計算機仿真原理及應用第一講

1、單位：物理電子學院 主講人：王剛 Email: buncan_wang@126.com,計算機仿真原理與應用,教學安排,考查課授課形式： 課堂授課（14學時） 上機實踐（34學時）,主要內(nèi)容,計算機仿真技術的概述、特點以及發(fā)展趨勢連續(xù)系統(tǒng)仿真原理、方法離散系統(tǒng)仿真原理、方法面向?qū)ο蠓抡嬖砼c技術并行仿真技術半實物仿真技術與應用分布式仿真技術原理與典型應用,§1 計算機仿真技

2、術概述,美國三種典型導彈研制過程仿真技術的作用,運20研制效率的提高（2013年）,汽車、航空電子控制系統(tǒng),一、為什么要進行仿真,什么叫系統(tǒng)？系統(tǒng)：相互關聯(lián)又相互作用著的對象的有機組合，該有機組合能夠完成某項任務或?qū)崿F(xiàn)某個預定的目標。 通常研究的系統(tǒng)有工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)（電氣、機電、化工）非工程系統(tǒng)（經(jīng)濟、交通、管理） 建立系統(tǒng)概念的目的在于深入認識并掌握系統(tǒng)的運動規(guī)律，以便分析和綜合自然、社會和工程系統(tǒng)

3、中的種種復雜問題。,對系統(tǒng)進行研究、分析與設計的方法； （1）直接在系統(tǒng)上進行實驗 在要設計的系統(tǒng)上進行實驗 （2）在模型上進行實驗 對要設計的系統(tǒng)進行處理，根據(jù)其中內(nèi)含的各種自然規(guī)律（包括歐姆定律、比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)等）得到相關的控制規(guī)律，即系統(tǒng)的數(shù)學模型來進行研究。 對要設計的系統(tǒng)進行一定比例的縮放得到縮小或放大的物理模型。（古時的建筑）,選擇

4、在模型上進行實驗的原因,系統(tǒng)尚未設計出來某些實驗會對系統(tǒng)造成傷害難以保證實驗條件的一致性；如果存在人的因素，則更難保證條件的一致性。費用高無法復原,二、仿真的定義,仿真的定義在不同的領域或范疇中有不同的描述，可以概括為：“仿真是指用模型（物理模型或數(shù)學模型）代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究?！狈抡孀裱脑瓌t： 原理抽象 相似原理相似原理：幾何相似、性能相似、環(huán)境相似。,幾何相似

5、：根據(jù)相似原理把原來的實際系統(tǒng)放大可縮小。如把12000噸水壓機可用1200噸或120噸水壓機作其模型。萬噸輪船也要用縮小的模型來研究。性能相似：構成模型的元素和原系統(tǒng)的不同，但其性能相似。如：可用一個電氣系統(tǒng)來模擬熱傳導系統(tǒng)。在這個電氣系統(tǒng)中電容代表熱容量，電阻代表熱阻，電壓代表溫差，電流代表熱流。,三、仿真的目標,優(yōu)化設計預測系統(tǒng)的性能和參數(shù)經(jīng)濟性采用物理模型或?qū)嵨飳嶒灒ㄙM巨大。采用數(shù)學模型即計算機數(shù)學仿真可大幅度的降低

6、成本并可重復使用。安全性載人飛行器和核電站的危險性不允許。預測性對于非工程系統(tǒng)，直接實驗不可能，只能采用預測的方法。（天氣預報）復原性,四、仿真的分類,按照模型性質(zhì)分：物理、數(shù)學、混合物理仿真：按照物理性質(zhì)構造系統(tǒng)的物理模型，并在模型上進行試驗（直觀 形象）數(shù)學仿真： 一般是指在計算機上對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行試驗。（經(jīng)濟方便）混合仿真：兩者結(jié)合,計算機仿真三要素,理發(fā)館系統(tǒng)： 實體：服務員、顧客顧客：按某種規(guī)律到達，服

7、務完畢后顧客離去 服務員：根據(jù)顧客的要求，按一定的程序服務 相互作用： 顧客到達模式影響著服務員的工作忙閑狀態(tài) 顧客排隊狀態(tài) 、服務員的多少和服務效率：影響著顧客接受服務的質(zhì)量,電動機調(diào)速系統(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)電動機的速度系統(tǒng)定義： 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

