仿真技术知识整理 -p

1、*第一章*系统的基本属性：整体性、相关性。系统的三个研究方面、实体（存在于系统中的每一项确定的 物体）、属性（实体所具有的每一项有效的特征）、活动（导 致系统状态发生变化的一个过程）。系统模型：是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述， 是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转化，整合等 相似过程而形成的最终结果，它具有与系统相似的数学描述 或物理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的信息；模型的作用：一、提高人们对现实系统的认识（模型具有通 信，思考，理解三个层次）；二、提高人们对现实系统决策的 能力（管理，控制，设计三个层次）；系统仿真可分为实体模型和数学模型，数学模型包括原始系 统数学

2、模型（概念模型，正规模型）和仿真系统数学模型（连 续系统模型和离散事件系统模型）离散事件系统、集中参数系统、分布参数系统研究方法：控 制论。离散事件系统研究方法：排队论。数学建模的任务：确定系统模型的类型、建立系统模型结 构、给定相应参数。建模所遵循的原则：模型的详细程度和精确度必须与研 究目的相匹配，要根据所研究的问题的性质 和所要解决问 题来确定对模型的具体要求。建模三要素：目的，方法，验证。建模的途径：演绎 法、归纳法；仿真研究的三要素：对仿真问题的描述，行为产生器，模 型行为及其处理。数学建模信息源：建模目的，先验知识，实验数据。系统仿真概念：以相似原理、系统技术、信息技术及其 应用领

3、域有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专 用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或者设想的 系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。仿真的作用：1优化系统设计。2对系统或系统的某一部 分进行性能评价。3节省经费。4重现系统故障，以便判断故 障产生的原因。5可以避免试验的危险性。6进行系统抗干扰 性能的分析研究。7训练系统操作人员。8为管理决策和技术 决策提供依据。系统仿真的分类：根据计算机分类：模拟计算机仿真、数 字计算机仿真、模拟数字混合仿真；根据仿真时钟分类：实 施仿真、欠实时仿真、超实时仿真；根据仿真系统的结构和 实现手段分为：数学仿真、物理仿真、半实物仿真、人在回 路中仿真

4、、软件在回路中仿真系统仿真的关系图：体统（经过系统建模）到系统模型，系 统模型（仿真建模）到计算机+物理效应模型+实物（仿真实 验）到系统；仿真三要素：系统、模型、计算机。三个基本活动：系 统建模、仿真建模、仿真试验。仿真研究的基本要素：（1）对仿真问题的描述，（2）行为 产生器，（3）模型行为及其处理仿真技术发展方向：分布式交互仿真。可视化、多媒 体、虚拟现实仿真。武器制导回路半实物仿真。面向对象仿 真技术。建模和仿真的VV&A技术。智能仿真技术。* 第二章*连续时间系统常用模型：微分方程、传递函数、状态空间表 达式、结构图表示。离散时间系统常用数学模型：差分方程、脉冲传递函数、离 散状态空

5、间表达式、结构图表示。连续系统传递函数离散化方法：1加入采样器和信号保持器、 2替换法、3根匹配法。欧拉替换公式：s=（z-1）/T。图斯汀替换公式： s=2（z-1）/（T（z+1）。根匹配法的基本思想：利用z与s的转换关系z=exp（sT）求出 z平面上对用的零极点位置。* 第三 章*常用数值积分法：欧拉法、梯形法、龙格库塔法、亚当姆斯 法；单步法和多步法：只用前一时刻的数值yn就可以求得后一 个时刻的数值yn + 1称为单步法，它是一种自启动的算法，计算 yn+1 用到了 tn,tnl,tn 2,，时刻的y值数据则称为多步法，它不是自启动的算法；数值积分法中的显示公式和隐式公式的含义：显

6、示公式指计 算yn+1时所用的数值均已经计算出来；隐式公式指算式中隐 含有未知数yn+1单步法、显示公式能自启动；多步法、隐式公式不能自启 动。欧拉法：单步法、显式公式、能自启动，只计算一次f(t,y) 函数值，计算量小，精度低，不实用，一阶精度。梯形法：隐式公式、不能自启动、预估校正法，计算两次 f(t,y)函数值，计算量增加，但精度有所提高。龙格库塔法基本思想：在积分区间tn,tn+1 内多预估几个 点的函数值，然后用其线性组合来代替函数的各阶导数，在 与泰勒级数展开式中的各项对比确定其中的系数。龙格库塔法每一步计算f的次数：2、3、4、5、6、7、=8。 精度：2、3、4、4、5、6、n

