工程系統(tǒng)仿真課件

第五章工程系統(tǒng)仿真

一、系統(tǒng)仿真概述

仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種系統(tǒng)，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，它不僅用于工程領(lǐng)域，如機(jī)械、航空、電力、冶金、化工、電子等方面，還廣泛用于非工程領(lǐng)域，如交通管理、生產(chǎn)調(diào)度、庫(kù)存控制、生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面。如果說，20年前，在我國(guó)，“仿真”這個(gè)詞還僅為學(xué)術(shù)界和技術(shù)界的人們所了解的話，那么，在今天，已經(jīng)成為社會(huì)所熟悉的詞匯了，這反映了仿真技術(shù)在我國(guó)的長(zhǎng)足進(jìn)步。

模型研究是最古老、最通常的科學(xué)工程方法之一，它可以追溯到我們祖先的仿鳥飛行和古代建筑業(yè)及造船業(yè)對(duì)比例模型的應(yīng)用。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)才使這種古老的模型研究逐漸形成了一門嶄新的綜合性邊緣學(xué)科——系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)仿真本身經(jīng)歷了三次大的變革浪潮，即模擬仿真、混合仿真和全數(shù)字仿真，得到了高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前已成為系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及訓(xùn)練的強(qiáng)有力的工具和現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)工程的重要支柱。

1、計(jì)算機(jī)仿真

所謂計(jì)算機(jī)仿真就是建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并利用該模型在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)試驗(yàn)研究的全過程，如圖所示，數(shù)學(xué)模型和仿真計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的核心。按照所使用的仿真計(jì)算機(jī)類型（模擬機(jī)、數(shù)字機(jī)和混合機(jī)）不同，計(jì)算機(jī)仿真被分為模擬仿真、數(shù)字仿真和數(shù)-?；旌戏抡?。

模擬仿真出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)模擬機(jī)以并行高速運(yùn)算，可直接聯(lián)接實(shí)物設(shè)備，尤其適用于解算微分方程的突出優(yōu)點(diǎn)而風(fēng)行一時(shí)，使模擬仿真成為計(jì)算機(jī)仿真的主流。但是它存在精度低、無邏輯判斷功能和存儲(chǔ)能力，且處理非線性能力差等嚴(yán)重缺陷，終于被后來的混合仿真和數(shù)字仿真所排擠，失去進(jìn)一步發(fā)展勢(shì)頭。20世紀(jì)60年代至70年代，空間技術(shù)發(fā)展推動(dòng)了模擬機(jī)與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，從第一臺(tái)混和計(jì)算機(jī)用于洲際導(dǎo)彈仿真后出現(xiàn)了混合仿真技術(shù)應(yīng)用的黃金時(shí)代。從仿真角度講，混合機(jī)兼?zhèn)淠M機(jī)和數(shù)字機(jī)在功能和性能上的優(yōu)點(diǎn)，是復(fù)雜大系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真最理想的工具。

2、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)主要方面然而，由于混合仿真技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，很難在一般場(chǎng)合推廣使用。因此至今僅用于像航空、航天等少數(shù)部門和復(fù)雜大系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真。20世紀(jì)70年代后，微電子技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了全數(shù)字仿真技術(shù)的崛起。至此，混合仿真逐漸失去了實(shí)時(shí)仿真的壟斷地位，而數(shù)字仿真以優(yōu)良的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)成為計(jì)算機(jī)仿真的主流。20世紀(jì)80年代的全數(shù)字仿真技術(shù)促進(jìn)了仿真方法學(xué)、并行技術(shù)、多媒體技術(shù)、分布交互式仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，進(jìn)而將計(jì)算機(jī)仿真從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域擴(kuò)展到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、作戰(zhàn)等非工程領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)仿真是以多種學(xué)科理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的軟件為工具進(jìn)行試驗(yàn)研究的理論和方法論體系，是一種綜合性高技術(shù)和各學(xué)科的共用技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展涉及到多個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步，其中最密切相關(guān)的是：計(jì)算機(jī)、建模與驗(yàn)?zāi)?、仿真環(huán)境、仿真方法學(xué)和仿真器研制與使用等。

