计算机仿真原理及应用第一讲

1、 单位：物理电子学院 主讲人：王刚 Email: buncan_计算机仿真原理与应用计算机仿真原理与应用教学安排教学安排n考查课考查课n授课形式：授课形式：n 课堂授课（课堂授课（14学时）学时）n 上机实践（上机实践（34学时）学时）主要内容主要内容n计算机仿真技术的概述、特点以及发展趋势计算机仿真技术的概述、特点以及发展趋势n连续系统仿真原理、方法连续系统仿真原理、方法n离散系统仿真原理、方法离散系统仿真原理、方法n面向对象仿真原理与技术面向对象仿真原理与技术n并行仿真技术并行仿真技术n半实物仿真技术与应用半实物仿真技术与应用n分布式仿真技术原理与典型应用分布式仿真技术原理与典型应用美国三

2、种典型导弹研制过程仿真技术的作用美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用原计划发射仿真后实发节省导弹 节省费用（单位：千万美元）爱国者1411014080罗兰特2249512942尾 刺1851147125运运20研制效率的提高（研制效率的提高（2013年）年） 汽车、航空电子控制系统汽车、航空电子控制系统 一、为什么要进行仿真n什么叫系统？n系统：相互关联又相互作用着的对象的有机组合，该有机组合能够完成某项任务或实现某个预定的目标。n 通常研究的系统有工程系统和非工程系统。n工程系统（电气、机电、化工）n非工程系统（经济、交通、管理）n 建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律，以便

3、分析和综合自然、社会和工程系统中的种种复杂问题。n对系统进行研究、分析与设计的方法；n （1）直接在系统上进行实验n 在要设计的系统上进行实验n （2）在模型上进行实验n 对要设计的系统进行处理，根据其中内含的各种自然规律（包括欧姆定律、比例环节和惯性环节等）得到相关的控制规律，即系统的数学模型来进行研究。n 对要设计的系统进行一定比例的缩放得到缩小或放大的物理模型。（古时的建筑）选择在模型上进行实验的原因n系统尚未设计出来n某些实验会对系统造成伤害n难以保证实验条件的一致性；如果存在人的因素，则更难保证条件的一致性。n费用高n无法复原二、仿真的定义n仿真的定义在不同的领域或范畴中有不同的描述

4、，可以概括为：“仿真是指用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。”n仿真遵循的原则： 原理抽象n 相似原理n相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。n几何相似：根据相似原理把原来的实际系统放大可缩小。如把12000吨水压机可用1200吨或120吨水压机作其模型。万吨轮船也要用缩小的模型来研究。n性能相似：构成模型的元素和原系统的不同，但其性能相似。如：可用一个电气系统来模拟热传导系统。在这个电气系统中电容代表热容量，电阻代表热阻，电压代表温差，电流代表热流。三、仿真的目标n优化设计n预测系统的性能和参数n经济性n采用物理模型或实物实验，花费巨大。n采用数学模型即计算机数学仿真可

5、大幅度的降低成本并可重复使用。n安全性n载人飞行器和核电站的危险性不允许。n预测性n对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测的方法。（天气预报）n复原性四、仿真的分类n按照模型性质分：物理、数学、混合n物理仿真：按照物理性质构造系统的物理模型，并在模型上进行试验（直观 形象）n数学仿真： 一般是指在计算机上对系统的数学模型进行试验。（经济方便）n混合仿真：两者结合系统模型计算机模型建立仿真试验仿真模型建立计算机仿真三要素n理发馆系统： 实体：服务员、顾客n顾客：顾客：按某种规律到达，服务完毕后顾客离去按某种规律到达，服务完毕后顾客离去n 服务员：服务员：根据顾客的要求，按一定的程序服根据顾

6、客的要求，按一定的程序服务务n 相互作用：相互作用： 顾客到达模式影响着服务员的工顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态作忙闲状态n 顾客排队状态顾客排队状态 、服务员的多少和服务效率：服务员的多少和服务效率：影响着顾客接受服务的质量影响着顾客接受服务的质量 电动机调速系统电动机调速系统 实体：实体：电动机、测速元件、比较元件以及电动机、测速元件、比较元件以及控制器。控制器。 相互作用：相互作用：实现按给定要求调节电动机的实现按给定要求调节电动机的速度速度系统定义：系统定义： 确定边界、输入、输出确定边界、输入、输出 描述系统描述系统“三要素三要素”：实体、属性、活动：实体、属性、活动边界边界

