1、CAD/CAM概论 CAD/CAM 几何造型工程分析仿真模拟图形处理C C A A D DCADCAD 判断计算结果判断计算结果物理模型物理模型数据模型数据模型建模技术建模技术CAD系统设计数据库应用程序库交互图形库硬件软件毛坯设计工艺路线工序设计工时定额工装设计余量分配切削用量工时定额机床刀具选用工序图绘制计算机辅助工艺过程设计计算机辅助工艺过程设计（C Computer omputer A Aided ided P Process rocess P Planning, lanning, ) )计算机辅助工艺过程设计计算机辅助工艺过程设计 （C Computer omputer A Aide
2、d ided P Process rocess P Planning, lanning, ) )效率低，工艺方案因人而异，难以效率低，工艺方案因人而异，难以取得最佳的工艺方案取得最佳的工艺方案 迅速编制出详尽优化的工艺方案和迅速编制出详尽优化的工艺方案和各种工艺文件，提高效率，加快产各种工艺文件，提高效率，加快产品投放市场的速度，给出合理的工品投放市场的速度，给出合理的工时定额和材料消耗，为企业科学管时定额和材料消耗，为企业科学管理提供可靠的数据理提供可靠的数据 人机交互模块零件信息描述获取工艺工序决策工艺文件生成与管理零件对象零件信息库数据库知识库工艺文件库计算机辅助制造（计算机辅助制造（C
3、 Computer omputer A Aided ided M Manufacturinganufacturing，) ) CADCAPPCAM工程图样工艺文档NC代码CADCAPPCAM概念设计几何造型工程分析图形处理毛坯设计工艺准备工序设计工时定额工艺准备作业计划物流控制质量保证CAD/CAPP/CAMCAD/CAPP/CAM集成基本步骤集成基本步骤CAD/CAMCAD/CAM的主要任务的主要任务 低压冷涡轮叶片结构分析油井压缩机头部封盖失效的原因分析 模具检测 逆向工程 管件测量 1946年，ENIAC 50年代，APT（自动编程工具）1963年，SKETCHPAD（交互式图形系统）
4、70年代末，以小型和超级小型计算机为主机的CAD系统进入市场并形成主流，形成CAD产业 1963年，SKETCHPAD（交互式图形系统）光笔 大中企业大中企业小企业小企业发达国家发达国家发展中国家发展中国家产品设计产品设计工程设计、工艺设计工程设计、工艺设计并行设计方法串行设计方法关关键键UG NX功能模块 & 安装 CAD/CAM 计算机图形学之图形变换 CAD/CAM （World Coordinate System ）（Device Coordinate System ） （Normalized Device Coordinate System ）（User Coordinate Sys
5、tem ）（Viewing Coordinate System ） 实物物体所处空间中（二维或三维空间）用以协助用户定义图形所表达物体几何尺寸的坐标系，也称用户坐标系用户坐标系，多用右手直角坐标系 理论上，世界坐标系是无限大且连续的，即它的定义域为实数域（，）。 O X Y O XYZ（World Coordinate System ） 与图形输出设备相关联，用以定义图形几何尺寸及位置的坐标系，也称物理坐标系物理坐标系 设备坐标系是一个二维平面坐标系，通常使用左手直角坐标系 度量单位：象素(显示器)或步长(绘图仪)如显示器通常为640400、1024768象素，绘图仪的步长为1m、10m等，于
6、是设备坐标系的定义域是整数域而且是有界的。 O X Y （显示器） （Device Coordinate System ） 人为规定的假想假想设备坐标系，与设备无关与设备无关 规格化设备坐标系坐标轴方向及原点与设备坐标系相同，但其最大工作范围的坐标值规范化为坐标值规范化为1 1 。以屏幕坐标为例，其原点仍是左上角（或左下角），坐标为（0.0，0.0），距原点最远的屏幕右下角（或右上角），其坐标是（1.0，1.0）。 对于既定的图形输出设备来说，其规格化设备坐标系与设备坐标系相差一个固定倍数，即相差该设备的分辨率相差该设备的分辨率。 当开发一个应用于不同分辨率设备的图形软件时，首先将输出图形转换
7、为规格化设备坐标系，以控制图形在设备显示范围内的相对位置。当转换到具体的不同输出设备时，只须将图形的规格化坐标再乘以相应的设备分辨率即可。这样使图形软件与图形设备隔离开，增加了图形软件的可移植性。 （Normalized Device Coordinate System ）（X XW1W1，Y YW1W1）（X XW2W2，Y YW2W2）一个屏幕上定义四个视区，同时输出一个鼠标的三视图和轴测图 （XV, YV） 视区 窗口 （XW, YW） （XV1, YV1） （XV2, YV2） （Xw1, Yw1） （Xw2, Yw2） Y Y o o xxXV = XV1 （XW XW1） YV =
