计算机仿真技术绪论-第一讲.ppt

计算机仿真技术 主讲教师：张春燕 手机教材：郝培锋等主编计算机仿真技术，机械 工业出版社.2009年6月； 参考书籍：ADAMS 2005/2007相关教程； MATLAB 7.0相关教程。 计算机仿真技术基础 u 课程总体介绍（理论教学大纲和实验教学大纲 ） u 计算机仿真技术课程简介 u 学习本课程的作用和方法 u 学习本课程的作用和方法 1、计算机仿真技术能做什么？ 2、怎么样应用计算机仿真技术去做（理论上）？ 3、将理论应用到简单的机构、系统计算机仿真的具体实现 （实验）？ 4、从简单引申到复杂，进而能对较复杂的系统进行综合的 计算机仿真，保证系统的性能、质量，为以后从事相关 专业工作打下基础。 考核及要求： 平时（20%）+实验（20%）+期末考试（60%） 平时（20%）：考勤：8分；作业：7分；创新：5分 。 实验（20%）：实验报告：6分；考核：4分；创新：10分 。 说明：考勤8分，旷课1次扣1分，点1次名算3次，请假须在课前，请3 次假扣1分，扣完为止；作业6分，1次1分；创新6分，完成思考题，作 业中采用新方法、新思路，作业质量、课堂回答问题等。 说明：实验报告7分，1次1分；创新8分，回答思考题，独具一格的书 写内容等；实验考核6分，完成一个电子实验报告及仿真系统图，如果 内容多可以2人/组。 第1章 计算机仿真技术基础 u 计算机仿真技术基础概述 u 仿真软件简介 u 小结 u 作业 本章学习要求： l理解并掌握计算机仿真的概念、分类，计算机数字 仿真的基本过程； l了解计算机仿真的发展历程、应用领域及目前研究 、应用现状； l了解目前所涉及的计算机仿真软件，并重点掌握 MATLAB、ADAMS两个软件。 1.1 从现实问题开始 1.2 系统及系统的分类 1.3 系统模型的概念及其分类 1.4 计算机仿真中的系统建模 1.5 计算机仿真的定义 1.6 计算机仿真技术发展概要 1.7 小结 u 计算机仿真技术基础概述 三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。 但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。 从现实问题开始 从现实问题开始-计算机仿真能做什么？ 宝马车部分生产线 仿真油田钻井 ABB机器人IRB120涂胶仿真 系统的观点追述 l30年代：人们在一些科学学科研究中（生物学、心理学、社会 科学），发现系统的一些固有性质与个别系统的特殊性无关。 l二次大战前不久:路德维希.冯.倍塔朗菲提出一般系统概念和一 般系统理论。 l1954年：建立了一般系统理论促进协会，系统的研究进入蓬勃 发展的时代。 l1957年：美国人古德写的“ 系统工程”公开出版，系统工程一 词被确认。 l20世纪70年代：电子计算机的应用，系统工程思想有了充分实 现的可能性。 系统及系统的分类 系统及系统的分类 系统：为实现规定功能以达到某一目标而构成的相互 关联的一个集合体或装置(部件)。 例如：数控机床伺服系统、污水处理系统、机-电-液控 制系统、生态系统等。 l系统具有以下四个特点： l系统是由部件组成的，部件处于运动状态； l部件之间存在着联系； l系统行为的输出也就是对目标的贡献，系统各主量和的 贡献大于各主量贡献之和，即系统的观点1+12； l系统的状态是可以转换的，在某些情况下系统有输入和 输出，系统状态的转换是可以控制的。 系统及系统的分类 l按综合复杂程度分为三类：物理系统；生物系统；人类社会及宇 宙； l 按抽象程度：可把系统分为三类，即概念系统，逻辑系统和实在 系统； l按与外界关系：可把系统分为封闭系统和开放系统； l 按内部结构：可把系统分为开环系统和闭环系统； 系统及系统的分类 系统的分类（从不同的角度出发，系统分类有不同的方法）： l从系统的综合复杂程度方面考虑，我们可以把系统分为三 类九等。 “三类”是:物理系统；生物系统；人类社会及宇宙。 “九等”是： 物理系统统 框架： 最简单简单 的系统统、静态态的系统统，如 桥桥梁、房子等。 时钟时钟 ： 按预预定规规律变变化，虽动虽动 犹静 控制机械： 能自动调动调 整，偶然干扰扰使运动动偏 离预预定要求时时，系统统能自动调节动调节 回去。 生物系统统 细细胞：能新陈陈代谢谢，能繁殖，有生命， 比物理系统统更高级级。 （原始群体 ）植物： 是细细胞群体组组成的系统统，显显示了 单单个细细胞所没有的作用。 动动物：可动动性，具有寻寻找食物，寻寻找目 标标的能力，对对外界敏感。 人类类社会 及宇宙 人类类：有较较大存储储信息能力，说说明目标标 和使用语语言均超过动过动 物，懂得知 识识和善于学习习。 社会：是人类类政治、经济经济 活动动等上层层建 筑的系统统，社会系统统是组织组织 。 宇宙：包括地球以外天体、人类类不知道 的东东西。 l按系统的抽象程度分，可把系统分为三类，即概念系统，逻 辑系统和实在系统。 概念系统：是最抽象的系统，在各方面均不很完善，有许多 地方很含糊，也有可能不能实现，但它表达了系统的主要特 征，描绘了系统大致轮廓，从根本上决定了以后系统的成败 。 逻辑系统：在概念系统的基础上构造出的原理上可行得通的 系统，它考虑到了总体的合理性，结构的合理性和实现的可 能性，但它没有给出实现的具体元件。所以逻辑系统是摆脱 了具体实现细节的合理系统。 实在系统（物理系统）：完全确定的系统，能完全实现。 l按系统和外界的关系分类: 封闭系统：系统与外界分开，外界不影响系统的主要现 象的复现。 开放系统：指不可能和外界分开的系统或者可以分开， 但分开以后系统的重要性质将会发生变化。 封闭系统和开放系统有时也能互相转化。 l按系统内部的结构分类 按系统内部结构分,可把系统分为开环系统和闭环系统。开环系 统又可分为一般开环系统和前馈开环系统，见图（a）。闭环 系统又可分为单闭环和多重闭环系统，见图 (b)，闭环中既可 能包含反馈，又可能包括前馈。 一般开环系统 前馈开环系统 图 (a) 单闭环 系统 多重闭环 系统 图 (b) 执行 判断一个系统的好坏可以由以下四点观察： l目标明确。每个系统（部件）均为一个目标而运动。系统的好 坏要看它运行后对目标的贡献。因而目标明确是评价系统的第 一指标。 l结构合理。子系统的联接方式组成系统的结构。联接清晰，路 径通畅，冗余少等，以达到合理实现系统目标的目的。 l接口清楚。子系统之间有接口，系统和外部的联接也有接口， 好的接口其定义应十分清楚。 l能观能控。通过接口，外界可以输入信息，控制系统的行为， 可以通过输出观测系统的行为。只有系统能观能控，系统才会 有用，才会对目标作出贡献。 系统及系统的分类 系统性能的评价 系统模型的定义：是指以某种确定的形式（如文字、 符号、图表、实物、数学公式等），对系统某一方面本 质属性的描述。 系统模型的特征： （1）它是现实系统的抽象或模仿； （2）它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的； （3）它集中体现了这些主要因素之间的关系。 系统模型的概念及其分类 系统模型的分类：物理模型、数学模型 说明：在所有模型中，通常普遍采用数学模型来分析系 统工程问题，其原因在于：（1）它是定量分析的基础 ；（2）它是系统预测和决策的工具；（3）它可变性好 ，适应性强，分析问题速度快，省时省钱，且便于使用 计算机。 系统模型的概念及其分类 模 型 物理模型 数学模型 静态模型 动态模型 静态模型 动态模型 离散模型 解析求解 离散模型仿真模型 系统模型的分类与关系 某建筑工程中的楼房物理模型 (1)静态数学模型 超市某日用品供需线性变化模型 超市某日用品供需非线性变化模型 1)连续系统模型 2)离散系统模型 时间离散系统。