电 流仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性控制系统控制系统CAD球棒系统仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟现实（VR）虚拟样机：1仿真实验的高级形式2可视化/真实性3有助于人们的创造与想象力的发挥仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟现

12、实（VR）虚拟样机：仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟现实（VR）感知设备：表现装置：三大特征：仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟现实（VR）感知设备：仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟现实（VR）表现装置：仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟现实（VR）三大特征：仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟样机：虚拟现实仿真技术虚拟制造虚拟环境仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟样机：虚拟现实仿真技术仿真

13、技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟样机：虚拟制造仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟样机：虚拟环境勇气号火星车仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟环境仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用虚拟样机仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用工程应用：1 车辆肇事仿真 2飞行器设计 3 联合仿真 4 军事工程仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用工程应用：1车辆肇事仿真仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用

14、工程应用：2飞行器设计仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用工程应用：3联合仿真仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用工程应用：4军事工程仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用常用的工具软件ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)1 美国MDI/MSC公司2 50市场份额3 运动学/动力学/机电一体化4 网址： 。仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用常用的工具软件PSPICE（模拟电路CAD软件）1电子电路仿真软件2

15、ORCAD公司的商业化EDA软件 3直流/交流电路、瞬态特性优化设计、数字模拟混合电路、电路绘图仿真一体化4网址：。仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用常用的工具软件SABER（电气、模拟、混合信号仿真软件）1图形化界面2稳态、时域、频域、可靠性3应用于电源、电力电子、电气、机电一体化设计4网址：www.jialing- Gibon提出了“虚拟现实”的概念，为仿真技术的应用指出了新的发展方向；10、1985年，美国推出性能更加强大AD100数字/模拟混合计算机（可用于洲际导弹/多目标飞行器实时仿真）；11、1989年，美国评出了科技领域近25年间最杰出的十项技术成果

16、，将CAD/CAM技术列为第四项，被称为“推动了几乎所有设计领域的革命”；12、1992年，美国政府提出的22项国家关键技术中，仿真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，仿真技术被列为第6项；仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的发展仿真技术的发展发展历程：13、1993年，中国“银河仿真型机”研制成功；14、1996年，美国学者Macredie系统阐述了虚拟现实、仿真环境、面向对象的建模机制等重要概念与理论，为虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应用推波助澜；15、1999年，“银河高性能分布仿真计算机”在长沙诞生，这标志着我国的仿真技术已达到国际先进水平；16、进入

17、21世纪，“虚拟现实仿真技术”开始在影视艺术、工业设计、生活娱乐等领域大量应用；“仿真技术”已成为“现代工程技术人员应该掌握的基本技能之一”仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真技术的应用仿真技术的应用发展趋势：1 在硬件上，基于多CPU的并行处理技术的全数字仿真技术将有效的改善仿真系统的“实时性”；2 基于网络技术的分布式数字仿真系统将广泛应用；3 基于虚拟现实技术的“多媒体环境条件下的仿真技术”将推进军事、工业、生活、娱乐等领域的深层次应用；4 “离散事件系统”的仿真问题将成为人们研究的另一热点；5“仿真技术”将成为高等理工院校学生培养的重要技术。仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性仿真

18、技术的应用仿真技术的应用仿真技术的重要性： 经济 安全 快捷主要内容主要内容仿真技术仿真技术及其重要性科研工作的基本方法基本方法学习本课程的目的与方法目的与方法相似原理相似原理及其应用模型模型及其建立学习本课程的学习本课程的目的和方法目的和方法学习本课程的目的学习本课程的目的1了解仿真技术概况2 夯实所涉及的基本概念、理论与方法3 掌握仿真技术这一利器，并要认识到“与时俱进”4 培养自主学习/研究的能力学习本课程的学习本课程的目的和方法目的和方法学习本课程的方法学习本课程的方法1、注重基础（概念/原理）；孟子曰：“始条理者，智之事也；终条理者，圣之事也。”学习本课程的学习本课程的目的和方法目的和方法学习本课程的方法学习本课程的方法2、积极应用（各类仿真工具）；孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”学习本课程的