第一章 计算机仿真技术概论.ppt

第一章计算机模拟技术概述，1.1概述工程设计和理论学习过程中，我们会遇到许多具有特定功能的有机整体，包括客观实际的实体和实体之间的相互作用和相互依存关系，要量化系统的研究系统的行为，必须采取一定的方法。1.2解决工程问题，解决问题5集简单叙述问题说明输入/输出信息使用简单数据计算问题系统实验研究实际测试，工程问题的实验研究：分析方法：使用已经掌握的理论知识进行理论分析计算的纯理论意义方法。特征：基本上是纯数学分析问题，在工程实践中，分析方法受到理论的不完全性和事物认识的不完全性等的极大限制。工程问题的实验研究：实验方法：将特定类型的信号应用于已存在的系统，并测量系统响应，确定系统性能的方法实际上很难实现。特点：简洁、直观、真实，但实际上很难实现。例如，控制系统实际上没有构建。实际系统不允许实验研究。费用太高，危险，周期长。工程问题的实验研究：模拟实验：在模型(物理或数学)中进行系统性能分析和研究的方法。遵循的基本原则是“相似”原则。特征：逼真的效果，高精度；费用高，时间长，更多地用作一些特别活动。随着计算机技术的发展，利用数学模型进行模拟实验研究的应用越来越广泛。同时，工程问题越来越复杂，过去依赖的实验分析技术越来越不能使用。利用计算机分析和解决工程问题已经是当今工程和科学研究的必不可少的工具。如何利用好计算机应用程序分析工程问题，将是同学们今后要学习的重点，也将是本课程的目的。1.3计算机模拟的基本概念，第一，计算机模拟的概念1，概念计算机辅助设计技术：计算机开发中的应用技术是利用计算机快速准确的计算能力、海量存储和数据处理能力，加快设计过程、缩短设计周期、提高设计质量的设计者综合分析、逻辑判断和创造性思维相结合的技术。*模拟的基本思路：使用物理或数学模型模拟实际过程，以找到对实际过程的理解。它遵循的基本原则是相似性原理。*计算机模拟：计算机模拟基于已建立的系统模拟模型，是使用计算机分析和研究系统的方法。1，模型的定义：模型是对结构信息和行为的实际系统的某种形式的说明，系统的特性和变化规律的定量抽象，是人们认识事物的手段或工具。2、模型的分类物理模型：指不转移到人类意志的客观存在的实体，如飞机开发的飞行模型；船舶制造的船舶模型等。数学模型：在特定功能或结构上相似，用数学方法再现原型的功能或结构特征。第二，仿真模型，计算机仿真模型：是指根据系统的数学模型，将仿真语言转换为计算机可以实现的模型。3，计算机模拟的3个元素和基本步骤1，3个元素(1)系统：研究对象(2)模型：系统的抽象(主，次建模)(3)计算机：工具和手段，2。基本步骤：建模和制定：确定模型的边界，模型公式处理模拟建模：选择合适的算法编程：将模拟模型描述为计算机可以执行的程序(包括模拟实验的要求、执行参数、控制参数、输出要求)模型验证：程序调试，确定选定模拟算法的合理模拟运行：模型实验模拟结果分析：系统性能导弹、卫星等特殊情况、发电厂综合调度模拟和培训系统等耗时、成本高、真实、准确的优点，但大部分都具有实时在线功能。2、数学模拟：在计算机上采用数学模型，不实时，特点是离线，经济、快速、实用。第二，按计算机类型分类，第一，模拟：使用数学模型在模拟计算机上进行的实验研究。20世纪50年代，描述连续物理系统的动态过程比较自然、现实，具有模拟速度快、失真少、结果可靠等优点，但受组件性能的影响，模拟精度低。模拟计算机的核心是我们熟知的模拟运算放大器由主要部件组成的运算部分。2，数字仿真：数字计算机仿真实验的数学模型，采用数值计算方法。数字仿真的优点是计算和仿真的精度高。理论上，计算机的字符长度可以根据精度要求“任意”设计，因此仿真精度可能是无限的，但是根据误差积累、仿真时间等因素，精度也不容易确定得太高。数字仿真对计算机控制系统的仿真更加方便。仿真实验的自动化程度高，可以方便地执行显示、打印等功能。3，混合仿真：组合仿真和数字仿真。4、现代计算机仿真：采用专用仿真软件，基于仿真语言的高级微机，其数值计算功能强大、使用方便、易于学习。1.5模拟技术的应用和开发，第一，模拟技术在工程中的应用1，航空和航天工业飞机设计的三阶段模拟系统：纯数学模拟(软件)，半实物模拟，物理模拟或模拟飞行实验。飞行员和宇航员训练用飞行模拟模拟器。2、电力工业电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、暂态稳定性和最优潮流控制等。电站操作员培训模拟系统。3，核工业模拟反应堆核电站模拟器用于操作员培训和异常故障排除处理。4、石油、化学和冶金产业5，非空间学科医学社会学宏观经济和商业战略研究，2、应用模拟技术的重要性，1、大型经济和复杂系统直接实验成本高。例如，飞船的飞行实验成本很高，而采用模拟实验不仅可以重复使用设备，而且成本为1/10到1/5。2、载人飞机、核电站等特定系统的安全，直接实验往往有很大的风险，甚至不允许，通过模拟实验有效地减少风险，确保系统研究。3，提高设计效率：电路设计、服装设计等。4、具有优化设计和预测的特殊功能，在某些物理系统的结构和参数难以优化的情况下，仿真可以发挥特殊的优化设计功能。在社会、经营、经济等非工程系统中，直接实验几乎是不可能的，此时通过仿真技术的应用，可以获得对系统的一种超前理解。第三，计算机仿真技术的发展趋势，第一，硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效地提高仿真系统的速度，大大提高数字仿真的实时性能。