8、 YV1 （YW YW1）W1W2V1V2XXXXW1W2V1V2YYYYXW = XW1 （XVXV1） YW = YW1 （YVYV1） V1V2W1W2XXXXV1V2W1W2YYYY 任何一个图形都可以认为是点之间的连线构成对一个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换 1yx1yx1yx1yx44332211 平移、比例和旋转等变换的组合变换处理形式不统一如，对二维的齐次坐标 A B H，当H0时，表示直线上 Ax+By=0 的连续点（x，y）逐渐趋近于无穷点 三维情况下，利用齐次坐标表示视点在世界坐标系原点时的投影变换 图形在x轴方向平移量为l l，在y轴方向平移量为mm，坐标
9、点发生平移变换： 1yx 1yx101000 1ml 1mylxmyylxx几何关系矩阵形式图形在x，y两个坐标方向放大或缩小比例分为 a a 和e e，坐标点发生比例变换：1yx 1yx1000000 ea 1eyax矩阵形式图形绕原点沿逆时针方向旋转角，图形发生旋转变换。1yx 1yx1000cossin0sincos 1ycosxsinysin-cos(）（）x矩阵形式图形的每一个点在某一方向上坐标保持不变，而另一坐标方向上坐标进行线性变换，或两个方向都进行线性变换，图形发生错切变换。 1yx 1yx1000100 1b 1ybyx矩阵形式实现图形全比例全比例变换（数值取1）smlqdc
10、pbaT 实现图形比例、对称、错切、旋转变换实现图形平移变换实现图形透视变换（常用于三维图形）101000 1ml平移平移比例缩放比例缩放对称对称旋转旋转错切错切10001000 11000000 ea1000cossin0sincos1000100 1b（关于（关于Y轴对称）轴对称）（沿（沿X轴错切）轴错切）（关于原点旋转）（关于原点旋转）（关于原点比例缩放）（关于原点比例缩放） 先旋转后平移 先平移后旋转 设各次变换的矩阵分别为T1 ，T2 ， ，Tn，则复合变换的矩阵是各次变换矩阵的乘积，即： UG NX功能模块 & 安装 CAD/CAM Menu bar Cue Line 提示栏提示栏
11、DialogtoolbarStatus Line状态栏状态栏1.No Chinese Character among name and directory.2.3D modeling *.prt3.Drafting *_dwg.prt4.Assembly *_assm.prt5.CAM *_cam.prtSuggestionMB1+MB3=MB2;MB2=确定确定;Shift+MB2=Pan ; Ctrl+MB2= Zoom In/Out; scroll+MB2=revolve.计算机图形学之图形变换2图形裁剪/图形消隐 CAD/CAM 先旋转后平移 先平移后旋转 设各次变换的矩阵分别为T1
12、，T2 ， ，Tn，则复合变换的矩阵是各次变换矩阵的乘积，即： （1）平移 （-x，-y） （2）旋转 （ ）（3）平移 （x，y）基本步骤： 基本步骤：（1）平移 （-b） （2）旋转 ()（3）对称 (x轴)（4）旋转 （- ）（5）平移 （b） 平移变换 比例变换 对称变换 旋转变换 错切变换三维图形的基本几何变换主要有: 变换矩阵 变换矩阵 。 绕Y轴旋转的变换矩阵 空间立体绕y轴旋转各顶点的y坐标不变，只是 x x和 z z坐标发生变化 zyzxx z xooy轴指向纸外1000010000100001T 变换后点坐标：100001ih0f1d0cb1Tsh 1zyx 1zyx100
13、001ih0f1d0cb1 1zfycxizybxhzdyx三维错切变换三维错切变换 z y x 沿z含x错切z y x 沿z含y错切 z y x 沿y含x错切 z y x 沿y含z错切z y x沿x含y错切z y x 沿x含z错切 1000010000000001T100000001000001100010000100001.10000)90cos()90sin(00)90sin()90cos(00001.1000000000100001nnT100010000010000100010000100001.100001000090cos90sin0090sin90cos.10000100001
