計(jì)算機(jī)仿真原理及應(yīng)用第一講

1、單位：物理電子學(xué)院 主講人：王剛 Email: buncan_wang@126.com,計(jì)算機(jī)仿真原理與應(yīng)用,教學(xué)安排,考查課授課形式： 課堂授課（14學(xué)時(shí)） 上機(jī)實(shí)踐（34學(xué)時(shí)）,主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的概述、特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢連續(xù)系統(tǒng)仿真原理、方法離散系統(tǒng)仿真原理、方法面向?qū)ο蠓抡嬖砼c技術(shù)并行仿真技術(shù)半實(shí)物仿真技術(shù)與應(yīng)用分布式仿真技術(shù)原理與典型應(yīng)用,§1 計(jì)算機(jī)仿真技

2、術(shù)概述,美國三種典型導(dǎo)彈研制過程仿真技術(shù)的作用,運(yùn)20研制效率的提高（2013年）,汽車、航空電子控制系統(tǒng),一、為什么要進(jìn)行仿真,什么叫系統(tǒng)？系統(tǒng)：相互關(guān)聯(lián)又相互作用著的對象的有機(jī)組合，該有機(jī)組合能夠完成某項(xiàng)任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)某個(gè)預(yù)定的目標(biāo)。 通常研究的系統(tǒng)有工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)（電氣、機(jī)電、化工）非工程系統(tǒng)（經(jīng)濟(jì)、交通、管理） 建立系統(tǒng)概念的目的在于深入認(rèn)識并掌握系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以便分析和綜合自然、社會和工程系統(tǒng)

3、中的種種復(fù)雜問題。,對系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析與設(shè)計(jì)的方法； （1）直接在系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 在要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn) （2）在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 對要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行處理，根據(jù)其中內(nèi)含的各種自然規(guī)律（包括歐姆定律、比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)等）得到相關(guān)的控制規(guī)律，即系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行研究。 對要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行一定比例的縮放得到縮小或放大的物理模型。（古時(shí)的建筑）,選擇

4、在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的原因,系統(tǒng)尚未設(shè)計(jì)出來某些實(shí)驗(yàn)會對系統(tǒng)造成傷害難以保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性；如果存在人的因素，則更難保證條件的一致性。費(fèi)用高無法復(fù)原,二、仿真的定義,仿真的定義在不同的領(lǐng)域或范疇中有不同的描述，可以概括為：“仿真是指用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究?！狈抡孀裱脑瓌t： 原理抽象 相似原理相似原理：幾何相似、性能相似、環(huán)境相似。,幾何相似

5、：根據(jù)相似原理把原來的實(shí)際系統(tǒng)放大可縮小。如把12000噸水壓機(jī)可用1200噸或120噸水壓機(jī)作其模型。萬噸輪船也要用縮小的模型來研究。性能相似：構(gòu)成模型的元素和原系統(tǒng)的不同，但其性能相似。如：可用一個(gè)電氣系統(tǒng)來模擬熱傳導(dǎo)系統(tǒng)。在這個(gè)電氣系統(tǒng)中電容代表熱容量，電阻代表熱阻，電壓代表溫差，電流代表熱流。,三、仿真的目標(biāo),優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)測系統(tǒng)的性能和參數(shù)經(jīng)濟(jì)性采用物理模型或?qū)嵨飳?shí)驗(yàn)，花費(fèi)巨大。采用數(shù)學(xué)模型即計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)仿真可大幅度的降低

6、成本并可重復(fù)使用。安全性載人飛行器和核電站的危險(xiǎn)性不允許。預(yù)測性對于非工程系統(tǒng)，直接實(shí)驗(yàn)不可能，只能采用預(yù)測的方法。（天氣預(yù)報(bào)）復(fù)原性,四、仿真的分類,按照模型性質(zhì)分：物理、數(shù)學(xué)、混合物理仿真：按照物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在模型上進(jìn)行試驗(yàn)（直觀 形象）數(shù)學(xué)仿真： 一般是指在計(jì)算機(jī)上對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)。（經(jīng)濟(jì)方便）混合仿真：兩者結(jié)合,計(jì)算機(jī)仿真三要素,理發(fā)館系統(tǒng)： 實(shí)體：服務(wù)員、顧客顧客：按某種規(guī)律到達(dá)，服

