计算机仿真技术第一章第二节

在航空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段。
仿真环境 仿真计算机 动力学系统 三轴转台、目标 仿真器、水/动/ 静压仿真器
执行机构 伺服回路
控制/制导/导航计算机
探测器 传感器
1)根据仿真系统的结构和实现手段分(续)


软件在回路仿真(Software-In-Loop Simulation)
2)根据仿真所用的计算机类型分(续)


数字模拟混合仿真的特点 可以充分发挥模拟仿真和数字仿真的特点。 仿真任务同时在模拟计算机和数字计算机上执行，这就存在 按什么原则分配模拟机和数字机的计算任务的问题，一般是 模拟计算机承担精度要求不高的快速计算任务，数字计算机 则承担高精度、逻辑控制复杂的慢速变化任务。 混合仿真的误差包括模拟机误差、数字机误差和接口操作转 换误差，这些误差在仿真中均应予以考虑。 一般混合仿真需要专门的混合仿真语言来控制仿真任务完成。 模拟计算机仿真和数字模拟混合仿真已逐步被全数字仿真取代。 因此，今天的计算机仿真一般指的就是数字计算机仿真。
仿真的分类(续)
4)根据模型的特性分: 连续系统仿真 离散系统仿真
2)根据仿真所用的计算机类型分(续) 数数码进行操作，因此任 何动态系统在数字计算机上进行仿真的都必须 将原系统变换成能在数字计算机上进行数值计 算的离散时间模型。 故数字仿真需要研究各种仿真算法，这是数字 计算机仿真与模拟仿真的最基本的差别。
2)根据仿真所用的计算机类型分(续)
半实物仿真----Hardware In the Loop
将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。
半实物仿真特点
(1)原系统中的若干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。在半实物仿真中，可将不易建模的 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。
计算机（动力 学模型及程序、 数据） 物理效应设备 （人感知物理 环境） 操 作 人 员
人在回路仿真系统
仿真的分类(续)
2)根据仿真所用的计算机类型分:

模拟计算机仿真 数字计算机仿真 数字模拟混合仿真。
2)根据仿真所用的计算机类型分(续)

模拟计算机仿真的特点：
(1)能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工 作,模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。 (2)可以灵活设置仿真试验的时间标尺。模拟机仿真既可以进行 实时仿真，也可以进行非实时仿真。 (3)易于和实物相连。模拟计算机仿真是用直流电压表示被仿真 的物理量，因此和连续运动的实物系统连接时一般不需要A／D、 D／A转换装置。 (4)模拟仿真的精度由于受到电路元件精度的制约和易受外界干 扰，所以一般低于数字计算机仿真．且逻辑控制功能较差，自 动化程度也较低。
模 拟 计 算 机 混合接口 A/D、D/A 控制逻辑 数字—模拟混合计算机 数 字 计 算 机
仿真的分类(续)
3)根据仿真时钟与实时时钟的比例关系分:


实时仿真、亚实时仿真、超实时仿真 实际动态系统的时间基称为实际时钟； 系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟。
①实时仿真，即仿真时钟与实际时钟完全一致， 也就是模型仿真的速度与实际系统运行的速度相 同。当被仿真的系统中存在物理模型或实物时， 必须进行实时仿真，例如，各种训练仿真器就是 这样，有时也称为在线仿真。

数字计算机仿真的特点
(1)数值计算的延迟。任何数值计算都有计算时间的延迟，其延 迟的大小与计算机本身的存取速度、运算器的解算速度、所求 解问题本身的复杂程度及使用的算法有关。 (2)仿真模型的数值化。数字计算机对仿真问题进行计算时采用 数值计算，仿真模型必须是离散模型，如果原始数学模型是连 续模型，则必须转换成适合数字计算机求解的仿真模型，因此 需要研究各种仿真算法。 (3)计算精度高。特别是在工作量很大时，与模拟机相比更显其 优越性。 (4)实现实时仿真比模拟仿真困难。对复杂的快速动态系统进行 实时仿真时，对数字计算机本身的计算速度、存取速度等要求 高。 (5)利用数字计算机进行半实物仿真时需要有A／D、D／A转换 装置与连续运动的实物连接。
3)根据仿真时钟与实时时钟的比例关系分(续) ②亚实时仿真，即仿真时钟慢于实际时钟， 也就是模型仿真的速度慢于实际系统运行的 速度。对仿真速度要求不苛刻的情况一般采 用亚实时仿真。例如，大多数系统离线研究 与分析，有时也称为离线仿真。如模拟爆炸 效果。 ③超实时仿真，即仿真时钟快于实际时钟， 也就是模型仿真的速度快于实际系统运行的 速度。例如，大气环流的仿真、交通系统的 仿真、生物进化(宇宙起源)等等。
仿真计算机 （动力学模型 及程序、数据） 接口 （信息的 格式转换） 系统计算机 （控制、导航、 制导软件）
软件在回路仿真系统
1)根据仿真系统的结构和实现手段分(续) 人在回路仿真(Man-In-Loop Simulation) 人在回路仿真是操作人员、飞行员或宇航员在系统 回路中进行操纵的仿真试验。这种仿真试验将对象实 体的动态特性通过建立数学模型、编程，在计算机上 运行，此外要求有模拟生成人的感觉环境的各种物理 效应设备，包括视觉、听觉、触觉、动感等人能感觉 的物理环境的模拟生成，如图所示。由于操作人员在 回路中，人在回路仿真系统必须实时运行。
控制系统、导航系统和制导系统广泛采用数字计算机， 通过软件进行控制、导航和制导的运算，软件的规模越 来越大，功能越来越强，许多设计思想和核心技术都反 映在应用软件中，因此软件在系统中的测试越显重要。 这种仿真试验将系统用计算机与仿真计算机通过接口对 接，进行系统试验，如图所示。接口的作用是将不同格 式的数字信息进行转换。软件在回路仿真系统一般情况 下要求实时运行。
1.2
计算机仿真的分类
1)根据仿真系统的结构和实现手段分:
物理仿真、数学仿真和半实物仿真(物理—数学仿真)

物理仿真
按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型,并在物理模型上 进行实验的过程。

数学仿真
对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到 系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程。