系统仿真

系统仿真1系统仿真概述1.1定义及实质所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

系统仿真的实质是①它是一种对系统问题求数值解的计算技术。

尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。

②仿真是一种人为的试验手段。

它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。

这是仿真的主要功能。

③仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。

1.2系统仿真的分类根据仿真所采用的模型划分，可将仿真分为数学仿真和物理仿真两大类。

物理仿真亦称为实物仿真，它是在系统生产出样机后，将系统实物全部或部分的引入回路，由于物理仿真能将系统的实际参数、数学仿真中难以考虑到的非线性因素和干扰因素引入仿真回路，因此物理仿真更接近系统的实际情况，通过仿真可以检验实物系统工作的可靠性，可以准确地调整系统元部件的参数。

数学仿真就是将数学模型编排成模拟计算机的排题图或数值计算机的程序。

这一过程是将原始数学模型转换成仿真模型，通过对计算机模型的运行达到对原始系统研究的目的，数学仿真在系统设计阶段和分析阶段是十分重要的，通过数学仿真可以检验理论设计的正确性。

1.3系统仿真的作用①仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。

尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

②对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。

③通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。

④通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。

1.4适合于系统仿真的问题①难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数学模型的有效方法。

②虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法。

③希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响。

④难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究。

⑤需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案。

2系统仿真的研究内容2.1仿真三要素系统仿真的三要素是：系统、模型、计算机，如图1。

图1 系统仿真三要素联系三者的三个基本活动系统建模：一直是研究的重点，技术成熟，包括抽象的公式、定理等，需要结合相关专业知识。

仿真建模：难点之一，先要设计算法使系统模型能被计算机所接受，然后编程，再在计算机上运行，由此产生仿真算法、仿真软件，技术也较为成熟。

仿真试验及结果分析：最有实际意义，但常常被忽略，技术难点多。

2.2系统仿真的基本步骤系统仿真过程即建立模型并通过模型在计算机上的运行对模型进行检验、修正和分析的过程。

与软件开发类似，可以分为若干阶段。

系统仿真的基本步骤如图2。

图2 系统仿真的基本步骤系统定义：求解问题前，先要提出明确的准则来描述系统目标及是否达到的衡量标准，其次必须描述系统的约束条件，再确定研究范围，即哪些实体属于要研究的系统，哪些属于系统的环境。

构造模型：抽象真实系统，并规范化，确定模型要素、变量、参数及其关系，表达约束条件；要求以研究目标为出发点，模型性质尽量接近原系统，尽可能简化，易于理解、操作和控制。

数据准备：收集数据，决定使用方式，数据完整性、有效性检验，用来确定模型参数。

模型转换：用计算机语言（高级语言或者专用仿真语言）描述数学模型。

模型运行：获取被研究系统的信息，预测系统运行情况，一般是动态过程，常反复运行以获得足够的实验数据。

分析并评论仿真结果：仿真技术包括了某些主观的方法，如抽象化、直观感觉和设想等，在提交仿真报告前，应全面分析和论证仿真结果。

3系统仿真的应用现代仿真技术经过近50年的发展与完善，已经在各行业做出卓越贡献，同时也充分体现出其在科技发展与社会进步中的重要作用。

航空与航天工业对于航空航天工业的产品来说，系统的庞杂、造价的高昂等因素促成了其必须建立起完备的仿真实验体系。

在美国，1958年所进行的四次发射全部失败了，1959年的发射成功率也不过57%。

通过对实际经验的不断总结，美国宇航局逐步建立了一整套仿真实验体系，到了60年代成功率达到79%，在70年代已达到91%，今年来，其空间发射计划已很少有不成功的情况了。

电力工业电力系统是最早采用仿真技术的领域之一。

在电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流等方面，国内较早地采用了数字仿真技术，取得显著的经济效益。

在三峡水利工程的子项目——大坝排沙系统工程设计中，设计人员也采用了物理仿真的方法，取得了较完善的研究成果。

近年来，国内在电站操作人员培训模拟系统的研制上，达到国际先进水平，为仿真技术的应用开辟了广阔的前景。

原子能工业由于能源的日趋紧张，原子能的和平利用在世界范围内为人们广泛重视，随着核反应堆的尺寸与功率的不断增加，使得整个原子能电站运行的稳定性、安全性与可靠性等问题成为必须要解决的问题。

因此，几乎大部分核电站都建有相应的仿真系统，许多仿真器是全尺寸的，即仿真系统与真实系统是完全一致的，只是对象部分，如反应堆、涡轮发电机有关的动力装置是用计算机来模拟的。

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，对于保证系统的安全运行是十分重要的。

目前，我国及世界各抓哟核技术先进国家在这方面均建立了相当规模的仿真实验体系，并取得了可观的成果。

石油、化工及冶金工业石油、化工生产过程中有一个显著的特点就是过程缓慢，而且往往过程控制。

生产管理、生产计划、经济核算等搅在一起，使得综合效益指标难于预测与控制。

因此，仿真实验成为石油、化工及冶金系统设计与分析研究的基本手段，仿真技术是对这些领域的技术进步也不同程度地起到了促进作用。

4系统仿真的发展现状及发展趋势4.1系统仿真的发展现状工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求。

因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展到了协同仿真阶段。

其主要特征表现为：①控制器和被控对象的联合仿真：MATLAB＋AMESIM，可以覆盖整个自动控制系统的全部要求。

②被控对象的多学科、跨专业的联合仿真：AMESIM＋机构动力学＋CFD＋THERMAL＋电磁分析③实时仿真技术实时仿真技术是由仿真软件与仿真机等半实物仿真系统联合实现的，通过物理系统的实时模型来测试成型或者硬件控制器。

④集成进设计平台现代研发制造单位，尤其是设计研发和制造一体化的大型单位，引进PDM/PLM系统已经成为信息化建设的潮流。

在复杂的数据管理流程中，系统仿真作为CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，与上下游工具配合。

⑤超越仿真技术本身工程师不必是精通数值算法和仿真技术的专家，而只需要关注自己的专业对象，其他大量的模型建立、算法选择和数据前后处理等工作都交给软件自动完成。

这一技术特点极大地提高了仿真的效率，降低了系统仿真技术的应用门槛，避免了因为不了解算法造成的仿真失败。

⑥构建虚拟产品在通过建立虚拟产品进行开发和优化过程中，关注以各种特征值为代表的系统性能，实现多方案的快速比较。

4.2系统仿真技术的发展趋势①屏弃单专业的仿真单一专业仿真将退出系统设计的领域，专注于单一专业技术的深入发展。

作为总体优化的系统级设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。

②跟随计算技术的发展随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。

更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。

在高性能计算方面，将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。

③平台化要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理（包括二次开发后的集成和封装）、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的PDM/PLM平台上。

同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。

④整合和细分市场整合化：将出现主流的标准工具。

其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交互，有协同工作的能力；软件自身的技术进展迅速，具有强大的发展后劲。

专业化：随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的工具。

这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持，如开发特殊的库或模型，专注于具有鲜明行业特征的技术，满足特殊的行业标准。

将出现整合型工具和专业化工具互补的局面。

⑤智能化将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。

不断改进GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。

提供易学易用的强大工具。