（1）現(xiàn)代仿真計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)仿真計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)仿真的主要工具和核心。如前所述，仿真計(jì)算機(jī)大體可分三類，即模擬機(jī)、數(shù)字機(jī)和混合機(jī)。這些仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)仿真規(guī)模和對(duì)象的不同，可以單獨(dú)選用，亦可組合使用。目前，仿真計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系已形成相當(dāng)寬的型譜供用戶選擇，并有如下四類配置可以優(yōu)選，即①分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；②并行處理機(jī)系統(tǒng)；③超小型機(jī)加外圍陣列處理機(jī)（PAP）；④混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（2）建模與驗(yàn)?zāi)＝Ｊ怯?jì)算機(jī)仿真的重要內(nèi)容，又是仿真的前提條件。為了獲得有效模型，必須進(jìn)行模型的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)，即所謂驗(yàn)?zāi)?。仿真界一直在?shù)學(xué)模型和仿真模型兩個(gè)方面的建立和驗(yàn)?zāi)Ｉ献龀隽瞬恍概?，這些工作主要包括：①研究新的建模方法，從而使傳統(tǒng)的機(jī)理分析建模和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)建模，擴(kuò)充到系統(tǒng)辨識(shí)建模、層次分析建模及定性推理建模等；②創(chuàng)造先進(jìn)建模環(huán)境，如計(jì)算機(jī)輔助建模，利用先進(jìn)仿真語言建模等；③重視專家系統(tǒng)在系統(tǒng)建模中的作用，不斷完善專家系統(tǒng)的建模知識(shí)庫(kù)，并致力于研制專用于系統(tǒng)建模的專家系統(tǒng)；④加強(qiáng)建模薄弱環(huán)節(jié)，如模型校核、驗(yàn)證和確認(rèn)的技術(shù)研究工作。為此，一些國(guó)家還成立了專門研究機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)這方面的工作。

（3）、仿真環(huán)境提供先進(jìn)的仿真環(huán)境是保證高質(zhì)量和高效率仿真的極其重要的方面。為此，仿真界在先進(jìn)的仿真硬、軟環(huán)境上努力探索，產(chǎn)生了突破性進(jìn)展，主要表現(xiàn)在：①在20世紀(jì)60年代以來出現(xiàn)了大量用于不同對(duì)象、不同領(lǐng)域的數(shù)字仿真語言和混合仿真語言的基礎(chǔ)上研制出了集建模與仿真為一體的先進(jìn)仿真語言SLAM，SIMAM等；②多媒體技術(shù)用于仿真；③虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造了更真實(shí)的仿真環(huán)境；④分布交會(huì)式仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多領(lǐng)域、多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)仿真交互，為巨系統(tǒng)仿真創(chuàng)造了環(huán)境條件。（4）、仿真方法學(xué)傳統(tǒng)的仿真方法主要指在計(jì)算機(jī)上建立仿真模型并進(jìn)行仿真研究的方法，因此無外乎是模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真中的方法問題。模擬仿真是一種相識(shí)仿真技術(shù)和方法，數(shù)字仿真是一種函數(shù)插值和數(shù)值積分算法，混合仿真自然是兩者的有機(jī)結(jié)合。這些方法曾對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展起到了相當(dāng)大的推動(dòng)作用。近十年多來，由于巨型復(fù)雜系統(tǒng)的研究，促使仿真方法學(xué)有了新的進(jìn)展，出現(xiàn)了一些新的仿真方法，如定性仿真方法、面向?qū)ο蠓抡娣椒?、?機(jī)和諧環(huán)境仿真方法及分布交會(huì)式仿真方法等。二、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)現(xiàn)狀與未來（5）仿真器研制與使用仿真器又稱為仿真實(shí)際系統(tǒng)、產(chǎn)品或生產(chǎn)過程的物理效應(yīng)裝置。仿真器是系統(tǒng)仿真的重要分支和最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，在一定程度上直接推動(dòng)著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展。仿真器按其功能特點(diǎn)分為三類，即研究用仿真器、工程仿真器和訓(xùn)練仿真器。研究用仿真器是綜合性多功能仿真裝置或設(shè)置，體現(xiàn)著整個(gè)仿真器群體的最高水平，主要用于某些領(lǐng)域的科學(xué)研究；工程仿真器主要用于輔助復(fù)雜系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般為專用仿真裝置；用于訓(xùn)練操作目的的仿真器稱為訓(xùn)練仿真器。訓(xùn)練仿真器品種繁多，應(yīng)用廣泛，是目前數(shù)量最多的一類仿真器，主要包括載體操縱型、武器攻擊型、生產(chǎn)過程控制型、故障排除型、文體活動(dòng)型和博弈決策型等六大類。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)經(jīng)歷了三次變革浪潮已發(fā)展為集計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自控技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理和人工智能等多個(gè)學(xué)科綜合的高新技術(shù)。它的應(yīng)用輻射各個(gè)學(xué)科、部門和領(lǐng)域，是當(dāng)今世界的前沿科學(xué)之一。國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)應(yīng)用是推動(dòng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。不斷增長(zhǎng)的新需求，尤其是軍事需求是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的生命線。1、仿真應(yīng)用普及改變著人們的傳統(tǒng)觀念和方法

