第0章计算机仿真概述

计算机仿真,罗丹luodan,概述,何谓系统仿真？,为什么能进行仿真?仿真的理论依据?,怎样进行仿真?,系统仿真技术有什么用?,课程内容简介,概述,何谓系统仿真？,为什么能进行仿真?仿真的理论依据?,怎样进行仿真?,系统仿真技术有什么用?,课程内容简介,计算机仿真技术,计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。,建模与仿真技术与高性能计算一起，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。,例1磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,系统工作原理：电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重量相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平衡状态是一种不稳定的平衡，这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与它们之间的距离成反比，只要平衡状态稍微受到扰动（如：加在电磁铁线圈上的电压产生脉动、周围的震动、风等），就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住，因此必须对系统实现闭环控制。由光电源和传感器组成的测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离变化，当钢球受到扰动下降，钢球与电磁铁之间的距离增大，传感器所敏感的光强增强，其输出电压增大，经控制器调节、功率放大器放大处理后，使电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大，电磁力增大，钢球被吸回平衡位置。反之亦然。,为了使钢球稳定地在空中悬浮，钢球在水平方向上也应有一定地稳定范围。为了解决这个问题，把电磁铁铁芯指向钢球的一端做成锥体形，当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时，电磁力总是指向钢球表面的法向方向，此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量，水平方向分量使钢球恢复到原中心位置。,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,磁悬浮球控制系统主要由铁芯、线圈、光电源、位置传感器、放大及补偿装置、数字控制器和控制对象钢球等元件组成。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统开环结构如图所示。,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,1.控制对象的运动方程忽略小球受到的其他干扰力,则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力F和自身的重力mg。球在竖直方向的动力学方程可以如下描述：,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,2.系统的电磁力模型由磁路的基尔霍夫定律、毕奥-萨伐尔定律和能量守恒定律有：,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,3.电磁铁中控制电压与电流的模型电磁铁绕组上的瞬时电感与气隙间的关系如图所示。,电磁铁通电后所产生的电感与小球到磁极面积的气隙有如下关系：,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,4.平衡时的边界条件当小球处于平衡状态时，其加速度为零，即所受合力为零，小球的重力等于小球受到的向上的电磁吸引力，即：,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,5.系统数学模型综上所述，描述磁悬浮系统的方程可完全由下面方程确定。,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,对电、力学关联方程线性化后，设系统得状态变量为：,则系统的状态空间方程为：,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,6.系统物理参数系统实际的模型参数如表所示,7.Matlab下数学模型的建立下面是磁悬浮实验系统对象的数学模型在Matlab下编程的实现：,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,%实验系统参数初始化%m=0.028;g=9.82;R=13;L=0.118;x0=0.0155;i0=1.2;K=(m*g*x02)/i02;%数学模型建立A=010;2*K*i02/(m*x03)0-2*K*i0/(m*x02);00-R/L;B=0;0;1/L;C=100;D=0;num,den=ss2tf(A,B,C,D)；变量num、den分别为开环传递函数的分子与分母系数，A、B、C、D为状态空间方程中的相应矩阵。,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,数学模型求解函数如图所示。,例磁悬浮小球控制系统-系统建模及仿真,8.Simulink仿真Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。,系统开环阶跃仿真框图,系统开环阶跃响应仿真图,从示波器所显示的特性可以看出，此系统是一开环不稳定系统，当有一微小扰动时，小球将偏离平衡位置。因此，需要使用某种方法来控制小球的位置。我们将使用PID控制器来稳定系统。（略）,运动仿真,运动仿真,一、何谓系统仿真？,科学研究,理论研究,实验研究,理论具有指导意义，没有理论的实践是盲目的实践，而不能解决实际问题的理论再好也是没有意义的。,实验研究是理论研究的基础,在机械工程中也需要试验,将按一定比例缩小的飞行器模型置于风洞中吹风，测出飞行器的升力、阻力、力矩等特性；,要建一个大水电站，先建一个规模缩小的小水电站来取得建设水电站的经验及其运行规律；,一般地，对一个产品、设备、系统,为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行实验。,设计,制造,性能试验,定型,试验的方法,1.直接在真实系统上进行,2.构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的实验,时间长、费用高；易引发故障；,多次实验，条件难保相同，带来结果判断上的困难。,物理模型,数学模型,数学物理效应模型,在模型上进行试验日益为人们所青睐，建模技术也就随之发展起来。,系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解；,系统仿真,所谓系统仿真就是建立系统的模型，并在模型上进行试验。