14、00000llT 。BC 法向向量N 法向向量N 法向向量N 90 90cosSNSN根据窗口坐标范围判断。 使用四位二进制编码，按照“上下右左”顺序对窗口各区域进行编码直线段顶点编码逐位与运算裁剪判断（A均0000，B与运算后某位为1，C交点分为两段处理）依区域判断线段，交点产生后封连，保证多边形的封闭性。 UG NX体素特征 CAD/CAM 综综 述述 特征建模特征建模 _模拟加工过程模拟加工过程 成成 形形 特特 征征: 建建 立体素特征立体素特征块块 (Block) (Block) 圆柱圆柱 (Cylinder) (Cylinder) 锥锥 (Cone)(Cone) 球球 (Spher
15、e)(Sphere) Edit feature Parameters锥 (Cone) 球(Sphere) 块(Block) UG NX特征建模（1） CAD/CAM 1 1、基准特征基准特征 2 2、体素特征体素特征 3 3、扫掠特征（用于草图特征后续操作）扫掠特征（用于草图特征后续操作） 4 4、成型特征成型特征 5 5、细节特征细节特征 综综 述述 特征建模特征建模 _模拟加工过程模拟加工过程 毛坯毛坯粗加工粗加工精加工精加工 主要创建形状规则的实体。主要创建形状规则的实体。 主要创建常见形状的实体。主要创建常见形状的实体。 先绘制或选择截面，再创建草图特征，主要用于创建先绘制或选择截面，
16、再创建草图特征，主要用于创建 截面形状不规则截面形状不规则的实体。的实体。进入建模模快进入建模模快启动启动UGUG创建体素特征创建体素特征添加成型实体特征添加成型实体特征修改和完善（细节）设计修改和完善（细节）设计满意否满意否? ?添加或修改特征添加或修改特征存盘退出存盘退出成成 形形 特特 征征: 建建 立体素特征立体素特征块块 (Block) (Block) 圆柱圆柱 (Cylinder) (Cylinder) 锥锥 (Cone)(Cone) 球球 (Sphere)(Sphere) Edit feature Parameters锥 (Cone) 1may be replace by23Ed
17、it feature Edit positionEdit feature MoveTools Expression UG NX特征建模（2） CAD/CAM 主要创建形状规则的实体。主要创建形状规则的实体。 创建草图特征，绘制或选择截面，再通过扫掠特征创建草图特征，绘制或选择截面，再通过扫掠特征形成形成截面形状不规则截面形状不规则的实体。的实体。 主要创建常见形状的实体。主要创建常见形状的实体。1. Access to SketchStart ModelingInsert Sketch2. Setting work Layer3.Choice Sketch Plane4. Create Ske
18、tch Curve 5. Adding & Editing Constraints 6.Drag Shape or Modify Dimension7. Exit Sketcher 旋转旋转拉伸拉伸视扫视扫圆管圆管Boolean Operation手柄名手柄名 End Limit Start Limit Draft Angle Profile String End Offset Start OffsetSimply RevolveRevolve with OffsetEnd angle: Until Selected建模技术之几何建模技术 CAD/CAM 建模技术是产品信息化的源头，是定义产品
19、在计算机内部表示的数字模型、数字信息及图形信息的工具，它为产品设计分析设计分析、工程图生成工程图生成、数控编程数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查碰撞干涉检查、加工仿真加工仿真、生产过程管理生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件，也是实现CAD/CAM一体化的核心内容。 抽象化抽象化现实模型现实模型想象模型想象模型格式化格式化信息模型信息模型具体化具体化计算机内部模型计算机内部模型形体的表达建立在形体的表达建立在几何信息几何信息和和拓扑信息拓扑信息的处理基础上的处理基础上几何信息：几何信息：形体在欧氏空间（欧几里德空间形体在欧氏空间（欧几里德
20、空间 ）中的形状、位置和大小）中的形状、位置和大小拓扑信息：拓扑信息：表达形体各分量间的联接关系表达形体各分量间的联接关系 五个顶点用两种不同方式连接，表达两种不同的理解。五个顶点用两种不同方式连接，表达两种不同的理解。只用几何信息表示物体并不充分，常会产生二义性。 拓扑关系允许三维实体随意拓扑关系允许三维实体随意地伸张扭曲，两个形状和大地伸张扭曲，两个形状和大小不一样的实体的拓扑关系小不一样的实体的拓扑关系可能是等价的。可能是等价的。 拓扑特性等价的立方体和圆柱体拓扑特性等价的立方体和圆柱体拓扑信息不同，即使几何信息相同，最终构造的实体可能完全不同。 为满足为满足CAD/CAPP/CAMCA