有时称为采样控制系统，一般用差分方程、 离散状态方程和脉冲传递函数来描述。此类系统的特性是连续的 ，仅仅是由于某些情况下是在离散的时间点上进行的采样过程， 所以也看成连续系统(模型)。 事件离散系统。这是一种用概率模型描述的随机系统，系统 的输出不是完全由输入作用的形式描述的，而可能存在多种输出 ，即系统的输入输出是随机发生的。常见的有库存系统、管理车 辆流动的交通系统、排队服务系统等。 (2)动态数学模型 取不同值时汽车振动的变化形式 计算机仿真（Computer Simulation ）定义： 借助高速、大存储量数字计算机及相关技术，对复杂真 实系统的运行过程或状态进行数字化模拟的技术。 一个简单机械系统仿真视频 系统仿真（System Simulation）定义：是以相似 原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为 基础，以计算机、仿真软件、仿真器和各种专用物理效应 设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动 态研究的一门多学科的综合性技术。 计算机仿真的概念、类型及作用等 计算机仿真的分类： 根据计算机分类 模拟计算机仿真、数字计算机仿真、模拟数字混合计 算机仿真 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系 实时仿真、欠实时仿真、超实时仿真 根据系统模型的特性 连续系统仿真、离散事件系统仿真 计算机仿真的概念、类型及作用等 计算机仿真的作用： 仿真技术物理试验理论研究 可能性只要能建立系 统模型，就能 进行 系统尚未建立，则不可 能；有的自然系统实验 周期太长，也不可能 有的系统无法建立解 析模型，因此，不可 能利用解析方法 安全性无危险有危险（人身、设备 ）无危险 经济 性 花费不多费用很大花费少 耗时性中等长短 准确性可以做到很准确十分准确要做较多假设，有 较大误差 方便性可以做到十分方 便 受现场 限制，不方便方便 计算机仿真的概念、类型及作用等 汽车的悬架系统 l如何分析研究并保证设计出或设计中的悬架系统的 这种卓越性能？ 研究方法： 1 理论方法 2 试验方法 3 仿真方法 其中： X 状态向量 A 系统矩阵 B 输入矩阵 f(t) 输入变量 C 输出矩阵 D 直接转移矩阵 其传递函数 根据研究的目的编制试验方案： l改变M、B、K，保持f(t)不变，研究系统结构参数对谐振 系统动态行为的影响； l改变f(t)，系统结构参数保持不变，研究系统所受激振力 对系统动态行为的影响。 建立仿真模型 l应用编程语言 l应用仿真语言或环境 l应用欧拉法、梯形法或RK法等仿真算法，将上述 数学模型转化为便于编程的仿真模型： 应用仿真语言或环境 l应用ADAMS l应用MATLAB 结果分析 分析对象/系统 建立物理模型 建立数学模型 建立计算机仿真模型 设置边界条件等仿真 结束 满意 不满意 软件： 建模：CATIA、Pro/E 、UG、CAXA实体设 计等； 仿真：Matlab、Adams 、Absqus、DELMIA等 。 计算机仿真的概念、类型及作用等 计算机仿真总体流程图： 利用计算机仿真的手段进行系统求解与常规的方程解析求 解方法相比有一个明显的缺点，就是计算机仿真的方法得到的 解通常是离散的数值解，没有解析方法得到更为一般的系统解 的表示形式。例如在汽车轮胎的运动仿真中，解析解表示的是 可以引起振动的所有可能状态，而利用仿真方法得到的每个解 仅仅能说明一些特定的状态是否可能引起轮胎的振动等。