仿真和虚拟课件1.ppt

1、计算机仿真与虚拟技术 第一章 计算机仿真概念及其实现 第二章 计算机仿真硬件和软件 第三章 计算机仿真方法 第四章 虚拟现实的基本概念 第五章 虚拟现实系统的典型硬件装置 第六章 虚拟仪器,仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一。,比如，工程界： 生物、医学界： 国防和军事界： 国民经济运行： 交通运输：,追击敌机问题 已知：敌机在100KM高空，以20KM/min的速度匀速直线行驶。 假设：（1）只要两机相距在10公里之内，我机就可以摧毁敌机； （2）如果10分钟之内没有捕捉到，就认为失败。 问：我方飞机应以怎样的速度，沿着什么航线飞行，需要多长时间可捕捉到目标。比如我机以30KM/min的

2、速度，每1分钟改变一次方向，能不能捕捉到？我机以40KM/min的速度，每2分钟改变一次方向，能不能捕捉到？,MATLAB程序 vd=20; vw=30; time=1; % 我机以30KM/min的速度,每1分钟改变一次方向 i=1; ts=0; xw=0; yw=0; t(1)=0; W(1,:)=0 0; D(1,:)=0 100; xd=0; while 1 i=i+1; theta=atan(100-yw)/(xd-xw); % 计算我机的方向 ctheta=cos(theta); stheta=sin(theta); A=vw*ctheta vw*stheta; global A

3、T,Y=ode45(plane,ts,ts+time,xw,yw); % 计算我机的位置 n=length(Y);,W(i,:)=Y(n,:); t(i)=ts+time; xd=vd*(ts+time); % 计算敌机的位置 D(i,1)=xd; D(i,2)=100; xw=Y(n,1); yw=Y(n,2); Displace=sqrt(xd-xw)*(xd-xw)+(100-yw)*(100-yw); % 计算两者距离 if Displace10 disp(fail); break end end figure(1) plot(W(:,1),W(:,2),g+,W(:,1),W(:,2

4、),r,D(:,1),D(:,2),bo);,我机以30KM/min的速度,每1分钟改变一次方向,6分钟可捕捉到敌机,我机以40KM/min的速度,每2分钟改变一次方向,不能捕捉到敌机,第一章 计算机仿真概念及其实现 1-1 系统、模型与仿真 一、系统（System） 二、模型（Model） 三、仿真（Simulation） 1-2 计算机仿真 一、计算机仿真的过程、步骤 二、计算机仿真的分类 三、计算机仿真的优点及特殊功能 四、系统仿真的应用及发展 五、仿真软件,1-1系统、模型与仿真 一、系统（System） 1定义 所谓“系统”是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。该组合体可以完成某

5、项任务或实现某个预定的目标。,特点： 1）整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。 2）相关性：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。 3）层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。 4）目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。,2分类 通常，根据系统的物理特征，可将系统分为两大类： 例如，图1所示的加热炉温度调节系统就是一个工程系统。,图2所示的工厂系统则是一个经济管理系统非工程系统。 3构成系统的三大要素：实体、属性、活动,生产管理部门,采购部门,制造车间,装配车间,运输车间,原料,成品,用户订单,实

6、体组成系统的具体对象。 属性实体的特性。 活动对象随 时间推移而发生的状态变化。,二、模型（Model） 1定义 所谓“模型”就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。 2模型的作用 系统实验研究的两种方式：直接在真实系统上进行（通常都不采用，因为）在模型上进行（在模型上做实验是对系统进行分析、研究的十分有效的手段。） 3模型的分类,三、仿真（Simulation） 1仿真的定义 从广义上来说，为了对系统进行分析研究，首先建立系统的模型，然后在模型上进行试验这一过程就称为“仿真”。 2. 根据模型的种类不同，系统仿真可以分成三种： 物理仿真：建立物理模型，并在物理模型上进行试验 优

7、点：直观、形象 缺点：发费大、周期长、结构难于变更 数学仿真：简而言之，就是在计算机上对系统的数学模型进行试验，故又称为“计算机仿真”。（具体过程、步骤在后面讲解） 优点：经济、方便、灵活性大 混合仿真：将数学模型及物理模型或实物联合在一起进行试验。,综上所述，系统、模型与仿真之间有着十分密切的关系。 系统被研究的对象； 模型对系统的描述； 仿真是研究系统的一种试验方法，它包含两个过程：建立模型及对模型进行试验。,1-2 计算机仿真 一、计算机仿真的过程、步骤 计算机仿真的整个过程可用图21所示的流程图说明。,图21 计算机仿真过程流程图,计算机仿真包括三个要素，即系统、模型与计算机；联系这三