7、-2。亚当姆斯法是线性多步法、不能自启动。变步长法应用：当估计误差en大于最大允许误差emax 时，步长减半并重新积分再估计误差；若步长小于步长下限 hmin,则不再减半，以免增加仿真时间和舍入误差；当估计 误差en小于最小允许误差emin时，步长加倍并重新积分再 估计误差；若步长大于步长上限hmax,则不再加倍，以免增 加截断误差、减小数值稳定性。截断误差：截去高阶无穷小项引入的误差称为r阶精度， O(hr+1)。舍入误差：因计算机字长有限，数字不能完全精确表示 而产生的误差。与步长、数字系统、运算次序以及计算f(t, y)子程序的精度等多种因素有关欧拉法：1阶精度。梯形法：2阶精度。四阶龙

8、格库塔 法：4阶精度。亚当姆斯法：5阶精度步长的选择：步长过大会增加截断误差，甚至出现不稳 定现象；步长过小会增加计算步数，从而增大舍入误差；病态系统：考虑一般的常微分方程组初值问题： Y.=f(Y,t),Y(t0)=Y0。假设系统雅克比矩阵of/oy的特征值 为入i,i=0,1n。如果系统的特征值均具有负实部，而且其 实部的绝对值相差很大，数学上表示为max|Re入j| min|Re入j|。则此系统为病态系统* 第四章*离散事件系统是指受事件驱动、系统状态跳跃式变化的动态 系统，系统的迁移发生在一串离散事件点上。离散事件系统的基本要素：实体（临时实体、永久实体）、 事件、活动、进程。离散事件

9、系统建模：明确仿真目的、正确描述系统、仿真模 型的建立、输出函数的确定。时间步长法：把仿真过程分为许多相等的时间间隔、程序按 此步长前进的时钟就是仿真时钟。事件步长法：以事件发生的时间为增量，按照时间的进展， 一步一步的对系统的行为进行仿真，直到预定的仿真时间结 束为止。事件步长法和时间步长法的主要区别：1两者都是以时间增 量来考察系统状态的变化，在时间步长法中，仿真时钟以等 步长前进；事件步长法中，仿真时钟的步长取决于事件之间 的间隔；2时间步长法在一个步长内，认为系统所处的状态 相同，所选步长大小将影响系统仿真的精度；事件步长法 中，每个事件的发生不需要人为的选取步长，步长的大小对 仿真精

10、度影响较小；3时间步长法每步进一个步长就要对整 个系统进行一次全面考察，即使状态没发生变化也要扫描； 事件步长法只有在某一事件发生时才进行扫描；事件表是一个有序的记录表，每个记录包括事件发生时间、 事件类型等内容。在某些离散事件的仿真中，采用时间表的 形式进行调度。离散事件系统仿真策略：事件调度法（事件）、活动扫描法（活动）、进程交互法（进程）。排队系统的组成：到达模式（指临时实体按怎样的规则到 达，一般用到达时间间隔描述）、服务机构（永久实体数）、 排队规则（FIFO、LIFO、随机、优先权等）。排队的统计性能：d，稳态平均排队时间；w，实体通过 系统的稳态平均滞留时间；Q，稳态平均队长；L

11、，系统中稳 态平均实体数。服务台的利用率：rou=limda/miu。例题：单服务台排队系统，实体数N=8.到达时间间隔：0,10,15,35,30,10,5,5；服务时间：22,15,10,5,15,15,10,10.则队长二0,1,1,0,0,1,2,1，服 务台空时间二0,0,0,15,25,0,0,0。* 第五章*面向对象的基本概念：对象、消息、类、方法。面向对象方法的基本特征：封装性、继承性、多态性、动态 联编(操作过程与数据的链接过程推迟到程序运行时进行)。OOA=对象+分类+继承+消息通信。面向对象仿真优点：可理解性、可重用性、可扩展性、模块 化、易于实现并进行仿真、使仿真易于和

12、AI结合。对象：=接口，数据，操作UML的组成：构造块、关系、UML规则、UML公共机制、UML 扩展机制、UML体系结构图。UML建模元素包括:构造元素、行为元素、分组和注释四种类 型；关系主要包括关联、泛化、依赖、实现。UML表示法五类图：用例图、静态图、行为图、交互图、实 现图。* 第六章*DIS(distributed interactive simulation):分布式交互仿 真。DIS已计算机网络作为支撑，将分散与不同地域的相对独立的 各类仿真器互联起来，构成一个大规模、多参与者协同作用 综合虚拟环境，以实现含人平台，非含人平台的交互以及平 台与环境的交互。HLA定义了一个通用的