21、D/CAPP/CAM集成的要求，非几何信息的描述和表示越来越重要，是目前特征建模中特征集成的要求，非几何信息的描述和表示越来越重要，是目前特征建模中特征分类的基础。分类的基础。 形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义: :体体(Object) 外壳外壳(Shell) 面面(Face) 环环(Loop) 边边(Edge) 顶点顶点(Vertex) 曲面曲面(Surface) 曲线曲线(Curve) 点点(Point) F12F5F6F3F4F 正则形体 非正则形体 )B-A(KB-A)AB(KBA)AB(KBAi*i*i*式中式中 、 、 分别为正则交、正则
22、并和正则差。分别为正则交、正则并和正则差。 K是封闭的意思，是封闭的意思，i是内部的意思是内部的意思 * F面数 V顶点数 E边数 R面中空洞数 H体中空穴数 F+V-E=2+R-2HF+V-E=2+R-2H 、 、 、 建模方式建模方式应应 用用 范范 围围 局局 限限 性性线框建模线框建模 画二、三维线框图画二、三维线框图 不能表示实体；不能表示实体； 图形会有二义性图形会有二义性 表面建模表面建模艺术图形艺术图形形体表面显示形体表面显示 数控加工数控加工 不能表示实体不能表示实体实体建模实体建模物理特性计算物理特性计算有限元分析有限元分析用集合运算构造形体用集合运算构造形体 只能产生正则
23、实体；只能产生正则实体； 抽象形体的层次较低抽象形体的层次较低 特征建模特征建模在实体建模基础上加入实体的精度信息、在实体建模基础上加入实体的精度信息、材料信息、技术信息、动态信息材料信息、技术信息、动态信息 还没有实用化系统问世；还没有实用化系统问世； 目前主要集中在概念的提出和特征的定义及描述上目前主要集中在概念的提出和特征的定义及描述上 点号 x y z 点号 x y z 1 0 0 1 5 0 0 0 2 0 1 1 6 0 1 0 3 1 1 1 7 1 1 0 4 1 0 1 8 1 0 0 立方体的边表 立方体的顶点表 线号 线上端点号 线号 线上端点号 线号 线上端点号 1 1
24、 2 5 5 6 9 1 5 2 2 3 6 6 7 10 2 6 3 3 4 7 7 8 11 3 7 4 4 1 8 8 5 12 4 8 线框建模构造的实体模型只有离散的边，没有边与边的关系；线框建模构造的实体模型只有离散的边，没有边与边的关系；信息表达不完整，会使物体形状的判断产生多义性；信息表达不完整，会使物体形状的判断产生多义性； 复杂物体的线框模型生成需要输入大量初始数据，数据的统一性和有效性复杂物体的线框模型生成需要输入大量初始数据，数据的统一性和有效性难以保证，加重输入负担难以保证，加重输入负担 。 只有离散的空间线段，处理起来比较容易，构造模型操作简便只有离散的空间线段，处
25、理起来比较容易，构造模型操作简便 所需信息最少，数据结构简单所需信息最少，数据结构简单, , 硬件的要求不高硬件的要求不高 系统的使用如同人工绘图的自然延伸，对用户的使用水平要求系统的使用如同人工绘图的自然延伸，对用户的使用水平要求低，用户容易掌握低，用户容易掌握 平面建模平面建模 曲面建模曲面建模 曲面光顺： 曲面求交： 曲面裁剪：面号 面上线号 线数 4、3、 2、1 4 8、12、4、9 4 8、7、 6、5 4 6、11、2、10 4 7、11、3、12 4 5、9、 1、10 4 立方体的面表 曲面建模理论严谨复杂，所以建模系统使用较复杂，并需一定的曲面建模的数学理论及应用方面曲面建
26、模理论严谨复杂，所以建模系统使用较复杂，并需一定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识；的知识；此种建模虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，所以有时产生对实体二义性的理解。如一个此种建模虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，所以有时产生对实体二义性的理解。如一个圆柱曲面，就无法区别它是一个实体轴的面或是一个空心孔的面。圆柱曲面，就无法区别它是一个实体轴的面或是一个空心孔的面。优点：缺点：三维实体信息描述较线框建模严密、完整，能够构造出复杂的曲面；三维实体信息描述较线框建模严密、完整，能够构造出复杂的曲面；可以对实体表面进行消隐、着色显示可以对实体表面进行消隐、着色显示 可以计算表面积，利用建模
