計(jì)算機(jī)仿真教案01-第一章 緒論課件

主講：李錦云唐國元電話：87541769(李)辦公地址：東8樓108室(李)E-mail：jyunl@(李)仿真技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)安排課時(shí)/學(xué)分：32/2

教學(xué)內(nèi)容：1、概論，仿真的基本方法2、數(shù)值積分法3、連續(xù)系統(tǒng)仿真4、離散相似法仿真5、MATLAB(SIMULINK)基本使用方法

1.1引言1.1引言1.1.1仿真的定義1961年G.W.Morgenthler

首次技術(shù)性解釋指在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的復(fù)現(xiàn)雷諾(T.H.Naylor)于1966年在其專著中對(duì)仿真作了如下定義：“仿真是在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)字化技術(shù)，它包括數(shù)字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)(或者它們的某些部分)在若干周期內(nèi)的特征?！?978年科恩（Korn）在《連續(xù)系統(tǒng)仿真》一書中將仿真定義為“用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實(shí)驗(yàn)”1.1引言

1984年Oren提出“仿真是一種基于模型的活動(dòng)”，被認(rèn)為是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個(gè)重要概念。

仿真是對(duì)真實(shí)世界的模擬。基本共同觀點(diǎn)是：仿真是基于模型進(jìn)行的。其它一些定義只對(duì)仿真作一些概括的描述：仿真就是模仿真實(shí)系統(tǒng)；仿真就是利用模型來作實(shí)驗(yàn)等等。艾倫(A.Alan)在1979年8月出版的《仿真》期刊上對(duì)眾多的定義進(jìn)行了綜述1.1引言綜合定義：仿真(Simulation)——通過對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。它是將所研究的對(duì)象用其它手段加以模仿的一種活動(dòng)系統(tǒng)仿真:是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而做出決策的一門綜合性的和試驗(yàn)性的學(xué)科。1.1引言1.1.2仿真的必要性1.必要性分析、研究和設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，需要“理論知識(shí)+實(shí)驗(yàn)研究”。一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，有著可實(shí)現(xiàn)性與不可實(shí)現(xiàn)性。一個(gè)未來系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，具有不可實(shí)現(xiàn)性。結(jié)論：對(duì)系統(tǒng)建立模型，借助于系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1.1引言不可實(shí)現(xiàn)性的原因有：

安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)驗(yàn)周期性、可能性等。例：“舊金山號(hào)”核潛艇“舊金山號(hào)”核潛艇2005年1月8日在關(guān)島以南海域撞上了一個(gè)海底山脈。這一事故造成一名艇員死亡，60多名艇員受傷。