,系统仿真,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，以计算机和其他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试验性科学。,系统仿真与计算机仿真,计算机仿真是从工具的角度给出的说法。,系统仿真是从研究对象的立场而提出的名称，从学科的意义上看，系统仿真技术是更科学的名称。,所谓仿真就是在计算机上对系统进行实验，通过实验研究达到了解系统运行规律和特性的目的。,概述,何谓系统仿真？,为什么能进行仿真?仿真的理论依据?,怎样进行仿真?,系统仿真技术有什么用?,课程内容简介,二、仿真的理论依据,相似原理,几何、环境、性能相似,仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过程和规律。它的基础是相似现象，相似性一般表现为两类:几何相似性和数学相似性。相似性既有几何形状的相似，结构的相似，功能的相似，还有机理和联想的相似，后者尤其是创造性的源泉。,从动态性能来看，在相同形式的输入作用下，数学模型相同而物理本质不同的系统其输出响应相似，这样就可以利用电系统来模拟其他系统，进行实验研究。,功能模拟方法,信息分析方法,物理本质不同的系统，可以有相同的数学模型，反之，同一数学模型可以描述物理性质完全不同的系统。因此，可以抛开系统的物理属性，用同一方法进行分析研究。,概述,何谓系统仿真？,为什么能进行仿真?仿真的理论依据?,怎样进行仿真?,系统仿真技术有什么用?,课程内容简介,三、怎样进行仿真？,1.仿真的基本概念框架,建立模型,实验,结果分析,2.系统仿真的三个基本活动,系统建模,仿真建模,仿真实验,联系这三个活动的是系统仿真的三个要素：,系统,模型,计算机,系统仿真三要素,系统,模型,计算机,研究的对象,工具,系统的抽象,模型建立,仿真模型建立二次建模,仿真实验,通过对模型的实验达到研究系统的目的,3.仿真的一般步骤,第一步：针对实际系统建立其模型,第二步：仿真建模,第三步：程序设计,第四步：程序检验,第五步：仿真实验,第六步：仿真结果分析,选择算法；解决稳定性、计算精度、计算速度等问题,根据研究目的，从多方面对模型进行实验。,必须足够重视。需要实践经验。,每个步骤往往需要多次反复和迭代,系统抽象、数学建模,4.仿真语言和软件,工科学生应掌握的仿真语言和软件,MatlabANSYSADAMS,ANSYS功能概览,结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析-多物理场,ANSYS结构分析概览,结构分析的类型:静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作响应谱或PSD).,结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.,ANSYS结构分析概览(续),谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析,Courtesy:SikorskyAircraft,ANSYS结构分析概览(续),用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为.它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法.,ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外，还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.,ANSYS热分析概览,热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.ANSYS功能:相变(熔化及凝固),内热源(例如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射),ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.,ANSYS电磁分析概览,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.,磁场分析用于计算磁场.,ANSYS电磁分析概览(续),磁场分析的类型:静磁场分析-计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场.交变磁场分析-计算由于交流电(AC)产生的磁场.瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场.,ANSYS电磁分析概览(续),电场分析用于计算电阻或电容系统的电场.典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等.高频电磁场分析用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.,ANSYS流体分析概览,流体分析用于确定流体的流动及热行为.流体分析分以下几类:CFD-ANSYS/FLOTRAN提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等.声学分析-考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等.容器内流体分析-考虑容器内的非流动流体的影响.可以确定由于晃动引起的静水压力.流体动力学耦合分析-在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元.,ANSYS耦合场分析概览,耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）.,其他需要耦合场分析的典型情况有：热应力分析流体结构相互作用感应加热（电磁热）,感应振荡,两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为加热后的变形.,ADAMS/View,可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立运动部件（或者从CAD软件中导入）、用约束将它们连接、通过装配成为系统、利用外力或运动将他们驱动。支持参数化建模，以便能很容易地修改模型并用于实验研究。用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就像做实际的物理试验一样。,ADAMS/Solver,一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程的，快速、稳定的数值分析工具。提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值方法。可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的多域问题进行分析。支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、准静力学、线性或非线性动力学分析。使用稳定的建模方法可以对巨大的模型进行分析。