计算机仿真技术

,计算机仿真技术,第一章绪论,计算机仿真的目的和意义在16世纪伽利略通过引入可重复的受控实验室实验的思想开创了近代科学的实践。我们从确立已久的科学方法了解到，构造任何事物的一个适当的科学理论，其关键在于能够实施一些实验，以检验待研究现象的假说。早期的系统科学研究是单输入单输出的系统，由于系统比较简单，所以常常可以借助于理论分析来解决问题，后来发展到多输入多输出系统，问题就变得复杂了，再后来发展到大系统、巨系统乃至超巨系统，还包括工程和非工程、宏观与微观、生物与非生物、系统与环境、思维与行为的综合系统，如核电站、社会经济等，当然问题就变得更加复杂了。这时，单纯依靠理论分析和科学实验已经不可能了。仿真模拟就成为科学研究的途径之一了。,自从我国东汉名将马援积米为山筹划山地进攻，古希腊数学家阿基米德在沙盘上作几何图形推演城市防御，人们开始用模拟分析的方法寻找打开战争的“黑箱”。从20世纪90年代初起，美国率先大量将虚拟现实技术用于军事领域。在1995年10月为解决波黑冲突的“代顿谈判”中，美国成功地运用计算机虚拟现实技术，让参加谈判的穆、克、塞三方领导人在计算机和大屏幕前，通过计算机虚拟演示，形象地显示了继续角逐的后果，迫使他们都不得不放弃了各自的方案，结果三方只好按照美国制定的方案达成协议。,NTI网站2004年12月23日报道美国加利福尼亚州的LawrenceLivermore国家实验室计划在明年夏天进行老化核武器爆炸的三维模拟。这项模拟将由BlueGene/L超级计算机完成，该计算机将在4月份开始完全运行。实验室官员称，该计算机最高运算速度为每秒360万亿次，因此模拟将花费2到4个月时间。10年以前进行相同的模拟将花费6万年。由于美国已经签订了全面禁止核试验条约，这项模拟对于确定老龄核导弹是否能够正确运行十分重要。负责国防与核技术的实验室副主任BruceGoodwin称，“我们的工作是确保核武器库存的安全和可靠”。台湾“国防部”2007年4月24日表示，作为“汉光23号”军事演习的一部分，台湾当局于16日至20日利用计算机仿真系统在美军没有介入的情况下分析了解放军与台军的交战情况，结果表明台军在两周后击退了登陆到台湾的解放军部队。,仿真系统主要模拟了中国人民解放军于2012年率航母舰队等高性能武器进攻台湾的场面。中国军队先后采取动用登陆舰、导弹攻击、空袭空军基地和军事要害等进行进攻。由于台湾方面通过发射导弹和海军舰艇的攻击进行反击，解放军只得推迟登陆台湾时间，但最后还是成功占领台湾西海岸，并使其成为桥头堡。在这一过程中，台湾当局的雷达基地、导弹基地、空军基地都遭受严重打击，但是在特殊地带暂避的台军陆军兵力没有受到损失，与解放军展开激烈的攻防战。据计算机模拟系统显示，经过两周的激烈对抗台军将解放军引入死角，并全部歼灭。最值得关注的是，计算机模拟系统还假设了台湾方面以导弹进攻中国的情况。台湾媒体对此表示，最近台湾方面自主研发了最远可至上海的“雄风2E”型巡航导弹（射程为8001000公里），目前只待实战部署。据中国及台湾当局的国防白皮书显示，中国人民解放军和台军的兵力分别是248万人和38万人，差距特别明显；坦克有8300辆和719辆；潜水艇有71艘和4艘；主要战斗艇分别有63艘和32艘；战斗机分别有3400架和562架，解放军在数量上明显占据优势。,随着电力工业的发展和技术的进步，发电机组不断向着大容量、多参数的方向发展，自动化程度越来越高，技术日益复杂，尤其是核电机组，对运行提作人员的技术知识、操作水平、应变能力等方面提出了更高要求。这就需要对运行操作人员进行有效的培训。而运行人员在实际发电机组上进行训练的机会越来越少，有时甚至不可能。为了有效地提高电站运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，从上世纪60年代中期，研究人员就开始探索采用脱离实际发电机组的实时仿真装置对运行人员进行培训。1979年3月28日美国三厘岛核电站由于运行人员的失误发生了放射性物质溢出事故。这一事故的调查结果表明，在核电站操作员的培训方而存在着严重问题。1980年3月美国NRC(NuclearRegulatoryCommission)发布了一套考核和鉴定反应堆操作员的新标准，它规定了反应堆操作员的起码资格。