計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用早期局限于國(guó)防科技和軍工部門（像航天、航空、核能等），而如今卻以日新月異的面貌展現(xiàn)在世人面前，其應(yīng)用迅速向著廣度和深度發(fā)展，已深入到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、輔助決策、系統(tǒng)優(yōu)化、作戰(zhàn)訓(xùn)練，直至文體娛樂和教育培訓(xùn)等各個(gè)方面，使人們的許多傳統(tǒng)觀念和方法產(chǎn)生了重大變革。譬如，計(jì)算機(jī)仿真中的虛擬技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬制造、虛擬樣機(jī)等）提供了對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的幾何形狀、傳動(dòng)和聯(lián)接關(guān)系、物理特性及動(dòng)力學(xué)特性的“仿真設(shè)計(jì)”和“柔性制造”，從而使具有300多萬個(gè)零部件的Boeing777飛機(jī)的設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試甚至部分飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了無圖紙工作過程，設(shè)計(jì)師、工程師們能穿行于虛擬樣機(jī)中來審視各項(xiàng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行任何一個(gè)零部件的修改設(shè)計(jì)。又如，分布交互式仿真技術(shù)和虛擬環(huán)境生成正在徹底變革著傳統(tǒng)的軍事研究和作戰(zhàn)訓(xùn)練方式?？傊?，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)目前已發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，其主要標(biāo)志有以下幾個(gè)方面。2、全數(shù)字仿真突破實(shí)時(shí)大關(guān)已占據(jù)主流地位

改善仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比一直是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)追求的主要指標(biāo)，尤其是對(duì)于像飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦船等復(fù)雜大系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真。在這些系統(tǒng)中，由于大都采用半實(shí)物仿真方法，仿真系統(tǒng)十分復(fù)雜，對(duì)實(shí)時(shí)性要求又很高，因此仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一直被昂貴的混合計(jì)算機(jī)所占據(jù)著，得不到普及。到20世紀(jì)80年代，隨著全數(shù)字仿真機(jī)AD-10，AD-100及配套軟件MPS-20，ADSIM的問世，數(shù)字仿真技術(shù)突破了實(shí)時(shí)仿真大關(guān)。另外，數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)優(yōu)先體系結(jié)構(gòu)的提出和全新概念超級(jí)實(shí)時(shí)工作站的推出，共同促成了計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)入了以全數(shù)字仿真為主流的新時(shí)代。3、DIS技術(shù)迅速發(fā)展并不斷升級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了分布交互式仿真技術(shù)，簡(jiǎn)稱DIS技術(shù)。它通過計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)把分布在不同地點(diǎn)、不同類型的仿真對(duì)象相聯(lián)接，使各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)交互作用，從而實(shí)現(xiàn)了跨地區(qū)甚至全球性的計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行。4、VR和VP技術(shù)日趨成熟已獲得實(shí)用

