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文档简介
1、 主要内容主要内容 仿真技术仿真技术及其重要性 科研工作的基本方法基本方法 学习本课程的目的与方法目的与方法 相似原理相似原理及其应用 模型模型及其建立 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 解析法解析法: 运用已掌握的理论知识,对所研究的对象进行理 论方面的分析、计算及综合。 最佳路径问题 庞得里亚金 极大值原理 工程最优问题 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 解析法解析法: 工程动力学问题 F=ma 一阶倒立摆 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 解析法解析法: Routh判据 英国E.J.Routh建立 (Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875
2、年) 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 2实验法:实验法: 在所建立的实际系统(或模型)上,利用各种仪 器仪表,通过施加一定类型的激励信号,测取系 统响应来确定系统的性能。 几个弊端 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 2实验法:实验法: 实际系统 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 2实验法:实验法: 系统模型 + + - - + + - - d U d I M n d nu F x Fx M 路面 + + + - - - ( )U t ( )i t LR ( ) c U tC 1 h h q 1 q t y 2 2 ( ) d xdx abcxy t dtdt c uu x yx
3、hq 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 3仿真实验法:仿真实验法: 在模型上(物理的/数学的)所进行的系统性能分析 与研究的方法。 遵循的基本原则是相似原理。 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 3仿真实验法:仿真实验法: 数学模型 3 1123 2 1 3 112 2 32 222333 3 31123 32 3233 22 ()sin sin1 ()cossin cos(sin) 1 (2sin) x fDxfx x x M x fDx xx xfx xgxx mMM x xfDxfx xx xx xgx xMmx 吊车摆动 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 3仿真实验法:仿真实
4、验法: 虚拟模型 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 3仿真实验法:仿真实验法: 实物模型 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 3仿真实验法:仿真实验法: 仿真实验性能比较: 数 学 模 型 虚 拟 模 型 实 物 模 型 实 物 原 型 仿真精度 低高 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 3仿真实验法:仿真实验法: 工程应用: 飞行器设计的三级仿真体系 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 4混合法:混合法: 解析法+实验法 工程实例: 水轮发电机组 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 4混合法:混合法: gt MM dt d I tt QH M 流体力学:层流/紊流 00 0 00
5、 0 PaPHPQ QaQHQP PPP PHQeeHe Q HQ QQQ QHPeeHeP HP 我们要确定的“六系数”(偏导数) 工程实例: 水轮发电机组 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 4 混合法:混合法: 工程实例: 水轮发电机组 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 5猜想法:猜想法: 又称为“假想法”,通过人们对所研究问题的 “直觉”,提出“可能的”结果/结论,利用 “反演/推理/证明”的方法进行“创造性”的研 究和发现。 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 5猜想法:猜想法: 哥德巴赫猜想 相对论假说 电磁波设想 科研工作的科研工作的基本方法基本方法 5猜想法:猜想法:
6、宇宙大爆炸 理论 主要内容主要内容 仿真技术仿真技术及其重要性 科研工作的基本方法基本方法 学习本课程的目的与方法目的与方法 相似原理相似原理及其应用 模型模型及其建立 相似性原理相似性原理及应用及应用 仿真实验所遵循的基本原则仿真实验所遵循的基本原则原理原理 科学技术创新与应用的桥梁科学技术创新与应用的桥梁 1、几何相似 2、环境相似 3、性能相似 4、思维相似 5、生理相似 相似性原理相似性原理及应用及应用 1、几何相似、几何相似 船舶实物仿真 相似性原理相似性原理及应用及应用 2、环境相似、环境相似 船舶驾驶培训仿真系统 相似性原理相似性原理及应用及应用 3、性能相似、性能相似 + +
7、- - + + - - d U d I M n d nu F x Fx M 路面 + + + - - - ( )U t ( )i t LR ( ) c U tC 1 h h q 1 q t y 2 2 ( ) d xdx abcxy t dtdt c uu x yx hq RLC电路 二阶系统 汽车减震系统 水箱液位控制系统 直流电动机转速测量系统 相似性原理相似性原理及应用及应用 相似定理:相似定理: 相似第一定理:相似第一定理:彼此相似的现象必定具有数值相 同的相似准则。 第一定理: 第二定理: 第三定理: 例:粘性不可压缩流体的稳定等温流动问题; 22 wlPgl ww 常数常数常数 主
