第1章-计算机仿真技术绪论优秀PPT.ppt

第一章第一章 绪论绪论 这一章将介绍计算这一章将介绍计算机仿真的基本概念、它所包机仿真的基本概念、它所包括的内容以及发展状况，即括的内容以及发展状况，即我们将从横向和纵始终阐述我们将从横向和纵始终阐述计算机系统仿真的内涵。计算机系统仿真的内涵。全部这些内容将为学全部这些内容将为学习计算机仿真技术和以后更习计算机仿真技术和以后更进一步的探讨建立一个基础。进一步的探讨建立一个基础。1.1 系统仿真的基本概念一、系统与模型 一个系统可能特别困难，也可能很简洁，因此很难给“系统”下一个准确的定义。因为这个定义不但能够足以概括系统的各种应用，而且又能够简明地把这个定义应用于实际。但无论什么系统一般均具有4个重要的性质，即整体性、相关性、有序性和动态性。系统就是一些具有特定功能的、相互间以确定规律联系着的物体所组成的一个总体。明显，系统是一个广泛的概念，毫无疑问它在现代科学探讨和工程实践中扮演着重要的角色。不同领域的问题均可以用系统的框架来解决。但原委一个系统是由什么构成的，这取决于观测者的观点。例如，这个系统可以是一个由一些电子部件组成的放大器；或者是一个可能包括该放大器在内的限制回路；或者是一个有很多这样回路的化学处理装置；或者是一些装置组成的一个工厂；或者是一些工厂的联合作业形成的系统，而世界经济就是这个系统的环境。1.1 系统仿真的基本概念 首先，必需明确系统的整体性。也就是说，它作为一个整首先，必需明确系统的整体性。也就是说，它作为一个整体，各部分是不行分割的。就似乎人体，它由头、身躯、四肢体，各部分是不行分割的。就似乎人体，它由头、身躯、四肢等多个部分组成，假如把这些部分拆开，就不能构成完整的人等多个部分组成，假如把这些部分拆开，就不能构成完整的人体。至于人们熟悉的自动限制系统，其基本组成部分体。至于人们熟悉的自动限制系统，其基本组成部分(限制对象、限制对象、测量元件、限制器等测量元件、限制器等)同样缺一不行。整体性是系统的第一特性。同样缺一不行。整体性是系统的第一特性。其次，要明确系统的相关性。相关性是指系统内部各部分其次，要明确系统的相关性。相关性是指系统内部各部分之间相互以确定的规律联系着，它们之间的特定关系形成了具之间相互以确定的规律联系着，它们之间的特定关系形成了具有特定性能的系统。有时系统各要素之间的关系并不是简洁的有特定性能的系统。有时系统各要素之间的关系并不是简洁的线性关系，而呈现出困难的非线性关系。也正是由于这种非线线性关系，而呈现出困难的非线性关系。也正是由于这种非线性，才构成了我们这个多彩的世界。性，才构成了我们这个多彩的世界。n n对于困难的非线性关系，必需探讨其困难性与整体性。再以人体为例，人的双眼视敏度是单眼视敏度的610倍。此外，双眼有立体感，而单眼却无此特点。这就是一种典型的非线性特征，因此相关性是系统的其次特性，也是目前系统探讨的主要问题。1.1 1.1 系统仿真的基本概念系统仿真的基本概念 除除整整体体性性和和相相关关性性外外，系系统统还还具具有有有有序序性性和和动动态态性性。比比如如，生生命命是是一一种种高高度度有有序序的的结结构构，它它所所具具有有的的困困难难功功能能组组织织，与与现现代代化化大大工工业业生生产产的的“装装配配线线”特特别别相相像像，这这是是一一种种结结构构上上的的有有序序性性，对对任任何何系系统统都都是是适适用用的的。又又如如图图1.1.11.1.1所所示示，一一个个非非平平衡衡系系统统假假如如经经过过分分支支点点A A、B B到到达达C C，那那么么对对C C态态的的说说明明就就必必需需暗暗含含着着对对A A态态和和B B态态的的了了解。这就是系统的动态性。解。这就是系统的动态性。图图1.1.1 系统的动态性系统的动态性1.1 系统仿真的基本概念 建立系统概念的目的在于深化相识并驾驭系统的运动规律。建立系统概念的目的在于深化相识并驾驭系统的运动规律。因此不仅要定性地了解系统，还要定量地分析、综合系统，以便因此不仅要定性地了解系统，还要定量地分析、综合系统，以便能更精确地解决工程、自然界和现代社会中的种种困难问题。