8、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。,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)學模型，用數(shù)學表達式形式來描述系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。 定義如下集合

9、結(jié)構：,：時間基，描述系統(tǒng)變化的時間坐標為整數(shù)則稱為離散時間系統(tǒng)，為實數(shù)則稱為連續(xù)時間系統(tǒng),：輸入集，代表外部環(huán)境對系統(tǒng)的作用。,：輸入段集，描述某個時間間隔內(nèi)輸入模式，是,：內(nèi)部狀態(tài)集，是系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構建模的核心。,,：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。,,：輸出函數(shù),,：輸出段集，系統(tǒng)通過它作用于環(huán)境。,,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

10、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 為進行比較現(xiàn)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)建模

11、基本定律及系統(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)構化建模 采用面向?qū)ο蠼＃∣bject- Oriented Modeling）方法， 在類庫的基礎上實現(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，即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動（data driven）。 仿真問題分為兩

12、部分：模型與實驗 模型又分為兩部分：參數(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)分開來,,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Orën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,五 系統(tǒng)仿真的特點,1.根據(jù)模型的物理屬性分類物理仿真：按照真實系統(tǒng)的物理性質(zhì)構造系統(tǒng)的物理模型，并在物理

13、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)學仿真：對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學關系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學模型，對數(shù)學模型進行實驗的過程稱為數(shù)學仿真。計算機技術的發(fā)展為數(shù)學仿真創(chuàng)造了環(huán)境，亦稱為計算機仿真數(shù)學仿真優(yōu)點是：方便、靈活、經(jīng)濟數(shù)學仿真缺點是：受限于系統(tǒng)建模技術，即系統(tǒng)數(shù)學模型不易建立。,半實物仿真：即將

14、數(shù)學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)學模型，并在計算機上加以實現(xiàn)對比較復雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數(shù)學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2.根據(jù)仿真計算機類型分類模擬計算機仿真：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備。將系統(tǒng)數(shù)學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

15、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。,例如:,,,,,,數(shù)字計算機仿真：將系統(tǒng)數(shù)學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。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)大型復雜系統(tǒng)的高速仿真，將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一

16、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.根據(jù)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?qū)嵨飼r，必須進行實時仿真亞實時仿真：即仿真時鐘慢

17、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.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）描述分布參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用偏微分方程（組）描述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

18、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)。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。,六

19、計算機仿真的一般步驟,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(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 檢驗模型計算的正確性（Verification）仿真運行：對模型進行實驗仿真結(jié)果分析：對

20、系統(tǒng)性能作出評價 模型可信性檢驗（Validation）★只有可信的模型才能作為仿真的基礎,七 計算機仿真技術的應用,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

21、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)投入的一次成功率舉例：系統(tǒng)仿真設計——現(xiàn)代戰(zhàn)機航空電子控制系統(tǒng)的設計,航電發(fā)展歷程（第一代）,分立式每種設備由它所包含的傳感器、處理器和顯示器完成該設備的獨立功能，連接介質(zhì)是點對點的導線,航電發(fā)展歷程（第二代）,聯(lián)合式 采用標準的數(shù)據(jù)處理器來完成諸如通信、導航、武器投放、外掛管理和飛行控制這樣的管理功能；處理器之間用時分多路總線(MIL-STD-15

22、53B)相連接；實現(xiàn)了全系統(tǒng)集中控制和統(tǒng)一顯示。,航電發(fā)展歷程（第三代）,綜合式 現(xiàn)場可更換設備?現(xiàn)場可更換模塊；核心綜合處理器（CIP）數(shù)字系統(tǒng)綜合采用光線通道,航電發(fā)展歷程（第四代）,先進綜合式 數(shù)據(jù)系統(tǒng)綜合-〉傳感器綜合；從硬件的角度己經(jīng)難以分清通信、雷達、電子戰(zhàn)的硬件設備，它們是通用模塊，加駐不同的軟件實現(xiàn)不同的功能 ；,設計流程,需求分析系統(tǒng)規(guī)范系統(tǒng)詳細設計快速原型產(chǎn)品實現(xiàn),設計流程,需求分析系統(tǒng)規(guī)范