工程系统建模与仿真课件.ppt

1、工程系统建模与仿真工程系统建模与仿真研究的对象研究的对象本课程着重培养学生综合运用所学系统建模知识本课程着重培养学生综合运用所学系统建模知识和仿真技能，从机电一体化角度出发，进行机和仿真技能，从机电一体化角度出发，进行机电液实际系统的建模与仿真研究。电液实际系统的建模与仿真研究。目的目的提高学生对实际工程系统的仿真分析、优化和综提高学生对实际工程系统的仿真分析、优化和综合设计能力。增强学生对工程实际系统的分析问合设计能力。增强学生对工程实际系统的分析问题和解决问题能力。题和解决问题能力。1、气囊弹射速度确定、气囊弹射速度确定（1997年，美国）原来年，美国）原来220英里英里/小时，在加拿大一

2、年统计：小时，在加拿大一年统计：6000件事故，件事故，救了救了4000人，打死人，打死2000人；人；1997年年12月美国众议院通过，调整到月美国众议院通过，调整到180英里英里/小时。小时。据计算，正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的据计算，正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的0.01秒内微处理秒内微处理器开始工作，器开始工作，0.03秒内点火装置启动，秒内点火装置启动，0.05秒内高压气体进入气囊，秒内高压气体进入气囊，0.08秒内气囊向外膨胀，秒内气囊向外膨胀，0.11秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。者才会撞上气囊。2、美国三种典型导弹

3、研制过程仿真技术的作用、美国三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）世贸大厦倒塌的结构问题世贸大厦倒塌的结构问题电视机抗跌落分析设计工程师提供结构改进及包装设计的理论依据LS-DYNA的计算结果第一章 绪论1.1 建模与仿真的历史发展建模与仿真的历史发展 系统系统 例子：例子：理发馆系统理发馆系统：实体实体：服务员、顾客：服务员、顾客顾客：按某种规律到达，服务完毕后顾客离去顾客：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，按一定的程序服务服务员：根据顾客的要求，按一定的程序服务相互作用相互作用：顾客到达模式影响着服务员的工顾客到达模式影响着服务员的工 作忙作

4、忙闲状态闲状态和顾客排队状态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服务员的多少和服务效率：影响着顾客接受服务的质量质量 系统系统电动机转速闭环控制系统电动机转速闭环控制系统 实体：实体：电动机、测速元件、比较元件以及控制器。电动机、测速元件、比较元件以及控制器。相互作用：相互作用：实现按给定要求调节电动机的速度实现按给定要求调节电动机的速度 闭环控制系统闭环控制系统采集卡系统系统（续）系统定义：系统定义：按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的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所有实体的集合或总体.确定边界、输入、输出确定边界、输入、输出描述系统

5、描述系统“三要素三要素”：实体、属性、活动实体、属性、活动实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；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；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。系统内部发生变化的过程。边界边界环境环境系统系统输入输入输出输出特点：特点：（1 1）系统是）系统是实体实体的集合的集合 所谓实体是指组成系统的具体对象。系统中的各个实体既有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体，即系统。（2 2）组成系统的实体具有一

6、定的）组成系统的实体具有一定的属性属性 所谓属性是指实体所具有的全部有效特性，如状态、参数等。（3 3）系统处在）系统处在活动活动中中 所谓活动是指实体随时间推移而发生的属性变化。系统中实体、属性都可能发生变化，这种变化通常用状态状态的概念来描述，用于表示系统状态的变量称为状态变量状态变量。系统根据研究对象与目的的不同可大可小，系统研究包括系统分析系统分析、系统综合系统综合和系统预测系统预测三个方面。系统的分类系统的分类 （1）按系统的特性分类可分为工程系统和非工程系统。（2）按照系统中起主要作用的状态随时间的变化可分为连续系统和离散事件系统。（3）按照对系统内部特性的了解程度可分为白色系统、