定能更精确地解决工程、自然界和现代社会中的种种困难问题。定量地分析、综合系统最有效的方法是建立系统的模型，并运用高量地分析、综合系统最有效的方法是建立系统的模型，并运用高效的数值计算工具和算法对系统的模型进行解算。效的数值计算工具和算法对系统的模型进行解算。接受模型法分析系统的第一步是建立系统的数学模型，所谓数学模型就是把关于系统的本质部分信息，抽象成有用的描述形式，因此抽象是数学建模的基础。数学在建模中扮演着特别重要的角色，马克思说过：“一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到完善的地步。”例如集合的概念是建立在抽象的基础上的，共同的基础使集合论对于建模过程特别有用。这样，数学模型可以看成是由一个集合构造的。1.1 1.1 系统仿真的基本概念系统仿真的基本概念 数学模型的应用无论是在纯科学领域还是在实数学模型的应用无论是在纯科学领域还是在实际工程领域中都有着广泛的应用，但通常认为一个数学际工程领域中都有着广泛的应用，但通常认为一个数学模型有两个主要的用途：首先，数学模型可以帮助人们模型有两个主要的用途：首先，数学模型可以帮助人们不断地加深对实际物理系统的相识，并且启发人们去进不断地加深对实际物理系统的相识，并且启发人们去进行可以获得满足结果的试验；其次，数学模型有助于提行可以获得满足结果的试验；其次，数学模型有助于提高人们对实际系统的决策和干预实力。高人们对实际系统的决策和干预实力。数学模型按建立方法的不同可分为机理模型，统计数学模型按建立方法的不同可分为机理模型，统计模型和混合模型。模型和混合模型。机理模型接受演绎方法，运用已知定机理模型接受演绎方法，运用已知定律，用推理方法建立数学模型；统计模型律，用推理方法建立数学模型；统计模型接受归纳法，它依据大量实测或视察的数接受归纳法，它依据大量实测或视察的数据，用统计的规律估计系统的模型；混合据，用统计的规律估计系统的模型；混合模型是理论上的逻辑推理和试验观测数据模型是理论上的逻辑推理和试验观测数据的统计分析相结合的模型。按所描述的系的统计分析相结合的模型。按所描述的系统运动特性和运用的数学工具特征，数学统运动特性和运用的数学工具特征，数学模型可分类为线性、非线性、时变、定常、模型可分类为线性、非线性、时变、定常、连续、离散、集中参数、分布参数、确定、连续、离散、集中参数、分布参数、确定、随机等系统模型。随机等系统模型。1.1 1.1 系统仿真的基本概念系统仿真的基本概念二、仿真 随着科学技术的进步，尤其是信息技术和计算机技术的发展，“仿真”的概念不断得以发展和完善，因此赐予仿真一个清晰和明白的定义是特别困难的。但一个通俗的系统仿真基本含义是指：设计一个实际系统的模型，对它进行试验，以便理解和评价系统的各种运行策略。而这里的模型是一个广义的模型，包含数学模型、非数学模型、物理模型等等。显见，依据模型的不同，有不同方式的仿真。从仿真实现的角度来看，模型特性可以分为连续系统和离散事务系统两大类。由于这两类系统的运动规律差异很大，描述其运动规律的模型也有很大的不同，因此相应的仿真方法不同，分别对应为连续系统仿真和离散事务系统仿真。1.1 1.1 系统仿真的基本概念系统仿真的基本概念1 连续系统仿真 连续系统仿真是指物理系统状态随时间连续变更的系统，一般可以运用常微分方程或偏微分方程组描述。须要特殊指出的是这类系统也包括用差分方程描述的离散时间系统。对于工科院校，因为主要探讨的对象是工业自动化和工业过程限制，因此本教材主要介绍连续系统仿真。2 离散事务系统仿真 离散事务系统是指物理系统的状态在某些随机时间点上发生离散变更的系统。它与连续时间系统的主要区分在于：物理状态变更发生在随机时间点上，这种引起状态变更的行为称为“事务”，因而这类系统是由事务驱动的。离散时间系统的事务(状态)往往发生在随机时间点上，并且事务(状态)是时间的离散变量。