计算机仿真(计算机仿真技术)打印版

机电工程学院机电工程系机电工程学院机电工程系李李 安安Tel:0532-86983310(O)15166391658Email: jdgc_参考文献参考文献1.系统仿真概论，肖田元等编，清华大学出版社2.现代仿真技术与应用，康风举编，国防工业出版社3.先进仿真技术与仿真环境，熊光楞编，国防工业出版社4.仿真技术与软件，贾连兴主编，国防工业出版社1.1 仿真的基本概念及其分类1.1.1 系统仿真的定义、分类及作用1.1.2 计算机仿真的定义及其分类1.2 计算机仿真的发展及其应用领域1.3 计算机数字仿真的基本过程1.4 先进仿真技术1.1 仿真（simulation)的基本概念及其分类1.1.1 系统仿真的定义、分类及其作用1）系统仿真的定义系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。简言之，系统仿真是对系统动态模型的实验，即在仿真中，系统的动态模型在一定的实验条件下被行为产生器驱动，产生模型行为。2）系统仿真的分类根据系统模型分类 物理仿真、数学仿真、半物理仿真根据仿真系统的结构和实现手段不同分类 数学仿真、物理仿真、半实物仿真、人在回路中仿真、软件在回路中仿真。根据虚实结合的程序分类 构造仿真、虚拟仿真、实况仿真。3）系统仿真的作用 由于仿真技术在应用上的特殊功效(安全性和经济性)，仿真技术获得了十分广泛的应用。世界各国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、并行工程等，因为投资极大，又有相当的风险，而仿真技术的应用可以用较小的投资换取风险上的大幅度降低。仿真技术在复杂工程系统的分析和设计的研究中已成为不可缺少的工具，归纳起来，系统仿真技术的主要作用有：优化系统设计。在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计。对系统或系统的某一部分进行性能评价。节省费用。重现系统故障，以便判断故障产生的原因。可以避免试验的危险性。进行系统抗干扰性能的分析研究。训练系统操作人员。系统仿真能为管理决策和技术决策提供依据。正因为仿真技术对国防建设、工农业生产及科学研究均具有极大的应用价值，所以，仿真技术被美国国家关键技术委员会于1991年确定为影响美国国家安全及繁荣的22项关键技术之一。本章目录1.1.2 计算机仿真(Computer Simulation)的定义及其分类1)计算机仿真的定义计算机仿真是指应用性能相似原理，构成数字模型，在计算机上对系统进行试验研究。计算机仿真又称为数字仿真。根据计算机分类 模拟计算机仿真、数字计算机仿真、模拟数字混合仿真 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系 实时仿真、欠实时仿真、超实时仿真 根据系统模型的特性 连续系统仿真、离散事件系统仿真本章目录计算机仿真的分类1.2 计算机仿真的发展计算机仿真的发展 及其应用领域及其应用领域1)计算机仿真的发展第一阶段:模拟仿真技术发展阶段,1950年以前。动因：火炮与飞行控制动力学系统的研究。第二阶段：混合仿真技术发展阶段，5060年代。动因：洲际导弹和宇宙飞船飞行姿态及轨道控制动力学的研究。第三阶段：数字仿真技术发展阶段，70年代以后。模拟机混合机数字机计算机仿真的应用类型:系统设计器 对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；系统分析器 对已有系统进行分析时采用仿真技术；系统预测器 在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策；系统观测器 在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供过去、现在甚至未来的信息，以便用户实时作出正确的决策，比如利用仿真技术进行故障分析和故障处理；系统训练器 利用仿真模型作为训练器，训练系统操作人员或管理人员2)计算机仿真的应用领域 从历史上看，仿真技术首先被应用于那些在实际系统进行试验有危险、花费巨大的领域，比如：航空、航天、武器系统等，以后逐渐扩大到虽然可在实际系统上进行试验，但花费较大、耗时较长、不大方便的一些领域，比如：冶金、化工、电力等；近十几年来，则进一步扩大到制造、交通、环境、生态、生物、石油等领域。