輪機系統(tǒng)仿真技術(shù)概論

輪機系統(tǒng)仿真技術(shù)輪機系統(tǒng)仿真技術(shù)仿真技術(shù)概論123連續(xù)系統(tǒng)仿真的數(shù)值解法系統(tǒng)仿真工具輪機系統(tǒng)建模仿真45輪機模擬器簡介第1章仿真技術(shù)概論電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)實體：電動機、測速元件、比較元件以及控制器。相互作用：實現(xiàn)按給定要求調(diào)節(jié)電動機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)被控系統(tǒng)控制輸出u實際輸出y實際輸出y理想輸出r控制輸出u實際輸出y誤差e=r-u尋找合適的u，使y更好地復(fù)現(xiàn)r仿真技術(shù)概論1.系統(tǒng)、模型與仿真1.1系統(tǒng)系統(tǒng)定義：按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存的所有實體的集合或總體.確定邊界、輸入、輸出描述系統(tǒng)“三要素”：實體、屬性、活動――實體確定了系統(tǒng)的構(gòu)成，也就確定了系統(tǒng)的邊界；――屬性也稱為描述變量，描述每一實體的特征；――活動定義了系統(tǒng)內(nèi)部實體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程。

仿真技術(shù)概論邊界環(huán)境系統(tǒng)輸入輸出1.2模型模型――實際系統(tǒng)本質(zhì)的抽象與簡化（1）真實的系統(tǒng)尚未建立（2）可能會引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障（3）難以保證每次試驗的條件相同（4）試驗時間太長或費用昂貴模型分為兩大類――物理模型，采用一定比例尺按照真實系統(tǒng)的“樣子”制作沙盤模型――數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)表達式形式來描述系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。定義如下集合結(jié)構(gòu)：T：時間基，描述系統(tǒng)變化的時間坐標(biāo)T為整數(shù)則稱為離散時間系統(tǒng)，T為實數(shù)則稱為連續(xù)時間系統(tǒng)X：輸入集，代表外部環(huán)境對系統(tǒng)的作用。X被定義為,其中，X即代表n個實值的輸入變量。Ω：輸入段集，描述某個時間間隔內(nèi)輸入模式，是(X,T)的子集。Q：內(nèi)部狀態(tài)集，是系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模的核心。δ：狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，定義系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)是如何變化的。它是映射：其含義：若系統(tǒng)在時刻處于狀態(tài)q，并施加一個輸入段，則表示系統(tǒng)處于狀態(tài)。λ：輸出函數(shù)，它是映射：輸出函數(shù)給出了一個輸出段集。Y：輸出段集，系統(tǒng)通過它作用于環(huán)境。系統(tǒng)模型水平行為水平――亦稱為輸入/輸出水平將系統(tǒng)視為一個“黑盒”，在輸入信號的作用下，只對系統(tǒng)的輸出進行測量；分解結(jié)構(gòu)水平將系統(tǒng)看成若干個黑盒連接起來，定義每個黑盒的輸入與輸出，以及它們相互之間的連接關(guān)系；狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平不僅定義了系統(tǒng)的輸入與輸出，而且還定義了系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)集及狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。模型的建立工程中，很多機械、電氣或液壓系統(tǒng)的運動規(guī)律都可以基于物理定律用微分方程描述，求解這些微分方程，就可以了解系統(tǒng)在某種輸入信號作用下的輸出響應(yīng)。響應(yīng)輸入模型的建立建立微分方程形式的數(shù)學(xué)模型，一般步驟如下：從系統(tǒng)的輸入端開始，依據(jù)各變量所遵循的物理學(xué)定律，依次列寫出各元件、部件的微分方程。消去中間變量，得到描述系統(tǒng)輸入量與輸出量之間關(guān)系的微分方程。有時將某些小參數(shù)或輕微的非線性忽略掉，可以降低方程的階次，簡化分析而保持滿意的精度。