27、中的基本数据，进行有限元划分可以计算表面积，利用建模中的基本数据，进行有限元划分 可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹 特点： 基本实体构造 体间逻辑运算 基本实体构造基本实体构造是定义和描述基本的实体模型，是定义和描述基本的实体模型，包括包括体素法体素法和和扫描法扫描法。体间逻辑运算体间逻辑运算通过交、并、差等运算，把通过交、并、差等运算，把简单形体组合成复杂形体的工具。简单形体组合成复杂形体的工具。基本体素的实体信息包括基本体素的几何参数几何参数（如长、宽、高、半径等）及体素的基准点基准点 交集： 形体C包含所有A、B共同的点
28、 并集： 形体C包含A与B的所有点 差集： 形体C包含从A中减去A和B 共同点后的其余点 WZWYWX建模技术之特征建模 CAD/CAM 基本实体构造 体间逻辑运算 基本实体构造基本实体构造是定义和描述基本的实体模型，是定义和描述基本的实体模型，包括包括体素法体素法和和扫描法扫描法。体间逻辑运算体间逻辑运算通过交、并、差等运算，把通过交、并、差等运算，把简单形体组合成复杂形体的工具。简单形体组合成复杂形体的工具。基本体素的实体信息包括基本体素的几何参数几何参数（如长、宽、高、半径等）及体素的基准点基准点 交集： 形体C包含所有A、B共同的点 并集： 形体C包含A与B的所有点 差集： 形体C包含
29、从A中减去A和B 共同点后的其余点 WZWYWX 记录实体、面、边、顶点等几何信息和连接关系，计算机内部按网状的数据结构进行存贮 有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于计算几何特性 核心信息是面，对几何物体的整体描述能力相对较差 A4.6 三 维 物 体 的 并 、 交 、 差 示 意 图图BUA BA-BA B CSG 法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息。 信息简单，数据结构无法存贮物体最终详细信息，如边界、顶点的信息 平移平移 差差 （- -* *） Z Z X X Z Z X X 并并 （* *） x x P3 P1 P2 根节点根节点 枝节点枝节点 （* *）平移平移xP3 P2
30、 P1 （- -* *）叶节点叶节点 叶节点分两种： 基本体素基本体素，如长方体、圆柱 体素作运动变换时的参数参数，如平移参数X 枝节点表示某种运算： 运动运算子运动运算子，如平移、旋转 集合运算子集合运算子，经修改后适用于形状运算的正则化集合运算子正则化集合运算子 根节点表示树中相应基本体素经几何变换和正则集合运算后得到的实体 算法比较简单，便于进行几何运算及做出局部修改，常用来描述比较复杂，尤其是内部有孔，或具有凸凹等不规则表面的实体。要求有大量的存储空间，没有关于点、线、面的概念，不能表达一个物体两部分之间的关系。 。 圆孔 锥孔 平键槽 弧形槽 T形槽 挡圈槽 简单主特征 宏特征 简单
31、附加特征 复制特征 组合特征 圆柱体 圆锥体 长方体 轮毂 轮幅 盘 孔 螺纹 槽 花键 周向均布孔 阵列孔 轮缘 同轴孔 中心孔 圆柱齿轮轮缘 V 带轮轮缘 主特征：构造零件的基本几何形体 ，分简单主特征和宏特征。宏特征，指具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形状比较复杂，而又不便于进一步细分为其它形状特征的组合。 附加在主特征上的几何形状特征，也可附加在附加特征之上。 形状公差的数据结构形状公差的数据结构 特征标识特征标识形状公差名形状公差名公差值公差值公差等级公差等级实体状态实体状态被测几何要素被测几何要素表面粗糙度的数据结构表面粗糙度的数据结构 材料获取方式材料获取方式评
32、定参数名评定参数名评定参数值评定参数值被测几何要素被测几何要素几何要素几何要素 几何要素几何要素 - 枚举数据类型 - 整型数据类型 - 实型数据类型 指针 材料名材料名力学性能参数力学性能参数性能上限值性能上限值性能下限值性能下限值热处理方式热处理方式热处理工艺名热处理工艺名硬度单位硬度单位最高硬度值最高硬度值最低硬度值最低硬度值被测几何要素被测几何要素热处理特征模型的数据结构热处理特征模型的数据结构 材料特征模型的数据结构材料特征模型的数据结构 - 字符数据类型 - 枚举数据类型 - 整型数据类型 - 实型数据类型 指针 零件类型零件类型零件名零件名图号图号GTGT码码件数件数材料名材料名
