工程系统仿真

1、摘要：随着计算机技术和信息技术等高新技术的快速发展，仿真技术得到了快速的推动，并 且在工程技术的发展中越来越重要。本文将首先介绍仿真技术的概念及特点，然后介绍仿真 技术在工程中的重要作用，进而分析工程仿真技术发展水平以及展望其发展趋势。关键词：仿真技术；工程系统一、仿真技术的概念仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的相关专业 知识技术为基础，以计算机系统和相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模 型对系统（已有的或设想的）进行研究的一门多学科的综合性的技术。在现代的工程系统中，仿真是一种常用而且有效的方法，因为他可以对复杂 的动态对象进行分析，可以缩短设计和制造的周期，减少

2、风险并节约投资。而随 着计算机技术的迅速发展，借助计算机，利用系统模型对实际系统进行试验研究 使得仿真技术更加普及。利用计算机对工程系统仿真的过程可以通过三个基本活 动来描述：1）建模活动：通过对实际工程的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测 变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际工程系统的简化近 似模型。这里的模型与实际工程系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。2）仿真模型：对工程系统的数字模型（实际是一种简化后的模型）进行一 定的算法处理，使其成为合适的形式之后以便于计算机进行计算。仿真模型对实 际工程系统来讲是一个二次简化的模型。3）过程仿真：将实际工程的状态在模型中

3、进行模拟。通过仿真技术可以弄 清工程系统的内在变量对被控对象的影响。二、工程仿真技术的特点工程系统的仿真凭借新的加工制造技术和执行机构技术的支持，对设计、制 造和维护高性能执行机构，以及构建一个包括控制器和执行机构的完整的自动化 系统起到了积极作用，也因此得到了巨大的发展。而现代的工程仿真技术具有如 下特点：1）在工程系统中，仿真技术是一门通用的支撑性技术1。在决策者们面对 一些重大的、棘手的问题时，仿真技术能以其他方法无法替代的特殊功能为其提 供关键性的见解和创新观点。2）工程仿真技术的发展具有相对的独立性，同时又与光、机、电、声，特 别是信息等众多专业技术领域的实际发展互为促进。因此，工程

4、仿真技术具有学 科面广、综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、 不受气候及场地空间的限制等独特优点，这是其他技术无法比拟的。3）工程仿真技术的发展还与应用紧密相关。应用需求是推动仿真技术发展 的源动力，工程仿真技术应用效益不但与其工程技术实际水平的高低有关，还与 应用的工程领域的发展密切相关。大量实例表明，仿真技术的有效应用必须依托 于先进的仿真系统，只有服务于应用的仿真系统向前发展了才能带动工程仿真技 术的发展。因此，必须处理好应用要求牵引、系统带技术、技术促系统、系统服 务于应用的辩证关系。三、仿真技术在工程系统中的作用工程系统的仿真起源于自动控制技术领域。从最初的

5、简单电子、机械系统， 逐渐发展到今天的涵盖机、电、液、热、气、电、磁等各个专业领域，并且在控 制器和执行机构两个方面上飞速发展。控制器的仿真软件，在研究控制策略、控 制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持。随着执行机构技术的发展，机、 电、液、热、气、电、磁等驱动技术的进步，以高可靠性、高精度、高反应速度 和稳定性为代表的先进特征，将工程系统的执行品质提高到前所未有的水平。这 也使得仿真技术在现代工业系统中发挥着重要作用：1）利用仿真技术可以提高工程系统产品的开发质量。现代产品开发强调“最 优化设计”，以追求产品全寿命周期的综合性能最佳为核心准则。但是，产品在 其全寿命周期内可能遇到各种各

6、样的工作环境，而且这些复杂的工作环境往往是 人工难以完成的。应用仿真技术，可以在产品尚未最终设计出来之前就考察研究 它们在各种工作环境下的表现，从而保证其综合性能为最优。2）利用仿真技术可以缩短工程设计周期。传统的工程设计往往要经历如下 过程：方案设计-图样设计一施工设计-实际施工等一系列步骤，在任何一个步 骤中发现问题，常常要退回到前面一个步骤重新循环。此外，图纸的设计与验算 要花费很多的时间，这样会造成设计时间冗长，为避免大量消耗精力而采取保守 的设计等状况的发生。利用仿真系统则可大大提高设计效率，并且能遇见某种方 案可能产生的后果，从而提高设计水平，对于一些安全隐患可以做到防范于未然 保