機械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

機械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型y(t)——系統(tǒng)的輸出量，x(t)——系統(tǒng)的輸入量，ζ——系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，也稱為阻尼比，ωn——系統(tǒng)的無阻尼振蕩頻率系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1.模型的簡化性與分析的準(zhǔn)確性2.線性集中參數(shù)模型與非線性分布參數(shù)模型3.線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)

4.線性定常系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)補充說明1.3仿真定義：1961年，G.W.Morgenthater，首次技術(shù)性定義“仿真意指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下,對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn)”。1978年，K?rn，“連續(xù)系統(tǒng)仿真”“用能代表所研究的系統(tǒng)的模型作實驗”。1982年，Spriet――進一步將仿真的內(nèi)涵加以擴充“所有支持模型建立與模型分析的活動即為仿真活動”1984年，Or?n――給出了仿真的基本概念框架“建模－實驗－分析”“仿真是一種基于模型的活動”系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系系統(tǒng)是研究的對象模型是系統(tǒng)的抽象仿真是對模型的實驗傳統(tǒng)上：“系統(tǒng)建?！报D―系統(tǒng)辨識技術(shù)范疇“仿真建?！报D―即針對不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法“仿真實驗”――檢驗（Verification）―“仿真程序”的檢驗致效（Validation）――將仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)的行為進行比較系統(tǒng)模型計算機系統(tǒng)建模仿真實驗仿真建模

計算機仿真三要素及三個基本活動系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系現(xiàn)代仿真技術(shù)：將仿真活動擴展到上述三個方面，并將其統(tǒng)一到同一環(huán)境中。系統(tǒng)建?；径杉跋到y(tǒng)辨識等方法計算機程序化用仿真方法確定實際系統(tǒng)的模型基于模型庫的結(jié)構(gòu)化建模采用面向?qū)ο蠼＃∣bject-OrientedModeling）方法，在類庫的基礎(chǔ)上實現(xiàn)模型拼合與重用仿真建模許多新算法和新軟件模型與實驗分離技術(shù)，即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動（datadriven）。仿真問題分為兩部分：模型與實驗?zāi)Ｐ陀址譃閮刹糠郑簠?shù)模型和參數(shù)值仿真實驗將實驗框架與仿真運行控制區(qū)實驗框架定義一組條件輸出函數(shù)的定義也與仿真模型分離開來仿真概念框架―“仿真問題描述”――“仿真建?！报D“行為產(chǎn)生”―――“仿真實驗”―“模型行為及其處理”―輸出處理特定模型：參數(shù)模型參數(shù)值實驗：實驗框架仿真運行控制仿真問題描述行為產(chǎn)生模型行為及其處理模型行為（仿真數(shù)據(jù)）軌跡行為結(jié)構(gòu)行為行為處理：分析、顯示現(xiàn)代仿真的概念框架2仿真技術(shù)的應(yīng)用2.1仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用新系統(tǒng)設(shè)計：提供了強有力的工具在可行性論證階段，進行定量比較，為系統(tǒng)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)在系統(tǒng)設(shè)計階段，進行模型實驗、模型簡化并進行優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)改造設(shè)計：涉及新的設(shè)備、部件或控制裝置利用仿真技術(shù)進行分系統(tǒng)實驗，即一部分采用實際部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系統(tǒng)的投入可能造成對原系統(tǒng)的破壞或影響大大縮短開工周期，提高系統(tǒng)投入的一次成功率2.2仿真技術(shù)在系統(tǒng)分析中的應(yīng)用在真實系統(tǒng)上進行試驗在真實系統(tǒng)上試驗會破壞系統(tǒng)的正常運行；難以按預(yù)期的要求改變參數(shù)，或者得不到所需要的試驗條件；很難保證每次的操作條件相同，難以對試驗結(jié)果做出正確的判斷；無法復(fù)原；試驗時間太長、費用太大或者有危險等(1)工程領(lǐng)域:機械,航空,航天,電力,冶金,化工和電子等.