7、灰色系统和黑色系统。（4）按照系统的物理结构和数学性质可分为线性系统和非线性系统、定常系统和时变系统、集中参数系统和分布参数系统、单输入单输出系统和多输入多输出系统等。2 2、模型：、模型：是为了某种特定目的、将系统的某一部分信息进行抽象而构成的系统替代物。模型不是“系统地复现”，而是按研究目的的实际需要和侧重面，寻求一个便于进行系统研究的“替身”。根据系统研究的需要，可对模型进行粗化（简化），或精化（细化），也可对模型进行分解或组合。模型模型实际系统本质的抽象与简化实际系统本质的抽象与简化（1）真实的系统尚未建立）真实的系统尚未建立（2）可能会引起系统破坏或发生故障）可能会引起系统破坏或发生

8、故障（3）难以保证每次试验的条件相同）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）试验时间太长或费用昂贵模型分为两大类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物理模型，采用一定比例尺按照真实系统的“样子样子”制作沙盘模型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数学模型，用数学表达式形式来描述系统的内在规律。在规律。定义如下集合结构：定义如下集合结构：T：时间基，描述系统变化的时间坐标时间基，描述系统变化的时间坐标T为整数则称为离散时间系统，为整数则称为离散时间系统，T为实数则称为连续时间系为实数则称为连续时间系统统X：输入集，代表外部环境对系统的作用。：输入

9、集，代表外部环境对系统的作用。X被定义为被定义为 ,其中其中 ，X即代表即代表n个实值的输入变量。个实值的输入变量。：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是(X,T)的的子集。子集。Q：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。它是映射：它是映射：),(YQXTSnRInQQ:其含义：若系统在其含义：若系统在 时刻处于状态时刻处于状态q，并施，并施加一个输入段加一个输入段 ，则表示系统，则表示系统 处于处于 状态。状态。：输

10、出函数，它是映射：输出函数，它是映射：输出函数给出了一个输出段集。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。：输出段集，系统通过它作用于环境。0tXtt10,:),(q1tYTXQ:系统模型水平系统模型水平 行为水平行为水平亦称为输入亦称为输入/输出水平输出水平将系统视为一个将系统视为一个“黑盒黑盒”，在输入信号的作用下，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测量；只对系统的输出进行测量；分解结构水平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；输入与输出，以及它们相互之间的连接

11、关系；状态结构水平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。内部的状态集及状态转移函数。模型的建立模型的建立 txfy,1.3 1.3 数学模型数学模型1 1、数学建模的作用、数学建模的作用 数学建模有着十分广阔的应用。概括起来，数学建模有两方面的作用：提高对现实系统的认识（认识世界认识世界）及提高对现实系统决策的能力（改造世界改造世界）。从认识世界认识世界方面看有三个层次：通讯、思考和理解。首先，一个数学模型必须提供一个准确、易于理解的通讯形式，也就是说，当信息传递给别人时，这种模式可以引起误解的比率；此外

12、，数学模型还必须能帮助人们进行思考（比如推演）。最后，当模型已被综合成为一个公理或定理时，这样的模型将使人们能更好地理解现实世界发生的各种现象，这可以说达到了认识的顶峰。从改造世界改造世界方面看，也有三个层次：管理、控制和设计。首先，数学模型应能提供给人们对系统进行管理（比如制定计划、分配资源）时的依据。一般来说，管理管理这个层次所要求的数学模型可以比较“粗”；到控制控制层次时要求的数学模型比较“细”；设计设计层次要求包含上述两个层次的数学模型，而且要求更加精细和全面。2 2、数学模型的分类、数学模型的分类 数学模型的类型一方面与所讨论的系统的特性系统的特性有关，一般说来，系统有线性线性与非线