7、环境环境系统系统输入输入输出输出实体实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；也称为描述变量，描述每一实体的特征；活动活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。定了系统内部发生变化的过程。n模型实际系统本质的抽象与简化n（1）真实的系统尚未建立n（2）可能会引起系统破坏或发生故障n（3）难以保证每次试验的条件相同n（4）试验时间太长或费用昂贵n模型分为两大类n物理模型，采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作沙盘模型n数学模型，用数学表达式

8、形式来描述系统的内在规律。n 定义如下集合结构：),(YQXTSTXQ：时间基，描述系统变化的时间坐标：时间基，描述系统变化的时间坐标为整数则称为为整数则称为离散时离散时间系统间系统，为实数则称为为实数则称为连续时间系统连续时间系统 ：输入集，代表外部环境对系统的作用。：输入集，代表外部环境对系统的作用。 ：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。 ：输出函数：输出函数 Y：输出段集

9、，系统通过它作用于环境。：输出段集，系统通过它作用于环境。模型描述变量的轨 迹模 型形 式变量范围模型的时间集合连续离散空间连续变化模型偏微分方程连续时间模型空间不连续变化模型常微分方程差分方程离散时间模型离散（变化）模型有限状态机马尔可夫链活动扫描连续时间模型事件调度进程交互系系 统统模模 型型计算机计算机系统建模系统建模仿真实验仿真实验仿真建模仿真建模 计算机仿真三要素及三个基本活动计算机仿真三要素及三个基本活动系统是研究的对象系统是研究的对象模型是系统的抽象模型是系统的抽象仿真是对模型的实验仿真是对模型的实验传统上：传统上：“系统建模系统建模”系统辨识技术范畴系统辨识技术范畴“仿真建模仿

10、真建模”即针对不同形式的系统模型研究其求解算法即针对不同形式的系统模型研究其求解算法“仿真实验仿真实验”检验（检验（Verification）“仿真程序仿真程序”的检验的检验 致效（致效（Validation）将仿真结果与实际系统的行将仿真结果与实际系统的行 为进行比较为进行比较现代仿真技术现代仿真技术：将仿真活动扩展到上述三个方面，：将仿真活动扩展到上述三个方面， 并将其统一到同一环境中。并将其统一到同一环境中。u系统建模系统建模 基本定律及系统辨识等方法计算机程序化基本定律及系统辨识等方法计算机程序化 用仿真方法确定实际系统的模型用仿真方法确定实际系统的模型 基于模型库的结构化建模基于模型

11、库的结构化建模 采用面向对象建模（采用面向对象建模（Object- Oriented Modeling）方法，）方法， 在类库的基础上实现模型拼合与重用在类库的基础上实现模型拼合与重用u仿真建模仿真建模 许多新算法和新软件许多新算法和新软件 模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（data driven）。）。 仿真问题分为两部分：模型与实验仿真问题分为两部分：模型与实验 模型又分为两部分：参数模型和参数值模型又分为两部分：参数模型和参数值 仿真实验仿真实验将实验框架与仿真运行控制区分开来将实验框架与仿真运行控制区分开来特定模型：特定模型： 参数模型参数模型

12、参数值参数值实验：实验： 实验框架实验框架 仿真运行控制仿真运行控制仿真问题描述仿真问题描述行为产生行为产生模型行为及其处理模型行为及其处理模型行为（仿真数据）模型行为（仿真数据）轨迹行为轨迹行为结构行为结构行为行为处理：分析、显示行为处理：分析、显示图图 现代仿真的概念框架现代仿真的概念框架实验框架定义一组条件实验框架定义一组条件输出函数的定义也与仿真模型分离输出函数的定义也与仿真模型分离开来开来Orn仿真概念框架仿真概念框架：“仿真问题描述仿真问题描述”“仿真建模仿真建模”“行为产生行为产生”“仿真实验仿真实验”“模型行为及其处理模型行为及其处理”输出处理输出处理五 系统仿真的特点n1.根