非工程領(lǐng)域:交通管理,生產(chǎn)調(diào)度,庫存控制,生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟等.(2)CVDS

(ContinuousVariableDynamicSystems)

連續(xù)（變量動態(tài)）系統(tǒng)。

DEDS(DiscreteEventDynamicSystems)

離散事件（動態(tài)）系統(tǒng)。

HDS(HybridDynamicSystems)

混合（動態(tài)）系統(tǒng)。仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用2.3仿真在教育與訓(xùn)練中的應(yīng)用訓(xùn)練仿真系統(tǒng)利用計算機并通過運動設(shè)備、操縱設(shè)備、顯示設(shè)備、儀器儀表等復(fù)現(xiàn)所模擬的對象行為，并產(chǎn)生與之適應(yīng)的環(huán)境，從而成為訓(xùn)練操縱、控制或管理這類對象的人員的系統(tǒng)。三大類：載體操縱型這是與運載工具有關(guān)的仿真系統(tǒng)，航空、航天、航海、地面運載工具，以訓(xùn)練駕駛員的操縱技術(shù)為主要目的。過程控制型用于訓(xùn)練各種工廠的運行操作人員，如電廠、化工廠、核電站、電力網(wǎng)等博弈決策型企業(yè)管理人員（廠長、經(jīng)理），交通管制人員（火車調(diào)度、航空管制、港口管制、城市交通指揮等），軍事指揮人員（空戰(zhàn)、海戰(zhàn)、電子戰(zhàn)等）。

飛機自動駕駛系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)陀螺控制器機體給定航向?qū)嶋H航向管理部門用戶訂單原材料產(chǎn)品采購部門制造部門裝配部門銷售部門2.4仿真在產(chǎn)品開發(fā)及制造過程中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)：虛擬環(huán)境、模仿人的視、聽、動等行為的高級人機交互虛擬制造（VirtualManufacturing）是實際制造在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，是仿真技術(shù)以制造過程為對象的全方位的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計算機技術(shù)。基于Internet的虛擬現(xiàn)實在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，例如房地產(chǎn)、旅游、購物、氣象、公安、消防、教育、科研、商業(yè)、金融、海洋、農(nóng)業(yè)、娛樂等方面。典型例子――波音777其整機設(shè)計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時間縮短到5年虛擬廠房虛擬生產(chǎn)線3系統(tǒng)仿真的類型系統(tǒng)仿真----建立系統(tǒng)的模型,并在模型上進行實驗.例如:(1)將按一定比例縮小的飛行器模型置于風(fēng)洞中吹風(fēng),測出飛行器的升力、阻力、力矩等特性；(2)要建設(shè)一個大水電站,先建一個規(guī)?？s小的小水電站來取得建設(shè)水電站的經(jīng)驗及其運行規(guī)律.(3)指揮員利用沙盤來指揮一個戰(zhàn)役或一個戰(zhàn)斗.系統(tǒng)仿真是分析和研究各種（復(fù)雜）系統(tǒng)的重要工具.為了研究、分析、設(shè)計和實現(xiàn)一個系統(tǒng)需要進行實驗實驗的方法：

1）直接在真實系統(tǒng)上進行

2）先構(gòu)造模型，然后通過對模型的實驗代替（或部分代替）真實系統(tǒng)的實驗通過模型實驗的方法日益被人們所使用：

1）系統(tǒng)處于設(shè)計階段，真實系統(tǒng)尚未建成

2）在真實系統(tǒng)上實驗有風(fēng)險（發(fā)生故障甚至破壞）

3）在真實系統(tǒng)上實驗費用昂貴

4）多次實驗時，難以保證每次實驗條件相同3.1.根據(jù)模型的物理屬性系統(tǒng)仿真分類物理仿真數(shù)學(xué)仿真半實物仿真物理仿真：按照真實系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進行實驗的過程稱為物理仿真。物理仿真的優(yōu)點是：直觀、形象，也稱為“模擬”。物理仿真的缺點是：模型改變困難，實驗限制多，投資較大。數(shù)學(xué)仿真：對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進行實驗的過程稱為數(shù)學(xué)仿真。計算機技術(shù)的發(fā)展為數(shù)學(xué)仿真創(chuàng)造了環(huán)境，亦稱為計算機仿真數(shù)學(xué)仿真優(yōu)點是：方便、靈活、經(jīng)濟數(shù)學(xué)仿真缺點是：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。3.1.根據(jù)模型的物理屬性系統(tǒng)仿真分類(續(xù))