8、要内容主要内容 仿真技术仿真技术及其重要性 科研工作的基本方法基本方法 学习本课程的目的与方法目的与方法 相似原理相似原理及其应用 模型模型及其建立 模型模型及其建立及其建立 模型的重要性模型的重要性 勾股定理 模型模型及其建立及其建立 模型的重要性模型的重要性 电磁场理论 涡旋磁场 位移电流 赫兹 模型模型及其建立及其建立 模型的重要性模型的重要性 1、把世间的现象/问题上升到“数学抽象/数学模型”的 理论高度是现代科学发现与技术创新的基础。 2、“实验、归纳、推演”是建立系统“数学模型”的重 要手段/方法/途径。 3、“数学模型”是人们对自然世界的一种抽象理解,它 与自然世界/现象/问题具
9、有“性能相似”的特点。 模型模型及其建立及其建立 建模三要素:目的,方法,验证建模三要素:目的,方法,验证 1.目的要明确 飞行器 目的2 飞行器的结构强度 目的1 飞行器的动态性能 流体力学 结构力学 方法1 方法2 模型模型及其建立及其建立 建模三要素:目的,方法,验证建模三要素:目的,方法,验证 2.方法要恰当 (1)逻辑推理方法:归纳、推演、类比、移植 (2)机理建模法: 白箱问题 (3)实验建模法:黑箱问题 (4)综合建模法:机理+实验 模型模型及其建立及其建立 建模三要素:目的,方法,验证建模三要素:目的,方法,验证 3.结果要验证 数学模型必要条件 实物模型充要条件 实际应用结果
10、检验 模型模型及其建立及其建立 建模过程建模过程 主要内容主要内容 仿真技术仿真技术及其重要性 科研工作的基本方法基本方法 学习本课程的目的与方法目的与方法 相似原理相似原理及其应用 模型模型及其建立 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 控制系统CAD 机械系统CAD 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 控制系统控制系统CAD 固有特性分析 Bode Diagram Frequency (rad/sec) Magnitude (dB) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 10 -1 10 0 10 1 10 2 T (S) 2 T (S) 1 L
11、=1.1m L=1.0m L=0.9m T (S) 1 T (S) 1 L=1.0m Root Locus Real Axis Imag Axis -6-5-4-3-2-10 -3 -2 -1 0 1 2 3 Root Locus -10 -5 0 5 10 -2.5-2 -1.5-1 -0.500.5 Real Axis Imag Axis 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 控制系统控制系统CAD 闭环控制性能分析 直流电动机双闭环调速系统设计 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 控制系统控制系统CAD 闭环控制性能分析 00.140.280.420.560.7 -4 -2 0 2 4
12、 6 ASR输出/V 00.140.280.420.560.7 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 转速n/r/min ASR输 出 转 速 00.140.280.420.560.7 -10 -2 6 14 22 30 电动机电流/A 00.140.280.420.560.7 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 转速n/r/min 电 动 机 电 流 转 速 =5.3% =21.3% -10 -4 2 8 14 20 电动机电流Id/A 012345 0 400 800 1200 1600 2000 t/s 转速n/r/min 1A 13A 转 速
13、电 动 机 电 流 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 控制系统控制系统CAD 球棒系统 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟现实(VR) 虚拟样机: 1仿真实验的高级形式 2可视化/真实性 3有助于人们的创造与想象力的发挥 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟现实(VR) 虚拟样机: 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟现实(VR) 感知设备: 表现装置: 三大特征: 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟现实(VR) 感知设备: 仿真技术仿真技术及
14、其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟现实(VR) 表现装置: 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟现实(VR) 三大特征: 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟样机: 虚拟现实仿真技术 虚拟制造 虚拟环境 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟样机: 虚拟现实仿真技术 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟样机: 虚拟制造 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟样机: 虚拟环境 勇气号火星车 仿真技术仿真
