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1、控制系统数字仿真与CAD 仿真技术概述,张晓华 教授 /博士生导师E-mail:xh_,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,科研工作的基本方法,解析法：,运用已掌握的理论知识，对所研究的对象进行理论方面的分析、计算及综合。,最佳路径问题,庞得里亚金极大值原理,工程最优问题,科研工作的基本方法,解析法：,工程动力学问题 F=ma,一阶倒立摆,科研工作的基本方法,解析法：,Routh判据,英国E.J.Routh建立 （Routh-Hurwitz Stability Criteria）（1875年）,科研工作的基本方法,2实验法：
2、,在所建立的实际系统（或模型）上，利用各种仪器仪表，通过施加一定类型的激励信号，测取系统响应来确定系统的性能。,科研工作的基本方法,2实验法：,系统模型,科研工作的基本方法,2实验法：,实际系统,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,在模型上（物理的/数学的）所进行的系统性能分析与研究方法。,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,数学模型,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,虚拟模型,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,实物模型,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,仿真实验性能比较：,数学模型,虚拟模型,实物模型,实物原型,仿真精度,低,高,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,工程应用： 飞行器设
3、计的三级仿真体系,科研工作的基本方法,4混合法：,解析法+实验法,工程实例： 水轮发电机组,科研工作的基本方法,4混合法：,流体力学：层流/紊流,我们要确定的“六系数”（偏导数）,工程实例： 水轮发电机组,科研工作的基本方法,4 混合法：,工程实例： 水轮发电机组,科研工作的基本方法,5猜想法：,又称为“假想法”，通过人们对所研究问题的“直觉”，提出“可能的”结果/结论，利用“反演/推理/证明”的方法进行“创造性”的研究和发现。,科研工作的基本方法,5猜想法：,哥德巴赫猜想,相对论假说,电磁波设想,科研工作的基本方法,5猜想法：,宇宙大爆炸理论,科研工作的基本方法,5猜想法：,布丰投针原理,主
4、要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,相似性原理及应用,仿真实验所遵循的基本原则； 科学技术创新与应用的桥梁；,1、几何相似2、环境相似3、性能相似4、思维相似5、生理相似,相似性原理及应用,1、几何相似,相似性原理及应用,2、环境相似,相似性原理及应用,3、性能相似,相似性原理及应用,相似定理：,相似第一定理：彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。,第一定理: 第二定理: 第三定理:,例：粘性不可压缩流体的稳定等温流动问题；,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及
5、其建立,模型及其建立,模型的重要性,勾股定理,模型及其建立,模型的重要性,电磁场理论,涡旋磁场,位移电流,赫兹,模型及其建立,模型的重要性,1、把世间的现象/问题上升到“数学抽象/数学模型”的理 论高度是现代科学发现与技术创新的基础。 2、“实验、归纳、推演”是建立系统“数学模型”的重要手段/方法/途径。 3、“数学模型”是人们对自然世界的一种抽象理解，它与自然世界/现象/问题具有“性能相似”的特点。,模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证,1.目的要明确,飞行器,目的2 飞行器的结构强度,目的1 飞行器的动态性能,流体力学,结构力学,方法1,方法2,模型及其建立,建模三要素：目的，方法，
6、验证,2.方法要恰当 （1）逻辑推理方法：归纳、推演、类比、移植 （2）机理建模法:白箱问题 （3）实验建模法：黑箱问题 （4）综合建模法：机理+实验,模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证,3.结果要验证,数学模型必要条件实物模型充要条件实际应用结果检验,模型及其建立,建模过程,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,控制系统CAD 机械系统CAD,仿真技术及其重要性,控制系统CAD,固有特性分析,仿真技术及其重要性,控制系统CAD,闭环控制性能分析,仿真技术及其重要性,控制系统CAD,
7、闭环控制性能分析,仿真技术及其重要性,控制系统CAD,球棒系统,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR） 虚拟样机：,1仿真实验的高级形式2可视化/真实性3有助于人们的创造与想象力的发挥,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR） 虚拟样机：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,感知设备：表现装置：三大特征：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,感知设备：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,表现装置：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,三大特征：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟样机：,虚
8、拟现实仿真技术虚拟制造虚拟环境,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟样机：,虚拟现实仿真技术,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟样机：,虚拟制造,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟样机：,虚拟环境,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟环境,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟样机,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,1 车辆肇事仿真2飞行器设计3 联合仿真4 军事工程,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,1车辆肇事仿真,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,2飞行器设计,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,3联合仿真,仿真技