13、性非线性、静态静态与动态动态、确定型确定型与随机型随机型、微观微观与宏观、宏观、定常（时不变）定常（时不变）与非定常（时变）非定常（时变）、集中参数集中参数与分布参数分布参数之分。另一方面系统与研究系统的方法有关，此时有连续模型连续模型与离散离散模型模型、时域模型时域模型与频域模型频域模型、输入输出模型输入输出模型与状态空间模型状态空间模型之别。对应的表达方程式如下。表表1-1 数学模型与表达形式数学模型与表达形式续表续表1-1 1-1 数学模型与表达形式数学模型与表达形式（1 1）线性方程和非线性方程）线性方程和非线性方程 线性模型线性模型是用来描述线性系统的，一般来说，线性模型一定满足下列

14、算子运算：（A1+A2）X=A1X+A2 XA1（A2 X）=A2（A1 X）A1（X+Y）=A1 X+A1 Y 式中，X 和Y 为变量，A1 和A2 为算子。非线性模型非线性模型是用来描述非线性系统的，它们一般不满足叠加原理。系统线性和关于参数空间线性的区别系统线性和关于参数空间线性的区别：如果模型的输出关于输入量是线性的，则称为系统线性。如果模型的输出关于参数空间是线性的，则称之为关于参数空间线性。以模型 y=a0+a1 x+a2 x 为例，输出y关于输入变量x是非线性的（因为不满足叠加原理），但关于参数a0，a1和a2却是线性的（满足叠加原理），因此，该模型是系统非线性，然而是关于参数空

15、间线性的一种模型。本质线性与非本质线性的区别：本质线性与非本质线性的区别：如果模型经过适当的数学变换可将本来是非线性的模型转换为线性的模型，那么原来的模型称作非本质线性模型。例如，气体体积V 与压强P 和温度T 之间的状态方程 PV=RT （R为气体通用常数）表面来看，输出V 与输入P 和T 是非线性的，但是，如果经过如下数学变换：Y=logV,x1=logP,x2=logT,a0=logR则状态方程 PV=RT 变成y=a0+x1+x2新的模型的输出y关于输入x1 和x2 是线性的，所以，理想气体状态方程是一种本质线性方程。（2 2）微观与宏观模型）微观与宏观模型 微观与宏观模型的差别在于，

16、前者是研究事物内部为小单元的运动规律，一般用微分方程或差分方程表示，如流体微元的运动分析；后者是研究事物的宏观现象，一般用联立方程或积分方程模型。（3 3）集中参数与分布参数模型）集中参数与分布参数模型 集中参数模型所描述的系统的动态过程可用常微分方程来描述，典型的例子如一个集中质量挂在一根质量可以忽略的弹簧上的系统。分布参数系统要用偏微分方程来描述，如一个管路中的流体的流动，若各点的速度相同，则此时流体的运动规律可作为集中参数系统来处理，否则，应作为分布参数系统来研究。（4）定常与非定常模型）定常与非定常模型 系统的输出量不随时间变化而变化，即方程中不含时间变量，该系统的模型为定常（时不变）

17、模型，否则为非定常（时变）模型。（5 5）动态与静态模型）动态与静态模型 系统的活动，即系统的状态变化，总是同组成系统的实体之间的能量、物质的传递和变化有关，这种能量流的强度变化是不可能瞬间完成的，而总是需要一定的时间和一个过程，用以描述系统状态变化的过渡过程的数学模型称为动态模型，它常用微分方程来描述。而静态模型则仅仅反映系统在平衡状态下系统特征值间的关系，这种关系常用代数方程描述。（6 6）连续与离散模型）连续与离散模型 当系统的状态变化主要表现为连续平滑时，该系统为连续系统连续系统；当系统的状态变化主要表现为不连续（离散）的运动时，则称该系统为离散系统离散系统。还有一类系统，虽然本身是连