33、设计者设计者设计日期设计日期其它其它- 字符数据类型 - 枚举数据类型 管理特征模型的数据结构管理特征模型的数据结构 描述零部件有关装配的信息，如零件的配合关系、装配关系描述零部件有关装配的信息，如零件的配合关系、装配关系 装配特征模型装配特征模型隐式表达：特征生成隐式表达：特征生成过程的描述过程的描述显式表达：确定几何显式表达：确定几何与拓扑信息的表达与拓扑信息的表达分离模式分离模式集成模式集成模式 参数化技术只用尺寸来约束全部几何形状，必须为全约束，过约束、欠参数化技术只用尺寸来约束全部几何形状，必须为全约束，过约束、欠约束均不允许。如某个尺寸参数极不合理，将导致形体拓扑关系发生改约束均不
34、允许。如某个尺寸参数极不合理，将导致形体拓扑关系发生改变，造成约束特征相互之间的冲突，以及系统数据的混乱。变，造成约束特征相互之间的冲突，以及系统数据的混乱。 计算机辅助工程分析之计算机仿真 CAD/CAM 利用计算机仿真技术，可以求解许多复杂而无法用数学手段利用计算机仿真技术，可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；可以预演或再现系统的运动规律或运动过解析求解的问题；可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从程；可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的能源和费用。而节省大量的能源和费用。仿真可采用专用软件实现，现有的仿
35、真软件包括仿真可采用专用软件实现，现有的仿真软件包括MATLABMATLAB、ADMASADMAS等。等。仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统，相互联系又仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统，相互联系又相互作用的对象有机组合。相互作用的对象有机组合。对于一个系统来说，不论它是大还是小，都必然存在三个对于一个系统来说，不论它是大还是小，都必然存在三个要素，即实体、属性和活动。要素，即实体、属性和活动。系统模型是为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系系统模型是为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系统有关信息的实体，是对相应的真实对象和真实关系中那些统有关信息的实体，是对相应的真实对象和真实
36、关系中那些有用特性的抽象，描述系统的某些本质方面，以各种形式提有用特性的抽象，描述系统的某些本质方面，以各种形式提供被研究系统的信息，具有整体性、相关性、层次性、目的供被研究系统的信息，具有整体性、相关性、层次性、目的性及适应性等特性。性及适应性等特性。系统、模型与仿真三者之间有着十分密切的关系，系统是系统、模型与仿真三者之间有着十分密切的关系，系统是研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包含建立模型及研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包含建立模型及对模型进行试验两个过程。对模型进行试验两个过程。仿真具有掌握系统运作规律、快速实验与测试、动态展现仿真具有掌握系统运作规律、快速实验与测试、动
37、态展现等优点，便于实现定性分析到定量改善。等优点，便于实现定性分析到定量改善。根据模型的物理属性分类根据模型的物理属性分类物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，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称为物理仿真。物理仿真直并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。物理仿真直观、形象，但模型改变困难、实验限制多、投资较大。观、形象，但模型改变困难、实验限制多、投资较大。数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系数学仿真：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加以描述而得到系统的数