13、技术框架，在这个技术框架下，可以接 受现有的各类仿真过程的共同加入，并实现彼此的相互操作。DIS设计原则：仿真节点的自治性、时空一致性、采用对象/ 事件结构、实时性、互操作性、可靠性和安全性、系统可扩 展性。a) DIS关键技术：合理的分布式结构、信息交换标准、DR机 制、时空同步技术、坐标变换技术、接口处理机制、虚 拟环境技术、建模与仿真的VV&A技术、运行管理技术。网络接口单元 NIU (Network Interface Unit)基本功能： 物理上：NIU完成各仿真器的不同标准数据接口与网络系统 的互连。数据流上：实现了不同数据集到PDU(Protocol Data Unit)的互换。

14、仿真环境上：实现了局部仿真到统一的 综合虚拟环境的互通。辅助功能：数据过滤功能DR模型 解算。表示仿真器正常运转的“心跳”数据发送。PDU的结构有标头、主体和变长体三大部分组成。时空不一致的原因：1-DIS系统中，由于仿真节点之间的时 钟不同步以及节点之间的信息传输延时造成节点之间在时间 处理上的差异，导致时间不一致；2各节点对于仿真实体的 空间位置和姿态的描述方法的不同导致节点之间在空间处理 上的不一致；3由于时间不一致导致的节点之间在空间处理 上的不一致。保证时间一致性的方法：时间戳机制、时间修正机制、时钟 跟随同步方法。时间戳，表示联邦时间轴上的值，事件被赋值用来说明事件 发生的时刻。联

15、邦成员的时间状态可设置为：既时间调节有时间受限； 时间调节但不受限；时间受限但不调节，既不时间调节也不 时间受限。DR (dead reckoning)基本思想：1.DIS系统中每个仿真 节点内除了保存其内部仿真实体动力学模型外，还保存该动 力学模型的DR模型及有可能与其交互的其他仿真节点的DR 模型。2.仿真节点不必在每个仿真帧周期均将各自的状态传 送给与其交互的其他仿真节点;3.在DIS仿真进程中，仿真节 点只是在实际运动状态与DR模型推算出来的运动状态之间的 误差超过设定的误差限时，才将自己的运动状态打包发送给 其它节点，同时更新其DR模型参数；4.其他节点接收到更新 后的状态信息后，判

16、断是否要更新对方的DR模型，等待下一 个状态更新信息；RTI；联邦运行支撑系统，是HLA接口规模的具体实现， 是基于HLA仿真的核心部件；RTI:运行支撑框架。联邦对象模型(federation object model FOM)。成员对象模型：(sumulation object model SOM)。FOM 联邦对象模型(federation object model FOM)：描述联邦执行中个联邦成员之间进行交互的全部共享信息；SOM 仿真对象模型：(sumulation object model SOM)： 描述单个成员加入联邦时对联邦其他成员信息的需求以及向 联邦其他成员提供信息的能

17、力；HLA体系规范组成：规则、对象模型模板(object model template OMT)、接口规范说明。HLA中，信息传输顺序有RO和TSO两种类型，信息传输 类型有最好效果传输和可靠传输两种类型；RTI六大管理服务：联邦管理、声明管理、对象管理、所 有权管理、时间管理、数据分发管理。前瞻量(Lookahead Value) : RTI的所有时间推进机制都 使用前瞻量，前瞻量是联邦成员在进行时间调节时所指定的 一个仿真时间段。前瞻量对时间调节的联邦成员进行限制： 假设联邦成员仿真时间为t，前瞻量为l，则RTI不允许该联 邦成员发送时间戳t t +1的事件。也就是说，联邦成员必 须预测从

18、当前时间昇始的一段未来，它不发送时间戳小于当 前时间与前瞻量之和的事件。时间戳的下限(lower bound on the time stamp -LBTS ): 表示该联邦成员的最大安全时间推进值，将来不会再接收到 时戳值小于该值的TSO消息。其输出时间是下列几个值的最 小值：联邦成员的请求推进时间与前瞻量之和；联邦成员的 事件队列中最早事件的时间戳；联邦成员的LBTS。DIS和HLA对比分析：DIS网状结构HLA星形连接DIS严格对等HLA客户/服务器DIS传输对象是PDU HLA传输数据来源于联邦成员与RTI之间各种服务请求和应答。DIS平台级 HLA平台级和基于 ALSP协议的聚合级。

19、DIS统一时间推进机制HLA允许不同时间推进机制的仿真应用实现彼此的交互作用。| fI-* tt不*不不* 市 早*不*不不*不不*不不*不不*不不*不不*不不*不不*科学计算可视化(visualization in scientific computation， VISC)虚拟现实(Virtual Reality， VR)。科学计算可视化过程模型：数据操作(数据过滤)、可视化 映射（过滤数据转换为抽象可视化对象）、绘制（转换为可 显示的图像）。VR技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用 设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进 行自然交互的技术。虚拟现实系统组成：效果产生器，实景仿真器，应用系统， 几何构造系统。虚拟现实方向：实物虚化、虚物实化、高效的计