计算机仿真技术第一章第二节

1.2计算机仿真的分类1)根据仿真系统的结构和实现手段分:物理仿真、数学仿真和半实物仿真(物理—数学仿真)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。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。半实物仿真----HardwareIntheLoop将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。半实物仿真特点(1)原系统中的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。在半实物仿真中，可将不易建模的部分以实物代之参与仿真试验，可以避免建模的困难。(2)利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性。(3)利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统参数和控制规律。动力学系统三轴转台、目标仿真器、水/动/静压仿真器仿真计算机仿真环境执行机构伺服回路控制/制导/导航计算机探测器传感器在航空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段。软件在回路仿真(Software-In-LoopSimulation)控制系统、导航系统和制导系统广泛采用数字计算机，通过软件进行控制、导航和制导的运算，软件的规模越来越大，功能越来越强，许多设计思想和核心技术都反映在应用软件中，因此软件在系统中的测试越显重要。这种仿真试验将系统用计算机与仿真计算机通过接口对接，进行系统试验，如图所示。接口的作用是将不同格式的数字信息进行转换。软件在回路仿真系统一般情况下要求实时运行。仿真计算机（动力学模型及程序、数据）接口（信息的格式转换）系统计算机（控制、导航、制导软件）软件在回路仿真系统1)根据仿真系统的结构和实现手段分(续)1)根据仿真系统的结构和实现手段分(续)人在回路仿真(Man-In-LoopSimulation)人在回路仿真是操作人员、飞行员或宇航员在系统回路中进行操纵的仿真试验。这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程，在计算机上运行，此外要求有模拟生成人的感觉环境的各种物理效应设备，包括视觉、听觉、触觉、动感等人能感觉的物理环境的模拟生成，如图所示。由于操作人员在回路中，人在回路仿真系统必须实时运行。计算机（动力学模型及程序、数据）物理效应设备（人感知物理环境）操作人员人在回路仿真系统仿真的分类(续)2)根据仿真所用的计算机类型分:模拟计算机仿真数字计算机仿真数字模拟混合仿真。2)根据仿真所用的计算机类型分(续)模拟计算机仿真的特点：(1)能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工作,模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。(2)可以灵活设置仿真试验的时间标尺。模拟机仿真既可以进行实时仿真，也可以进行非实时仿真。(3)易于和实物相连。模拟计算机仿真是用直流电压表示被仿真的物理量，因此和连续运动的实物系统连接时一般不需要A／D、D／A转换装置。(4)模拟仿真的精度由于受到电路元件精度的制约和易受外界干扰，所以一般低于数字计算机仿真．且逻辑控制功能较差，自动化程度也较低。2)根据仿真所用的计算机类型分(续)数字计算机仿真由于数字计算机只能对数码进行操作，因此任何动态系统在数字计算机上进行仿真的都必须将原系统变换成能在数字计算机上进行数值计算的离散时间模型。故数字仿真需要研究各种仿真算法，这是数字计算机仿真与模拟仿真的最基本的差别。2)根据仿真所用的计算机类型分(续)数字计算机仿真的特点(1)数值计算的延迟。任何数值计算都有计算时间的延迟，其延迟的大小与计算机本身的存取速度、运算器的解算速度、所求解问题本身的复杂程度及使用的算法有关。(2)仿真模型的数值化。数字计算机对仿真问题进行计算时采用数值计算，仿真模型必须是离散模型，如果原始数学模型是连续模型，则必须转换成适合数字计算机求解的仿真模型，因此需要研究各种仿真算法。(3)计算精度高。特别是在工作量很大时，与模拟机相比更显其优越性。(4)实现实时仿真比模拟仿真困难。对复杂的快速动态系统进行实时仿真时，对数字计算机本身的计算速度、存取速度等要求高。(5)利用数字计算机进行半实物仿真时需要有A／D、D／A转换装置与连续运动的实物连接。数字模拟混合仿真的特点可以充分发挥模拟仿真和数字仿真的特点。仿真任务同时在模拟计算机和数字计算机上执行，这就存在按什么原则分配模拟机和数字机的计算任务的问题，一般是模拟计算机承担精度要求不高的快速计算任务，数字计算机则承担高精度、逻辑控制复杂的慢速变化任务。混合仿真的误差包括模拟机误差、数字机误差和接口操作转换误差，这些误差在仿真中均应予以考虑。一般混合仿真需要专门的混合仿真语言来控制仿真任务完成。模拟计算机仿真和数字模拟混合仿真已逐步被全数字仿真取代。因此，今天的计算机仿真一般指的就是数字计算机仿真。模拟计算机混合接口A/D、D/A控制逻辑数字计算机数字—模拟混合计算机2)根据仿真所用的计算机类型分(续)3)根据仿真时钟与实时时钟的比例关系分:实时仿真、亚实时仿真、超实时仿真实际动态系统的时间基称为实际时钟；系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟。①实时仿真，即仿真时钟与实际时钟完全一致，也就是模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同。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，例如，各种训练仿真器就是这样，有时也称为在线仿真。仿真的分类(续)3)根据仿真时钟与实时时钟的比例关系分(续)②亚实时仿真，即仿真时钟慢于实际时钟，也就是模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度。对仿真速度要求不苛刻的情况一般采用亚实时仿真。例如，大多数系统离线研究与分析，有时也称为离线仿真。如模拟爆炸效果。③超实时仿真，即仿真时钟快于实际时钟，也就是模型仿真的速度快于实际系统运行的速度。例如，大气环流的仿真、交通系统的仿真、生物进化(宇宙起源)等等。4)根据模型的特性分:连续系统仿真离散系统仿真仿真的分类(续)