1.1引言2.充分性－－仿真的好處便于重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，便于控制參數(shù)，時(shí)間短，代價(jià)小可以在真實(shí)系統(tǒng)建立起來之前，預(yù)測(cè)其行為效果，從而可以從不同結(jié)構(gòu)或不同參數(shù)的模型的結(jié)果比較之中，選擇最佳模型對(duì)于缺少解析表示的系統(tǒng)，或雖有解析表示但無法精確求解的系統(tǒng)，可以通過仿真獲得系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)值結(jié)果難以用數(shù)學(xué)公式表示的系統(tǒng)，或者沒有建立和求解數(shù)學(xué)模型的有效方法．雖然可以用解析的方法解決問題，但數(shù)學(xué)的分析與計(jì)算過于復(fù)雜，這時(shí)計(jì)算機(jī)仿真可能提供簡單可行的求解方法對(duì)于隨機(jī)性系統(tǒng)，可以通過大量的重復(fù)試驗(yàn)，獲得其平均意義上的特性指標(biāo)1.1引言2.充分性－－仿真的好處（續(xù)）希望能在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到系統(tǒng)發(fā)展的全過程，以估計(jì)某些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)行為的影響．難以在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真是唯一可行的方法，例如太空飛行的研究．需要對(duì)系統(tǒng)或過程進(jìn)行長期運(yùn)行比較，從大量方案中尋找最優(yōu)方案．1.1引言1.1.3仿真的分類a)根據(jù)計(jì)算機(jī)類型模擬計(jì)算機(jī)仿真數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真模擬數(shù)字混合仿真b)根據(jù)系統(tǒng)模型信息流的特性連續(xù)系統(tǒng)仿真離散系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真c)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系實(shí)時(shí)仿真欠(亞)實(shí)時(shí)仿真超實(shí)時(shí)仿真1.1引言1.1.3仿真的分類(續(xù))d)根據(jù)仿真系統(tǒng)組成物理仿真計(jì)算機(jī)仿真半實(shí)物仿真物理仿真：基于物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，例如船模。缺點(diǎn)：成本高、不易修改。計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）：將系統(tǒng)模型變?yōu)榉抡婺Ｐ?，基于?jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。優(yōu)點(diǎn)：精度高、重復(fù)性好、通用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。半實(shí)物仿真（hardwareintheloopsimulation）：在仿真系統(tǒng)中，一部分是實(shí)際物理系統(tǒng)；另一部分是安裝在計(jì)算機(jī)里的數(shù)學(xué)模型。1.1引言1.1.4仿真技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用與發(fā)展的趨勢(shì)1.仿真技術(shù)的發(fā)展1)發(fā)展階段

二次大戰(zhàn)末期，火炮控制與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展

2)成熟階段70年代中期,出現(xiàn)了用于培訓(xùn)民航客機(jī)駕駛員和軍用飛機(jī)飛行員的飛行訓(xùn)練模擬器和培訓(xùn)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作人員的仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品3)高級(jí)階段20世紀(jì)80年代初,以美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)和美國陸軍共同制定和執(zhí)行的SIMNET(SimulatorsNetwork)研究計(jì)劃和美國三軍建立先進(jìn)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)室為標(biāo)志，標(biāo)志著仿真技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高級(jí)階段。

1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：

計(jì)算機(jī)仿真反映出新的科學(xué)技術(shù)的時(shí)代特征,它的應(yīng)用為各個(gè)領(lǐng)域帶來新氣象和成果。應(yīng)用的領(lǐng)域有：艦船操作訓(xùn)練武器研發(fā)航空管理,公交車的調(diào)度,飛機(jī)設(shè)計(jì),三峽的安全、生態(tài),道路的修建,醫(yī)療保險(xiǎn),國債的發(fā)行,家居裝修,煉鋼的溫度估計(jì),發(fā)電廠的操作訓(xùn)練,飛行員訓(xùn)練，傳染病的檢測(cè)和預(yù)報(bào)。1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用（1）武器及裝備的研發(fā)：用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供先期演示檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)方案、戰(zhàn)技術(shù)性能及其操作的合理性如：艦炮通用火控、艦船搖擺運(yùn)動(dòng)等單武器平臺(tái)研發(fā)中，半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)在型號(hào)研制中發(fā)揮了作用。

1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)的深潛救生的控制研究：可利用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不制造實(shí)際模型的情況下校驗(yàn)控制算法的正確性，還能將深潛救生的仿真過程實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可被感受的場(chǎng)景動(dòng)畫，以利于仿真試驗(yàn)人員在線地對(duì)控制仿真過程和對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、評(píng)判和決策1.1引言1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用飛機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗(yàn)。實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用巨大。使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，使費(fèi)用大大降低。1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用（2）船舶訓(xùn)練（a）操作訓(xùn)練及適應(yīng)性訓(xùn)練：如：六自由度艦艇操縱訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，已用于海軍院校學(xué)員的培訓(xùn)；船舶電站仿真、輪機(jī)駕駛、運(yùn)動(dòng)控制等各類仿真系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用1.1引言我空軍戰(zhàn)斗機(jī)模擬器1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用（2）船舶訓(xùn)練（b）維修訓(xùn)練：