1981年8月7日美国NRC规定从即日起将把仿真器作为发放运行许可证审批的一个组成部分。同时美国能源局做出了未取得仿真培训合格证的任何人员不许上岗进行核电站任何操作的规定、还规定核电站实时仿真培训系统应尽量是在全复制型核电站培训仿真器。,森林资源系统的计算机仿真与现代化管理及应用中医学理论计算机仿真初探计算机仿真在制造业的应用与发展计算机仿真技术在水电工程施工中的应用机场系统计算机仿真研究的应用与发展计算机仿真技术在我国自动化物流系统中的应用计算机仿真技术在工艺与模具设计中的应用应用计算机仿真技术优化制药工艺计算机仿真技术在“交流调速系统”教学中的应用计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用计算机仿真技术在火灾研究中的应用计算机仿真技术机械行业中的应用计算机仿真技术在足球整体打法研究中的应用初步计算机仿真在管理决策中的应用主要作用概括起来：在系统分析与设计中的应用在系统理论研究中的应用在专职人员训练与教育方面的应用,系统仿真是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在的或正在研究设计中的系统的具体过程。计算机仿真就是以计算机为工具，用仿真理论来研究系统。系统仿真实质上包括了三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三个要素的基本活动是：模型建立、仿真模型建立和仿真实验，如图1-2所示。系统是仿真技术研究的对象，计算机是进行仿真技术研究所使用的工具。,1.1系统仿真的基本概念,1.1.1系统,1系统的定义及性质定义：由相互联系、相互制约、相互依存的若干部分（要素）结合在一起，形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。性质：整体性，系统是一个整体；相关性，系统内部的各个部分之间按一定的规律相互联系相互作用；目的性，设计或者综合一个系统，是为了实现预定的目的。,研究内容：,实体：组成系统的具体对象，R、L、C；属性：实体所具有的每一种有效特性，如R、L、C的数值；活动：系统内对象随时间推移而发生的状态变化，如响应随时间的变化。,2系统的分类1)静态系统和动态系统:静态系统是被视为相对不变的，如：处于平衡状态的一根梁；动态系统的状态是可以改变的。2)确定系统和随机系统对于动态系统可以进一步分为两类：a)一个系统的每一个连续状态是唯一确定的时，这个系统就是确定系统；b)一个系统在指定的条件和活动下，从一种状态转换成另一种状态不是确定的.3)连续系统和离散系统一个系统的状态如果随着时间的变化是连续的，则该系统被称为连续系统；一个系统的状态如果随着时间成间断或突然的改变，则称该系统为离散系统。,4)按方程的类型分为线性系统和非线性系统线性系统是满足叠加性和均匀性的系统,5)按参数类型分为定常系统和时变系统,1.1.2系统模型,1模型的定义系统模型是系统的某种特定的性能的一种抽象形式。系统模型实质是用某种形式来近似地描述或模拟所研究的对象或过程。模型可以描述系统的本质和内在的关系，通过对模型的分析和研究，达到对原系统的了解。2模型的分类模型的表达形式一般分为物理模型和数学模型两大类1）物理模型又分为缩尺模型和模拟模型a)缩尺模型缩尺模型与实际系统有相似的物理性质，这些模型是按比例缩小了的实物，如：风洞试验的飞机外形和船体外形；用于做动模试验的电力系统装置等。,b)模拟模型模拟模型是用其它现象或过程来描述所研究的现象或过程，用模型的性质来代表原来系统的性质。如：用电流来模拟热流、流体的流动；用流体来模拟车流等。2)数学模型数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，即用数学公式（如：函数式、代数方程、微分方程、微积分方程、差分方程）来描述（或表示、模拟）所研究的客观对象或系统中某一方面的规律。通过对系统数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。根据数学表达式的性质划分，数学模型可以分为：静态模型和动态模型两大类。,静态模型：系统处于平衡状态下的属性。