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1、第1讲 仿真技术综述,本章主要内容如下： 1.1 科研工作的基本方法 1.2 模型及其建立 1.3 仿真技术及其重要性,1.1 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,1.1 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。,Routh判据,英国E.J.Routh建立Routh-Hurwitz Stability Criteria（1875年）,1.1 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
2、及综合。,一级倒立摆,工程动力学问题 F=ma,1.1 科研工作的基本方法,实验法 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。,系统模型,1.1 科研工作的基本方法,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。,数学模型,1.1 科研工作的基本方法,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。,虚拟模型,1.1 科研工作的基本方法,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。,实物模型,1.1 科研工作的基本方法,仿真实验法 在模型上（物理的/数学的）
3、所进行的系统性能分析与研究方法。,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,1.1 科研工作的基本方法,混合法 解析法+实验法+仿真可通过实验或仿真确定和修正理论模型中的有关参数和模型的结构.,1.1 科研工作的基本方法,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。,哥德巴赫猜想,相对论假说,电磁波设想,1.2 模型及其建立,模型的重要性,勾股定理,1.2 模型及其建立,模型的重要性,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
4、新的基础。 “实验、归纳、推演”是建立系统“数学模型”的重要手段/方法/途径。 “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。,1.2 模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证 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2,1.2 模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证 方法要恰当 逻辑推理方法：归纳、推演、类比、移植 机理建模法:白箱问题 实验建模法：黑箱问题 综合建模法：机理+实验,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,3. 建模过程,1.2 模型及
5、其建立,1. 相似性原理,1.3 仿真技术及其重要性,彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。,几何相似 (船舶仿真),1. 相似性原理,1.3 仿真技术及其重要性,彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。,环境相似,1. 相似性原理,1.3 仿真技术及其重要性,彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。,性能相似,1.3 仿真技术及其重要性,仿真 利用相似性原理,借助实验模型或计算机软件对所研究的对象进行分析。,利用计算机软件进行仿真是目前仿真分析中的主要方法。,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 虚拟现实（VR）：综合了计算机、多媒体、传感器、显示和仿真技术 仿真实验的高级形式
6、 可视化/真实性 有助于人们的创造与想象力的发挥 关键之处 感知设备 表现装置 三大特点 沉浸（Immersion） 交互（Interaction） 想象（Imagination）,1.3 仿真技术及其重要性,1.3 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,观察者可借助数据手套来操纵虚拟场景中的对象，数据手套中装有许多光纤传感器，能够感知手指关节的弯曲状态，观察者通过手指的活动来实现与虚拟场交互作用 数据可进行虚拟场景中物体的抓取,移动,旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 虚拟现实（VR）,表现装
7、置,1.3 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,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 虚拟样机 虚拟制造,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 虚拟样机 虚拟环境,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 工程应用 车辆肇事仿真,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 工程应用 飞行器设计,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的应用 工程应用 联合仿真,1.3 仿真技术及其重要性,仿真常用的工具软件 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 运动学、动力学、机电一体化系统仿真
8、AMESim 流体、机械、电磁以及控制等复杂系统建模和仿真 PSPICE 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 ANSYS 结构、热、流体、电磁和声学运用有限元分析软件 MATLAB 以科学计算见长的多用途仿真软件，尤其适用于机电系统的动力学仿真，是本课程主要学习的软件。,1.3 仿真技术及其重要性,仿真技术的发展趋势 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”； 基于网络技术的分布式数字仿真系统将广泛应用； 基于虚拟现实技术的“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； “离散事件系统”的仿真问题将成为人们研究的另一热点； “仿真技术”将成为高等理工院校学生培养的重要技术。,
