计算机仿真技术第一章第一节

第一章计算机仿真技术概述1.1计算机仿真的概念1.2计算机仿真的分类1.3计算机仿真涉及的主要技术1.4计算机仿真的应用1.5计算机仿真技术发展趋势广州数控加工仿真系统湖南信息职业技术学院学生参加微软足球机器人仿真比赛Simulink中一阶系统无反馈仿真Simulink中一阶系统带负反馈仿真汽车驾驶仿真系统物流仿真系统汽车安全碰撞试验中使用的仿真人仿真的实质是利用计算机描述系统随时间的状态变化过程。本课程的学习关键1.理解计算机仿真与数学方程求解过程之间的关系。2.学会一种工程计算软件——matlab3.学会仿真中常用的数值分析方法。1.1计算机仿真的概念1.1.1系统、模型和仿真1.1.1.1.系统定义：系统是一个内涵十分广泛的通用性概念，它是计算机仿真研究的对象，通常认为是由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分（要素）结合在一起形成的具有特定功能和作用规律的有机整体。电系统机械系统系统实体系统描述系统属性系统活动)(tui)(0tuRLCmkcf(t)y(t))(00202tuudtduRCdtudLCi)(22tfkydtdycdtydmRCLtutui电阻：电容：电感：电压：)(),(0mcktfty质量：阻尼系数：弹簧刚度：力：位移：)()()(tui)(0tut)(tf)(tyt·描述系统的“三要素”实体(Entity):组成系统的具体对象。分为两类:(1)永久性或固定的实体:如服务系统内的服务员(或台)；(2)临时性或流动的实体:又叫动态实体(Transaction)，它是激活系统的实体。如接受服务的顾客。属性(Attributes)：实体所具有的特性，如表1所示。活动(Activity)：占用一定时间和资源的并导致系统状态发生改变的一种过程或行为。比如，顾客接受服务，一道工序等。12实体（集）属性顾客到达平均间隔时间，排队平均等时间，…;年龄,性别,…;类型/规格,役龄;优先等级;等等.服务“员”服务平均时间,忙/闲时间率,…;设备类型,完好状态,…;有效利用率,负载状态,…;等等.队列平均队长,最大队长,排队规则,等等.表1实体(集)的属性定义系统时，还要确定系统边界。边界确定了系统的范围，取决于系统研究的目的。环境：边界之外，对系统有影响的外界因素。系统的输入：边界以外的环境对系统的作用。系统的输出：系统对边界以外的环境的作用。系统输入输出环境14系统描述实例几个系统的实例系统实体属性行为交通系统汽车驾驶员道路速度、距离年龄、性别路况驾驶银行系统存折储户存款额、余额年龄储蓄超市购物顾客商品购物单价格付帐2.系统的分类（1）按系统的物理特征（构造方式）分：工程系统（人造系统）人们为了满足某种需要或某个预定的功能，采用某种手段构造的系统非工程系统（自然系统）非工程系统是指由自然和社会在其发展过程中形成的、被人们长期的生产劳动和社会实践中逐步认识的系统，如管理系统、生态系统、社会系统和经济系统等。16（2）按系统状态随时间的变化分：连续型系统：系统状态随时间连续且光滑性变化的系统，可用微分方程来描述其状态变化的，称为连续型系统。离散型系统：系统状态的变化只发生在一系列离散的时间点上，一般可用差分方程来描述的，称为离散型系统。可分为：时间离散系统（采样控制系统）：系统状态连续变化，离散采样，仅研究采样点的输出；离散事件系统：系统状态的变化只发生在一系列离散的时间点上，且是随机的。17系统的分类（续）（3）按系统物理结构和数学性质线性系统：具有叠加性和齐次性。叠加性体现在当线性系统的输入信号可以分解为多个输入的叠加时，其输出响应也等于这些输入信号单独作用的响应叠加；齐次性指系统输入信号放大常数n倍，系统的输出响应也放大为原输出响应的n倍。非线性系统：不具备叠加性和齐次性。（4）其他分类方法1.1.1.2模型定义：模型是建模者根据建模目的,按照相似原理,对于实际系统的科学抽象与简化描述。计算机仿真中常将模型按其性质分为物理模型、数学模型和仿真模型。19（1）物理模型：主要基于相似性原理对系统进行模拟。①动态物理模型：系统行为通过决定模型的物理定律反映出来。②静态物理模型：直接将所研究对象的形式进行按比例放大或缩小的处理。如实际系统的缩小（或放大）、样机模型。20系统模型的分类系统模型的分类（续）（2）数学模型：描述系统动态特性的数学表达式。表示系统变化过程中各变量间的逻辑关系和数理关系。①静态模型：给出了系统处于稳定状态时系统属性间的数学关系。一般是代数方程、逻辑表达关系式。②动态模型：分为连续系统动态模型和离散系统动态模型。(3)仿真模型仿真模型，又叫仿真数学模型，是一种可以在计算机上进行运算和试验的模型。借以对真实系统进行数值模拟。仿真模型多数是通过模型的转换，将数学方法描述的模型通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理和运行的形式，由一组相关的程序和数据组成，即为计算机仿真建模过程中的二次建模。这个过程是进行计算机仿真的关键系统模型的分类（续）连续系统动态模型：分为确定型模型和随机型模型。确定型系统：系统输出与系统输入之间存在确定的性质和数量关系的系统。确定型模型：分为集中参数模型和分布参数模型。集中参数模型：如描述系统运动用的常微分方程、状态方程和传递函数。分布参数模型：如描述热传递过程的偏微分方程。随机型系统：系统输出与系统输入之间存在随机性的或概率性的关系的系统。23系统模型的分类（续）离散系统动态模型：分为时间离散系统模型和离散事件系统模型。