静态模型的一般表示形式是代数方程、逻辑表达关系式。例如：系统的稳态解公式、理想电位器转角和输出电压之间的关系式和继电器的逻辑关系输出式等。动态模型：系统属性随时间而发生的变化，动态模型主要分为连续系统模型和离散系统模型a)连续系统模型可以分为确定性模型和随机模型。当系统有确定的输入时，系统受到一些复杂而尚未搞清原因的元素的影响，使得输出是不确定的，用随机数学模型来描述。当系统的输入是确定的而系统的输出也是确定的时，系统为确定性系统，用确定性模型来描述。确定性模型又可分为以下几种类型：线性数学模型和非线性数学模型；集中参数模型与分布参数模型；定常数学模型与时变数学模型；存储系统和非存储系统。,b)离散系统模型(1)时间离散系统。这种系统又被称为采样控制系统，一般采用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数来描述。系统的特性实质上是连续的，只是因为在采样的时刻点上来研究系统的输出，所以构成了时间离散系统。各种数字式控制器的模型均属于此类。(2)离散事件模型。这种系统模型用概率模型来描述。这种系统的输出，不完全由输入作用的形式来描述，往往存在着多种可能的输出。它是一个随机系统，如；库存系统、管理车辆流动的交通系统、排队服务系统等。因为这种系统的输入、输出是随机发生的，所以一般要用概率模型来描述这种系统。,1.1.3系统仿真,1系统仿真的定义系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的科学。2系统仿真的分类1)按照参与仿真的模型种类不同，将系统分为物理仿真，又称为物理效应仿真，是指按照实际系统的性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便；尽管不用采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需要花费较大的投资，且周期较长，此外在物理模型上做试验不容易修改系统的结构和参数。,数学仿真是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行来达到系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软件/硬件环境、动画与图形显示、输入/输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性和合理性。数学仿真具有经济性、灵活性和仿真模型的通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化技术、图形技术、人工智能技术和先进的交互式建模仿真的软硬件技术的发展，数学仿真必将获得飞速发展。物理数学仿真，又成为半实物仿真，准确的称谓是硬件（实物）在回路（HardwareintheLoop）的仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路。,2)据被研究系统的特征可以分为两大类，连续系统仿真和离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系统的仿真。这类系统的数学模型包括：连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等）以及连续离散混合模型。离散事件系统仿真是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。这类系统的状态量是由于事件的驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，被称为离散事件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。,3系统仿真的一般过程与步骤建模阶段：在这一阶段中，通常是先分块建立子系统的模型。若为数学模型则需要进行模型变换，即把数学模型变为可以在仿真计算机上运行的模型，并对其进行初步的校验；若为物理模型，它需要在功能与性能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。