计算机仿真教案01-第一章 绪论课件

主讲：李锦云唐国元电话：87541769(李)办公地址：东8楼108室(李)E-mail：jyunl@(李)仿真技术基础教学安排课时/学分：32/2

教学内容：1、概论，仿真的基本方法2、数值积分法3、连续系统仿真4、离散相似法仿真5、MATLAB(SIMULINK)基本使用方法

1.1引言1.1引言1.1.1仿真的定义1961年G.W.Morgenthler

首次技术性解释指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现雷诺(T.H.Naylor)于1966年在其专著中对仿真作了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统(或者它们的某些部分)在若干周期内的特征。”1978年科恩（Korn）在《连续系统仿真》一书中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型做实验”1.1引言

1984年Oren提出“仿真是一种基于模型的活动”，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。

仿真是对真实世界的模拟。基本共同观点是：仿真是基于模型进行的。其它一些定义只对仿真作一些概括的描述：仿真就是模仿真实系统；仿真就是利用模型来作实验等等。艾伦(A.Alan)在1979年8月出版的《仿真》期刊上对众多的定义进行了综述1.1引言综合定义：仿真(Simulation)——通过对系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的系统。它是将所研究的对象用其它手段加以模仿的一种活动系统仿真:是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。1.1引言1.1.2仿真的必要性1.必要性分析、研究和设计一个系统，需要“理论知识+实验研究”。一个实际系统的实验研究，有着可实现性与不可实现性。一个未来系统的实验研究，具有不可实现性。结论：对系统建立模型，借助于系统模型进行实验研究。1.1引言不可实现性的原因有：

安全性、经济性、实验周期性、可能性等。例：“旧金山号”核潜艇“旧金山号”核潜艇2005年1月8日在关岛以南海域撞上了一个海底山脉。这一事故造成一名艇员死亡，60多名艇员受伤。

1.1引言2.充分性－－仿真的好处便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数学模型的有效方法．虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标1.1引言2.充分性－－仿真的好处（续）希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响．难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究．需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案．1.1引言1.1.3仿真的分类a)根据计算机类型模拟计算机仿真数字计算机仿真模拟数字混合仿真b)根据系统模型信息流的特性连续系统仿真离散系统仿真离散事件系统仿真c)仿真时钟与实际时钟的比例关系实时仿真欠(亚)实时仿真超实时仿真1.1引言1.1.3仿真的分类(续)d)根据仿真系统组成物理仿真计算机仿真半实物仿真物理仿真：基于物理模型进行实验研究，例如船模。缺点：成本高、不易修改。计算机仿真（数学仿真）：将系统模型变为仿真模型，基于计算机进行实验研究。优点：精度高、重复性好、通用性强、价格便宜。半实物仿真（hardwareintheloopsimulation）：在仿真系统中，一部分是实际物理系统；另一部分是安装在计算机里的数学模型。1.1引言1.1.4仿真技术的发展、应用与发展的趋势1.仿真技术的发展1)发展阶段

二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展

2)成熟阶段70年代中期,出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统等产品3)高级阶段20世纪80年代初,以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(SimulatorsNetwork)研究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的高级阶段。

1.1引言2.仿真技术的应用应用领域：

计算机仿真反映出新的科学技术的时代特征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。应用的领域有：舰船操作训练武器研发航空管理,公交车的调度,飞机设计,三峡的安全、生态,道路的修建,医疗保险,国债的发行,家居装修,炼钢的温度估计,发电厂的操作训练,飞行员训练，传染病的检测和预报。1.1引言2.仿真技术的应用（1）武器及装备的研发：用仿真及虚拟现实技术可以提供先期演示检验其设计方案、战技术性能及其操作的合理性如：舰炮通用火控、舰船摇摆运动等单武器平台研发中，半实物仿真系统结合虚拟现实在型号研制中发挥了作用。

1.1引言2.仿真技术的应用传统的深潜救生的控制研究：可利用仿真及虚拟现实技术在不制造实际模型的情况下校验控制算法的正确性，还能将深潜救生的仿真过程实时转换为可被感受的场景动画，以利于仿真试验人员在线地对控制仿真过程和对结果进行分析、评判和决策1.1引言1.1引言2.仿真技术的应用飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。1.1引言2.仿真技术的应用（2）船舶训练（a）操作训练及适应性训练：如：六自由度舰艇操纵训练仿真系统，已用于海军院校学员的培训；船舶电站仿真、轮机驾驶、运动控制等各类仿真系统也得到广泛应用1.1引言我空军战斗机模拟器1.1引言2.仿真技术的应用（2）船舶训练（b）维修训练：

“虚拟维修”是在设备的维修中应用虚拟现实技术，使人可以对真实的设备进行维修前演练，如：美国对哈勃望远镜(HsT)的虚拟维修系统英国海军在舰载核能推进系统维修项目上采用虚拟现实技术进行设备维修训练

两种情况：1.对机器人的操作2.维修经验的获取1.1引言2.仿真技术的应用（3）战争仿真：（a）将仿真技术、虚拟现实技术用于军事训练，让战争走进实验室，既能比实兵操演节约大量的财力物力，又能使官兵“身临其境”(b)运用建立在网络基础上的分布式虚拟现实系统，可以建立大规模演练联合战役的“战争实验室”(c)在虚拟战场环境中，还可实施诸军兵种联合演习1.1引言世界上第一次运用虚拟现实技术导演大规模的“网络战争”是在1994年，“路易斯安娜94”演习近年来，世界上军事强国利用虚拟现实技术实施的“网络战争”层出不穷

