第一章 现代仿真技术-概述

现代仿真技术第1章概述

几个例子：1、加加林遇难新说1968年3月27日加加林遇难1988年1月18日塔斯社报道（参考消息1月28日）

“当天清晨，一批前苏联宇航员前往莫斯科郊外的契卡洛夫斯基航天场进行米格-15歼击机的飞行训练。在几名宇航员中，加加林第一个驾机起飞，与他一起驾驶这架飞机的人是他的飞行教官、航空团副团长弗拉基米尔·谢廖金。加加林和谢寥金于10点19分驾机起飞，几分钟后训练完毕，地面机场调度员听到加加林请求返航的声音，可是紧接着，地面塔台就失去了加加林的消息。接着加加林和谢寥金驾驶的飞机已经坠毁在了离航天场不远处的弗拉基米尔新村附近。加加林驾驶的米格15进入前面飞机产生的湍流区域而进行螺旋飞行状态”，“驾驶员做了5~6次摆脱操作，但只剩约2秒的时间”；“在250~300米高度出了问题”

2、气囊弹射速度确定（1997年，美国）原来220英里/小时，在加拿大一年统计：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美国众议院通过，调整到180英里/小时。

据计算，正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的0.01秒内微处理器开始工作，0.03秒内点火装置启动，0.05秒内高压气体进入气囊，0.08秒内气囊向外膨胀，0.11秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。

3、两种典型导弹研制过程仿真技术的作用几个例子（续）几个例子（续）4世贸大厦倒塌的结构问题几个例子（续）5电视机抗跌落分析为设计工程师提供结构改进及包装设计的理论依据LS-DYNA的计算结果几个例子（续）6飞机设计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。现代仿真技术是近几十年发展的一门综合性技术学科。它是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在的或者是正在研究设计中的系统的具体过程，它对系统的设计、研究和决策提供了一个先进而有效的手段，并可缩短设计周期、降低费用。仿真技术已广泛应用于工业及非工业的广大领域，并取得了极大的社会及经济效益。本章的基本内容1.系统、模型与仿真2.仿真技术的应用

3.系统仿真的类型4.现代仿真新技术简介本章要求掌握系统、模型与仿真的基本概念；掌握系统仿真的分类，了解系统仿真的一般步骤；了解系统仿真技术的现状和未来的发展趋势。1系统、模型与仿真

1.1系统

“系统这个术语已经在各个领域用得如此广泛，以至很难给它下一个定义。”系统----最早见著“世界大系统”德谟克利特（公元前460－公元前370年）“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的联系的总貌。”“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”。

系统思想的回顾系统思想的回顾系统（续）例子：理发馆系统：实体：服务员、顾客顾客：按某种规律到达，服务完毕后顾客离去服务员：根据顾客的要求，按一定的程序服务相互作用：顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态和顾客排队状态服务员的多少和服务效率影响着顾客接受服务的质量

系统（续）电动机转速闭环控制系统

实体：电动机、测速元件、比较元件以及控制器。相互作用：实现按给定要求调节电动机的速度

闭环控制系统被控系统控制输出u实际输出y实际输出y理想输出r控制输出u实际输出y误差e=r-y寻找合适的u，使y更好地复现r系统（续）系统定义：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体.

确定边界、输入、输出描述系统“三要素”：实体、属性、活动――实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；――属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；――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。

边界环境系统输入输出系统定义：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体.

确定边界、输入、输出描述系统“三要素”：实体、属性、活动――实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；――属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；――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。

系统的特征1.组成性。系统由两个或两个以上要素组成2.层次性。系统要素应该能够区分3.边界性。要素的边界小于系统的边界4.相关性。要素相互联系，要素和系统都是相对的5.目的性。要素的结合是为了达到特定的目的6.整体性。系统是一个整体

系统论的重要观念1.系统是一个整体；2.系统有明确的目的；3.系统由两个或两个以上相互关联的要素组成，但杂乱无章、互不相干的东西放在一起也不是系统，系统要素的微观联系会涌现出系统的宏观功能;4.要素与系统所处的层次不同，因此系统和要素具有不可比性；5.要素可以以不同的方式组合在一起，形成特定的结构，这就需要对系统进行规划、组织和控制；6.一定的结构产生一定的功能，要想使系统发挥特定功能，必须使系统具备特定的结构；7.系统会表现出任何要素都不具备的特征，在条件合适的情况下，要素进行整合后可以达到“整体大于部分之和”的效果；1.2模型

模型――实际系统本质的抽象与简化（1）真实的系统尚未建立（2）可能会引起系统破坏或发生故障（3）难以保证每次试验的条件相同（4）试验时间太长或费用昂贵模型分为两大类――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――数学模型，用数学表达式形式来描述系统的内在规律。