18、续的，但仅在指定的离散时间点上利用与变量有关的信息，这种系统为离散采集系统，或时间离散系统，对于这类系统，要考虑断续采样的影响问题。（7 7）确定型与随机型模型）确定型与随机型模型 当一个系统的输出（状态和活动）完全可以用它的输入（外作用与干扰）来描述，则这种系统称为确定型系统确定型系统。若一个系统的输出（状态和活动）是随机的，即对于给定的输入（外作用与干扰）有多种可能的输出，则该系统是随机型系统随机型系统。（8 8）参数与非参数模型）参数与非参数模型 参数模型即用属性表达式描述的模型，如各种方程；而非参数模型则不是用属性表达十而是用图（曲线）表示的，如阶跃响应曲线、频率特性。（9 9）时域与

19、频域模型）时域与频域模型 在时间域和频率域内表示的数学模型分别称为时域模型和频域模型，如系统的过渡过程曲线和频率相应曲线。（1010）输入输出模型与状态空间模型）输入输出模型与状态空间模型 只展现给定输入的系统输出而不提供系统内部有关信息的数学模型为输入输出模型；不仅能完全表达系统性能，而且还能描述系统内部全部状态的数学模型称作状态模型，如状态空间模型。1.4 1.4 建模方法学建模方法学1 1、建模的目的、建模的目的 建模的主要目的有以下三个：科学研究、系统设计和预测。2 2、建模过程的信息源、建模过程的信息源 为了很好地了解建立数学模型的途径，考虑一下建模活动的“信息源”是很有用处的。可以

20、认为：建模活动本身是一个持续的、永无止境的活动集合。然而，由于实际存在的限制，比如有限的开销与实践、研究的目的及对实际系统认识的程度等等，一个具体的建模过程将以达到有限目标为止。建模过程涉及许多 信息源，其中主要有三 类，它们的关系如右图 所示。建模过程建模目的实验数据先验知识数学模型 3 3、建模的途径、建模的途径 一般来说，建立数学模型的方法有三类：分析法、测试法和综合法。（1 1）分析法）分析法/演绎法演绎法/理论建模理论建模/机理建模（白箱问机理建模（白箱问题）题）分析法是根据系统的工作原理，运用一些已知的定理、定律和原理推导出描述系统的数学模型。这就是理理论建模方法论建模方法。演绎法

21、有它的存在性问题，一组完整的公理将导致一个唯一的模型，前提的选择可能成为一个有争议的问题。演绎法面临着一个基本问题，即实质不同的一组公理可能导致一组非常类似的模型。爱因斯坦曾经遇到过这个问题，牛顿定理与相对论是有区别的，然而，对于当前大多数实验条件而言，而这将导致及其类似的结果。系统已知输入输出白箱问题（2 2）测试法）测试法/归纳法归纳法/实验建模实验建模/系统辨识（黑系统辨识（黑箱问题）箱问题）系统的动态特征必然表现在变化的输入输出数据中。通过测取系统在人为输入作用下的输出关系，加以必要的数据处理和数学计算，估计出系统的数学模型，这种方法叫做系统辨系统辨识识。测试法属归纳法，是从特殊到一般

22、的过程。归纳法是从系统描述分类中最低一级水平开始的，并试图去推断较高水平的信息。一般来讲，由于有限的不充分的数据集合导致这样的选择不是唯一的。这个问题可以用另外一个观点来表述，有效的数据集合经常是有限的，而且常常是不充分的。事实上，模型所给出的数据在模型结构方面并不是有效的，任何一种表示都是一种对数据的外推。这个准则虽然是有效的，但是一些特殊问题却很难运用，因为它没有告诉我们如何去获得这些最少量的信息，以及什么时候去获得它们。系统未知输入输出黑箱问题黑箱问题 （3 3）综合法）综合法 分析法是各门学科大量采用的。但是，它只能用于比较简单的系统。而且在建模过程中必须做一些假设与简化，否则所建立的