13、据模型的物理属性分类n物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。n 物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟”。n 物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。n数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。n计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真n数学仿真优点是：方便、灵活、经济n数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。半实物仿真：半实物仿真：即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来

14、进行实验。实验。对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现学模型，并在计算机上加以实现对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物型的建立比较困难，则采用物理模型或实物仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验2.根据仿真计算机类型分类根据仿真计算机类型分类模拟计算机仿真：模拟计算机仿真：模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这是这是50

15、60年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟机仿真是一种模拟机仿真是一种并行仿真并行仿真，仿真时，代表模型的各部件是并，仿真时，代表模型的各部件是并发执行的。发执行的。d ydtad ydtbdydtcyf td ydtad ydtbdydtcyf td ydtd ydtdtdydtd ydtdtydydtdt33223322223322 ( )( ) y y y yb-c-af例如例如: 数字计算机仿真数字计算机仿真：将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行将系统数

16、学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。程序来得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。早期的数字计算机仿真则是一种早期的数字计算机仿真则是一种串行仿真串行仿真，因为计，因为计算机只有一个中央处理器（算机只有一个中央处理器（CPU），计算机指令只能逐），计算机指令只能逐条执行。条执行。数字模拟混合仿真：数字模拟混合仿真：为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机

17、上将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之运行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模间利用模/数和数数和数/模转换装置交换信息。模转换装置交换信息。3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实际动态系统的时间基称为实际动态系统的时间基称为实际时钟实际时钟 系统仿真时模型所采用的时钟称为系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟仿真时钟实时仿真：实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致即仿真时钟与实际时钟完全一致 模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同 当被仿

18、真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真亚实时仿真：亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟即仿真时钟慢于实际时钟 模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为离线仿真。模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为离线仿真。超实时仿真：超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟即仿真时钟快于实际时钟 模型仿真的速度快于实际系统运行的速度模型仿真的速度快于实际系统运行的速度4.根据系统模型的特性分类根据系统模型的特性分类连续系统仿真连续系统仿真 连续系统是指连续系统是指系统状态随时间连续变化系统状态随时间连续变化的系统，分为：的系统，分为：集中参数

19、系统模型集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述，一般用常微分方程（组）描述分布参数系统模型分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述，一般用偏微分方程（组）描述u离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴离散事件系统仿真离散事件系统仿真 离散事件系统是指在某些离散事件系统是指在某些随机时间点随机时间点上上系统状态发生离散变系统状态发生离散变化化的系统。的系统。与连续系统的主要区别在于：与连续系统的主要区别在于： 状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称为状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称为“事件事件”，因而

20、这类系统是由事件驱动的；，因而这类系统是由事件驱动的；“事件事件”往往发生在往往发生在随机时间点随机时间点上，亦称为随机事件，上，亦称为随机事件， 因而一般都具有因而一般都具有随机特性随机特性系统的状态变量往往是系统的状态变量往往是离散变化离散变化的的系统的系统的动态特性动态特性很难用人们所熟悉的很难用人们所熟悉的数学方程数学方程形式描形式描述述研究与分析的主要目标是系统行为的研究与分析的主要目标是系统行为的统计性能统计性能而不是而不是行为的点轨迹。行为的点轨迹。六 计算机仿真的一般步骤n建模与形式化：n 确定模型的边界，n 模型进行形式化处理n仿真建模：n 选择合适的算法，n 算法的稳定性、

21、计算精度、计算速度u程序设计：程序设计：将仿真模型用计算机能执行的程序来描述将仿真模型用计算机能执行的程序来描述程序中要包括仿真实验的要求程序中要包括仿真实验的要求 仿真运行参数、控制参数、输出要求仿真运行参数、控制参数、输出要求u模型校验：程序调试模型校验：程序调试 检验所选仿真算法的合理检验所选仿真算法的合理 检验模型计算的正确性（检验模型计算的正确性（Verification）u仿真运行：对模型进行实验仿真运行：对模型进行实验u仿真结果分析：对系统性能作出评价仿真结果分析：对系统性能作出评价 模型可信性检验（模型可信性检验（Validation）只有可信的模型才能作为仿真的基础只有可信的模型才能作为仿真的基础七 计算机仿真技术的应用n仿真技术在系统设计中的应用n新系统设计：提供了强有力的工具n在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实的基础n在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行优化设计n系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置n 利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件