VR和VP技術(shù)分別是虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬樣機(jī)的縮寫。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型人—機(jī)界面形式，可給仿真者提供身臨其境和多感覺通道體驗(yàn)，被稱為電腦空間。目前，用于計(jì)算機(jī)仿真的VR系統(tǒng)由三類，即桌面VR、臨境VR和分布式VR系統(tǒng)。VR系統(tǒng)與上述DIS技術(shù)相結(jié)合還出現(xiàn)了一種最新仿真技術(shù)——分布式虛擬環(huán)境（DVE）。這種技術(shù)適用于多地域間的復(fù)雜大系統(tǒng)半實(shí)物仿真，尤其適用于高技術(shù)條件下的武器系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)研究和大型協(xié)同軍事模擬演習(xí)。如美、德、韓三國(guó)曾利用DVE技術(shù)，在相隔數(shù)千公里之遙，動(dòng)用250多臺(tái)模擬器，將仿真投入的大批坦克、裝甲車、艦艇、巡航導(dǎo)彈和防空導(dǎo)彈等武器的操作人員置于同一虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，進(jìn)行了成功的戰(zhàn)役演習(xí)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是90年代中葉興起的更高一個(gè)層次的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。虛擬樣機(jī)是一種基于仿真的設(shè)計(jì)，是建立在仿真計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)或子系統(tǒng)模型。它能在一定程度上具有類似于產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的“物理樣機(jī)”相似的功能真實(shí)度。虛擬樣機(jī)用精確逼真的數(shù)學(xué)模型（包括幾何外形、傳動(dòng)和連接關(guān)系、物理特性、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性等）表示物理樣機(jī)的各個(gè)部分、各個(gè)部件及整個(gè)原型樣機(jī)。5、軍用仿真進(jìn)一步促進(jìn)仿真技術(shù)持續(xù)發(fā)展

由于經(jīng)費(fèi)和政治因素的制約，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行武器研制、軍事研究和部隊(duì)訓(xùn)練是很理想的手段。因此軍用仿真是計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早的領(lǐng)域之一，且在技術(shù)上一直處于領(lǐng)先地位，對(duì)計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。三、模擬與混合仿真1、模擬仿真

模擬仿真具有并行高速運(yùn)算、易于進(jìn)行實(shí)時(shí)和超實(shí)時(shí)仿真、使用模擬化量、顯示直觀、連接方便、技術(shù)成熟、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但模擬仿真存在致命的弱點(diǎn)，即精度低、無邏輯判斷功能，且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此，大有被數(shù)字仿真取代的趨勢(shì)。盡管如此，模擬仿真目前仍然廣泛使用，尤其是它不僅是教學(xué)中不可缺少的部分，還是混合仿真中的一個(gè)重要的組成環(huán)節(jié)。（1）模擬計(jì)算機(jī)的組成模擬計(jì)算機(jī)是一種有運(yùn)算放大器組成的模擬計(jì)算裝置?？刂撇糠诌\(yùn)算部分電源排題板輸出設(shè)備操作信息模擬計(jì)算機(jī)的基本組成框圖控制部分：用以控制計(jì)算機(jī)的各種工作狀態(tài)。運(yùn)算部分：能實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算功能的運(yùn)算部分。它是以運(yùn)算放大器為核心的各種運(yùn)算部件。排題板：根據(jù)模擬結(jié)構(gòu)圖連接被仿真的系統(tǒng)。即，根據(jù)設(shè)計(jì)好的模擬排題圖，在排題板上用導(dǎo)線連接成仿真模型。輸出設(shè)備：用以顯示、記錄仿真結(jié)果。電源部分：提供所需要的各種電源。（2）模擬計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算部件①運(yùn)算放大器是模擬計(jì)算機(jī)的核心和基本部件。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)放大倍數(shù)極大、輸入放大器電流很小，零點(diǎn)漂移很小，線性度很好的直流放大器。具有n個(gè)輸入端的運(yùn)算放大器電路圖如下。圖中，ei1,…,ein為各支路輸入電壓；Ii1,…,Iin為各支路輸入電流；Zi1,…,Zin為各支路輸入阻抗；e0為輸出電壓；If為反饋電流；e