系统的动态特性无法运用微分方程这类数学方程来描述，而只能运用事务的活动图或流程图。因此对离散事务系统的仿真的主要目的是对系统事务的行为作统计特性分析，而不像连续系统仿真的目的是对物理系统的状态轨迹作出分析。1.1 1.1 系统仿真的基本概念系统仿真的基本概念 仿真技术的分类方法很多，不同的分类仿真方法也有所仿真技术的分类方法很多，不同的分类仿真方法也有所不同，下一小节我们还要针对连续时间系统仿真的分类进行具不同，下一小节我们还要针对连续时间系统仿真的分类进行具体探讨。体探讨。本书讲授的是连续时间系统的计算机仿真，因此仿真的基础本书讲授的是连续时间系统的计算机仿真，因此仿真的基础是建立在系统的数学模型基础上，并以计算机为工具对系统进是建立在系统的数学模型基础上，并以计算机为工具对系统进行试验探讨的一种方法。行试验探讨的一种方法。仿真，就是仿照真实的事物，也就是用仿真，就是仿照真实的事物，也就是用一个模型来仿照真实系统。既然是仿一个模型来仿照真实系统。既然是仿照，两者就不行能完全等同，但是最照，两者就不行能完全等同，但是最基本的内容应当相同，即模型必需至基本的内容应当相同，即模型必需至少反映系统的主要特征。少反映系统的主要特征。随着现代工业的发展，科学探讨随着现代工业的发展，科学探讨的深化与计算机软、硬件的发展，仿的深化与计算机软、硬件的发展，仿真技术已成为分析、综合各类系统，真技术已成为分析、综合各类系统，特殊是大系统的一种有效探讨方法和特殊是大系统的一种有效探讨方法和有力的探讨工具。有力的探讨工具。1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术一、基本原理分类 除了可按模型的特性分为连续系统仿真和离散事务系统仿真类型外，还可以从不同的角度对系统仿真进行分类。比较典型的分类方法是：依据模型的种类系统仿真可以分为三种：物理仿 真、数学仿真和半实物仿真。依据运用的仿真计算机也可将系统仿真分为三种：模拟计算机仿真、数字计算机仿真和数字模拟混合仿真。依据仿真时间钟和实际物理系统时间钟的比例关系，常将仿真分为实时仿真和非实时仿真。1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术 本小节我们依据仿真的主要理论依据本小节我们依据仿真的主要理论依据相像论来探讨仿真的分类。相像论来探讨仿真的分类。所所谓谓相相像像，是是指指各各类类事事物物间间某某些些共共性性的的客客观观存存在在。相相像像性性是是客客观观世世界界的的一一种种普普遍遍现现象象，它它反反映映了了客客观观世世界界中中不不同同物物理理系系统统和和物物理理现现象象具具备备某某些些共同的特性和规律。共同的特性和规律。接接受受相相像像理理论论建建立立物物理理系系统统的的相相像像模模型型，这这是是相相像像理理论论在在系系统统仿仿真真中中最基本的体现。最基本的体现。上一节我们讲过，仿真就是仿照一个真实系统，所遵循的基本原则就是相像原理。依据相像论的探讨方法和仿真技术的探讨方法，在建立物理系统的模型时，我们认为物理系统和模型应当满足几何相像、环境相像和性能相像中的一种或几种。1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术 几何相像就是把真实系统按比例放大几何相像就是把真实系统按比例放大或缩小，其模型的状态向量与原物理系统或缩小，其模型的状态向量与原物理系统的状态完全相同。土木建筑、水利工程、的状态完全相同。土木建筑、水利工程、船舶、飞机制造多接受几何相像原理进行船舶、飞机制造多接受几何相像原理进行各种仿真试验。各种仿真试验。环境相像，就是人工在试验室里产生与所探讨对象在自然界中所处环境类似的条件，比如飞机设计中的风洞，鱼雷设计中的水洞、水池等等。n n 性能相像，则是用数学方程来表征系统的性能，或者利用数据处理系统，来仿照该数学方程所表征的系统。性能相像原理也是仿真技术遵循的基本原理。