仿真技术概述PPT课件

系统
建立数学模型
仿真实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
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图1.1 计算机仿真三要素关系图
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2、基本步骤
• 包括三个基本的内容：建模
仿真实验
结
果分析
问题的阐述
设置目标
建立模型
编程序
否 验证正确与否
否
是
确认
是
仿真实验设计
运行分析
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输出结果
图1.2 计算机仿真程序流程
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第二节 仿真的分类
• 在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统）， 由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可 能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的 某种超前认识。
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三、仿真技术的发展趋势
1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿 真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿 真的实时性。
2、数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助
于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代
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• 计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可 以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精
度可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时 间等因素影响，其精度也不易定得太高。
• 对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的 自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功 能。
2、安全
• 某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接 实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而 采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的 研究起到保障作用。
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3、快捷
• 提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。
4、具有优化设计和预测的特殊功能
• 对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非 常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计 功能。
• 计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果 的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问 题”会在不同程度上有所改进与提高。
• 数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人
员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出
的程序。
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3、混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。
4、现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于 专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算 功能强大，使用方便，易学。80年代以来
学科，使人置身于真实环境之中。
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第四节 计算机仿真软件
一、仿真软件的发展
1、程序编程阶段
• 所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等） 都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。
2、程序软件包阶段 • 出现了“应用子程序库”。 3、交互式语言阶段（仿真语言）
• 仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特 征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及 如何实现等低级问题。
二、计算机仿真模型
1、模型的定义
• 模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式 的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽 象，是人们认识事物的一种手段或工具。
2、模型的分类 （1）物理模型
• 指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞 行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。
（2）数学模型
• 是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法 来再现原型的功能或结构特型 • 指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机
可以实施的模型。
三、计算机仿真的三要素及基本步骤（内容）
1、三要素 （1）系统：研究的对象 （2）模型：系统的抽象 （3）计算机：工具与手段
一、按模型分类
1、物理仿真：采用物理模型，有实物介入！ • 具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长，
大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞 行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统 等），具有实时性、在线的特点。 2、数学仿真：采用数学模型 • 在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经 济、快速、实用。
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第三节 仿真技术的应用与发展
一、仿真技术在工程中的应用
1、航空与航天工业 • 飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软
件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。 • 飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。 2、电力工业 • 电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态
稳定性以及最优潮流控制等。 • 电站操作人员培训模拟系统。
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3、原子能工业 • 模拟核反应堆 • 核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故
障的排除处理。
4、石油、化工及冶金工业 5、非工程领域 • 医学 • 社会学 • 宏观经济与商业策略的研究
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二、应用仿真技术的意义
1、经济
• 大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空 间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右， 而采用仿真实验仅需其成本的1/10~1/5，而且设备 可以重复使用。
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二、按计算机类型分类
1、模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行 的实验研究。50年代
• 描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真， 具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但
受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控 制系统的仿真较困难，自动化程度低。
• 模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的 “模拟运算放大器”为主要部件所构成。
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4、模型化图形组态阶段
韩宝坤 机械电子工程学院
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计算机仿真概述
第一节 计算机仿真概念
一、计算机仿真的概念 仿真的定义 • 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型
来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的 认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。 计算机仿真的定义 • 计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型， 202利1/3/12用计算机对系统进行分析与研究的方法。 2
2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不 断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深 入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、 结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。
3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作， 投资少，效果好。
4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体
技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多