模型实验阶段：在这一阶段中，首先要根据实验目的制定实验计划、实验大纲，在计划和大纲的指导下，设计一个好的流程，选定待测量变量和相应的测量点，以及适合的测量仪表。之后转入模型运行，即进行仿真实验并记录结果。结果分析阶段：结果分析在仿真过程中占有重要的地位。在这一阶段中需要对实验数据进行去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析的结果做出正确的判断和决策。因为实验的结果反映的是仿真的模型系统的行为，这种行为能否代表实际系统的行为，往往得由仿真用户或熟悉系统领域的专家来判定。如果得到认可，则可以转入文档处理，否则，需要返回建模和模型实验阶段查找原因，或修改模型结构和参数，或检查实验流程和实验方法，然后再进行实验，如此往复，直到获得满意的结果。,1.2计算机仿真,数学仿真的基本工具是计算机，通常数学仿真称为计算机仿真1.2.1计算机仿真分类1模拟计算机仿真模拟计算机是由运算放大器组成的模拟计算装置，它包括运算器、控制器、模拟结果输出设备和电源等。模拟计算机的基本运算部件为加（减）法器、积分器、乘法器、函数器和其它非线性部件。这些运算部件的输入输出变量都是随时间连续变化的模拟量电压，故称为模拟计算机。能快速求解微分方程。可以灵活设置仿真试验的时间标尺。易于和实物相连。由于受到电路元件精度的制约和易于受到外界的干扰。,2数字计算机仿真数字计算机的基本组成是存储器、运算器、控制器和外围设备等。由于数字计算机只能对数码进行操作，所以任何动态系统在数字计算机上进行仿真都必须将原系统模型变换成能在数字计算机上进行数值计算的离散时间模型。故数字仿真需要研究各种仿真算法，这是数字计算机仿真与模拟计算机仿真的最基本的差别。数值计算的延迟。仿真模型的数值化。计算精度高。实现实时仿真比模拟仿真困难。利用数字计算机进行半实物仿真时需要有A/D、D/A转换装置与连续运动的实物相连接。,3混合计算机仿真混合计算机系统是由模拟计算机、数字计算机通过一套混合接口（A/D、D/A）组成的数字、模拟混合计算机系统，该系统具有模拟计算机的快速性和数字计算机的高精度和灵活性的优点。混合仿真系统可以充分发挥模拟仿真和数字仿真的特点。仿真任务同时在模拟计算机和数字计算机上执行，这就存在按什么原则分配模拟计算机和数字计算机任务的问题，一般是使模拟计算机承担精度要求不高的快速计算任务，数字计算机则承担高精度、逻辑控制复杂的慢速变化任务。混合仿真的误差包括模拟机误差、数字机误差和接口误差，这些误差在仿真中均予以考虑。一般混合仿真需要专门的混合仿真语言来控制仿真任务的完成。,1.2.2仿真软件及仿真计算机仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的功能可概括为：1)模型描述的规范及处理；2）仿真试验的执行与控制；3）资料与结果的分析、显示及文档化；4）对模型、试验程序、资料、图形或知识的存储、检索与管理。根据上述功能的实现情况，仿真软件分为仿真程序、仿真语言。仿真程序是仿真软件的初级形式，仿真程序用于某些特定的问题的仿真。仿真语言通用仿真语言：可以处理一般的数学、物理问题的ACSL,CSSL,TUTSIM,CSMP等，这类语言可以被应用于各个领域，是通用仿真语言只能解决一般的、不太复杂问题。专用仿真语言：要解决特殊的问题就需要专用的仿真语言MATLAB，PSPICE等。,仿真计算机：个人计算机、工作站、大型计算机、巨型计算机。,1983年12月26日，我国第一台巨型计算机“银河I”亿次巨型机在国防科大诞生，使我国成为继美国和日本之后第3个能研制巨型机的国家。1985年研制成功的第一台银河全数字仿真计算机为“长二捆”运载火箭的研制成功发挥了重要作用。1993年又研制成功了“银河全数字仿真-”计算机，主要应用于大型动态连续系统仿真。,1997年6月19日，由国防科技大学计算机研究所研制的“银河-III”百亿次巨型计算机系统，在北京通过了国家技术鉴定。这个系统综合技术达到了当前国际先进水平，并突破和掌握了更高量级计算机的关键技术，具备了研制更高性能巨型机的能力，它标志着我国高性能巨型机研制技术取得新突破。,1.2.3计算机仿真的发展与展望1沉浸式计算机仿真技术虚拟现实技术(VRVirtualRe