如果 想了解其他状态下轮胎发生振动的情况，就必须在其他给定条 件下重新进行仿真过程。显然模型的精确解是最好的，尤其是 在寻找系统极值的情况下，系统的一个解析解往往就把系统的 一种特殊状态表示了，但仿真的方法则需要进行多次迭代寻优 ，且会留下一大堆需要解决的问题，如问题的解是局部最优还 是全局最优等。 问题求解中的仿真方法和解析方法分析 1)确定所要研究的背景，对相关的内容进行说明，并由此建立系统概念。 2)对上述资料进行必要的整理，尽可能按照规范的数学语言重新描述题目 ，并逐条写出研究的目的、题目具备的条件、需要补充的条件。 3)分析题目，找出研究范围内与研究目的相关的主要实体，实体上与研究 目的相关的所有属性。 4)采集数据、演绎基础数学模型。 5)进行数学模型演绎，利用数学方法将建立的基础模型进行标准化处理。 6)软件结构设计，包括系统、子系统及数据、多媒体等基本结构的设计， 根据题目的性质和研究内容的要求选取合适的计算机软件，进行软件编程 、界面设计、数据库建立等。 7)计算机实验，利用现场或实际数据进行计算机仿真系统的模拟实验，或 将实际数据在仿真系统上进行仿真系统的模拟检验，这种实验是有目的的 ，主要是为修正数学模型或提高模型求解算法的精度进行实验，所以每次 实验后需要完成下一步工作。 计算机系统仿真的基本步骤 8)仿真结果分析，对仿真系统实验所得的计算输出与实际系统的输出 或目标输出进行误差分析，并据此找出仿真系统与实际系统在所研究 特性方面存在的差异和原因，根据分析结论对数学模型或软件进行修 改、参数优化等操作。 9)将第7、8步循环进行，直至建立的仿真系统输出与实际系统输出误 差满足使用要求。 计算机系统仿真的基本步骤 系统仿真的内容 系统仿真技术的应用 系统仿真技术的发展 计算机仿真技术发展概要 系统仿真技术是建立在控制理论、相似理论、信息处理技 术和计算机技术等理论利用模型和计算技术进行实验研究的 一种方法。一般来说，系统仿真是根据实际系统的模型，结 合所用的计算机进行的，它是一个过程。这个过程包括建立 实际系统的思想与背景资料、采集与分析实际系统数据、根 据背景资料和数据建立系统数学模型、数学模型的计算机实 现方法研究、仿真系统软件设计与编写、仿真系统程序调试 、仿真实验过程、仿真结果的系统分析、判断是否对仿真过 程的某些环节进行修正和补充等。 系统仿真的内容 计算机仿真技术发展概要 仿真系统的应用目的为：仿真系统的应用目的为： 作为分析系统的研究平台； 作为建立实际系统的基础研究工作。 系统仿真技术的应用领域已经十分广泛：系统仿真技术的应用领域已经十分广泛： 工业中的应用，如国防、钢铁、石油、交通等； 事业管理，如经济、财会、贸易、教育、生物、气象等； 日用品生产等。 系统仿真技术的应用 计算机仿真技术发展概要 1)20世纪70年代，整个科学技术领域内，系统仿真费用约占总经费的1， 在某些科学领域，系统仿真所占的费用更高一些，如导弹系统研制过程的仿 真系统费用约占导弹研制费用的5。 2)1989年，北约组织中的欧洲盟国制定了一个欧几里德计划，把仿真技术作 为11项优先合作发展的重点项目之一。 3)1992年，美国提出了22项国家关键技术，系统仿真技术列在第16位。 4)1992年，美国提出了21项国防科技关键技术，系统仿真技术被列在第6位 。 5)1994年，美国国防部预研工作的七大重点，仿真技术是其中之一。 6)1995年，美国国防部高级研究计划局投资战略的核心有四个方面，即开发 先进的信息技术、创建与国力相称的国防技术、促进军民一体化工业基础的 建设、加强新技术向军品转移等，在每个方面都把模拟与仿真，特别是先进 的分布式仿真系统的开发列为年度投资重点之一。 系统仿真技术的发展 计算机仿真技术发展概要 u 仿真软件简介 MATLAB软件简介 1984年，MathWorks公司把内核采用C语言