定义如下集合结构：T：时间基，描述系统变化的时间坐标T为整数则称为离散时间系统，T为实数则称为连续时间系统X：输入集，代表外部环境对系统的作用。X被定义为,其中，X即代表n个实值的输入变量。Ω：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是(X,T)的子集。Q：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。δ：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。它是映射：其含义：若系统在时刻处于状态，并施加一个输入段，则表示系统处于状态。λ：输出函数，它是映射：输出函数给出了一个输出段集。Y：输出段集，系统通过它作用于环境。系统模型水平

行为水平――亦称为输入/输出水平将系统视为一个“黑盒”，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测量；分解结构水平将系统看成若干个黑盒连接起来，定义每个黑盒的输入与输出，以及它们相互之间的连接关系；状态结构水平不仅定义了系统的输入与输出，而且还定义了系统内部的状态集及状态转移函数。

模型的建立工程中，很多机械、电气或液压系统的运动规律都可以基于物理定律用微分方程描述，求解这些微分方程，就可以了解系统在某种输入信号作用下的输出响应。响应输入模型的建立(续)建立微分方程形式的数学模型，一般步骤如下：从系统的输入端开始，依据各变量所遵循的物理学定律，依次列写出各元件、部件的微分方程。消去中间变量，得到描述系统输入量与输出量之间关系的微分方程。有时将某些小参数或轻微的非线性忽略掉，可以降低方程的阶次，简化分析而保持满意的精度。

机械系统数学模型的建立

机械系统数学模型的建立(续)

系统数学模型(续)

y(t)——系统的输出量，x(t)——系统的输入量，ζ——系统的阻尼系数，也称为阻尼比，ωn——系统的无阻尼振荡频率1.3仿真

定义：1961年，G.W.Morgenthater，首次技术性定义

“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下,对于系统或活动本质的实现”。1978年，Körn，“连续系统仿真”

“用能代表所研究的系统的模型作实验”。1982年，Spriet――进一步将仿真的内涵加以扩充“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”1984年，Orën――给出了仿真的基本概念框架“建模－实验－分析”

“仿真是一种基于模型的活动”

Orën仿真概念框架

―“仿真问题描述”――“仿真建模”―“行为产生”――“仿真实验”―“模型行为及其处理”――输出处理

特定模型：参数模型参数值实验：实验框架仿真运行控制仿真问题描述行为产生模型行为及其处理模型行为（仿真数据）行为处理：分析、显示现代仿真的概念框架系统、模型、仿真三者之间的关系

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

传统上：“系统建模”――系统辨识技术范畴“仿真建模”――即针对不同形式的系统模型研究其求解算法“仿真实验”――检验（Verification）―“仿真程序”的检验致效（Validation）―将仿真结果与实际系统的行为进行比较

系统模型计算机仿真系统建模仿真实验仿真建模

计算机仿真三要素及三个基本活动系统、模型、仿真三者之间的关系(续)2仿真技术的应用

2.1仿真技术在系统设计中的应用

新系统设计：提供了强有力的工具在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实的基础在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行优化设计系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对原系统的破坏或影响，大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功率

2.2仿真技术在系统分析中的应用

在真实系统上进行试验在真实系统上试验会破坏系统的正常运行；难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条件；很难保证每次的操作条件相同，难以对试验结果做出正确的判断；难以复原；试验时间太长、费用太大或者有危险等

(1)工程领域:机械,航空,航天,电力,冶金,化工和电子等.

非工程领域:交通管理,生产调度,库存控制,生态环境和社会经济等.(2)CVDS

(ContinuousVariableDynamicSystems)

连续（变量动态）系统。

DEDS(DiscreteEventDynamicSystems)

离散事件（动态）系统。

HDS(HybridDynamicSystems)

混合（动态）系统。仿真技术在系统分析中的应用(续)一个系统的离散的还是连续的，实质上指的是描述该系统的模型是离散的还是连续的。根据研究的目的不同，同一个客观系统可以在一种场合用离散模型描述，这时它是离散事件系统，而在另一种场合用连续模型描述，这时它是连续系统。2.3仿真在教育与训练中的应用

训练仿真系统利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员的系统。三大类：载体操纵型这是与运载工具有关的仿真系统，航空、航天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为主要目的。过程控制型用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、化工厂、核电站、电力网等博弈决策型企业管理人员（厂长、经理），交通管制人员（火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等），军事指挥人员（空战、海战、电子战等）。

飞机自动驾驶系统工厂管理系统陀螺控制器机体给定航向实际航向管理部门用户订单原材料产品采购部门制造部门装配部门销售部门2.4仿真在产品开发及制造过程中的应用

虚拟现实技术：在虚拟环境中