第一章 現(xiàn)代仿真技術(shù)-概述

現(xiàn)代仿真技術(shù)第1章概述

幾個例子：1、加加林遇難新說1968年3月27日加加林遇難1988年1月18日塔斯社報道（參考消息1月28日）

“當(dāng)天清晨，一批前蘇聯(lián)宇航員前往莫斯科郊外的契卡洛夫斯基航天場進(jìn)行米格-15殲擊機(jī)的飛行訓(xùn)練。在幾名宇航員中，加加林第一個駕機(jī)起飛，與他一起駕駛這架飛機(jī)的人是他的飛行教官、航空團(tuán)副團(tuán)長弗拉基米爾·謝廖金。加加林和謝寥金于10點19分駕機(jī)起飛，幾分鐘后訓(xùn)練完畢，地面機(jī)場調(diào)度員聽到加加林請求返航的聲音，可是緊接著，地面塔臺就失去了加加林的消息。接著加加林和謝寥金駕駛的飛機(jī)已經(jīng)墜毀在了離航天場不遠(yuǎn)處的弗拉基米爾新村附近。加加林駕駛的米格15進(jìn)入前面飛機(jī)產(chǎn)生的湍流區(qū)域而進(jìn)行螺旋飛行狀態(tài)”，“駕駛員做了5~6次擺脫操作，但只剩約2秒的時間”；“在250~300米高度出了問題”

2、氣囊彈射速度確定（1997年，美國）原來220英里/小時，在加拿大一年統(tǒng)計：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美國眾議院通過，調(diào)整到180英里/小時。

據(jù)計算，正規(guī)的安全氣囊必須在發(fā)生汽車碰撞后的0.01秒內(nèi)微處理器開始工作，0.03秒內(nèi)點火裝置啟動，0.05秒內(nèi)高壓氣體進(jìn)入氣囊，0.08秒內(nèi)氣囊向外膨脹，0.11秒內(nèi)氣囊完全脹大，此刻之后，駕車者才會撞上氣囊。

3、兩種典型導(dǎo)彈研制過程仿真技術(shù)的作用幾個例子（續(xù)）幾個例子（續(xù)）4世貿(mào)大廈倒塌的結(jié)構(gòu)問題幾個例子（續(xù)）5電視機(jī)抗跌落分析為設(shè)計工程師提供結(jié)構(gòu)改進(jìn)及包裝設(shè)計的理論依據(jù)LS-DYNA的計算結(jié)果幾個例子（續(xù)）6飛機(jī)設(shè)計飛機(jī)設(shè)計中有一個重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗。實際的風(fēng)洞試驗費用巨大。使用計算機(jī)仿真進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗，使費用大大降低。現(xiàn)代仿真技術(shù)是近幾十年發(fā)展的一門綜合性技術(shù)學(xué)科。它是指通過系統(tǒng)模型的試驗去研究一個已經(jīng)存在的或者是正在研究設(shè)計中的系統(tǒng)的具體過程，它對系統(tǒng)的設(shè)計、研究和決策提供了一個先進(jìn)而有效的手段，并可縮短設(shè)計周期、降低費用。仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)及非工業(yè)的廣大領(lǐng)域，并取得了極大的社會及經(jīng)濟(jì)效益。本章的基本內(nèi)容1.系統(tǒng)、模型與仿真2.仿真技術(shù)的應(yīng)用

3.系統(tǒng)仿真的類型4.現(xiàn)代仿真新技術(shù)簡介本章要求掌握系統(tǒng)、模型與仿真的基本概念；掌握系統(tǒng)仿真的分類，了解系統(tǒng)仿真的一般步驟；了解系統(tǒng)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢。1系統(tǒng)、模型與仿真

1.1系統(tǒng)