2005年末，历时5年、得到著名科学家钱学森高度评价的国防大学战争模拟实验室建设工程,已在北京通过鉴定。光明日报的报道称，这个实验室的建成,标志着国防大学的信息化建设在战争模拟和战争实验领域已处于世界先进水平。

1.1引言美国的红旗演习1.1引言作战仿真系统的模型需要描述整个战场的环境，参与作战活动角色的各种物理特性以及他们的行为如：分布式潜艇作战仿真系统可以提供以下功能：(a)提供真实模拟战场环境和实体特性的能力(b)提供仿真运行管理、战场态势显示、仿真过程的记录和再现、碰撞检测和对仿真过程监控的能力(c)提供仿真评估功能(d)提供对潜艇作战系统完整工作过程的仿真(e)支援分布交互式仿真1.1引言2.仿真技术的应用（4）水利：三峡水库总库容393亿立方米，总装机容量1820万千瓦，是世界上最大的水电站之一。但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。1.1引言3.

发展趋势(1)正日益与新兴学科融合并推动自身发展，如网络技术、虚拟现实技术(2)仿真系统的智能化、社会化是其发展的趋势之一，如智能虚拟环境(3)仿真技术的应用领域正得到不断的拓展1.2系统、系统模型、系统仿真1.2系统、系统模型、系统仿真1.2.1系统按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。描述系统的“三要素”：实体、属性、活动。实体：确定了系统的构成与边界。属性：即描述变量，描述每一个实体的特征。活动：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。功能和特性: 1.整体性; 2.相关性;1.2系统、系统模型、系统仿真系统按其状态变化的性质，可以分为3类：A.连续系统B.离散系统C.离散事件系统

离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点上发生跳跃变化的系统离散事件系统与连续系统的主要区别：状态变化发生在随机时间点；状态以跳跃形式变化

研究系统主要包括三个方面内容：1）系统分析：存在的系统，认识，建模，静、动态分析，得到性能指标2）系统综合与设计：未存在的系统，根据性能指标要求，设计出一个符合要求的系统

3）系统预测：预测系统在内外因素变化条件下，可能的行为和特征1.2系统、系统模型、系统仿真1.2.2系统模型系统模型是采用某种特定的形式（如文字、符号、图表、实物、数学公式等）对一个系统某一方面本质属性进行描述，以提供有关系统的知识。1.系统模型的分类1)根据模型的时间集合可分为连续时间模型和离散时间模型;连续时间模型:系统的状态可在任意时刻点获得;离散时间模型:系统的状态只能在离散的时刻点获得.2)根据模型的状态变量可分为连续变化模型和离散变化模型;上述分类相互交叉,可得一种复杂的系统模型的分类3)随机模型和确定性模型;1.2系统、系统模型、系统仿真1.2系统、系统模型、系统仿真2.连续系统模型1）微分方程模型:

未知函数是一元函数，则称为常微分方程；若未知函数是多元函数，则称为偏微分方程.常微分方程:设系统输入u(t)和系统输出y(t)1.2系统、系统模型、系统仿真1.2系统、系统模型、系统仿真2）传递函数模型U(s)与Y(s)分别是输入,输出的拉普拉斯变换3）状态空间模型x-状态向量u-输入向量y-输出向量4）结构图模型当系统中有非线性环节等时，采用此种模型1.2系统、系统模型、系统仿真3.离散系统模型1）差分方程模型2）脉冲传递函数模型1.2系统、系统模型、系统仿真3）离散状态方程模型

x(k)-离散状态向量;u(k)-离散输入向量;y(k)-离散输出向量.4）.结构图模型当系统中有非线性环节、有连续部分时，采用此种模型。1.2系统、系统模型、系统仿真1.2.3系统仿真1.系统仿真的三个要素即针对不同形式的系统模型研究其求解算法

检验（Verification）致效（Validation）系统辨识技术范畴

系统是研究的对象模型是系统的抽象仿真是对模型的实验1.2系统、系统模型、系统仿真2.系统仿真的内容（1）模拟计算机仿真电子元器件(直流放大器,电阻,电容,二极管)线性/非线性模拟运算部件模拟计算机1.2系统、系统模型、系统仿真（2）数字计算机仿真近年来，随着计算机硬件、软件的迅速发展，数字计算机的功能不断增强，导致数字计算机仿真得到长足的发展，已取代了模拟计算机仿真。其优点突出表现在：1）仿真计算精度高；2）使用方便，修改参数容易；3）采用程序控制，自动化程度高。存在的缺点是：1）由于数字计算机仿真速度较慢；2）对于反应较快的系统进行实时仿真有一定困难。1.2系统、系统模型、系统仿真（3）混合仿真混合仿真是把两种机器“结合”起来的作法，基本上有两种．一种是在普通模拟计算机的基础上，增加一些数字逻辑功能，使之成为混合模拟计算机；另一种则是通过一个混合界面将一台通用数字计算机与一台模拟计算机连接起来，组成一个新的计算机系统．不论是那一种，都具有综合利用模拟机解算微分方程的快速性及数字计算机强有力的软硬件功能这两个方面的特点．1.2系统、系统模型、系统仿真（4）数字计算机仿真软件MatlabandSimulinkIntegratedenvironments(modellinglanguage+simulationenvironment)

Matlab是集数值计算、符号运算和图形处理功能于一身的科学计算语言；与其它计算语言相比，Matlab在功能、开放性和易学性等方面都很好；Matlab的核心是数值计算，Simulink是建立系统框图和仿真的环境；1.2系统、系