1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术 依据仿真所遵循的相像原则基本含义，大致可将仿真分为三大类：依据仿真所遵循的相像原则基本含义，大致可将仿真分为三大类：物理仿真：主要是运用几何相像、环境相像条件，构成物理模型进行仿真。其主要缘由可能是由于原物理系统是昂贵的、或是无物理仿真：主要是运用几何相像、环境相像条件，构成物理模型进行仿真。其主要缘由可能是由于原物理系统是昂贵的、或是无法实现的物理场、或是原物理系统的困难性难以用数学模型描述的。法实现的物理场、或是原物理系统的困难性难以用数学模型描述的。数字仿真：运用性能相像，即将物理系统全部用数学模型来描述，并把数学模型变换为仿真模型，在计算机上进行试验探讨。数字仿真：运用性能相像，即将物理系统全部用数学模型来描述，并把数学模型变换为仿真模型，在计算机上进行试验探讨。半物理仿真：综合运用三个相像原则，把数学模型、实体模型、相像物理场组合在一起的仿真系统。这类仿真技术又称为硬件在半物理仿真：综合运用三个相像原则，把数学模型、实体模型、相像物理场组合在一起的仿真系统。这类仿真技术又称为硬件在回路中的仿真回路中的仿真(Hardware in the loop simulation)(Hardware in the loop simulation)。由于现代工业和科学技术的发展，单一的物理仿真和数字仿真往往不能满足其探讨目的的要求，而这类物理仿真和数字仿真的结由于现代工业和科学技术的发展，单一的物理仿真和数字仿真往往不能满足其探讨目的的要求，而这类物理仿真和数字仿真的结合称为半物理仿真，则可满足其要求。合称为半物理仿真，则可满足其要求。本教材的重点是向读者介绍数字仿真。本教材的重点是向读者介绍数字仿真。1.2 连续系统仿真技术 二、半实物仿真 半实物仿真是一种通俗而习惯的叫法。按前述的定义应当是：在全部仿真系统中、一部分是实际物理系统或以实际等价的物理场,另一部分是安装在计算机里的数学模型。半实物仿真在科学探讨和工程应用中扮演着特别重要的角色，从某种意义上半实物仿真技术的难度和实际应用性均超过全数字仿真。这主要是因为：(1)对于一个大型的仿真系统，有时系统中的某一部分很难建立其数学模型，或者建立这部分的数学模型的代价昂贵，精度也难以保证。例如，在红外制导系统仿真时，其红外制导头以及各种物理场的模型建立是相当困难的。为了能精确地仿真系统，这部分将以实物的形式干脆参与仿真系统，从而避开建模的困难和过高的建模费用。(2)利用半实物仿真系统，可以检验系统中的某些部件的性能。例如，为了检验航行器的性能，可以将设计的限制部件以实物的形式进入仿真系统。(3)(3)利用半实物仿真，可以进一步校正系统的数学模利用半实物仿真，可以进一步校正系统的数学模型。一个困难的系统在完成初步设计以及分部件逐型。一个困难的系统在完成初步设计以及分部件逐个研制出来后，为了验证和鉴定系统性能或检验定个研制出来后，为了验证和鉴定系统性能或检验定型产品，利用系统的半实物仿真可以从总体上更精型产品，利用系统的半实物仿真可以从总体上更精确地检测外界因素的变更对系统的影响，更深化地确地检测外界因素的变更对系统的影响，更深化地暴露系统的内在冲突。从而，在试验室内能较全面暴露系统的内在冲突。从而，在试验室内能较全面地检验和评定系统设计的合理性和各部件工作的协地检验和评定系统设计的合理性和各部件工作的协调性，进而修改和完善设计。调性，进而修改和完善设计。(4)(4)在在1.31.3节介绍的仿真器中，半实物仿真是必需。因节介绍的仿真器中，半实物仿真是必需。因为在这类仿真器中为了靠近物理系统的实际效应，为在这类仿真器中为了靠近物理系统的实际效应，很多部件必需以实物方式介入仿真系统中。例如，很多部件必需以实物方式介入仿真系统中。例如，飞行驾驶员训练器，为了使飞行器有真实感，座舱飞行驾驶员训练器，为了使飞行器有真实感，座舱往往是以实物的方式介入系统的。往往是以实物的方式介入系统的。