时间离散系统模型：一般用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数表示。如各种数字控制器的输出。离散事件系统模型：往往有多种可能的输出，一般用概率模型表示。模型的分类模型物理模型数学模型动态静态类比模型比例模型动态离散连续时间离散离散事件方程描述描述条件与实体流程图描述分布方程描述集中参数静态1.1.1.3仿真仿真:是一种基于模型的活动。即用模型对系统进行试验研究的过程。仿真三要素：系统、模型、计算机系统是研究的对象；模型是系统的抽象；26系统系统模型计算机+物理效应模型+实物系统建模仿真建模仿真试验仿真过程的三个基本活动：建模、模型实现和仿真试验模型实现模型设计仿真试验模拟电路软件编程数据处理结果评估仿真模型数学模型对象系统针对不同系统要求构造不同仿真模型系统设计、评估、优化和改造传统上：“系统建模”属于系统辨识技术范畴。仿真技术则侧重于“仿真建模”，即针对不同形式的系统模型研究其求解算法，使其在计算机上得以实现。至于“仿真实验”也往往只注重“仿真程序”的校核(Verification)。至于如何将仿真实验的结果与实际系统的行为进行比较这一根本性的问题——验证(Validation)缺乏从方法学的高度进行研究。现代仿真的概念框架特定的模型：参数模型参数值试验：实验框架仿真运行控制仿真问题的描述行为产生行为处理：分析、显示模型行为及处理轨迹产生结构行为模型行为（仿真数据）(1)仿真问题的描述任何一个仿真问题都有模型与试验两部分组成。任何一个数学模型都由两部分组成：一个参数模型及一组参数值。当给定一个参数模型，同时又赋予它具体的参数值后，就形成一个特定的模型。试验也分为两部分：试验框架和仿真运行控制。一个试验框架可以定义为一组条件，在该条件下，系统可被观测或被进行试验。一个实验框架定义一组条件，包括：模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、终止条件、输出说明。30(2)行为产生器行为产生器是一套对模型进行试验的软件，由它可以产生一组系统状态变量随时间变化的资料(称为模型行为)。(3)模型行为及其处理模型行为有：点行为、轨迹行为和结构行为。点行为则是指模型行为的一种特定属性，如均值、最小值、最大值、振荡次数、上升时间等。轨迹行为在各种类型的仿真中都将被获得，它通常被表示为一组系统中各种描述变量随时间推移而变化的数据。结构行为只有可变结构系统模型才能获得，即通过改变系统模型的静态结构(指定义描述变量及其属性)或动态结构(指状态变量之间的动态关系)可获得系统模型行为随结构变化而发生变化的规律，这就是模型的结构行为。现代仿真技术的进展现代仿真技术的一个重要进展是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。在仿真建模方面，除了传统的基于物理、化学、生物学、社会学等基本定律及系统辨识等方法外，现代仿真技术提出了用仿真方法确定实际系统的模型。例如，根据某一系统在试验中所获得的输入输出数据，在计算机上进行仿真试验，确定模型的结构和参数。在仿真建模方面，除了适应计算机软硬件环境的发展而不断研究和开发许多新算法和新软件外，现代仿真技术采用模型和实验分离技术，即模型的数据驱动(DataDriven)。现代仿真技术将模型又分为参数模型和参数值两部分，参数值属于实验框架的内容之一。这样。模型参数与其对应的参数模型分离开来。仿真实验时，只需对参数模型赋予具体参数值，就形成了一个特定的模型，从而大大提高了仿真的灵活性和运行效率。现代仿真技术的进展(续)在仿真实验方面，现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开来。与传统仿真区别在于：将输出函数的定义也与仿真模型分离开来。这样，当需要不同形式的输出时，不必重新修改仿真模型，甚至不必重新仿真运行。离散事件系统仿真与连续系统主要区别在于：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“事件”，因而这类系统由事件驱动的；而且,“事件”往往发生在随机时间点上，亦称为随机事件，因而离散事件系统一般都具有随机特性；系统的状态变量往住是离散变化的。离散事件系统的动态特性很难用数学方程式描述，一般只能借助于活动图或流程图。无法得到系统动态过程的解析表达。对离散事件系统的研究和分析的主要目标是系统行为的统计性能而不是行为的点轨迹。1.1.2计算机仿真的特点(1)安全性安全性一直是仿真技术被重用的最主要的原因，所以航空、航天、武器系统过去曾经是仿真技术应用的最主要领域，一直到现在仍然占据很大的比重。20世纪60年代以后，核电站及潜艇等也由于安全性的原因，广泛采用仿真技术来设计这类系统及培训这类系统的人员。(2)经济性经济性也是仿真技术被采用的十分重要的因素，几乎所有大型的发展项目，如阿波罗登月计划、战略防御系统、计算机集成制造系统都十分重视仿真技术的应用，这是因为这些项目投资极大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以较小的投资换取风险上的大幅降低。(3)可重复性由于计算机仿真运行的是系统的模型，在模型确定的情况下，稳定系统的输入条件，可以复现某一仿真过程，这样可以在稳定实验条件下对系统进行重复的研究，也可以通过过程复现培养受训人员的反应处理能力，提高训练效果。如飞行模拟器、电厂仿真器训练中的故障功能设置。