计算机仿真技术概论

计算机仿真技术济南大学自动化与电气工程学院授课教师：谢锦丽E-mail：cse_xiejl@联系方式：1379312801831January20231济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术课程安排31January20232济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术系统模型建模方法、连续数学模型及相互转换，系统建模方法，机理模型，非线性系统线性化，连续系统离散化数值算法欧拉法、龙格库塔法、线性多步法、刚性系统、实时仿真系统、采样仿真系统、分布参数系统MATLAB建模仿真MATLAB介绍、基本运算、矩阵运算、控制系统仿真、常微分方程仿真，Simulink的基本操作、建模方法、PID控制仿真离散事件仿真离散事件系统与模型、离散事件仿真、排队系统仿真、Petri网络仿真、随机数与随机变量现代仿真技术面向对象技术、分布交互式仿真、虚拟现实参考资料教材:计算机仿真技术基础（第2版），刘瑞叶、任洪林、李志民，电子工业出版社，2011计算机仿真基础，吴旭光、杨惠珍、王新民编著.化学工业出版社，2005.ISBN：7-5025-7249-X.TP391.9.计算机仿真技术与CAD——基于MATLAB的控制系统，李国勇、谢克明、杨丽娟编著.电子工业出版社，2008.ISBN：978-7-121-05348-1.TP391.9.控制系统仿真与计算机辅助设计，薛定宇著.机械工业出版社,2005.ISBN：7-111-15636-6.TP273.31January20233济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术考试方式：大作业成绩考核方式31January20234济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术答疑安排E-mail：cse_xiejl@联系方式间：周一下午

1J70231January20235济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术第一章

绪论1.1从现实问题开始1.2计算机仿真技术的基本概念1.3计算机仿真技术举例讲解1.4计算机仿真技术的现状与发展趋势

31January20236济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术第一章

绪论1.1从现实问题开始1.2计算机仿真技术的基本概念1.3计算机仿真技术举例讲解1.4计算机仿真技术的现状与发展趋势

31January20237济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.1从现实问题开始浴池供水系统问题的背景：在某浴池供水系统中，将烧到一定温度的热水和冷水混合，配成适当温度的洗浴用水。初始营业阶段，根据经验或感觉测试混合后洗浴水的温度并控制其温度变化，由于存在很大的偏差，顾客意见较多。因此，考虑设计一个能自动控制冷、热水流量的装置，从而控制水罐中流出的水温。31January20238济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.1从现实问题开始合理假设：假设供水装置中的混合水罐不存在热量散失问题，同时进入水罐中的热水、冷水在某种搅拌装置作用下，能够均匀混合，配成温度适当的洗浴水。问题的提出：如何设计冷、热水配比方案，才能使水罐中流出的水的温度达到顾客满意程度，从而为装置的制造提供实验数据，并能实现模拟装置运行的效果。31January20239济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术解决问题的步骤：a.明确研究目的找出问题的条件、课题的目的、解决课题时存在的问题以及如何从问题的详细资料中提取问题关系的变量与数据表示等。物理对象：水罐、冷水入口、热水入口、水罐出口；目的：控制冷、热水的流量，使出水口的水温达到理想温度31January202310济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.1从现实问题开始b.整理研究问题的相关客体和参数用表格形式反应分析的背景内容，问题涉及的客体均有一定量纲，整理与水温变化相关的内容，得到水温控制系统如表1.1所示：31January202311济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.1从现实问题开始c.设计变量变量如表1.2所示。根据变量收集研究对象中相关的温度及常用的水管参数等。31January202312济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.1从现实问题开始d.建立变量关系水管中水流速度和水温变化表示为：水罐出水口水流速度与水位关系的表达式：（k实验参数）31January202313济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.1从现实问题开始e.建立合理的水流、温度及储水温度数学关系f.变换成计算机可以识别的数学关系g.选择合适的实验平台编制上述关系的计算机软件，进行模拟出口水温变化时水流变化的计算机实验，给出相应的实验数据。分析实验结果，得出研究结论。用来描述问题关系的式子，称为“模型”的数学表示形式，是仿真中的核心内容。31January202314济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术第一章