“虛擬維修”是在設(shè)備的維修中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使人可以對(duì)真實(shí)的設(shè)備進(jìn)行維修前演練，如：美國對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡(HsT)的虛擬維修系統(tǒng)英國海軍在艦載核能推進(jìn)系統(tǒng)維修項(xiàng)目上采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)備維修訓(xùn)練

兩種情況：1.對(duì)機(jī)器人的操作2.維修經(jīng)驗(yàn)的獲取1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用（3）戰(zhàn)爭仿真：（a）將仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事訓(xùn)練，讓戰(zhàn)爭走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，既能比實(shí)兵操演節(jié)約大量的財(cái)力物力，又能使官兵“身臨其境”(b)運(yùn)用建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以建立大規(guī)模演練聯(lián)合戰(zhàn)役的“戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)室”(c)在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，還可實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)1.1引言世界上第一次運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)演大規(guī)模的“網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭”是在1994年，“路易斯安娜94”演習(xí)近年來，世界上軍事強(qiáng)國利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)施的“網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭”層出不窮

2005年末，歷時(shí)5年、得到著名科學(xué)家錢學(xué)森高度評(píng)價(jià)的國防大學(xué)戰(zhàn)爭模擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程,已在北京通過鑒定。光明日?qǐng)?bào)的報(bào)道稱，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的建成,標(biāo)志著國防大學(xué)的信息化建設(shè)在戰(zhàn)爭模擬和戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域已處于世界先進(jìn)水平。

1.1引言美國的紅旗演習(xí)1.1引言作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的模型需要描述整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境，參與作戰(zhàn)活動(dòng)角色的各種物理特性以及他們的行為如：分布式潛艇作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)可以提供以下功能：(a)提供真實(shí)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和實(shí)體特性的能力(b)提供仿真運(yùn)行管理、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示、仿真過程的記錄和再現(xiàn)、碰撞檢測(cè)和對(duì)仿真過程監(jiān)控的能力(c)提供仿真評(píng)估功能(d)提供對(duì)潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)完整工作過程的仿真(e)支援分布交互式仿真1.1引言2.仿真技術(shù)的應(yīng)用（4）水利：三峽水庫總庫容393億立方米，總裝機(jī)容量1820萬千瓦，是世界上最大的水電站之一。但是三峽的安全問題是一個(gè)很重要的問題，我們不可能等到建好后再看它的安全性，用計(jì)算機(jī)仿真就可以很好的解決這一問題。1.1引言3.

發(fā)展趨勢(shì)(1)正日益與新興學(xué)科融合并推動(dòng)自身發(fā)展，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(2)仿真系統(tǒng)的智能化、社會(huì)化是其發(fā)展的趨勢(shì)之一，如智能虛擬環(huán)境(3)仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正得到不斷的拓展1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2.1系統(tǒng)按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存的所有實(shí)體的集合或總和。描述系統(tǒng)的“三要素”：實(shí)體、屬性、活動(dòng)。實(shí)體：確定了系統(tǒng)的構(gòu)成與邊界。屬性：即描述變量，描述每一個(gè)實(shí)體的特征?；顒?dòng)：定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程。功能和特性: 1.整體性; 2.相關(guān)性;1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)按其狀態(tài)變化的性質(zhì)，可以分為3類：A.連續(xù)系統(tǒng)B.離散系統(tǒng)C.離散事件系統(tǒng)

離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生跳躍變化的系統(tǒng)離散事件系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別：狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)；狀態(tài)以跳躍形式變化

研究系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：1）系統(tǒng)分析：存在的系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)，建模，靜、動(dòng)態(tài)分析，得到性能指標(biāo)2）系統(tǒng)綜合與設(shè)計(jì)：未存在的系統(tǒng)，根據(jù)性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合要求的系統(tǒng)