15、技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟环境 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 虚拟样机 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 工程应用: 1 车辆肇事仿真 2飞行器设计 3 联合仿真 4 军事工程 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 工程应用: 1车辆肇事仿真 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 工程应用: 2飞行器设计 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 工程应用: 3联合仿真 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要
16、性 仿真技术的应用仿真技术的应用 工程应用: 4军事工程 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 常用的工具软件 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 1 美国MDI/MSC公司 2 50市场份额 3 运动学/动力学/机电一体化 4 网址: 。 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 常用的工具软件 PSPICE(模拟电路CAD软件) 1电子电路仿真软件 2 ORCAD公司的商业化EDA软件 3直流/交流电路、瞬态特性优化设计、数字模拟混 合电路、电路绘图仿真一体
17、化 4网址:。 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 常用的工具软件 SABER(电气、模拟、混合信号仿真软件) 1图形化界面 2稳态、时域、频域、可靠性 3应用于电源、电力电子、电气、机电一体化设计 4网址:www.jialing- 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 常用的工具软件 ANSYS (结构、热、流体、电磁和声学运用有限元分析软件) 1求解“热结构耦合”、“磁结构耦合”以及 “电磁流体热耦合”等问题 2多种物理介质相互作用下的“动态性能” 3梯度显示、立体切片显示、图表/曲线显示 4网址:。 仿真技术仿真技术及其重要性
18、及其重要性 仿真技术的发展仿真技术的发展 发展历程: 1、1773年,法国自然学家G.L.L.Buffon的“投针实验”; 2、20世纪40年代,随模拟计算机的出现而起步/发展; 3、1955年,数字计算机的出现为仿真技术的应用开辟了 道路,但是“汇编语言”限制了其广泛发展; 4、1966年,雷诺(T.H.Naylor)给“仿真”做出了如下 定义:“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术, 包括数学与逻辑模型的某些模式,这些模型描述某一事件 或经济系统在若干周期内的特征”,它标志着“仿真实验” 作为一种专门技术,从应用到理论的成熟。 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的发展仿真技
19、术的发展 发展历程: 5、20世纪70年代,以FORTRAN为代表的高级语言与 多种专用的仿真语言(如:MIMIC、DSL/90、CSSL、 CSMP等)为“数字仿真技术”的广泛应用奠定了基础; 6、1978年,美国推出的AD10数字/模拟混合计算机使 “仿真技术”得以进入军事、武器装备等领域的深层应 用。 7、20世纪80年代初,MATLAB软件出现,并开始广泛 得到应用; 8、1983年,美国国防高级研究计划局(DARPA)与陆 军共同制定了仿真组网(SIMNET)计划; 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的发展仿真技术的发展 发展历程: 9、1984年,William Gib
20、on提出了“虚拟现实”的概念, 为仿真技术的应用指出了新的发展方向; 10、1985年,美国推出性能更加强大AD100数字/模拟混 合计算机(可用于洲际导弹/多目标飞行器实时仿真); 11、1989年,美国评出了科技领域近25年间最杰出的十 项技术成果,将CAD/CAM技术列为第四项,被称为“推 动了几乎所有设计领域的革命”; 12、1992年,美国政府提出的22项国家关键技术中,仿 真技术被列为第16项;在21项国防关键技术中,仿真技 术被列为第6项; 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的发展仿真技术的发展 发展历程: 13、1993年,中国“银河仿真型机”研制成功; 14、19
21、96年,美国学者Macredie系统阐述了虚拟现实、 仿真环境、面向对象的建模机制等重要概念与理论,为 虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应 用推波助澜; 15、1999年,“银河高性能分布仿真计算机”在长沙 诞生,这标志着我国的仿真技术已达到国际先进水平; 16、进入21世纪,“虚拟现实仿真技术”开始在影视 艺术、工业设计、生活娱乐等领域大量应用;“仿真技 术”已成为“现代工程技术人员应该掌握的基本技能之 一” 仿真技术仿真技术及其重要性及其重要性 仿真技术的应用仿真技术的应用 发展趋势: 1 在硬件上,基于多CPU的并行处理技术的全数字仿真技 术将有效的改善仿真系统的“实时性”; 2 基于网络技术的分布式数字仿真系统将广泛应用; 3 基于虚拟现实技术的“多媒体环境条件下的仿真技术” 将推进军事、工业、生活、娱乐等领域的深层次应用; 4 “离散事件系统”的仿真问题将成为人们研究的另一热点; 5“仿真技术”将成为
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