1、仿真技术概述

仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机： 虚拟制造
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机： 虚拟环境
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟环境
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用：
1 车辆肇事仿真
2飞行器设计
3 联合仿真 4 军事工程
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR） 三大特征：
Immersion 沉浸 3I Interaction 交互 Imagination 想象
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机：
虚拟现实仿真技术 虚拟制造 虚拟环境
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机： 虚拟现实仿真技术
Bode Diagram
10 0
固有特性分析
Magnitude (dB)
-10 -20 -30 -40 -50 -1 10
T (S) 2 T (S) 1 T (S) 1 T (S) 1
L=1.0m L=1.1m L=1.0m L=0.9m
10
0
10
1
10
2
Frequency (rad/sec)
Root Locus
我们要确定的“六系数”（偏导数）
科研工作的基本方法
4 混合法：
工程实例：
水轮发电机组
科研工作的基本方法
5猜想法：
又称为“假想法”，通过人们对所研究问题的 “直觉”，提出“可能的”结果/结论，利用
“反演/推理/证明”的方法进行“创造性”的研
究和发现。
科研工作的基本方法
5猜想法：
哥德巴赫猜想 相对论假说
1 y l sin q (相交) 2
主要内容
科研工作的
基本方法
相似原理及其应用
模型及其建立 仿真技术及其重要性
学习本课程的
目的与方法
相似性原理及应用
仿真实验所遵循的基本原则； 科学技术创新与应用的桥梁；
1、几何相似 2、环境相似 3、性能相似
4、思维相似
5、生理相似
相似性原理及应用
1、几何相似
虚拟验证 虚拟试验
物理样机
控制工程师 设计
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用： 4军事工程
分布交互仿真系统是由不同年代、不同使用目的的仿真系统组成的
仿真 系统 之间 通过 计算 机网 络连 接在 一起
分布交互仿真系统是由分布在不同地点的仿真系统组成的
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
常用的工具软件 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 1 美国MDI/MSC公司 2 50％市场份额 3 运动学/动力学/机电一体化 4 网址： www.msc.com。
相似性原理及应用
2、环境相似
相似性原理及应用
3、性能相似
F
M
Fx
x
路面
+
Ud Id M n
n ud +
y
x
yx
q h1 hq
-
-
d 2x dx a 2 b cx y (t ) dt dt
t
q1 h
+
i (t ) U (t ) uc u L R C
+
U c (t )
-
3、“数学模型”是人们对自然世界的一种抽象理解，它 与自然世界/现象/问题具有“性能相似”的特点。
模型及其建立
建模三要素：目的，方法，验证
1.目的要明确 飞行器
目的1 飞行器的动态性能 流体力学 方法1
目的2 飞行器的结构强度
结构力学
方法2
模型及其建立
建模三要素：目的，方法，验证
2.方法要恰当
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
虚拟模型
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
实物模 型
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
仿真实验性能比较：
数 学 模 型
低
虚 拟 模 型
实 物 模 型
高
实 物 原 型
仿真精度
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
工程应用： 飞行器设计的三级仿真体系
科研工作的基本方法
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用： 1车辆肇事仿真
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用： 2飞行器设计
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用： 3联合仿真
设计 机械工程师 物理样机 概念设计 虚拟验证 虚拟试验
控制工程师 设计
机械工程师
设计
概念设计
虚拟样机 共享 同一 模型
NO
机 理 建 模
实 验 建 模
综 合 建 模
分析、归纳、推演、类比、移植、综合
数学模型
模型验证 OK
NO
主要内容
科研工作的
基本方法
相似原理及其应用
模型及其建立 仿真技术及其重要性
学习本课程的
目的与方法
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
控制系统CAD 机械系统CAD
仿真技术及其重要性
控制系统CAD
球棒系统
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
虚拟样机：
1仿真实验的高级形式 2可视化/真实性 3有助于人们的创造与想象力的发挥
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
虚拟样机：
声音模拟 音响装置 图像模拟 视觉装置 运动模拟 运动装置 虚拟现实
信息处理 提 出 问 题 人 机 交 互 网 络 设 备 远 程 实 验
转速 0 800
转 速 n/r/min
1200
8
电动机电流 800 1A 2
-2
400
400
-4
-4
0
0.14
0.28 t/s
0.42
0.56
0 0.7
0
0
1
2 t/s
3
4
-10 5
电 动 机 电 流 Id/A
2
ASR输 出
1200
转 速 n/r/min
14
1200
仿真技术及其重要性
控制系统CAD
学习本课程的
目的与方法
模型及其建立
模型的重要性
勾股定理
模型及其建立
模型的重要性
法拉第：实验、归纳 “电磁感应定律”
电磁场理论
麦克斯韦：归纳、推演 “Maxwell方程组” 推演 ﹡电磁波的存在！ ﹡电磁波的速度≈光速 推演 “光也是电磁波”
涡旋磁场
位移电流 赫兹
模型及其建立
模型的重要性
