1、仿真技术概述

q1 h
hq
+
i (t ) U (t )
L
R C uc u
+
U c (t )
-
-
中国计量学院 自动化教研室
主要内容
控制系统实验的
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
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模型及其建立
模型的重要性
勾股定理
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模型及其建立
模型的重要性
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控制系统实验的基本方法
仿真实验法：
虚拟模型
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控制系统实验的基本方法
仿真实验法：
实物模 型
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控制系统实验的基本方法
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
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工wenku.baidu.com应用： 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
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仿真技术及其重要性
仿真技术的发展
猜想法：
哥德巴赫猜想 相对论假说
电磁波设想
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控制系统实验的基本方法
猜想法：
宇宙大爆炸 理论
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控制系统实验的基本方法
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
仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用：
车辆肇事仿真
飞行器设计
军事工程
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用： 车辆肇事仿真
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
工程应用： 飞行器设计
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。
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控制系统实验的基本方法
仿真实验法：
数学模型
x ( f1 Dx1 ) f 2 sin x3 3 x2 x1 M x f1 Dx1 3 2 x2 1 sin x3 2 ) x2 x3 g cos x3 sin x3 x2 f 2 ( m M M x cos x3 ( f1 Dx1 f 2 sin x3 3 ) x x2 1 x3 ( 2 x2 x3 g sin x3 3 ) x2 M mx2
16、1999年，“银河高性能分布仿真计算机”在长沙 诞生，这标志着我国的仿真技术已达到国际先进水平；
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
17、1999年，《控制系统数字仿真与CAD》一书（第1 版）出版（机械工业出版社），它标志着以MATLAB为 平台的仿真技术类课程开始在高等院校本科生开展；
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
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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。
控制系统数字仿真与CAD
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主要内容
控制系统实验的
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
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控制系统实验的基本方法
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
F
实验法：
系统模型
+
Ud Id M n n ud +
M
Fx
x
路面
y
x
yx
q h1
t
-
-
d 2x dx a 2 b cx y (t ) dt dt
q1 h
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+
i (t ) U (t )
L
R C uc u
+
U c (t )
-
-
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控制系统实验的基本方法
仿真技术及其重要性
仿真技术的发展
5、20世纪70年代，以FORTRAN为代表的高级语言与 多种专用的仿真语言（如：MIMIC、DSL/90、CSSL、 CSMP等）为“数字仿真技术”的广泛应用奠定了基础; 6、1978年,美国推出的AD10数字/模拟混合计算机使 “仿真技术”得以进入军事、武器装备等领域的深层应 用。 7、20世纪80年代初，MATLAB软件出现，并广泛在欧 美的中得到应用；
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控制系统实验的基本方法
解析法：
工程动力学问题 F=ma
一阶倒立摆
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控制系统实验的基本方法
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
统响应来确定系统的性能。
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控制系统实验的基本方法
控制系统实验的基本方法
仿真实验法：
工程应用： 飞行器设计的三级仿真体系
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控制系统实验的基本方法
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。
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控制系统实验的基本方法
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仿真技术及其重要性
仿真技术的发展
13、1993年，中国“银河仿真Ⅱ型机”研制成功； 14、1996年，中国学者薛定宇所著《控制系统计算机 辅助设计——MATLAB语言与应用》一书出版（清华大 学出版社），它是国内最早的MATLAB专著； 15、1996年，美国学者Macredie系统阐述了虚拟现实、 仿真环境、面向对象的建模机制等重要概念与理论，为 虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应 用推波助澜；
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模型及其建立
仿真实验
建模过程
研究目的 OK 先验知识 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
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主要内容
控制系统实验的
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
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
控制系统CAD
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仿真技术及其重要性
控制系统CAD
10 0
Bode Diagram
Magnitude (dB)
固有特性分析
-10 -20 -30 -40 -50 -1 10
T 2 (S) T 1 (S) T 1 (S) T 1 (S)
L=1.0m L=1.1m L=1.0m L=0.9m
8、1983年，美国国防高级研究计划局（DARPA）与陆 军共同制定了仿真组网（SIMNET）计划；
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仿真技术及其重要性
仿真技术的发展
9、1984年，William Gibon提出了“虚拟现实”的概念， 为仿真技术的应用指出了新的发展方向； 10、1985年，美国推出性能更加强大AD100数字/模拟混 合计算机（可用于洲际导弹/多目标飞行器实时仿真）； 11、1989年，美国评出了科技领域近25年间最杰出的十 项技术成果，将CAD/CAM技术列为第四项，被称为“推 动了几乎所有设计领域的革命”； 12、1992年，美国政府提出的22项国家关键技术中，仿 真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，仿真技 术被列为第6项；
触觉传感器
压电复合材料
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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：
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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
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
虚拟样机： 虚拟环境
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建模三要素：目的，方法，验证
2.方法要恰当
（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
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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
10
0
10
1
10
2
Root Locus
3 2
Frequency (rad/sec)
Root Locus
10 5
Imag Axis
1 0 -1 -2 -3 -6 -5 -4 -3 -2 Real Axis -1 0
Imag Axis
0 -5
-10 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 Real Axis 0 0.5
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仿真技术及其重要性
控制系统CAD
闭环控制性能分析
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仿真技术及其重要性
控制系统CAD
球棒系统
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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
q
l y
y y
q
q
y
a
l
q
l
l
q 90
1 y l sin q (不相交) 2
1 y l sin q (相交) 2
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主要内容
控制系统实验的
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
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相似性原理及应用
仿真实验所遵循的基本原则
1、几何相似
2、环境相似 3、性能相似
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相似性原理及应用
1、几何相似
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相似性原理及应用
2、环境相似
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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
t
-
-
d 2x dx a 2 b cx y (t ) dt dt
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 中国计量学院 自动化教研室 “仿真实验”作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。
18、进入21世纪，“虚拟现实仿真技术”开始在影视艺 术、工业设计、生活娱乐等领域大量应用；“仿真技术” 已成为“现代工程技术人员应该掌握的基本技能之一”。
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仿真技术及其重要性
仿真技术的应用
发展趋势： 1 在硬件上，基于多CPU的并行处理技术的全数字仿真技 术将有效的改善仿真系统的“实时性”； 2 基于网络技术的分布式数字仿真系统将广泛应用； 3 基于虚拟现实技术的“多媒体环境条件下的仿真技术” 将推进军事、工业、生活、娱乐等领域的深层次应用； 4 “离散事件系统”的仿真问题将成为人们研究的另一热点； 5“仿真技术”将成为高等理工院校学生培养的重要技术。
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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
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
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。
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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
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模型及其建立