為虛地電壓；μ為運(yùn)算放大倍數(shù)。運(yùn)算放大器電路圖式中的負(fù)號(hào)表示運(yùn)算放大器的輸出電壓與輸入電壓極性相反。該式是利用運(yùn)算放大器構(gòu)成模擬計(jì)算機(jī)各種運(yùn)算部件的基本關(guān)系式。根據(jù)該式，只要采用不同形式的輸入阻抗和反饋?zhàn)杩梗涂蓪?duì)輸入電壓進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。5-1②比例加法器簡(jiǎn)稱加法器，用來完成對(duì)輸入變量乘以某一常數(shù)后進(jìn)行相加運(yùn)算的部件。它的輸入阻抗和反饋?zhàn)杩咕鶠殡娮?。其工作原理圖及符號(hào)如下。根據(jù)式（5-1）可以寫出加法器的運(yùn)算關(guān)系式為5-2原理圖符號(hào)③比例積分器將加法器的反饋電阻Rf換成電容Cf，就構(gòu)成了比例積分器，簡(jiǎn)稱積分器。積分器可以同時(shí)完成加法和積分運(yùn)算，是模擬器中最主要的運(yùn)算部件。其工作原理圖及符號(hào)如下。原理圖符號(hào)

同理，當(dāng)有多個(gè)信號(hào)輸入時(shí)，積分器的運(yùn)算關(guān)系為常系數(shù)器是用來給某一變量乘以一個(gè)小于1的系數(shù)的專用部件，他實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)電位計(jì)。其原理圖及符號(hào)如圖所示。④常系數(shù)器常系數(shù)器空載時(shí)的運(yùn)算關(guān)系為：式中,若考慮負(fù)載電阻RL的影響，則運(yùn)算關(guān)系為：由上式可知。因此，常系數(shù)器只能實(shí)現(xiàn)小于1的系數(shù)。通常，將比例器或積分器的傳遞系數(shù)與常系數(shù)器配合使用，就可以設(shè)置不同的傳遞系數(shù)。例如，與設(shè)置比例器的傳遞系數(shù)為K=5.5，我們可以取常系數(shù)器的系數(shù)a=0.55及比例器的固定傳遞系數(shù)為10，就能實(shí)現(xiàn)K=0.55*10=5.5的傳遞系數(shù)。非整數(shù)系數(shù)的實(shí)現(xiàn)（3）模擬仿真原理和方法①模擬仿真原理自然界的物理變化表面各不相同，但是卻有相似的規(guī)律。運(yùn)用這種相似原理可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。例如：如圖a所示的典型二階系統(tǒng)，它無論是電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)或是流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，都可以用與之相似的圖b所示的電子模型代替。這里要適當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)R1、R2、R3、R4、R4、C2、C3使其滿足二階參數(shù)

和

即可。②模擬仿真方法

逐次降階積分法簡(jiǎn)稱降階法，若系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為線性常系數(shù)微分方程，可采用降階法進(jìn)行模擬仿真。此法的基本原理是：對(duì)系統(tǒng)微分方程中變量的最高階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逐次積分，最后得到系統(tǒng)變量的零階導(dǎo)數(shù)，即要求解的變量值。當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以傳遞函數(shù)以及由它組成的結(jié)構(gòu)圖表示時(shí)，宜采用結(jié)構(gòu)模擬法進(jìn)行模擬仿真研究。結(jié)構(gòu)模擬法是用運(yùn)算器組成模擬單元模擬系統(tǒng)的各個(gè)典型環(huán)節(jié)，再將模擬單元按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖關(guān)系連接起來，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，即模擬結(jié)構(gòu)圖。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以直接觀察到各個(gè)典型環(huán)節(jié)某個(gè)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。在模擬仿真中，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的不同，通常采用逐次降階積分法和結(jié)構(gòu)模擬法。模擬結(jié)構(gòu)圖（4）線性微分方程的模擬仿真

模擬計(jì)算機(jī)的主要特長(zhǎng)是求解微分方程。當(dāng)線性系統(tǒng)的微分方程已經(jīng)獲得時(shí)，即可以用降階法求解。①微分方程模擬結(jié)構(gòu)圖的建立下面舉例說明如何利用降階法求得線性常微分方程的模擬結(jié)構(gòu)圖。若系統(tǒng)由下列三階常系數(shù)線性微分方程描述首先，將上式的最高階導(dǎo)數(shù)留在等式的左邊，其余項(xiàng)放在等式的右邊，得到