1、把世间的现象/问题上升到“数学抽象/数学模型”的 理 论高度是现代科学发现与技术创新的基础。 2、“实验、归纳、推演”是建立系统“数学模型”的重 要手段/方法/途径。
30 δ=21.3% 2000
控制系统CAD
电 动 机 电 流 /A
22
δ=5.3%
1600
电动机电流
闭环控制性能分析
转速 6 800
-2
400
-10
0
0.14
0.28 t/s
0.42
0.56
0 0.7
6
2000
2000
20
4
1600
1600
转速 13A 14
转 速 n/r/min
ASR输 出 /V
解析法：
工程动力学问题 F=ma
一阶倒立摆
科研工作的基本方法
解析法：
Routh判据
英国E.J.Routh建立
（Routh-Hurwitz Stability Criteria）（1875年）
科研工作的基本方法
2实验法：
在所建立的实际系统（或模型）上，利用各种仪 器仪表，通过施加一定类型的激励信号，测取系
-
相似性原理及应用
相似定理：
第一定理: 第二定理: 第三定理: 相似第一定理：彼此相似的现象必定具有数值相 同的相似准则。 例：粘性不可压缩流体的稳定等温流动问题；
wl 常数
P 常数 2 w
gl 常数 2 w
主要内容
科研工作的
基本方法
相似原理及其应用
模型及其建立 仿真技术及其重要性
4混合法：
解析法+实验法 工程实例： 水轮发电机组
科研工作的基本方法
4混合法：
工程实例： 水轮发电机组
d I Mt M g dt
Mt
QH

t
流体力学：层流/紊流
P P P P H0 Q ePa ePH H 0 ePQQ H 0 Q Q Q Q H Q P e e H e P 0 Qa QH 0 QP H 0 P
人
计算机
人
数据采集
视觉传感器
CCD
听觉传感器
专用音频转换器
位置传感器
数据手套、三维鼠标
触觉传感器
压电复合材料
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
感知设备： 表现装置： 三大特征：
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR）
感知设备：
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟现实（VR） 表现装置：
控制系统数字仿真与CAD ——仿真技术概述
主要内容
科研工作的
基本方法
相似原理及其应用
模型及其建立 仿真技术及其重要性
学习本课程的
目的与方法
科研工作的基本方法
解析法：
运用已掌握的理论知识，对所研究的对象进行理 论方面的分析、计算及综合。 工程最优问题
最佳路径问题
庞得里亚金 极大值原理
科研工作的基本方法
统响应来确定系统的性能。
科研工作的基本方法
F
2实验法：
系统模型
+
Ud Id M n n ud +
M
Fx
x
路面
y
x
yx
q h1 hq
-
-
d 2x dx a 2 b cx y (t ) dt dt
t
q1 h
+
i (t ) U (t ) uc u L R C
+
U c (t )
（1）逻辑推理方法：归纳、推演、类比、移植
（2）机理建模法:白箱问题 （3）实验建模法：黑箱问题 （4）综合建模法：机理+实验
模型及其建立
建模三要素：目的，方法，验证
3.结果要验证 数学模型——必要条件 实物模型——充要条件 实际应用——结果检验
模型及其建立
建模过程
仿真实验
研究目的 OK 先验知识
电磁波设想
科研工作的基本方法
5猜想法：
宇宙大爆炸 理论
科研工作的基本方法
5猜想法：
布丰投针原理
l a
1 y l sin q (不相交) 2
1 y l sin q (相交) 2
1 y l sin q (不相交) 2
q
l y
y y
q
q
y a
l
q
l
l
q 90
1 y l sin q (不相交) 2
-
-
科研工作的基本方法
2实验法：
实际系统
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
在模型上（物理的/数学的）所进行的系统性能分析 与研究方法。
科研工作的基本方法
3仿真实验法：
数学模型
x ( f1 Dx1 ) f 2 sin x3 3 x2 1 x M x f1 Dx1 3 2 x2 1 sin x3 2 x ) x2 x3 g cos x3 sin x3 2 f 2 ( m M M x cos x3 ( f1 Dx1 f 2 sin x3 3 ) x x2 1 3 ( x 2 x2 x3 g sin x3 3 ) x2 M mx2
3 2
Root Locus
10 5
Imag Axis
1 0 -1 -2 -3 -6 -5 -4 -3 -2 Real Axis -1 0
பைடு நூலகம்
Imag Axis
0 -5
-10 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 Real Axis 0 0.5
仿真技术及其重要性
控制系统CAD
闭环控制性能分析
仿真技术及其重要性
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
常用的工具软件 ANSYS
（结构、热、流体、电磁和声学运用有限元分析软件）
1求解“热—结构耦合”、“磁—结构耦合”以及 “电—磁—流体—热耦合”等问题
2多种物理介质相互作用下的“动态性能”
3梯度显示、立体切片显示、图表/曲线显示 4网址：www.ansys.com.cn。
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
常用的工具软件 PSPICE（模拟电路CAD软件） 1电子电路仿真软件 2 ORCAD公司的商业化EDA软件 3直流/交流电路、瞬态特性优化设计、数字模拟混 合电路、电路绘图——仿真一体化
4网址：www.orcad.com。
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
常用的工具软件 SABER（电气、模拟、混合信号仿真软件） 1图形化界面 2稳态、时域、频域、可靠性 3应用于电源、电力电子、电气、机电一体化设计 4网址：www.jialing-int.com/saber.htm。
仿真技术及其重要性
仿真技术的发展
发展历程： 1、1773年，法国自然学家G.L.L.Buffon的“投针实 验”； 2、20世纪40年代，随模拟计算机的出现而起步/发展； 3、1955年，数字计算机的出现为仿真技术的应用开辟 了道路，但是“汇编语言”限制了其广泛发展； 4、1966年，雷诺（T.H.Naylor）给“仿真”做出了如 下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技 术，包括数学与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某 一事件或经济系统在若干周期内的特征”，它标志着 “仿真实验”作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。