综观仿真技术应用领域逐渐扩大的历史，可以得到以下几个有意义的结论：仿真技术在应用上的安全性一直是被采用的最主要原因；仿真技术在应用上的经济性也是被采用的十分重要的原因；仿真技术一般是从学院式的局部应用逐步走向全面应用，其标志是对某领域的仿真应用而设立的仿真中心；仿真技术在每一阶段都有一个比较成熟的应用领域；根据仿真的应用范围，研制和开发了一大批仿真产品，如各种仿真语言及仿真软件包，各种训练仿真器等等。为了推广仿真技术的应用，几乎所有的仿真语言都推出了PC版。本章目录1.3 计算机数字仿真的基本过程为了使大家对计算机数字仿真有一个全面的了解，让我们用一个简单的例子来予以说明。问题：如何分析研究并保证设计出或设计中的悬架系统具有这种卓越性能？研究方法：1 理论方法2 试验方法3 仿真方法仿真技术与物理试验、理论研究的对比仿真技术物理试验理论研究可能性只要能建立系统模型，就能进行系统尚未建立，则不可能；有的自然系统实验周期太长，也不可能有的系统无法建立解析模型，因此，不可能利用解析方法安全性无危险有危险（人身、设备）无危险经济性花费不多费用很大花费少耗时性中等长短准确性可以做到很准确十分准确要做较多假设，有较大误差方便性可以做到十分方便受现场限制，不方便方便机械谐振系统其中：X 状态向量 A 系统矩阵 B 输入矩阵 f(t)输入变量 C 输出矩阵 D 直接转移矩阵根据研究的目的编制试验方案：1.改变M、B、K，保持f(t)不变，研究系统结构参数对谐振系统动态行为的影响；2.改变f(t)，系统结构参数保持不变，研究系统所受激振力对谐振系统动态行为的影响；最后根据仿真试验结果，给出相关结论。建立仿真模型应用编程语言应用仿真语言或环境应用欧拉法、梯形法或RK法等仿真算法，将上述数学模型转化为便于编程的仿真模型：应用编程语言应用编程语言应用仿真语言或环境应用ADAMS应用MATLAB计算机仿真的一般步骤1、确定系统分析目标，进行系统分析，建立系统数学模型2、在系统数学模型的基础上，建立系统的仿真模型3、编程或选用仿真语言4、制定仿真实验方案，进行仿真实验5、分析仿真实验结果，修改模型本章目录给点小提示一、拉普拉斯变换1.拉氏变换的定义2.拉氏变换的几个定理线性定理衰减定理延时定理相似定理微分定理积分定理终值定理初值定理卷积定理线性定理返回返回返回返回衰减定理 延时定理相似定理返回返回返回返回微分定理GOGO积分定理终值定理返回返回返回返回初值定理卷积定理二、拉氏逆变换直接求解法、查表法（系数比较法、留数法）三、应用拉氏变换求解微分方程例:用拉氏变换解微分方程初始条件:四、控制系统的传递函数1.定义2.典型环节的传递函数比例环节微分环节积分环节惯性环节二阶环节延时环节1.定义返回返回返回返回比例环节微分环节积分环节返回返回返回返回惯性环节二阶环节延时环节返回返回返回返回第第2章章 连续系统的数字仿真连续系统的数字仿真对于一个集中参数的连续动态系统，利用我们学过的基础理论知识和专业知识所能直接建立的数学模型形式有哪些呢？高阶微分方程高阶微分方程传递函数传递函数能够在数字计算机上直接求解的数学模型形式又是什么样的呢？差分方程差分方程上述方程形式由何而来的？一阶微分方程一阶微分方程仿真模型数值积分算法动态方程高阶微分方程传递函数模型变换高阶微分方程高阶微分方程传递函数传递函数差分方程差分方程两次模型变换动态方程动态方程等价等价变换变换近似近似变换变换21 连续系统的数学模型1微分方程引进算子 2传递函数3状态空间描述1由微分方程导出状态空间表达式引进如下状态变量：假定一个连续系统可用下式来描述 令 则有例 系统的微分方程式 设状态变量为 2由传递函数导出状态空间表达式 1）并联程序法（m”为命令提示为命令提示符，表示符，表示MATLAB正在处于准备状态。