上式右端各項(xiàng)用一加法器實(shí)現(xiàn)，其和便是。但由于運(yùn)算放大器本身的反號(hào)特性，故加法器輸出端得到的是。最后，將各個(gè)積分器輸出信號(hào)乘以相應(yīng)的系數(shù)之后，把結(jié)構(gòu)圖閉合起來。構(gòu)成滿足上式的閉合回路。為了符合信號(hào)的極性要求，可以在反饋回路中適當(dāng)增加反號(hào)器。根據(jù)初始條件的要求以及模擬結(jié)構(gòu)圖中積分器輸出信號(hào)的極性，在積分器上機(jī)上初始電壓。至此，構(gòu)成了求解本例題微分方程式的模擬結(jié)構(gòu)圖（如下）。模擬結(jié)構(gòu)圖為了提高解題的精度，在模擬結(jié)構(gòu)圖中應(yīng)盡量減少運(yùn)算部件。在上圖中的1號(hào)加法器和2號(hào)積分器可以合起來用一個(gè)積分加法器代替。其結(jié)果為：②比例尺的選擇當(dāng)

Mt=1，稱為實(shí)時(shí)仿真（模擬）；當(dāng)Mt<1，稱為超實(shí)時(shí)仿真（模擬）；當(dāng)Mt>1，稱為減速仿真（模擬）。

模擬仿真中，被仿真的物理量及其各階導(dǎo)數(shù)均有運(yùn)算放大器的輸出電壓表示，且模擬機(jī)的運(yùn)算部分只能在一定的輸出幅度和頻率范圍內(nèi)才有良好的運(yùn)算性能。而被仿真系統(tǒng)中的各物理量有不同的量綱及變化范圍。故解題之前，需要進(jìn)行比例變換，它通過確定比例尺實(shí)現(xiàn)。

a、時(shí)間比例尺用以確定模擬機(jī)的解題速度，為了提高解題精度以及觀察和記錄方便，需要對(duì)系統(tǒng)方程進(jìn)行時(shí)間比例變換。時(shí)間比例尺的關(guān)系式為

b、幅度比例尺模擬計(jì)算機(jī)各運(yùn)算放大器的最大輸出電壓都不能超過機(jī)器的基準(zhǔn)電壓。此外，如果輸出信號(hào)過小，則有用信號(hào)容易被噪聲信號(hào)淹沒，造成精度下降。因此，需要通過選擇合適的幅度比例尺，使模擬機(jī)中各運(yùn)算部件充分發(fā)揮其效應(yīng)。比例尺定義為2、混合仿真

混合仿真綜合了數(shù)字仿真和模擬仿真的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自的缺點(diǎn)。因而被廣泛應(yīng)用于工程系統(tǒng)仿真、隨機(jī)過程研究、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、參數(shù)尋優(yōu)、函數(shù)尋優(yōu)、求解偏微分方程等方面。但由于混合仿真設(shè)計(jì)的器件多于模擬機(jī)和數(shù)字機(jī)，所以價(jià)格比較昂貴。因此，就其仿真領(lǐng)域的應(yīng)用而言，僅限于幾個(gè)方面，如飛行仿真、衛(wèi)星仿真、核反應(yīng)堆仿真、導(dǎo)彈仿真等方面?；旌嫌?jì)算機(jī)是將模擬計(jì)算機(jī)及數(shù)字計(jì)算機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成的混合仿真系統(tǒng)。它由兩種形式，一種是在普通模擬計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一些數(shù)字邏輯功能和存儲(chǔ)元件，使之成為混合模擬計(jì)算機(jī)。另一種則是通過一個(gè)中間界面將一臺(tái)數(shù)字機(jī)與一臺(tái)模擬機(jī)連接起來，組成一個(gè)新的計(jì)算系統(tǒng)，稱之為數(shù)字—模擬混合計(jì)算機(jī)。

混合模擬計(jì)算機(jī)由于采用了數(shù)控技術(shù)和模擬存儲(chǔ)技術(shù)，從而改進(jìn)了普通模擬機(jī)的兩個(gè)突出弱點(diǎn)：缺乏邏輯判斷和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；工作狀態(tài)切換為手動(dòng)控制。