绪论1.1从现实问题开始1.2计算机仿真技术的基本概念1.3计算机仿真技术举例讲解1.4计算机仿真技术的现状与发展趋势

31January202315济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言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实验仿真研究的一门综合技术。它已经成为对许多复杂系统进行分析、设计、实验、评估的必不可少的手段。31January202316济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言系统仿真是20世纪40年代末开始兴起发展的一门新兴学科开始主要应用与航空航天、原子反应堆等造价昂贵、设计建造周期长、危险性大、难以实现实际系统实验的少数领域。后来逐步发展到电力系统、石油工业、化学工业、冶金工业、机械制造等工业领域。现在已扩展到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工业领域。31January202317济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言原子弹+氢弹核爆模拟超级计算机上亿次模拟，不可能进行多次实物试验31January202318济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言气象模拟预测31January202319济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言三峡工程三峡水库总库容393亿立方米，总装机容量1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。31January202320济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言飞机设计飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。31January202321济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.1引言建模与仿真技术与高性能计算（HighPerformanceComputing）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。31January202322济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念仿真——对应的英语是“Simulation”，也可译为模拟，为了与模拟计算机“AnalogComputer”中的“Analog”以示区别，在规范术语和译名时，1979年在全国系统仿真学术会议上专家和学者们建议将“Simulation”译为“仿真”，并一直沿用至今。31January202323济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念系统是一些具有特定功能的、相互间以一定规律联系着的物体所组成的一个总体。不同领域的问题均可以用系统的框架来解决，比如：a.系统可以是电子部件组成的放大器b.包括放大器在内的控制回路c.包含许多控制回路的化学处理装置.d.一些装置组成的工厂e.一些工厂联合作业形成的系统，世界经济则是这个系统的环境31January202324济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念系统的特性整体性：各部分不可分割相关性：各部分以一定规律联系，线性关系，非线性有序性动态性建立系统概念在于深入认识并掌握系统规律。定量的分析、综合系统最有效的办法是建立系统模型，并使用高效的数值计算工具和算法对系统模型进行解算。31January202325济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念模型(Model)——对系统、实体、现象、过程的数学、物理或逻辑的描述。物理模型（PM，PhysicalModel）是一类具有某种实物物理特征的模型，如：用于水洞、风洞试验的各种缩比实物模型，以及各种物理效应设备。如：各种转台、负载模拟器、各种人感系统等。前者采用几何外观相似的原理，通过缩小的物理模型在流场中进行实验，获得物理模型各种性能参数，它不能作为仿真实体接入仿真系统。而各种物理效应设备可以反映某种物理模型的特性，可以接入仿真系统，参加动态运行。动态运行。31January202326济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念概念模型(CM，ConceptualModel)针对一种已有的或设想的系统，对其组成、原理、要求、实现目标等，用文字、图表、技术规范、工作流程等文档来描述，反映系统中各种事物、实体、过程的相互关系，运行过程和最终结果，以此对这种系统进行非形式化的概念描述，这种描述称为概念模型。31January202327济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术它可以作为进行相应仿真系统时总体设计的概念描述，反映其系统功能是否具有完整性、相容性、连贯性和正确性。可以作为仿真系统建模开发的向导和开发人员与用户沟通理解的工具。1.2.2基本概念数学模型(MM，MathematicModel)是采用数学语言对系统或实体内在的运动规律及与外部的作用关系进行抽象和对其本质特征进行的描述，包括用文本、框图、流程图、类视图等形式对原始系统进行概念的定义与采用数学方程等描述方式，这种描述与原系统相比能够保持运动规律、信息传递的一致性或相似性。31January202328济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念仿真模型(SM，SimulationModel)是将系统的数学模型通过数字仿真算法转换成为能在计算机上运行的数字模型，即是将数学模型离散化，建立相应的递推公式，便于进行迭代运算。仿真模型是各种仿真算法的有机结合，完成模型的解算和信息处理。在本课中，我们讲解的是数学模型与相应的仿真模型。31January202329济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念数学模型的分类机理模型：采用演绎法，运用已知定律，用推理方法建立数学模型统计模型：归纳法，根据大量实测或统计观测数据，用统计规律估计系统模型混合模型：以上两者相结合的模型还可以分为：线性、非线性、时变、定常、连续、离散、集中参数、分布参数、确定、随机等系统模型31January202330济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念仿真（Simulation）——模型随时间变化的实现模型的方法。Simulationisamethodforimplementingamodelovertime.根据不同模型，数学模型，非数学模型，物理模型，可以有不同仿真方式.主要划分为连续系统仿真离散时间系统仿真31January202331济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念系统仿真技术是以相似原理、控制理论、计算技术、信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术。31January202332济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术系统是研究的对象、模型是系统的抽象、仿真是对模型进行实验，以达到研究系统的目的。系统仿真包含三个基本的活动，即：建立系统模型；构造仿真模型；进行仿真实验。1.2.2基本概念仿真技术理论基础——相似原理几何比例相似：按比例缩小的飞行器模型、战场沙盘特性比例相似感觉相似逻辑思维方式相似：对获取的信息进行分析、归纳、综合、判断、决策甚至操作控制的方式都相似31January202333济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念仿真系统分类按被仿真对象性质分类——连续系统仿真和离散事件系统仿真