在正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键后，命令提示符后键入命令并按下回车键后，MATLAB就会解释执行所输入的命令，并就会解释执行所输入的命令，并在命令后面给出计算结果。在命令后面给出计算结果。一般来说，一个命令行输入一条命令，命一般来说，一个命令行输入一条命令，命令行以回车结束。但一个命令行也可以输令行以回车结束。但一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如例如p=15,m=35p=15;m=35如果一个命令行很长，一个物理行之内写如果一个命令行很长，一个物理行之内写不下，可以在第一个物理行之后加上不下，可以在第一个物理行之后加上3个小个小黑点并按下回车键，然后接着下一个物理黑点并按下回车键，然后接着下一个物理行继续写命令的其他部分。行继续写命令的其他部分。3个小黑点称为个小黑点称为续行符，即把下面的物理行看作该行的逻续行符，即把下面的物理行看作该行的逻辑继续。辑继续。在在MATLAB里，有很多的控制键和方向键里，有很多的控制键和方向键可用于命令行的编辑。可用于命令行的编辑。4.1.2.4 工作空间窗口工作空间窗口 工作空间是工作空间是MATLAB用于存储各种变量和用于存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中显示工作空结果的内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。保存和删除。4.1.2.5 当前目录窗口和搜索路径当前目录窗口和搜索路径1当前目录窗口当前目录窗口当前目录是指当前目录是指MATLAB运行文件时的工作运行文件时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数可以被运行或调用。件、函数可以被运行或调用。在当前目录窗口中可以显示或改变当前目在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件并提供录，还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能。搜索功能。将用户目录设置成当前目录也可使用将用户目录设置成当前目录也可使用cd命命令。例如，将用户目录令。例如，将用户目录c:mydir设置为当前设置为当前目录，可在命令窗口输入命令：目录，可在命令窗口输入命令：cd c:mydir2MATLAB的搜索路径的搜索路径当用户在当用户在MATLAB命令窗口输入一条命令命令窗口输入一条命令后，后，MATLAB按照一定次序寻找相关的文按照一定次序寻找相关的文件。基本的搜索过程是：件。基本的搜索过程是：(1)检查该命令是不是一个变量。检查该命令是不是一个变量。(2)检查该命令是不是一个内部函数。检查该命令是不是一个内部函数。(3)检查该命令是否当前目录下的检查该命令是否当前目录下的M文件。文件。(4)检查该命令是否检查该命令是否MATLAB搜索路径中其搜索路径中其他目录下的他目录下的M文件。文件。用户可以将自己的工作目录列入用户可以将自己的工作目录列入MATLAB搜索路径，从而将用户目录纳入搜索路径，从而将用户目录纳入MATLAB系统统一管理。设置搜索路径的方法有：系统统一管理。设置搜索路径的方法有：(1)用用path命令设置搜索路径。例如，将命令设置搜索路径。例如，将用户目录用户目录c:mydir加到搜索路径下，可在命加到搜索路径下，可在命令窗口输入命令：令窗口输入命令：path(path,c:mydir)(2)用对话框设置搜索路径用对话框设置搜索路径 在在MATLAB的的File菜单中选菜单中选Set Path命令或命令或在命令窗口执行在命令窗口执行pathtool命令，将出现搜索命令，将出现搜索路径设置对话框。通过路径设置对话框。通过Add Folder或或Add with Subfolder命令按钮将指定路径添加到命令按钮将指定路径添加到搜索路径列表中。搜索路径列表中。在修改完搜索路径后，则需要保存搜索路在修改完搜索路径后，