38、学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境。程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境。计算机仿真（数学仿真）方便、灵活、经济，但受限于系统计算机仿真（数学仿真）方便、灵活、经济，但受限于系统建模技术，数学模型不易建立。建模技术，数学模型不易建立。半实物仿真：即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来半实物仿真：即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。进行实验。根据系统模型的特性分类根据系统模型的特性分类连续系统仿真连续系统仿真连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，分为：连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，分为：- -集中参数系统
39、模型，一般用常微分方程（组）描述。集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述。- -分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述。分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述。离散事件系统仿真离散事件系统仿真离散事件系统是指在某些随机时间点上系统状态发生离散变离散事件系统是指在某些随机时间点上系统状态发生离散变化的系统。化的系统。问题描述与系统定义系统分析建立系统模型数据准备建立仿真模型验证、确认模型模型有效？计算机仿真运行分析仿真结果结果满意？实施仿真决策建立文档Y试验设计YNN例例 理发店的服务过程仿真理发店的服务过程仿真一个理发店有两位服务员一个理发店有两位服务员A A和和B B顾客随
40、机地到达该理发店，每分顾客随机地到达该理发店，每分钟有一个顾客到达和没有顾客到达的概率均是钟有一个顾客到达和没有顾客到达的概率均是1/21/2，其中，其中60%60%的的顾客理发仅用顾客理发仅用5 5分钟分钟, ,另外另外40%40%的顾客用的顾客用8 8分钟。试对前分钟。试对前1010分钟的分钟的情况进行仿真。情况进行仿真。解：假设开始无顾客，顾客到达、服务开始和结束都在解：假设开始无顾客，顾客到达、服务开始和结束都在每分钟开始时进行。每分钟开始时进行。 产生顾客：抛硬币，正面产生顾客：抛硬币，正面-有顾客到来；有顾客到来； 反面反面-无顾客到来无顾客到来 时间长短：摸球，时间长短：摸球，
41、3 3白白2 2黑，白球，黑，白球，5 5分钟，分钟， 黑球，黑球，8 8分钟。分钟。 仿真过程仿真过程: : 时间待排队等人数服务员A服务员B T=0 T=1 T=2 T=3 T=4 T=5 T=6 T=7 T=8 T=9 T=10例例 射击命中率射击命中率 在我方某前沿防守地域，敌人以一个炮排（含两门火炮）在我方某前沿防守地域，敌人以一个炮排（含两门火炮）为单位对我方进行干扰和破坏为躲避我方打击，敌方对其阵为单位对我方进行干扰和破坏为躲避我方打击，敌方对其阵地进行了伪装并经常变换射击地点经过长期观察发现，我方地进行了伪装并经常变换射击地点经过长期观察发现，我方指挥所对敌方目标的指示有指挥所
42、对敌方目标的指示有5050是准确的，而我方火力单位，是准确的，而我方火力单位，在指示正确时，有在指示正确时，有1/31/3的射击效果能毁伤敌人一门火炮，有的射击效果能毁伤敌人一门火炮，有1/61/6的射击效果能全部两门火炮的射击效果能全部两门火炮 现在希望能用某种方式把我方将要对敌人实施的现在希望能用某种方式把我方将要对敌人实施的2020次打击次打击结果显现出来，确定有效射击的比率及毁伤敌方火炮的平均值。结果显现出来，确定有效射击的比率及毁伤敌方火炮的平均值。分析：分析： 这是一个概率问题，可以通过理论计算得到相应的概率这是一个概率问题，可以通过理论计算得到相应的概率和期望值和期望值. .但这
43、样只能给出作战行动的最终静态结果，而显示但这样只能给出作战行动的最终静态结果，而显示不出作战行动的动态过程不出作战行动的动态过程. . 为了能显示我方为了能显示我方2020次射击的过程，现采用模拟的方式。次射击的过程，现采用模拟的方式。1.1. 问题分析问题分析 需要模拟出以下两件事：需要模拟出以下两件事：(1)(1)观察所对目标的指示正确与否观察所对目标的指示正确与否 模拟试验有两种结果，每一种结果出现的概率都是模拟试验有两种结果，每一种结果出现的概率都是1/21/2。 因此，可以用投掷一枚硬币的方式予以确定，当硬币出现因此，可以用投掷一枚硬币的方式予以确定，当硬币出现正面时为指示正确，反之
