文档介绍：计算机仿真竞赛知识专题讲座
岑明
2012-4-25
系统仿真
系统仿真是研究、设计、分析各种复杂系统的重要工具,广泛应用于国防、军事、能源、交通等领域
(1) 70年代仿真费用占总经费1%,导弹系统研制仿真费约占导弹研制费用的5%;
(2)1989年北约制定“欧几里德计划”,系统仿真作为11项优先合作发展的重点项目之一;
(3)1992年美国提出22项国家关键技术中列16位;
(4)1994年美国国防部预研工作7大重点之一;
(5)1995年美国DARPA投资战略的4核心方面(开发先进信息技术、国防技术、军民一体化工业基础建设、新技术向军品转移),每方面都把模拟与仿真,特别是分布式仿真列为年度投资重点之一。
系统仿真
系统仿真是以相似原理、信息处理技术和计算技术等为基础,以计算机和各种专用物理效应设备为工具,利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的综合性的和试验性的学科。
系统仿真三个基本要素:
系统、系统模型、计算机;
联系三项要素的基本活动:
模型建立、仿真模型建立
和仿真试验。
物理仿真:按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型,并在物理模型上进行试验研究;直观形象,逼真度高,但不如数学仿真方便;
数学仿真:建立数学模型,并转化成仿真计算模型、通过仿真模型的运行达到对系统运行的了解。经济性、灵活性和仿真模型通用性等;
--早期主要为物理仿真,计算技术发展起来后数学仿真成为主流
物理-数学仿真(半实物仿真)或者硬件在环仿真(Hardware in the Loop, HIL) :将系统的一部分以数学模型描述,并把它转化为仿真计算模型;另一部分以实物(或物理模型)方式引入仿真回路。
控制系统半实物仿真形式:仿真控制器+物理模型(在系统仿真,仿真研究控制算法)、实际控制器+数字仿真系统(硬件在环中仿真)、数字仿真系统(系统的一部分)+物理模型(系统的其它难以建模的部分)等。
半实物仿真有以下几个特点:
(1)原系统中的子系统或部件很难建立准确的数学模型,再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响,使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。
--将不易建模的部分以实物代之参与仿真试验,可以避免建模的困难;
(2)利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性;
(3)利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性,准确调整系统参数和控制规律。
建模
系统模型包括实体模型、数学模型和仿真模型。
实体模型/物理模型: 根据系统之间的相似性建立起来的物理模型,包括静态模型和动态模型。静态模型:比例模型,如沙盘、样机模型等;动态实体模型:铁路运输系统模型;
数学模型:包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。
(1) 原始系统数学模型(一次建模):概念模型和正规模型
概念模型是用说明文字、框图、流程和资料等描述原始系统;
正规模型用数学表达式(方程、逻辑表达关系式)来表示系统。
仿真系统数学模型(二次建模):适合在计算机上进行运算和试验的模型,根据计算机运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求,将原始系统数学模型转换为计算机的程序。
一般将原始系统数学模型和仿真系统数学模型分别简称为数学模型和仿真模型。
数学模型分类:
模型分类
静态系统模型
动态系统模型
连续系统模型
离散事件系统
集中参数
分布参数
时间离散
数学描述
代数方程
微分方程
传递函数
状态方程
偏微分方程
差分方程、脉冲传递函数、离散状态方程
概率分布、排队论
应用举例
稳态解
动力学
热传导
电磁、引力场
计算机采样控制系统
交通系统、市场系统、电话系统、计算机分时系统