1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术 由以上缘由可以看出，半实物仿真是一种更有实际意义的仿真试验，其技术由以上缘由可以看出，半实物仿真是一种更有实际意义的仿真试验，其技术难度和投资也往往大于全数字仿真。图难度和投资也往往大于全数字仿真。图1.2.11.2.1是某航行器指令制导半实物仿真系统的原是某航行器指令制导半实物仿真系统的原理框图。理框图。图图1.2.1 指令制导半实物仿真系统原理图指令制导半实物仿真系统原理图1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术 三、数字仿真三、数字仿真 数字仿真的数字仿真的前提是系统的数学模型前提是系统的数学模型，数字仿真的，数字仿真的工具是数字工具是数字计算机计算机，而其，而其主要内容是数值计算方法、仿真程序、仿真语言以及主要内容是数值计算方法、仿真程序、仿真语言以及上机操作上机操作。通常将计算机称为仿真的。通常将计算机称为仿真的硬件工具硬件工具，而将仿真计算方法，而将仿真计算方法和仿真程序称为和仿真程序称为仿真软件仿真软件。数字仿真的工作流程如图。数字仿真的工作流程如图1.2.21.2.2所示所示 图图1.2.2 仿真试验的一般过程仿真试验的一般过程1.2 1.2 连续系统仿真技术连续系统仿真技术 从以上仿真过程可以看到，这里涉及三个具体的部分和三个具体的活动：一是从以上仿真过程可以看到，这里涉及三个具体的部分和三个具体的活动：一是物理系统，二是数学模型，三是计算机，如图物理系统，二是数学模型，三是计算机，如图1.2.3所示。并且有两次模型化和一次所示。并且有两次模型化和一次计算活动。第一次模型化是将实际系统变成数学模型，其次次是将数学模型变成仿计算活动。第一次模型化是将实际系统变成数学模型，其次次是将数学模型变成仿真模型。通常将一次模型化的技术称为系统辨识技术；而将其次次模型化、仿真模真模型。通常将一次模型化的技术称为系统辨识技术；而将其次次模型化、仿真模型编程、校核和验证统称为仿真技术。二者所接受的探讨方法虽有较大的差别，但型编程、校核和验证统称为仿真技术。二者所接受的探讨方法虽有较大的差别，但又有特别亲密的联系。校核和验证模型的过程事实上也就是不断修改模型使之更符又有特别亲密的联系。校核和验证模型的过程事实上也就是不断修改模型使之更符合实际的过程，因而从某种意义上讲，仿真也是建模过程的接着。合实际的过程，因而从某种意义上讲，仿真也是建模过程的接着。图图1.2.3 计算机仿真三要素和三个基本活动计算机仿真三要素和三个基本活动四、数字仿真程序四、数字仿真程序四、数字仿真程序四、数字仿真程序 数字仿真程序是一种适用于一类仿真问题的通用程序。一般接受通用语言编写。依据仿真过程的要数字仿真程序是一种适用于一类仿真问题的通用程序。一般接受通用语言编写。依据仿真过程的要数字仿真程序是一种适用于一类仿真问题的通用程序。一般接受通用语言编写。依据仿真过程的要数字仿真程序是一种适用于一类仿真问题的通用程序。一般接受通用语言编写。依据仿真过程的要求，一个完整的仿真程序应具有以下三个基本阶段。求，一个完整的仿真程序应具有以下三个基本阶段。求，一个完整的仿真程序应具有以下三个基本阶段。求，一个完整的仿真程序应具有以下三个基本阶段。(1)(1)初始化阶段初始化阶段初始化阶段初始化阶段 这是仿真的准备阶段，主要完成下列工作：这是仿真的准备阶段，主要完成下列工作：这是仿真的准备阶段，主要完成下列工作：这是仿真的准备阶段，主要完成下列工作：数组定维、各状态变量置初值。数组定维、各状态变量置初值。数组定维、各状态变量置初值。数组定维、各状态变量置初值。可调参数、决策变量以及限制策略等的建立。可调参数、决策变量以及限制策略等的建立。可调参数、决策变量以及限制策略等的建立。可调参数、决策变量以及限制策略等的建立。仿真总时间、计算步距、打印间隔、输出方仿真总时间、计算步距、打印间隔、输出方仿真总时间、计算步距、打印间隔、输出方仿真总时间、计算步距、打印间隔、输出方 式等的建立。式等的建立。式等的建立。式等的建立。