2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推进新的创新，多种专家系统和智能技术将更深入地应用于仿真软件开发，为人机界面、结果输出、综合评价等提供了更理想的领域。3，分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。4、虚拟现实技术：涵盖计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术和模拟技术等多个领域，将人们融入现实环境。，1.6计算机模拟软件，第一，模拟软件开发1，程序编程阶段的所有问题(例如，微分方程求解、矩阵运算、绘图等)用高级算法语言(例如，c、fortran等)编写。2、程序包步骤中出现“应用程序子程序库”。3、交互式语言阶段(模拟语言)模拟语言可以使用实现诸如“系统特征值解决方案”等功能的命令，用户无需考虑任何算法或实现方法等问题。4，模型图形构建步骤与设计者基于模型的图形说明相匹配。第二，多个模拟软件1，PSPICE:适用于组件级模拟的电子电路模拟软件。2，MATLAB:具有强大的数值计算功能，包括各种工具箱，是高级科学分析和计算软件。3，SIMULINK:MATLAB中基于建模图形配置的动态仿真环境。第三，MATLAB简介，mathworks是高性能数值计算和可视化软件，它将数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示结合在一起，形成易于使用、界面友好的用户体验。MATLAB的发布在每个领域都受到广泛关注，强大的扩展能力为每个领域的应用程序提供了基础。各领域的专家学者相继推出了信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、电力系统分析等MATLAB工具箱。使用MATLAB的工具箱可以直观、轻松地执行分析、计算和设计任务，从而大大节省时间，快速设计更多解决方案，以确保未来的更多技术需求。MATLAB在产品形式几年后，开放和可靠性运行良好，所以删除了原来控制领域的封闭软件包，并更改了MATLAB平台的重建。进入20世纪90年代，MATLAB成为国际控制界公认的标准计算软件。20世纪90年代初期，在国际30多个数学科学应用中，MATLAB垄断了数值计算。Mathcad非常受欢迎，因为它提供计算、图形和文字处理的集成环境。MATLAB语言的主要优点：。在强大的数值运算 MATLAB中，可以使用500多个数学、统计、科学和工程函数，显示自然函数，因此，可以轻松地创建问题和答案，使用户比计算机操作更能尽力解决问题。语言简单的MATLAB语言使用户能够使用与编写计算公式(如BASIC、fortran语言、c语言)的思维方式更接近的数学形式的语言编写程序。由于是用c语言开发的，少数程序流控制语句与c语言几乎不同，初学者也很容易掌握。高级数据可视化功能MATLAB面向对象的图形体系结构，使用户可以执行视觉数据分析，创建高质量的图形，完成科学或工程图形文章。开放、可扩展的体系结构MATLAB允许用户访问大多数数学原始代码，更改现有函数，并添加自己的函数以使MATLAB成为用户喜欢的环境。丰富的工具箱传统工具箱：符号运算、图像处理、统计分析、信号编号处理、神经网络、电力系统分析、仿真分析、控制系统、实时控制、系统确认、电弧分析、优化、模糊逻辑、化学计量分析等。可移植性和开放性MATLAB是用c语言编写的，可以很容易地移植到能够运行c语言的操作平台上。MATLAB有效的工作平台包括：Windows系列、Unix、Linux。除内部函数外，MATLAB的所有核心文件和工具箱文件都是公开的可写源文件，用户可以通过源文件的修改和自己的编程来构建新的工具箱。，语句是简单而丰富的MATLAB语言最基本的组成部分，即函数a，b，c.=fun (d，e，f.)，即函数名、输入变量d、e、f.和输出变量a、b、c.由组成的函数名f、输入变量(包括无输入变量)和表示各种含义的各种输出变量的数量。这不仅进一步丰富了MATLAB的库功能，还大大减少了所需的磁盘空间，使MATLAB创建的m文件简单、短、高效。高效方便的矩阵和数组运算MATLAB语言指定矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符和赋值运算符(如fortran和c语言)，这些运算符大部分可以复制到数组之间的运算，而无需进行任何更改。高版本的MATLAB逐渐扩展到科学和工程计算的其他领域。因此，不久MATLAB肯定会成为“通用微积分纸”式的科学算法语言。3235便利的绘图功能MATLAB绘图使用一系列绘图函数(命令)(例如线性坐标、对数坐标、半对数坐标和极坐标)调用不同的绘图函数(命令)，只需调用相应的命令来绘制图表标题、XY轴尺寸、栅格(栅格)，就简单易行了。此外，调用绘图函数时，如果调整参数，将绘制不变的点、直线、多行或多行。第四，Simulink简介，Simulink是MATLAB的附加组件，它提供了系统建模和动态模拟平台，是用于动态系统建模、模拟和综合分析的集成软件包。采用模块耦合方法，使动态系统的计算机模型快速准确。可处理系统是线性的，非线性的系统。离散、连续和混合系统；对于单任务、多任务离散事件系统，尤其是复杂的非线性系统，其效果更加明显。Simulink模型可用于模拟线性或非线性、连续或离散，或两者的混合系统。也就是说，它可以用于模拟几乎所有可能发生的动态系