7、证施工的正常进行。3）利用仿真技术可以大大地减少工程造价，提高生产效率。用计算机模型 代替实际的实验模型，不仅可以大大地缩短设计周期而且还能节省开支。这一点 在土木工程中尤为突出。四、工程系统仿真技术的发展现状工程系统的仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构 和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置等技术一起，在贯穿产品的设计、制造 和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也 在满足越来越高和越来越复杂的要求。因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展 到了协同仿真阶段。其主要特征表现为：1）控制器和被控对象的联合仿真目前的工程系统仿真，不再是单一的控制仿真

8、或是被控对象仿真，而是过渡 到了控制与被控对象、执行机构的联合仿真。在仿真的过程中，通常把几种仿真 软件结合起来进行联合仿真，目前常用的软件有MATLAB和AMESIM软件3， 它们几乎可以覆盖整个自动控制系统的全部仿真要求。2）被控对象的多科学、跨专业的联合仿真在工程系统中，有各种类型的被控对象，有些被控对象及其复杂，其技术涉 及到多学科、多专业，因此就需要将多学科技术，多种软件结合到一起进行联合 仿真，目前通常将结构动力学、电磁分析等学科技术与AMESIM、CFD软件联 合起来进行仿真。3）实时仿真实时仿真技术在工程系统中是由仿真软件与仿真器等半实物仿真系统联合 实现的，通过物理系统的实时

9、模型来测试成型或者硬件控制器。通过仿真看到输 入和输出的直接关系，通过仿真图像了解工程系统的稳定性、响应时间、精确度 等等各项参数，通过改变参数或者加入反馈的形式来达到要求的工程控制效果。4）集成设计平台现代研发制造单位，尤其是设计研发和制造一体化的大型单位，引进 PDM/PLM系统已经成为信息化建设的潮流。在复杂的数据管理流程中，工程系 统仿真作为CAE工作的一部分，同样被要求嵌入流程，与上下游工具配合。5）超越仿真技术本身工程师不必是精通数值算法和刚才仿真技术的专家，而只需关注自己的工程 控制对象，其他大量的模型建立、算法选择和数据前后处理等工作都交给软件自 动完成。这一技术特点极大地提高

10、了工程系统仿真的效率，降低了工程系统仿真 技术的应用门槛，避免了因为不了解算法而造成的仿真失败。6）构建虚拟产品4通过建立虚拟产品进行开发和优化过程，关注以各种特征值为代表的工程系 统性能，实现多方案的快速比较。五、工程系统仿真技术的发展趋势工程系统仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真 计算机的智能化。仿真技术将不仅在传统的工程技术领域继续发展，而且其发展 将影响到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识 库和专家系统等技术的发展正影响着刚才仿真技术的发展。其发展趋势主要表现 在如下几个方面：1）摈弃单专业的仿真单一专业仿真将退出工程系统设计的领域，

11、不再专注于单一专业技术的深入 发展。作为总体优化的工程系统设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协 同仿真。2）平台化目前对工程系统进行仿真，要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理、 数据传递等全部工程系统工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的 PDM/PLM平台上。同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺 度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据管理。3）整合和细分市场整合化：将出现主流的标准工具。其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要 系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交 互，有协同工作的能力；软件自身的技术发展迅

12、速，具有强大的发展后劲。专业化：随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的仿真工具。 这些专业工具将在某些具体的领域提供深入研究的特殊支持。将会出现整合型工程系统仿真工具和专业化工程系统仿真工具互补的局面。智能化工程系统仿真所用的仿真软件将更加智能，将引进更加友好的操作界面，智 能化的求解器及模型管理。通过不断改进让软件使用者直接体验到数值计算专家 开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。提供易学易 用的强大工具，使开发人员更加容易对实际工程系统进行仿真。参考文献1杨明，张冰，王子才.建模与仿真技术发展趋势分析J.系统仿真学报,2004,16(9):1901-1904,1913.杜志强.仿