,ADAMS/PostProcessor,显示ADAMS仿真结果的可视化图形界面。提供了一个统一化的界面，以不同的方式回放仿真的结果。为了能够反复使用，页面设置以及数据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时间也有利于整理标准化的报告格式。可以方便地同时显示多次仿真的结果以便比较。,ADAMS,概述,何谓系统仿真？,为什么能进行仿真?仿真的理论依据?,怎样进行仿真?,系统仿真技术有什么用?,课程内容简介,四、仿真技术的应用,1.在系统分析与设计中的应用,2.在系统理论研究中的应用,3.在人员训练与教育方面的应用,对尚未建立起来的系统进行方案论证及可行性分析，为系统设计打下基础；,在系统的设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型，进行模型简化及验证，并进行优化设计；,在系统建成之后，可以利用仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改进系统的最佳途径，找出最优的控制策略。,对系统理论的研究，过去主要依靠理论推导。现在，系统仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有利的工具。它不仅可以验证理论本身的正确与否，而且还可以进一步暴露系统理论在实际应用中的矛盾与不足，为理论研究提供新的研究方向。目前，在最优控制、自适应控制和大系统的分解协调控制等理论问题的研究中都应用了仿真技术。,系统仿真应用于训练和教育是它应用的另一个重要的方向。现在已经为各种运载工具(包括飞机、汽车和船舶等)以及各种复杂设备及系统(电站、电网和化工设备等)制造出各种训练仿真器。它们在提高训练效率、节约能源及安全训练等方面起着十分重要的作用。,4.产品开发与制造.,仿真优化问题,现有软件系统介绍,TecnomatixeMPowerUGS制造过程管理,现有软件系统介绍,DELMIA(原Deneb),现有软件系统介绍,DELMIA(原Deneb),现有软件系统介绍,DELMIA(原Deneb),现有软件系统介绍,DELMIA(原Deneb),DELMIA(DigitalEnterpriseLeanManufacturingInteractiveApplication，数字企业精益制造交互式应用)是法国达索公司的产品.DELMIA为企业用户所开发的产品提供了一套完整的数字化制造解决方案。DELMIA将数字化制造分为三个不同的领域，分别是：（1）工艺规划。包括布局规划、时间安排、工艺与资源规划、产品评估和成本分析。（2）工艺细化与验证。包括制造与维护、焊点布局、装配序列、制造车间与单元布局、加工操作和劳动力配置与交互。（3）资源建模与仿真。包括工厂流程仿真、机器人工作单元的配置与离线编程、数控加工、虚拟现实场景和人机工程分析。DassaultSystemes公司旗下的3D生产线仿真解决方案DELMIAQuest:在虚拟环境下针对人员、传送系统以及物料等生产要素确定所需元件，继而建造并最终实现虚拟生产线。事先对生产线进行仿真有助于从数量和视觉上分析设备产能、人员配备以及各流程间的缓冲区差异，以便更有效地缩短建构前置时间。,现有软件系统介绍,DigitalManufacturingSolutions,现有软件系统介绍,EDS(原EAI)eFactory用于车间布置和物流分析PANELDES是设计电气面板，工厂布线系统的功能强大的软件工具。,概述,何谓系统仿真？,为什么能进行仿真?仿真的理论依据?,怎样进行仿真?,系统仿真技术有什么用?,课程内容简介,教材,五、课程内容简介,课程主要内容,概论MATLAB编程基础系统模型系统时间响应及其仿真系统频率响应及其仿真控制系统综合与校正Simulink动态仿真,部分参考书,肖田元，张燕云，陈加栋.系统仿真导论.北京：清华大学出版社，2000黄柯棣等.系统仿真技术.长沙：国防科技大学出版社，1998王沫然.Simulink4建模及动态仿真.北京：电子工业出版社，2002薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京：清华大学出版社，2000黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社，2001张志涌，精通MATLAB6.5版，北京航空航天大学出版社，2003,学习方法与学习要点,基本概念,基本原理,基本方法,基本技术,学习是基础，思考是关键，实践是根本杨叔子院士,仿真语言,系统仿真,概念、原理、方法,MATLAB=MatrixLaboratory,矩阵实验室,MATLABR2012a(7.14),靠自学、多练习,小结,以相似原理、信息技术和系统技术及应用领域有关专门技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门多学科综合的技术性学科。,仿真技术,仿真三要素,系统、模型、计算机,习题与思考题,1.1什么是系统?系统具有什么性质?1.2系统仿真的目的是什么?1.3系统的分类方法有哪些?1.4系统模型的分类方法有哪些?1.5系统建模的基本原则是什么?建模方法有哪些?1.6系统仿真一般分为哪几类?1.7什么是计算机仿真?计算机仿真的方法有哪些?1.8什么是计算机仿真软件?什么是计算机仿真语言?1.9目前计算机仿真发展到了什么阶段?1.10结合自己的专业谈谈计算机仿真的发展趋势。,几个概念,系统,系统是一个可辨别的、复杂的动态实体。它由互相关联、具有不同特征的部分或子系统所组成。其整体能保持稳定性，并能调整其行为，以适应外界的影响。模型是对实际系统或系统部分的某种形式的描述与表示。,系统由相互联系、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。,系统按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。,在定义一个系统时，首先要确定系统的边界。尽管世界上的事物是相互联系的，但当我们研究某一对象时，总是要将该对象与其环境区别开来。,边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以外的环境的作用称为系统的输出。,系统,输入,输出,激励,响应,原因,结果,系统,系统构成三要素,物质,构成系统的形体,系统的运动离不开能量,信息则是系统的灵魂,能量,信息,信息反映了系统运动的状态和特征。,世界的统一性在于物质性，除了运动着的物质，什么也没有。,哲学观点,信息的概念与信号,信息既不是物质也不具有能量,信息是事物客观存在或运动状态的特征,信息寓于信号之中信号是传输信息的载体,信号是含有能量的物质，具有可观测性,工程领域中使用的物理变量就是信号,信息是宇宙物质和运动（包括人的思维活动）的不均匀性的度量。,信息是知识的内涵。,系统描述三要素,实体,组成系统的具体对象。确定了系统的构成，也就确定了系统的边界。,也称为描述变量，描述每一实体的特征，即状态和参数。,定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程，即对象随时间推移而发生的状态变化。,属性,活动,系统要研究的内容,实体、属性和活动是任何系统都需要研究的三个内容,系统的