3.1.根據(jù)模型的物理屬性系統(tǒng)仿真分類(續(xù))半實物仿真半實物仿真：即將數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行實驗。對系統(tǒng)中比較簡單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，并在計算機上加以實現(xiàn)對比較復(fù)雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，則采用物理模型或?qū)嵨锓抡鏁r將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的實驗3.2.根據(jù)仿真計算機類型分類模擬計算機仿真數(shù)字計算機仿真數(shù)字模擬混合仿真3.2.根據(jù)仿真計算機類型分類（續(xù)）模擬計算機仿真：模擬計算機本質(zhì)上是一種通用的電氣裝置，這是50－60年代普遍采用仿真設(shè)備。將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在模擬機上加以實現(xiàn)并進行實驗稱為模擬機仿真。模擬機仿真是一種并行仿真，仿真時，代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。數(shù)字計算機仿真：將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型用計算機程序加以實現(xiàn)，通過運行程序來得到數(shù)學(xué)模型的解，從而達到系統(tǒng)仿真的目的。早期的數(shù)字計算機仿真則是一種串行仿真，因為計算機只有一個中央處理器（CPU），計算機指令只能逐條執(zhí)行。3.2.根據(jù)仿真計算機類型分類（續(xù)）數(shù)字模擬混合仿真：為了發(fā)揮模擬計算機并行計算和數(shù)字計算機強大的存貯記憶及控制功能，以實現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)的高速仿真，將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計算機上運行，另一部分放在數(shù)字計算機上運行，兩個計算機之間利用模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換裝置交換信息。3.3.根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系分類

實際動態(tài)系統(tǒng)的時間基稱為實際時鐘系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真時鐘實時仿真：即仿真時鐘與實際時鐘完全一致模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同當(dāng)被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r，必須進行實時仿真亞實時仿真：即仿真時鐘慢于實際時鐘模型仿真的速度慢于實際系統(tǒng)運行的速度，也稱為離線仿真。超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘模型仿真的速度快于實際系統(tǒng)運行的速度4.4.根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)分為：集中參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用常微分方程（組）描述（如電路系統(tǒng)，機械動力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)等）

分布參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用偏微分方程（組）描述（如各種物理和工程領(lǐng)域中的“場”問題）■離散時間變化模型中的差分模型歸為連續(xù)系統(tǒng)仿真范疇離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)是指在某些隨機時間點上，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。（如庫存管理、交通管理和通訊系統(tǒng)等）4.4.根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類（續(xù)）與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：狀態(tài)變化發(fā)生在隨機時間點上這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動的；“事件”往往發(fā)生在隨機時間點上，亦稱為隨機事件，因而一般都具有隨機特性★系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化的系統(tǒng)的動態(tài)特性很難用人們所熟悉的數(shù)學(xué)方程形式描述★研究與分析的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計性能而不是行為的點軌跡。4.5系統(tǒng)仿真的一般步驟建模與形式化：確定模型的邊界，模型進行形式化處理仿真建模：選擇合適的算法，算法的穩(wěn)定性、計算精度、計算速度程序設(shè)計：將仿真模型用計算機能執(zhí)行的程序來描述程序中要包括仿真實驗的要求仿真運行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求模型校驗：程序調(diào)試檢驗所選仿真算法的合理★檢驗?zāi)Ｐ陀嬎愕恼_性（Verification）仿真運行：對模型進行實驗仿真結(jié)果分析：對系統(tǒng)性能作出評價