按分布仿真中虚实结合程度分类—构造仿真、虚拟仿真、实况仿真、智能仿真按仿真时钟与墙钟时间（自然时间）的比例关系分类—实时仿真、欠实时仿真和超实时仿真按模型种类——物理仿真、半实物仿真和数学仿真31January202334济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念物理仿真运用几何相似、环境相似条件，构成物理模型进行仿真.主要原因是由于原物理系统昂贵、或无法实现的物理场、或原物理系统复杂性难以用数学模型描述。数字仿真运用性能相似，将物理系统全部用数学模型描述，并将数学模型换成仿真模型，在计算机上进行实验研究.本课介绍数字仿真。31January202335济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.2基本概念半实物仿真：一部分是实际物理系统或实际等价的物理场，另一部分是计算机里的数学模型。在某种程度上，半实物仿真在难度和实际应用性上均超过全数字仿真。对于大型仿真系统，某一部分很难建立数学模型，或者这部分数学模型代价昂贵、精度难以保证。（红外制导头及各种物理场的模型建立）利用半实物仿真系统，可以检验系统中某些部件的性能。可以进一步校正系统的数学模型，用于改进和完善设计。仿真器的建立，半实物仿真是必须的。（飞行驾驶员训练器）31January202336济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.3建模与仿真概念图31January202337济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.3建模与仿真概念图31January202338济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.2.3建模与仿真概念图计算机仿真的三要素和三个基本活动31January202339济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术第一章