8、个要素的有三个基本活动：模型建立、仿真模型建立及仿真试验。图22表示了三要素及三个基本活动之间的关系。,二、计算机仿真的分类 1根据被研究系统的特征可以分为两大类： 连续系统仿真数学模型能用一组数学方程式来描述 离散事件系统仿真数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。 2根据所用计算机的类型可以分为如下三类： 模拟计算机仿真基于数学模型相似原理，仿真主要工具是模拟计算机 特点：运算速度快（并行计算），但计算精度较低（一般为千分之几），而且自动化程度低（如：有时需操作员去接线）。 数字计算机仿真基于数值计算原理，仿真主要工具是数字计算机。 特点：计算精度高（一般小型机也可

9、达到67位有效数字），但运算速度较慢（串行运算）。 模拟数字仿真将模拟仿真与数字仿真相结合的一种方法。 特点：兼有两者的优点，可用于实时仿真，但价格昂贵。,三、计算机仿真的优点及特殊功能,经济,安全,预测性,经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因。对一个大型系统进行研究，采用物理模型或直接在实物上试验，成本十分昂贵。以空间技术为例，单次飞行的成本约为104108美元，采用数字计算机仿真的方法，仅需实际飞行成本的1/51/10，而且设备可以重复使用。 可以说，几乎所有的大型发展项目，都十分重视仿真技术的应用，这是因为这些项目投资很大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以减小风险。,对于某些系统，

10、如载人宇宙飞行器、核电站等，直接试验往往是危险和不允许的，因此必须在模型上进行试验。安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因。所以，航空、航天、武器系统曾经是仿真技术应用的最主要领域，一直到现在仍然占有很大的比重。,对于经济、社会、生物等非工程系统，直接实验几乎是不可能的，仿真则可预测系统的特性和外作用的影响，从而研究控制的策略。,四、系统仿真的应用及发展 1系统仿真的应用,用于系统分析和设计,在一个新的系统未建立之前，运用系统仿真技术可以论证系统及其可行性，为准确地进行系统设计打下坚实的基础；在系统设计过程中，利用仿真技术可以帮助设计人员实现系统的最优化设计；系统建成后，利用仿真技术可以分析

11、系统工作的状况，选择最佳运行参数和策略。,在社会、经济、人口、生态等非工程系统中，用于系统的政策与策略研究。,近年来，已采用控制论的观点去研究社会、经济、生态环境等复杂系统和大系统。研究的方法是：首先建立数学模型，然后利用仿真软件在数字计算机上进行反复计算、试验、分析和比较，以求得该系统的最佳运行机制以及切实可行的策略。,用于人员训练,2系统仿真的发展 50年代以前：物理仿真 50年代：主要是模拟计算机仿真，数字计算机仿真刚刚开 始发展 6070年代：数字计算机仿真与模拟数字仿真都得到迅 速发展 80年代以来：数字仿真技术得到普及 未来的发展趋势：改善建模环境； 开发仿真数据库； 在仿真中应用

12、动画图形技术； 研制专家系统； 虚拟现实技术,五、数字仿真软件的发展 自1955年第一个仿真软件问世以来，按照新事物出现的时间顺序，发展分为四个阶段： 1） 程序编制阶段； 采用计算机高级语言（如FORTRAN、BASIC、C等），即使是一个很简单的系统，程序也会很长，难于调试。 2） 程序软件包阶段； 将仿真程序中常用的程序段落编成子程序或过程，用于系统仿真的各种不同问题中。 3） 专用计算机仿真语言阶段； 将一大类仿真问题，编写一个通用的主程序，用户只需将必要的参数填进去，经执行就能得到所需结果。（如连续系统仿真语言CSSL、离散事件系统仿真语言GPSS） 4） 模块化图形组态阶段；,小结： 1系统、模型与仿真 2仿真、计算机仿真（数学仿真）、数字计算机仿真 3仿