23、数学模型过于复杂，不宜求解。测试法无需深入了解系统的机理，但必须涉及一个合理的实验，以获得系统的最大信息量，这点往往是非常困难的。因此，两种方法在不同的应用场合各有千秋。实际应用时，两种方法应该是互相补充，而不能互相取代。在有些情况下可以将两种方法结合起来，即运用分析法列出系统的理论数学模型，运用系统辨识法来确定模型中的参数。要获得一个满意的模型是十分不容易的。特别是在建模阶段，它会受到客观因素和建模者主观意志的影响，所以必须对所建立的模型进行反复校验，以确保其可信性。系统部分已知部分未知输入输出灰箱问题灰箱问题 4 4、模型的可信度、模型的可信度 模型的可信度本身是一个非常复杂的问题，它一方

24、面取决于模型的种类，另一方面又取决于模型的构造过程。模型本身可以通过试验在不同的水平上建立起来，所以我们可以区分不同的可信度水平。一个模型的可信度可以根据获得它的困难程度分为：在行为水平上的可信度，模型是否能浮现真实系统的行为。在状态结构水平上的可信度，即模型能否与真实系统在状态上互相对应，通过这样的模型对未来的行为进行唯一的预测。在分解结构水平上的可信度，即模型能否表示出真实系统内部的工作情况，而且是唯一地表示出来。有时这些可信度水平又分别称为重复性重复性、重复程度重复程度和重构性重构性。不论研究的是在哪一种可信性水平，可信性的考虑在整个建模阶段及以后各阶段都应是恰当的。一般来讲，应该考虑以

25、下几点：在演绎中的可信性。两个途径：通过对前提的正确性的研究 通过对前提的其它结果的验证来分析信息以及以前得到的模型的可信性。在归纳中的可信性。在目的方面的可信性。5、建模的一般原则、建模的一般原则 在模型建立中一般要遵循以下基本原则：简单性简单性：在实用的前提下，模型越简单越好。清晰性清晰性：在子模型之间除为了研究目的所必须的信息外，互相耦合的要尽可能少，结构要尽可能清晰。相关性：相关性：模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些信息。这就是说，建立实际系统的模型时，存在着精确性和复杂性的矛盾，找出这两者的折衷解决办法往往是实际系统建模的关键。准确性准确性：建立系统模型时，应该考虑所收集的、

26、用以建立模型的信息的准确性，包括确认所对应的原理和理论的正确性和应用范围，以及检验建模过程中针对系统所作的假设的正确性。可辨识性可辨识性：是指系统的模型必须有确定的描述或表达方式，而在这种描述方式下与系统性质有关的参数必须是唯一的解。若一个模型结构中具有无法估计的参数，则此模型无实用价值。集合性：集合性：是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度。6、建模的一般过程、建模的一般过程 建模过程可用右侧图来描述。复杂系统的研究必须以定性分析为先导，定量与定性紧密结 合。系统模型的建立，一般要经历思想开发思想开发、因素分析因素分析、量量化化、动态化动态化、优化优化五个步骤。五步法五步法模型构造模型构造

27、演绎分析演绎分析可信性分析可信性分析先知先知经验经验最终模型最终模型目目标标协协调调目的目的归归纳纳程程序序数据数据 第一步第一步：开发思想，形成概念，通过定性分析研究，明确研究的方向、目标、途径、措施，并将结果用准确简练的语言加以表达。第二步第二步：对语言模型中的因素及各因素之间的关系进行剖析，找出影响事物发展的前因后果，并将这种关系用如下框图表示出来。环环 节节后果后果前因前因 Y X环环 节节后果后果前因前因 Yx1xn 一对因果关系构成一个环节。一个系统包含许多个这样的环节。将所有环节联结在一起，便得到一个互相关联的、有多个环节构成的框图（如下图所示），即为网络模型网络模型。环节环节4

28、环节环节3环节环节1环节环节2环节环节5第三步第三步：对各环节的因果关系进行量化研究，初步得出低层次的概略量化关系，即为量化模型。量化模型。第四步第四步：进一步收集各环节输入输出数据，利用所得数据序列，建立动态模型动态模型。动态模型是高层次的量化模型，它能更深刻地揭示出输入和输出之间的关系或转换规律，是系统分析、优化的基础。第五步第五步：对动态模型进行系统研究和分析，通过结构、机理、参数的调整，进行系统重组，达到最优配置、改善系统动态品质的目的。这样得到的模型 在建模过程中，要不断地将下一阶段所得的结果回馈，经过多次循环往复，使整个模型逐步趋于完善。1.4 仿真仿真 定义：定义：1961年，年