數(shù)字—模擬混合計(jì)算機(jī)是一個(gè)由數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)及中間界面三部分組成的一體化系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，它不僅考慮了數(shù)字和模擬信息的混合處理，而且還考慮到相應(yīng)終端及外設(shè)，近遠(yuǎn)距離使用以及與其它數(shù)字機(jī)聯(lián)網(wǎng)和一機(jī)多用等問題。四、連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真技術(shù)1、仿真數(shù)字機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體制

目前的仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系有：分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；并行處理系統(tǒng)；超小型+外圍陣列處理機(jī)（PAP）及混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（1）分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是分布式計(jì)算機(jī)與仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其主要特點(diǎn)是：

①可以實(shí)現(xiàn)資源共享，包括程序和數(shù)據(jù)共享。②可靠性高。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，可用增加冗余度的方法來解決。這樣可使系統(tǒng)故障由于足夠的冗余度而進(jìn)一步減少或以功能降級(jí)方式運(yùn)行。同時(shí)，還可以對(duì)故障加以隔離，以達(dá)到高可靠性。③性能價(jià)格比明顯占優(yōu)勢(shì)。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能以較低的價(jià)格達(dá)到較高的性能，因此該系統(tǒng)較其他常用方法更具有實(shí)際意義。④由于任務(wù)一級(jí)的并行性和模塊性，從而增強(qiáng)了有效處理能力和規(guī)模靈活性。

（2）多機(jī)并行處理系統(tǒng)是指用兩部或多部獨(dú)立的處理機(jī)同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)以上的程序，以達(dá)到高速完成同處理任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。若處理功能結(jié)構(gòu)相同，則稱為同構(gòu)的，否則稱為異構(gòu)的。多機(jī)并行處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它實(shí)現(xiàn)了各處理機(jī)間用高速總線連接，一臺(tái)控制機(jī)實(shí)施全面控制、管理和調(diào)用程序，其余各處理機(jī)是相互獨(dú)立并行工作的?？刂铺幚頇C(jī)多口存儲(chǔ)器多口存儲(chǔ)器I/O處理機(jī)算術(shù)處理機(jī)算術(shù)處理機(jī)算術(shù)處理機(jī)多機(jī)并行處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

多機(jī)并行處理系統(tǒng)是一種高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它突破了單一計(jì)算機(jī)的速度極限，具有高的性能價(jià)格比、靈活的系統(tǒng)擴(kuò)充性、良好的可靠性和容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)，已在實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)控制等方面取得了極好的應(yīng)用效果。值得提及的是，我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)于1993年研制的銀河II型仿真計(jì)算機(jī)YH—F2，就是一種典型的異構(gòu)多機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以其高性能的硬件系統(tǒng)和內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)保證了實(shí)時(shí)或超實(shí)時(shí)仿真的快速性，提供了一個(gè)優(yōu)良的實(shí)時(shí)仿真環(huán)境。

（3）超小型計(jì)算機(jī)+外圍陣列處理機(jī)自1978年DECVAX超小型計(jì)算機(jī)問世以來，由于它在體系結(jié)構(gòu)上引進(jìn)了大型機(jī)中的高速緩存、高速浮點(diǎn)運(yùn)算部件、虛擬存儲(chǔ)等先進(jìn)技術(shù)，采用了32位字長(zhǎng)，因此在處理能力、精度以及應(yīng)用覆蓋面上都超過了經(jīng)典的小型計(jì)算機(jī)，得到了迅速的發(fā)展。外圍陣列處理機(jī)（PAP）具有用于陣列處理或采用陣列結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)又都要求一個(gè)常規(guī)計(jì)算機(jī)支持，類似于兩個(gè)外圍設(shè)備，由此得名。（4）混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種混合的多處理系統(tǒng)。它的體制是一臺(tái)或多臺(tái)超小型計(jì)算機(jī)+外圍陣列處理機(jī)+模擬處理機(jī)以及它們之間的混合分時(shí)接口。這種混合計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)速度可達(dá)到10操作次數(shù)/秒，性能高、功能強(qiáng)，但系統(tǒng)復(fù)雜而價(jià)格昂貴。因此，目前僅用于一些復(fù)雜的大型系統(tǒng)仿真。如美國(guó)大型飛行仿真試驗(yàn)室于1982年安裝了一套混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它包括超小型機(jī)SEL32/7780、外圍陣列處理機(jī)CSPIVP3300以及三臺(tái)模擬處理機(jī)EA2781。該系統(tǒng)的采樣周期為40ms，在一個(gè)采樣周期內(nèi)能完成200個(gè)系統(tǒng)變量的處理和近200個(gè)氣動(dòng)函數(shù)的計(jì)算。2、仿真數(shù)字機(jī)系統(tǒng)的選型

仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選型對(duì)于仿真質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益尤為重要。整個(gè)選型過程始終圍繞著仿真逼真度、實(shí)時(shí)性要求并取決于仿真對(duì)象及任務(wù)的具體情況。下面，以典型飛行控制系統(tǒng)仿真為實(shí)例，說明這個(gè)問題。飛行控制系統(tǒng)通常是包括飛行員在內(nèi)的半實(shí)物仿真。它要求計(jì)算機(jī)的執(zhí)行時(shí)間與被仿真的飛行過程時(shí)間一致。即必須能夠連續(xù)重復(fù)確定飛機(jī)的位置、姿態(tài)、速度、加速度、氣動(dòng)及環(huán)境參數(shù)，并能夠?qū)崟r(shí)地復(fù)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)隨舵角的變化。典型飛行控制系統(tǒng)數(shù)字仿真框圖如下。氣動(dòng)系數(shù)查詢表力和力矩運(yùn)動(dòng)方程坐標(biāo)變換A/D飛行員指令數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)D/A作動(dòng)器舵偏度

為滿足上述實(shí)時(shí)要求，除開發(fā)軟件外，還必須充分提高數(shù)字機(jī)的運(yùn)算速度，以改善頻率響應(yīng)特性。由于數(shù)字機(jī)的操作是串行的，則在分時(shí)仿真系統(tǒng)操作方式下，給定微分方程的所需處理時(shí)間為超小型和微處理機(jī)的發(fā)展運(yùn)用了并行處理技術(shù)，使多任務(wù)操作方式下的仿真得以實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，微分方程可化分為積分和導(dǎo)數(shù)計(jì)算兩部分，其處理時(shí)間可表達(dá)成可用計(jì)算機(jī)性能，即對(duì)于典型的主動(dòng)控制、數(shù)控電傳、參數(shù)優(yōu)化的飛行控制系統(tǒng)，上述各參數(shù)分別為：n=200,F=fmax=100周/s。取R=1，I=4，S=20。

根據(jù)上式的系統(tǒng)的可用計(jì)算機(jī)性能

所求出的可用計(jì)算機(jī)性能ACP，就是上述典型飛行控制全實(shí)時(shí)數(shù)字仿真選擇機(jī)型的依據(jù)，即對(duì)仿真計(jì)算機(jī)的最終要求。當(dāng)然，上述選型主要是按照性能價(jià)格比進(jìn)行的。除此之外，還應(yīng)當(dāng)考慮計(jì)算精度、存儲(chǔ)容量、軟件配制、仿真計(jì)算機(jī)的利用率以及國(guó)產(chǎn)化率等因素。3、連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的數(shù)值積分法（略）五、MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

MATLAB是美國(guó)MathWorks軟件公司于1984年推出的一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的語言。它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化及程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互的工作環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設(shè)計(jì)）等功能。MATLAB有主包和功能各異的工具箱組成，這些工具箱為各行各業(yè)的用戶提供了豐富而使用的資源。其中的Simulink工具箱，是MATLAB為從事系統(tǒng)仿真研究的用戶提供的一個(gè)操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大的可視化仿真平臺(tái)。近年來，它已經(jīng)成為系統(tǒng)建模和仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件之一。作為MATLAB的重要組成部分，Simulink是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，也可稱之為一體化的仿真環(huán)境。它支持先行和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)及連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。

Simulink提供了友好的圖形用戶界面（GUI），模型由模塊組成的框圖來表示，用戶建模通過簡(jiǎn)單的單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)的動(dòng)作就能完成，如