“系統(tǒng)這個術(shù)語已經(jīng)在各個領(lǐng)域用得如此廣泛，以至很難給它下一個定義?！毕到y(tǒng)----最早見著“世界大系統(tǒng)”德謨克利特（公元前460－公元前370年）“任何事物都是在聯(lián)系中顯現(xiàn)出來的，都是在系統(tǒng)中存在的，系統(tǒng)聯(lián)系規(guī)定每一事物，而每一聯(lián)系又能反映系統(tǒng)的聯(lián)系的總貌。”“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和”。

系統(tǒng)思想的回顧系統(tǒng)思想的回顧系統(tǒng)（續(xù)）例子：理發(fā)館系統(tǒng)：實體：服務(wù)員、顧客顧客：按某種規(guī)律到達(dá)，服務(wù)完畢后顧客離去服務(wù)員：根據(jù)顧客的要求，按一定的程序服務(wù)相互作用：顧客到達(dá)模式影響著服務(wù)員的工作忙閑狀態(tài)和顧客排隊狀態(tài)服務(wù)員的多少和服務(wù)效率影響著顧客接受服務(wù)的質(zhì)量

系統(tǒng)（續(xù)）電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

實體：電動機(jī)、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(jī)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-y尋找合適的u，使y更好地復(fù)現(xiàn)r系統(tǒng)（續(xù)）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。

邊界環(huán)境系統(tǒng)輸入輸出系統(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。

系統(tǒng)的特征1.組成性。系統(tǒng)由兩個或兩個以上要素組成2.層次性。系統(tǒng)要素應(yīng)該能夠區(qū)分3.邊界性。要素的邊界小于系統(tǒng)的邊界4.相關(guān)性。要素相互聯(lián)系，要素和系統(tǒng)都是相對的5.目的性。要素的結(jié)合是為了達(dá)到特定的目的6.整體性。系統(tǒng)是一個整體

系統(tǒng)論的重要觀念1.系統(tǒng)是一個整體；2.系統(tǒng)有明確的目的；3.系統(tǒng)由兩個或兩個以上相互關(guān)聯(lián)的要素組成，但雜亂無章、互不相干的東西放在一起也不是系統(tǒng)，系統(tǒng)要素的微觀聯(lián)系會涌現(xiàn)出系統(tǒng)的宏觀功能;4.要素與系統(tǒng)所處的層次不同，因此系統(tǒng)和要素具有不可比性；5.要素可以以不同的方式組合在一起，形成特定的結(jié)構(gòu)，這就需要對系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、組織和控制；6.一定的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的功能，要想使系統(tǒng)發(fā)揮特定功能，必須使系統(tǒng)具備特定的結(jié)構(gòu)；7.系統(tǒng)會表現(xiàn)出任何要素都不具備的特征，在條件合適的情況下，要素進(jìn)行整合后可以達(dá)到“整體大于部分之和”的效果；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(dá)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)，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(jìn)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(jī)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(續(xù))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(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立(續(xù))

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(續(xù))

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(jìn)一步將仿真的內(nèi)涵加以擴(kuò)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”

Or?n仿真概念框架

―“仿真問題描述”――“仿真建模”―“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)）行為處理：分析、顯示現(xiàn)代仿真的概念框架系統(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)建模”――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(jìn)行比較

系統(tǒng)模型計算機(jī)仿真系統(tǒng)建模仿真實驗仿真建模

計算機(jī)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(續(xù))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(qiáng)有力的工具在可行性論證階段，進(jìn)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(jìn)行模型實驗、模型簡化并進(jìn)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(jìn)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(jìn)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；難以復(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(jī)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(jì)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)分析中的應(yīng)用(續(xù))一個系統(tǒng)的離散的還是連續(xù)的，實質(zhì)上指的是描述該系統(tǒng)的模型是離散的還是連續(xù)的。根據(jù)研究的目的不同，同一個客觀系統(tǒng)可以在一種場合用離散模型描述，這時它是離散事件系統(tǒng)，而在另一種場合用連續(xù)模型描述，這時它是連續(xù)系統(tǒng)。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(jī)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(jī)自動駕駛系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)陀螺控制器機(jī)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)：在虛擬環(huán)境中