29、，G.W.Morgenthater，首次技术性定义，首次技术性定义 “仿真意指在实际系统尚不存在的情况下仿真意指在实际系统尚不存在的情况下,对于系统或活动对于系统或活动本质的实现本质的实现”。1978年，年，Krn，“连续系统仿真连续系统仿真”“用能代表所研究的系统的模型作实验用能代表所研究的系统的模型作实验”。1982年，年，Spriet进一步将仿真的内涵加以扩充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所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”1984年，年，Orn 给出了仿真的基本概念框架给出了仿真的基本概念框架“建模实建模实验分析验分析”“仿真是一种基

30、于模型的活动仿真是一种基于模型的活动”系统、模型、仿真三者之间的关系系统、模型、仿真三者之间的关系 系统是研究的对象系统是研究的对象模型是系统的抽象模型是系统的抽象仿真是对模型的实验仿真是对模型的实验 传统上：传统上：“系统建模系统建模”系统辨识技术范畴系统辨识技术范畴“仿真建模仿真建模”即针对不同形式的系统模型研究其求解算法即针对不同形式的系统模型研究其求解算法“仿真实验仿真实验”检验（检验（Verification）“仿真程序仿真程序”的检验的检验 致效（致效（Validation）将仿真结果与实际系统的将仿真结果与实际系统的行为进行比较行为进行比较 系系 统统模模 型型计算机计算机系统建

31、模系统建模仿真实验仿真实验仿真建模仿真建模 计算机仿真三要素及三个基本活动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系统、模型、仿真三者之间的关系(续续)系统、模型、仿真三者之间的关系系统、模型、仿真三者之间的关系(续续)现代仿真技术现代仿真技术：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。：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。系统建模系统建模 基本定律及系统辨识等方法计算机程序化基本定律及系统辨识等方法计算机程序化 用仿真方法确定实际系统的模型用仿真方法确定实际系统的模型 基于模型库的结构化建模基于模型库的结构化建模 采用面向对象建模（采用面向对

32、象建模（Object-Oriented Modeling）方法，在类库的基础上）方法，在类库的基础上实现模型拼合与重用实现模型拼合与重用仿真建模仿真建模 许多新算法和新软件许多新算法和新软件 模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（data driven）。）。仿真问题分为两部分：模型与实验仿真问题分为两部分：模型与实验 模型又分为两部分：参数模型和参数值模型又分为两部分：参数模型和参数值仿真实验仿真实验将实验框架与仿真运行控制区将实验框架与仿真运行控制区实验框架定义一组条件实验框架定义一组条件输出函数的定义也与仿真模型分离开来输出函数的定义也与仿真模型分离

33、开来 Orn仿真概念框架仿真概念框架“仿真问题描述仿真问题描述”“仿真建模仿真建模”“行为产生行为产生”“仿真实验仿真实验”“模型行为及其处理模型行为及其处理”输出处理输出处理 特定模型：特定模型：参数模型参数模型参数值参数值实验：实验：实验框架实验框架 仿真运行控制仿真运行控制仿真问题描述仿真问题描述行为产生行为产生模型行为及其处理模型行为及其处理模型行为（仿真数据）模型行为（仿真数据）轨迹行为轨迹行为结构行为结构行为行为处理：分析、显示行为处理：分析、显示现代仿真的概念框架现代仿真的概念框架2仿真技术的应用仿真技术的应用 2.1 仿真技术在仿真技术在系统设计系统设计中的应用中的应用 新系统

34、设计新系统设计：提供了强有力的工具：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系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置：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对原系统的破坏或影响大大缩