44、为不正确。正面时为指示正确，反之为不正确。(2)(2)当指示正确时，我方火力的射击结果当指示正确时，我方火力的射击结果模拟试验有三种结果：模拟试验有三种结果：毁伤一门火炮的可能性为毁伤一门火炮的可能性为1/3(1/3(即即2/6)2/6)，毁伤两门的可能性为毁伤两门的可能性为1/61/6，没能毁伤敌火炮的可能性为没能毁伤敌火炮的可能性为1/2(1/2(即即3/6)3/6)这时可用投掷骰子的方法来确定：这时可用投掷骰子的方法来确定：出现、点：则认为没击中敌人；出现、点：则认为没击中敌人；出现、点：出现、点： 则认为击毁敌人一门火炮；则认为击毁敌人一门火炮；出现点：出现点： 则认为击毁敌人两门火炮
45、则认为击毁敌人两门火炮2. 2. 符号假设符号假设i i：要模拟的打击次数；：要模拟的打击次数；k1k1：没击中敌人火炮的射击总数；：没击中敌人火炮的射击总数； k2k2：击中敌人一门火炮的射击总数；：击中敌人一门火炮的射击总数；k3k3：击中敌人两门火炮的射击总数：击中敌人两门火炮的射击总数E E：有效射击比率；：有效射击比率； E1E1：2020次射击平均每次毁伤敌人的火炮数次射击平均每次毁伤敌人的火炮数初始化:i=0,k1=0,k2=0,k3=0i=i+1骰子点数?k1=k1+1k2=k2+1k3=k3+1k1=k1+1i20?E=(k2+k3)/20 E1=0*k1/20+1*k2/2
46、0+2*k3/20停止硬币正面?YNNY1，2，34，563. 3. 模拟框图模拟框图4. 4. 模拟结果模拟结果消消灭灭敌敌人人火火炮炮数数 试试验验 序序号号 投投硬硬币币 结结 果果 指指示示 正正确确 指指 示示 不不正正确确 掷掷骰骰子子 结结 果果 正 正 反 正 正 反 正 正 反 反 消消灭灭敌敌人人火火炮炮数数 试试验验 序序号号 投投硬硬币币 结结 果果 指指示示 正正确确 指指 示示 不不正正确确 掷掷骰骰子子 结结 果果 正 反 正 反 正 正 正 正 反 正 5. 5. 理论计算理论计算 设：设：j=0 j=0 观察所目标指示不准确；观察所目标指示不准确；j=1 j=
47、1 观察所目标指示准观察所目标指示准确；确；A0A0：射中敌方火炮的事件；：射中敌方火炮的事件；A1A1：射中敌方一门火炮的：射中敌方一门火炮的事件；事件；A2A2：射中敌方两门火炮的事件：射中敌方两门火炮的事件 E = P(A0) = P(j=0)P(A0j=0) + E = P(A0) = P(j=0)P(A0j=0) + P(j=1)P(A0j=1)=0.5P(j=1)P(A0j=1)=0.5* *0+0.50+0.5* *0.5=0.250.5=0.25 P(A1) = P(j=0)P(A1j=0) + P(A1) = P(j=0)P(A1j=0) + P(j=1)P(A1j=1)=0
48、.5P(j=1)P(A1j=1)=0.5* *0+0.50+0.5* *0.33=0.1650.33=0.165 P(A2) = P(j=0)P(A2j=0) + P(A2) = P(j=0)P(A2j=0) + P(j=1)P(A2j=1)=0.5P(j=1)P(A2j=1)=0.5* *0+0.50+0.5* *0.165=0.08250.165=0.0825 E1 = 1E1 = 1* *0.165+20.165+2* *0.0825=0.330.0825=0.336. 6. 结果比较结果比较模拟结果与理论计算结果不完全一致，反映了事件发生的模拟结果与理论计算结果不完全一致，反映了事件发
49、生的随机性。只要多次实验求平均值，模拟值就会很接近理论随机性。只要多次实验求平均值，模拟值就会很接近理论值。值。 计算机仿真就是采用计算机对数学模型进行虚拟物理仿真。计算机仿真就是采用计算机对数学模型进行虚拟物理仿真。计算机仿真的步骤一般为：计算机仿真的步骤一般为：系统定义系统定义 - - 建立数学模型建立数学模型 - - 采集数据采集数据 编制仿真程序编制仿真程序 计算机仿真计算机仿真 结果分析结果分析 输出仿真结果输出仿真结果计算机仿真语言主要包括基于过程、基于活动、基于事件计算机仿真语言主要包括基于过程、基于活动、基于事件等三类。等三类。注：注：事件事件在某一时间点上引起系统状态发生变化
50、的瞬间行为在某一时间点上引起系统状态发生变化的瞬间行为活动活动实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程对随机现象进行模拟，实质上是要给出随机变量的模拟，就是利用计算机随对随机现象进行模拟，实质上是要给出随机变量的模拟，就是利用计算机随机地产生一系列数值，这些数值的出现服从一定的概率分布，则称这些数值机地产生一系列数值，这些数值的出现服从一定的概率分布，则称这些数值为随机数。为随机数。最常用的是在最常用的是在(0,1)(0,1)区间内均匀分布的随机数，也就是区间内均匀分布的随机数，也就是(0,l)(0,l)区间内均匀分布区间内均匀分布的随机变量的一组独立的