9、术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,4军事工程,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,常用的工具软件,ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 1 美国MDI/MSC公司 2 50市场份额 3 运动学/动力学/机电一体化 4 网址： 。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,常用的工具软件,PSPICE（模拟电路CAD软件） 1电子电路仿真软件 2 ORCAD公司的商业化EDA软件3直流/交流电路、瞬态特性优化设计、数字模拟混合电路、电路绘图仿真一体化 4网址：。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,常用的工具软件,SAB
10、ER（电气、模拟、混合信号仿真软件） 1图形化界面 2稳态、时域、频域、可靠性 3应用于电源、电力电子、电气、机电一体化设计 4网址：www.jialing- （结构、热、流体、电磁和声学运用有限元分析软件） 1求解“热结构耦合”、“磁结构耦合”以及“电磁流体热耦合”等问题 2多种物理介质相互作用下的“动态性能” 3梯度显示、立体切片显示、图表/曲线显示 4网址：。,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,1、1773年，法国自然学家G.L.L.Buffon的“投针实验”； 2、20世纪40年代，随模拟计算机的出现而起步/发展； 3、1955年，数字计算机的出现为仿真技术的应用开辟了道
11、路，但是“汇编语言”限制了其广泛发展； 4、1966年，雷诺（T.H.Naylor）给“仿真”做出了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，包括数学与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统在若干周期内的特征”，它标志着“仿真实验”作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,5、20世纪70年代，以FORTRAN为代表的高级语言与多种专用的仿真语言（如：MIMIC、DSL/90、CSSL、CSMP等）为“数字仿真技术”的广泛应用奠定了基础; 6、1978年,美国推出的AD10数字/模拟混合计算机使“仿真技术”得以进入军事、武器
12、装备等领域的深层应用。 7、20世纪80年代初，MATLAB软件出现，并广泛在欧美的中得到应用； 8、1983年，美国国防高级研究计划局（DARPA）与陆军共同制定了仿真组网（SIMNET）计划；,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,9、1984年，William Gibon提出了“虚拟现实”的概念，为仿真技术的应用指出了新的发展方向； 10、1985年，美国推出性能更加强大AD100数字/模拟混合计算机（可用于洲际导弹/多目标飞行器实时仿真）； 11、1989年，美国评出了科技领域近25年间最杰出的十项技术成果，将CAD/CAM技术列为第四项，被称为“推动了几乎所有设计领域的革命
13、”； 12、1992年，美国政府提出的22项国家关键技术中，仿真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，仿真技术被列为第6项；,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,13、1993年，中国“银河仿真型机”研制成功； 14、1996年，中国学者薛定宇所著控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用一书出版（清华大学出版社），它是国内最早的MATLAB专著； 15、1996年，美国学者Macredie系统阐述了虚拟现实、仿真环境、面向对象的建模机制等重要概念与理论，为虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应用推波助澜； 16、1999年，“银河高性能分布仿真计算机”在长沙诞生
14、，这标志着我国的仿真技术已达到国际先进水平；,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,发展历程：,17、1999年，控制系统数字仿真与CAD一书（第1版）出版（机械工业出版社），它标志着以MATLAB为平台的仿真技术类课程开始在高等院校本科生开展； 18、进入21世纪，“虚拟现实仿真技术”开始在影视艺术、工业设计、生活娱乐等领域大量应用；“仿真技术”已成为“现代工程技术人员应该掌握的基本技能之一”。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,发展趋势：,1 在硬件上，基于多CPU的并行处理技术的全数字仿真技术将有效的改善仿真系统的“实时性”； 2 基于网络技术的分布式数字仿真系统将广泛应用； 3 基于虚
15、拟现实技术的“多媒体环境条件下的仿真技术”将推进军事、工业、生活、娱乐等领域的深层次应用； 4 “离散事件系统”的仿真问题将成为人们研究的另一热点； 5“仿真技术”将成为高等理工院校学生培养的重要技术。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,仿真技术的重要性：,经济安全快捷,仿真技术的应用,仿真技术的特殊功能,仿真技术及其重要性,1预测：社会、经济、管理等问题 例：“婴儿体重时间（周）的预测” （1）数据： （i=1，2，20）,仿真技术的应用,仿真技术的特殊功能,“婴儿体重时间（周）的预测” （2）建模：自动门限自回归模型（SETAR模型）,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,仿真技术的特殊功
16、能,例：“婴儿体重时间（周）的预测” （3）利用已有模型进行“预测”,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,仿真技术的特殊功能,2 优化设计（系统结构、参数）,仿真技术及其重要性,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,学习本课程的目的和方法,学习本课程的目的,1了解仿真技术概况 2 夯实所涉及的基本概念、理论与方法 3 掌握仿真技术这一利器，并要认识到“与时俱进” 4 培养自主学习/研究的能力,学习本课程的目的和方法,学习本课程的方法,1、注重基础（概念/原理）；孟子曰：“始条理者，智之事也；终条理者，圣之事也。”,学习本课程的目的和方法,