35、短开工周期，提高系统投入的一次成功率大大缩短开工周期，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进行试验在真实系统上试验会破坏系统的正常运行；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；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；结果做出正确的判断；无法复原；无法复原；试验时间太长、费用太大或者有危险等试验时间太长、费用太大或者有危险等(1)工程领域工程领域:机械机械

36、,航空航空,航天航天,电力电力,冶金冶金,化工和电子等化工和电子等.非工程领域非工程领域:交通管理交通管理,生产调度生产调度,库存控制库存控制,生态环境和社会生态环境和社会经济等经济等.(2)CVDS(Continuous Variable Dynamic Systems)连续（变量连续（变量动态）系统。动态）系统。DEDS(Discrete Event Dynamic Systems)离散事件（动态）系统。离散事件（动态）系统。HDS(Hybrid Dynamic Systems)混合（动态）系统。混合（动态）系统。仿真技术在系统设计中的应用仿真技术在系统设计中的应用(续续)2.3仿真在教育

37、与训练中的应用仿真在教育与训练中的应用 训练仿真系统训练仿真系统 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：系统。三大类：载体操纵型载体操纵型 这是与运载工具有关的仿真系统，航空、航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。主要目的。过程

38、控制型过程控制型 用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、化工厂、核电站、电力网等化工厂、核电站、电力网等 博弈决策型博弈决策型 企业管理人员（厂长、经理），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、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），城市交通指挥等），军事指挥人员（空战、海战、电子军事指挥人员（空战、海战、电子战等）。战等）。飞机自动驾驶系统飞机自动驾驶系统工厂管理系统工厂管理系统陀螺陀螺控制器控制器 机体机体给定航向给定航向实际航向实际航向管理部门管理部门用户订单用户订单原材料原材料产品产品采购

39、部门采购部门制造部门制造部门装配部门装配部门销售部门销售部门2.4仿真在产品开发及制造过程中的应用仿真在产品开发及制造过程中的应用 虚拟现实技术虚拟现实技术：虚拟环境、模仿人的视、听、动等行为的高：虚拟环境、模仿人的视、听、动等行为的高级人机交互级人机交互虚拟制造虚拟制造（Virtual Manufacturing）是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程为对象的全方位的应用。为对象的全方位的应用。虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。的计算机技术。基于基于I

40、nternet的虚拟现实在各行各业有着广泛的应用，例的虚拟现实在各行各业有着广泛的应用，例如房地产、旅游、购物、气象、公安、消防、教育、科如房地产、旅游、购物、气象、公安、消防、教育、科研、商业、金融、海洋、农业、娱乐等方面。研、商业、金融、海洋、农业、娱乐等方面。典型例子典型例子波音波音777其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短年时间缩短到到5年年 虚拟厂房虚拟厂房虚拟生产线虚拟生产线3 系统仿真的类型系统仿真的类型 系统仿真系统仿真-建

41、立系统的模型建立系统的模型,并在模型上进行实验并在模型上进行实验.例如例如:(1):(1)将按一定比例缩小的飞行器模型置于风洞中将按一定比例缩小的飞行器模型置于风洞中吹风吹风,测出飞行器的升力、阻力、力矩等特性；测出飞行器的升力、阻力、力矩等特性；(2)(2)要建设一个大水电站要建设一个大水电站,先建一个规模缩小的小水电先建一个规模缩小的小水电站来取得建设水电站的经验及其运行规律站来取得建设水电站的经验及其运行规律.(3)(3)指挥员利用沙盘来指挥一个战役或一个战斗指挥员利用沙盘来指挥一个战役或一个战斗.系统仿真是系统仿真是分析和研究各种（复杂）系统的重要工具分析和研究各种（复杂）系统的重要工

