輪機系統(tǒng)仿真技術概論

輪機系統(tǒng)仿真技術輪機系統(tǒng)仿真技術仿真技術概論123連續(xù)系統(tǒng)仿真的數值解法系統(tǒng)仿真工具輪機系統(tǒng)建模仿真45輪機模擬器簡介第1章仿真技術概論電動機轉速閉環(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：實現按給定要求調節(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更好地復現r仿真技術概論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)內部實體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內部發(fā)生變化的過程。

仿真技術概論邊界環(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――數學模型，用數學表達式形式來描述系統(tǒng)的內在規(guī)律。定義如下集合結構：T：時間基，描述系統(tǒng)變化的時間坐標T為整數則稱為離散時間系統(tǒng)，T為實數則稱為連續(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輸入模式，是(X,T)的子集。Q：內部狀態(tài)集，是系統(tǒng)內部結構建模的核心。δ：狀態(tài)轉移函數，定義系統(tǒng)內部狀態(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，它是映射：輸出函數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；分解結構水平將系統(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系；狀態(tài)結構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)內部的狀態(tài)集及狀態(tài)轉移函數。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。響應輸入模型的建立建立微分方程形式的數學模型，一般步驟如下：從系統(tǒng)的輸入端開始，依據各變量所遵循的物理學定律，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系的微分方程。有時將某些小參數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)數學模型的建立

機械系統(tǒng)數學模型的建立系統(tǒng)數學模型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，也稱為阻尼比，ωn——系統(tǒng)的無阻尼振蕩頻率系統(tǒng)數學模型1.模型的簡化性與分析的準確性2.線性集中參數模型與非線性分布參數模型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)或活動本質的實現”。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、仿真三者之間的關系系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關系現代仿真技術：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構化建模采用面向對象建模（Object-OrientedModeling）方法，在類庫的基礎上實現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，即模型的數據驅動（datadriven）。仿真問題分為兩部分：模型與實驗模型又分為兩部分：參數模型和參數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“行為產生”―――“仿真實驗”―“模型行為及其處理”―輸出處理特定模型：參數模型參數值實驗：實驗框架仿真運行控制仿真問題描述行為產生模型行為及其處理模型行為（仿真數據）軌跡行為結構行為行為處理：分析、顯示現代仿真的概念框架2仿真技術的應用2.1仿真技術在系統(tǒng)設計中的應用新系統(tǒng)設計：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)設計打下堅實的基礎在系統(tǒng)設計階段，進行模型實驗、模型簡化并進行優(yōu)化設計系統(tǒng)改造設計：涉及新的設備、部件或控制裝置利用仿真技術進行分系統(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仿真技術在系統(tǒng)分析中的應用在真實系統(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；難以按預期的要求改變參數，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，難以對試驗結果做出正確的判斷；無法復原；試驗時間太長、費用太大或者有危險等(1)工程領域:機械,航空,航天,電力,冶金,化工和電子等.

非工程領域:交通管理,生產調度,庫存控制,生態(tài)環(huán)境和社會經濟等.(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)。仿真技術在系統(tǒng)設計中的應用2.3仿真在教育與訓練中的應用訓練仿真系統(tǒng)利用計算機并通過運動設備、操縱設備、顯示設備、儀器儀表等復現所模擬的對象行為，并產生與之適應的環(huán)境，從而成為訓練操縱、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的仿真系統(tǒng)，航空、航天、航海、地面運載工具，以訓練駕駛員的操縱技術為主要目的。過程控制型用于訓練各種工廠的運行操作人員，如電廠、化工廠、核電站、電力網等博弈決策型企業(yè)管理人員（廠長、經理），交通管制人員（火車調度、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實際航向管理部門用戶訂單原材料產品采購部門制造部門裝配部門銷售部門2.4仿真在產品開發(fā)及制造過程中的應用

虛擬現實技術：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實現，是仿真技術以制造過程為對象的全方位的應用。虛擬現實技術與多媒體、網絡技術并稱為三大前景最好的計算機技術?；贗nternet的虛擬現實在各行各業(yè)有著廣泛的應用，例如房地產、旅游、購物、氣象、公安、消防、教育、科研、商業(yè)、金融、海洋、農業(yè)、娛樂等方面。典型例子――波音777其整機設計、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洞中吹風,測出飛行器的升力、阻力、力矩等特性；(2)要建設一個大水電站,先建一個規(guī)模縮小的小水電站來取得建設水電站的經驗及其運行規(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（復雜）系統(tǒng)的重要工具.為了研究、分析、設計和實現一個系統(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)處于設計階段，真實系統(tǒng)尚未建成

2）在真實系統(tǒng)上實驗有風險（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.根據模型的物理屬性系統(tǒng)仿真分類物理仿真數學仿真半實物仿真物理仿真：按照真實系統(tǒng)的物理性質構造系統(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。數學仿真：對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數學關系加以描述而得到系統(tǒng)的數學模型，對數學模型進行實驗的過程稱為數學仿真。計算機技術的發(fā)展為數學仿真創(chuàng)造了環(huán)境，亦稱為計算機仿真數學仿真優(yōu)點是：方便、靈活、經濟數學仿真缺點是：受限于系統(tǒng)建模技術，即系統(tǒng)數學模型不易建立。3.1.根據模型的物理屬性系統(tǒng)仿真分類(續(xù))

3.1.根據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：即將數學模型與物理模型甚至實物聯合起來進行實驗。對系統(tǒng)中比較簡單的部分或對其規(guī)律比較清楚的部分建立數學模型，并在計算機上加以實現對比較復雜的部分或對規(guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數學模型的建立比較困難，則采用物理模型或實物仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的實驗3.2.根據仿真計算機類型分類模擬計算機仿真數字計算機仿真數字模擬混合仿真3.2.根據仿真計算機類型分類（續(xù)）模擬計算機仿真：模擬計算機本質上是一種通用的電氣裝置，這是50－60年代普遍采用仿真設備。將系統(tǒng)數學模型在模擬機上加以實現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。數字計算機仿真：將系統(tǒng)數學模型用計算機程序加以實現，通過運行程序來得到數學模型的解，從而達到系統(tǒng)仿真的目的。早期的數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.根據仿真計算機類型分類（續(xù)）數字模擬混合仿真：為了發(fā)揮模擬計算機并行計算和數字計算機強大的存貯記憶及控制功能，以實現大型復雜系統(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，另一部分放在數字計算機上運行，兩個計算機之間利用模/數和數/模轉換裝置交換信息。3.3.根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類

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)運行的速度相同當被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或實物時，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)，機械動力學系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)等）

分布參數系統(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學方程形式描述★研究與分析的主要目標是系統(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、控制參數、輸出要求模型校驗：程序調試檢驗所選仿真算法的合理★檢驗模型計算的正確性（Verification）仿真運行：對模型進行實驗仿真結果分析：對系統(tǒng)性能作出評價