绪论1.1从现实问题开始1.2计算机仿真技术的基本概念1.3计算机仿真技术举例讲解1.4计算机仿真技术的现状与发展趋势

31January202340济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.1连续系统仿真一个系统，如：飞机、导弹、坦克等，在运行中，它们的状态变化在时间上是连续的而且与在空间的位置变化无关，该系统称为集中参数型连续系统.可以采用线性/非线性微分方程或传递函数（对线性时不变系统）、状态方程，或线性/非线性状态方程等数学模型来描述.若一个系统，如电力传输系统其状态变量的变化不仅依赖于时间连续变化，而且与空间位置有关，该系统称为分布参数型连续系统，可以采用偏微分方程数学模型描述.31January202341济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.1连续系统仿真如一个计算机控制系统，其输入、输出及其内部状态变量均是某些时间点上的离散函数，称为采样系统，它是以实际连续系统为基础，在时间点上离散化得到的，可采用差分方程数学模型描述。根据以上数学模型建立相应仿真模型并在计算机上运行、实验，称为连续系统仿真。31January202342济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术连续系统仿真举例:燃烧系统31January202343济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术连续系统仿真举例:燃烧系统31January202344济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术物质守恒：能量守恒：模型简化：连续系统仿真举例:燃烧系统31January202345济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术将以上真实数据与模型仿真数据对比，验证模型，验证后的模型可以用来优化燃烧过程，改进控制策略，以及实施监控…1.3.2离散事件系统仿真一个系统，如电话交换台系统、交通管理系统、物流管理系统等，这些系统的状态变化发生在随机时间点上，称为离散事件系统，可以用概率分布、排队论等数学模型来描述。在计算机上建立相应的仿真模型并运行和实验，称为离散事件系统仿真。离散事件系统，时间的发生过程在时间和空间都是离散的。各事件发生以某种顺序或某种条件下发生，具有随机性。经典概率论，数理统计和随机过程理论为这类系统提供理论基础。31January202346济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.2离散事件系统仿真超市排队系统实体：营业员和顾客事件：顾客到达，营业员为顾客服务系统状态：营业员（服务台）的状态：忙或闲，顾客排队的队长，营业员的服务方式（现金、刷卡…）。显然这些状态的变化只能在离散的随机时间点上发生.进程：顾客到达系统，经过排队，接受服务，服务完毕离去，可称为一个进程.31January202347济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.2离散事件系统仿真组成部分：实体或设备：实体是活动的，比如，排队等待的顾客（生产线上待加工的零件）。系统工作过程实质上是这些实体流动的过程。设备是固定的，用于对实体进行加工、处理和服务。比如，营业员（机床），可将实体和设备通称为“实体”。事件：是引起系统状态发生变化的行为.例如，排队等待系统，定义“顾客到达”为一类时间，这个事件发生引起系统状态——营业员状态从“闲”到“忙”，同时引起系统另一状态排队人数发生变化.。在离散事件仿真模型中，依靠事件驱动。31January202348济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.2离散事件系统仿真组成部分：活动：表示两个可以区分事件之间的过程，它标志着系统状态转移。比如，顾客到达事件和顾客接受服务事件之间可称为一个活动，使系统状态（队伍队长）发生变化。进程：由若干个有序事件及若干有序活动组成。31January202349济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术事件、活动、进程的关系1.3.2离散事件系统仿真离散事件系统的仿真方法：事件调度法：用事件的观点来分析真实系统，通过定义事件及每个事件发生对系统状态的变化按时间顺序确定，并执行每个事件发生时有关的逻辑关系。活动扫描法：系统由成分构成，而成分包含活动，这些活动的发生必须满足某些条件，每一个主动成分有一个相应的活动子例程。进程交互法：采用进程描述系统。31January202350济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.3人工智能仿真人工智能（ArtificialIntelligence，AI），是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及其应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分枝，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、模糊控制、神经网络等。人工智能的研究途径与方法：结构模拟：根据生理结构和工作机理实现计算机智能。功能模拟：将问题或知识表示成某种逻辑网络。31January202351济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.3人工智能仿真自从认识到人脑的计算与传统的数字计算机相比是完全不同的方式开始，关于人工神经网络的研究工作就开始了。人脑是一个高度复杂的、非线性的和并行的信息处理机器。31January202352济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术人脑能够组织它的组成成分，即神经元，以比今天已有的最快的计算机还要快许多倍的速度进行特定的计算。具体的讲，完成一个感知识别任务人脑大概需要100~200毫秒，而一台传统的计算机却要花费几天时间才能完成一个相对简单的多的任务。1.3.3人工智能仿真神经网络就是由许多神经元互连在一起所组成的神经结构。而人工神经网络是用物理可实现系统来模仿人脑神经系统的结构和功能，其代表性定义为：人工神经网络就是由简单的处理单元组成的并行互联网络，它的组织能够模拟生物神经系统对真实世界物体所作出的交互反应。神经网络的基本组成单元是神经元，在数学上的神经元模型是和在生物学上的神经细胞对应的。或者说，人工神经网络理论是用神经元这种抽象的数学模型来描述客观世界的生物细胞的。31January202353济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.3人工智能仿真神经网络建模31January202354济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.3人工智能仿真神经网络建模31January202355济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用应用领域工程设计生产制造军事操作医疗教育、培训、训练文物、展览影视、娱乐家居生活31January202356济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用在系统分析、综合方面的应用技术领域控制系统的分析、设计、测试、改造都应用系统仿真技术。例如：在设计阶段，利用仿真技术帮助设计人员选择优化系统的合理结构，优化系统参数，得到系统最优品质和性能.还可以建立系统模型，建立最优控制策略和安全策略。在企业管理、经济分析市场预测、商品销售等也都采用仿真技术，建立商品生产、公司经营与市场销售预测模型。人口方面的预测，制订人口政策。区域动力模型，分析区域中人口增长、工业化速度、环境污染、粮食生产、社会福利、教育等为政府提供政策依据。31January202357济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用产品研发与设计应用仿生飞行器31January202358济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用产品研发与设计应用仿生飞行器31January202359济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用产品研发与设计应用微型直升机实物与仿真31January202360济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用计算机对电场的模拟仿真绝缘谐振器在电场中的模拟31January202361济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用水泥窑炉优化设计31January202362济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用竖炉铁矿石煅烧过程的优化控制31January202363济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用仿真器的应用系统仿真器是模仿真实系统的实验研究装置，包括计算机硬件、软件以及某些类似实物组成的一个仿真系统。仿真器的应用可以提高效率，带来明显的技术和经济效益。31January202364济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真技术1.3.4仿真技术的应用仿真器的应用仿真器可分为培训仿真器和设计仿真器。培训仿真器，如飞机驾驶员飞行仿真器。设计仿真器，如轧钢机多级计算机控制系统设计，从方案选择到参数规定，甚至绘图等工作都可以由计算机完成，提高效率。31January202365济南大学自动化与电气工程学院计算机仿真