42、具.为了研究、分析、设计和实现一个系统需要进行实验为了研究、分析、设计和实现一个系统需要进行实验实验的方法：实验的方法：1 1）直接在真实系统上进行）直接在真实系统上进行 2 2）先构造模型，然后通过对模型的实验代替（或部分代）先构造模型，然后通过对模型的实验代替（或部分代替）真实系统的实验替）真实系统的实验通过模型实验的方法日益被人们所使用：通过模型实验的方法日益被人们所使用：1 1）系统处于设计阶段，真实系统尚未建成）系统处于设计阶段，真实系统尚未建成 2 2）在真实系统上实验有风险（发生故障甚至破坏）在真实系统上实验有风险（发生故障甚至破坏）3 3）在真实系统上实验费用昂贵）在真实系统上

43、实验费用昂贵 4 4）多次实验时，难以保证每次实验条件相同）多次实验时，难以保证每次实验条件相同3.1.根据模型的物理属性根据模型的物理属性系统仿真系统仿真分类分类物理仿真物理仿真 数学仿真数学仿真 半实物仿真半实物仿真物理仿真物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，：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。并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。物理仿真的优点是：直观、形象，也称为物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟模拟”。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大

44、。数学仿真数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加：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称为数学仿真。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，亦称为计算机仿计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真真数学仿真优点是：方便、灵活、经济数学仿真优点是：方便、灵活、经济数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。易建立。3.1.根据模型的物理属性根据模型的物理属性系统仿真系统仿真分类分类(

45、续续)3.1.根据模型的物理属性根据模型的物理属性系统仿真系统仿真分类分类(续续)半实物仿真半实物仿真半实物仿真：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。行实验。对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现学模型，并在计算机上加以实现对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物型的建立比较困难，则采用物理模型或实物仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验

46、仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验 3.2.根据仿真计算机类型分类根据仿真计算机类型分类 模拟计算机仿真模拟计算机仿真 数字计算机仿真数字计算机仿真 数字模拟混合仿真数字模拟混合仿真 3.2.根据仿真计算机类型分类（续）根据仿真计算机类型分类（续）模拟计算机仿真模拟计算机仿真：模拟计算机本质上是一种通用的电气：模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这是装置，这是5060年代普遍采用仿真设备。将系统数学年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟机仿真是一种并行仿真，仿真时，代表模型的各部模拟机仿真是一种

47、并行仿真，仿真时，代表模型的各部件是并发执行的。件是并发执行的。数字计算机仿真数字计算机仿真：将系统数学模型用计算机程序加以实将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统现，通过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。仿真的目的。早期的数字计算机仿真则是一种串行仿真，因为计算机早期的数字计算机仿真则是一种串行仿真，因为计算机只有一个中央处理器（只有一个中央处理器（CPU），计算机指令只能逐条执），计算机指令只能逐条执行。行。3.2.根据仿真计算机类型分类（续）根据仿真计算机类型分类（续）数字模拟混合仿真：数字模拟混合仿真：为了发挥模拟计算机并行计

48、算和数字计算为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮记忆及控制功能，以实现大机强大的存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系统模型分为型复杂系统的高速仿真，将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字计算机上运行，两行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模个计算机之间利用模/数和数数和数/模转换装置交模转换装置交换信息。换信息。3.3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实际动态系统的时间基称为实际动态系统的时间基称为实际时钟实际时钟系统仿真时模型所采用的时钟

49、称为系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟仿真时钟实时仿真实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致：即仿真时钟与实际时钟完全一致模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同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，必须进行实时仿真行实时仿真亚实时仿真亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟：即仿真时钟慢于实际时钟模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为离线仿真。离线仿真。超实时仿真超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟：即仿真时钟快于实际时钟模型仿真的速度快于实际系统运行的速度模型仿真的

50、速度快于实际系统运行的速度 4.4.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连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统分为：分为：集中参数系统模型集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述，一般用常微分方程（组）描述（如电路系统，机械动力学系统，生态系统等）（如电路系统，机械动力学系统，生态系统等）分布参数系统模型分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述，一般用偏微分方程（组）描述（如各种物理和工程领域中的（如各种物理和工程领域中的“场场”问题）问题）离散时间变化模型中的离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真差分模