3）系統(tǒng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)外因素變化條件下，可能的行為和特征1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2.2系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型是采用某種特定的形式（如文字、符號(hào)、圖表、實(shí)物、數(shù)學(xué)公式等）對(duì)一個(gè)系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性進(jìn)行描述，以提供有關(guān)系統(tǒng)的知識(shí)。1.系統(tǒng)模型的分類1)根據(jù)模型的時(shí)間集合可分為連續(xù)時(shí)間模型和離散時(shí)間模型;連續(xù)時(shí)間模型:系統(tǒng)的狀態(tài)可在任意時(shí)刻點(diǎn)獲得;離散時(shí)間模型:系統(tǒng)的狀態(tài)只能在離散的時(shí)刻點(diǎn)獲得.2)根據(jù)模型的狀態(tài)變量可分為連續(xù)變化模型和離散變化模型;上述分類相互交叉,可得一種復(fù)雜的系統(tǒng)模型的分類3)隨機(jī)模型和確定性模型;1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真2.連續(xù)系統(tǒng)模型1）微分方程模型:

未知函數(shù)是一元函數(shù)，則稱為常微分方程；若未知函數(shù)是多元函數(shù)，則稱為偏微分方程.常微分方程:設(shè)系統(tǒng)輸入u(t)和系統(tǒng)輸出y(t)1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真2）傳遞函數(shù)模型U(s)與Y(s)分別是輸入,輸出的拉普拉斯變換3）狀態(tài)空間模型x-狀態(tài)向量u-輸入向量y-輸出向量4）結(jié)構(gòu)圖模型當(dāng)系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)等時(shí)，采用此種模型1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真3.離散系統(tǒng)模型1）差分方程模型2）脈沖傳遞函數(shù)模型1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真3）離散狀態(tài)方程模型

x(k)-離散狀態(tài)向量;u(k)-離散輸入向量;y(k)-離散輸出向量.4）.結(jié)構(gòu)圖模型當(dāng)系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)、有連續(xù)部分時(shí)，采用此種模型。1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2.3系統(tǒng)仿真1.系統(tǒng)仿真的三個(gè)要素即針對(duì)不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法

檢驗(yàn)（Verification）致效（Validation）系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)范疇

系統(tǒng)是研究的對(duì)象模型是系統(tǒng)的抽象仿真是對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真2.系統(tǒng)仿真的內(nèi)容（1）模擬計(jì)算機(jī)仿真電子元器件(直流放大器,電阻,電容,二極管)線性/非線性模擬運(yùn)算部件模擬計(jì)算機(jī)1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真（2）數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件的迅速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真得到長足的發(fā)展，已取代了模擬計(jì)算機(jī)仿真。其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在：1）仿真計(jì)算精度高；2）使用方便，修改參數(shù)容易；3）采用程序控制，自動(dòng)化程度高。存在的缺點(diǎn)是：1）由于數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真速度較慢；2）對(duì)于反應(yīng)較快的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真有一定困難。1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真（3）混合仿真混合仿真是把兩種機(jī)器“結(jié)合”起來的作法，基本上有兩種．一種是在普通模擬計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一些數(shù)字邏輯功能，使之成為混合模擬計(jì)算機(jī)；另一種則是通過一個(gè)混合界面將一臺(tái)通用數(shù)字計(jì)算機(jī)與一臺(tái)模擬計(jì)算機(jī)連接起來，組成一個(gè)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)．不論是那一種，都具有綜合利用模擬機(jī)解算微分方程的快速性及數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的軟硬件功能這兩個(gè)方面的特點(diǎn)．1.2系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真（4）數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真軟件MatlabandSimulinkIntegratedenvironments(modellinglanguage+simulationenvironment)

Matlab是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理功能于一身的科學(xué)計(jì)算語言；與其它計(jì)算語言相比，Matlab在功能、開放性和易學(xué)性等方面都很好；Matlab的核心是數(shù)值計(jì)算，Simulink是建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境；1.2系統(tǒng)、系