7、務(wù)完畢后顧客離去 服務(wù)員：根據(jù)顧客的要求，按一定的程序服務(wù) 相互作用： 顧客到達(dá)模式影響著服務(wù)員的工作忙閑狀態(tài) 顧客排隊(duì)狀態(tài) 、服務(wù)員的多少和服務(wù)效率：影響著顧客接受服務(wù)的質(zhì)量,電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)體：電動(dòng)機(jī)、測速元件、比較元件以及控制器。 相互作用：實(shí)現(xiàn)按給定要求調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度系統(tǒng)定義： 確定邊界、輸入、輸出 描述系統(tǒng)“三要素”：實(shí)體、屬性、活動(dòng),實(shí)體確定了系統(tǒng)的構(gòu)成，也就確

8、定了系統(tǒng)的邊界；屬性也稱為描述變量，描述每一實(shí)體的特征；活動(dòng)定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程。,模型――實(shí)際系統(tǒng)本質(zhì)的抽象與簡化（1）真實(shí)的系統(tǒng)尚未建立（2）可能會引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障（3）難以保證每次試驗(yàn)的條件相同（4）試驗(yàn)時(shí)間太長或費(fèi)用昂貴模型分為兩大類物理模型，采用一定比例尺按照真實(shí)系統(tǒng)的“樣子”制作――沙盤模型數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)表達(dá)式形式來描述系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。 定義如下集合

9、結(jié)構(gòu)：,：時(shí)間基，描述系統(tǒng)變化的時(shí)間坐標(biāo)為整數(shù)則稱為離散時(shí)間系統(tǒng)，為實(shí)數(shù)則稱為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng),：輸入集，代表外部環(huán)境對系統(tǒng)的作用。,：輸入段集，描述某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)輸入模式，是,：內(nèi)部狀態(tài)集，是系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模的核心。,,：狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，定義系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)是如何變化的。,,：輸出函數(shù),,：輸出段集，系統(tǒng)通過它作用于環(huán)境。,,系統(tǒng)是研究的對象模型是系統(tǒng)的抽象仿真是對模型的實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)上：“系統(tǒng)建?！报D―系統(tǒng)辨識技術(shù)范疇“仿真建模”――即針

10、對不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法“仿真實(shí)驗(yàn)”――檢驗(yàn)（Verification）――“仿真程序”的檢驗(yàn) 致效（Validation）――將仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的行 為進(jìn)行比較現(xiàn)代仿真技術(shù)：將仿真活動(dòng)擴(kuò)展到上述三個(gè)方面， 并將其統(tǒng)一到同一環(huán)境中。,系統(tǒng)建模

11、基本定律及系統(tǒng)辨識等方法計(jì)算機(jī)程序化 用仿真方法確定實(shí)際系統(tǒng)的模型 基于模型庫的結(jié)構(gòu)化建模 采用面向?qū)ο蠼＃∣bject- Oriented Modeling）方法， 在類庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型拼合與重用仿真建模 許多新算法和新軟件 模型與實(shí)驗(yàn)分離技術(shù)，即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（data driven）。 仿真問題分為兩

12、部分：模型與實(shí)驗(yàn) 模型又分為兩部分：參數(shù)模型和參數(shù)值 仿真實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)框架與仿真運(yùn)行控制區(qū)分開來,,實(shí)驗(yàn)框架定義一組條件輸出函數(shù)的定義也與仿真模型分離開來Orën仿真概念框架：―“仿真問題描述”――“仿真建?！报D“行為產(chǎn)生”――――“仿真實(shí)驗(yàn)”―“模型行為及其處理”―輸出處理,五 系統(tǒng)仿真的特點(diǎn),1.根據(jù)模型的物理屬性分類物理仿真：按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理

13、模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為物理仿真。 物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是：直觀、形象，也稱為“模擬”。 物理仿真的缺點(diǎn)是：模型改變困難，實(shí)驗(yàn)限制多，投資較大。數(shù)學(xué)仿真：對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為數(shù)學(xué)仿真。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)學(xué)仿真創(chuàng)造了環(huán)境，亦稱為計(jì)算機(jī)仿真數(shù)學(xué)仿真優(yōu)點(diǎn)是：方便、靈活、經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)仿真缺點(diǎn)是：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。,半實(shí)物仿真：即將

14、數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對系統(tǒng)中比較簡單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)對比較復(fù)雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，則采用物理模型或?qū)嵨锓抡鏁r(shí)將兩者連接起來完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)2.根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)類型分類模擬計(jì)算機(jī)仿真：模擬計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一種通用的電氣裝置，這是50－60年代普遍采用仿真設(shè)備。將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在模擬機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)稱為模擬機(jī)仿真。模

15、擬機(jī)仿真是一種并行仿真，仿真時(shí)，代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。,例如:,,,,,,數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真：將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型用計(jì)算機(jī)程序加以實(shí)現(xiàn)，通過運(yùn)行程序來得到數(shù)學(xué)模型的解，從而達(dá)到系統(tǒng)仿真的目的。早期的數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真則是一種串行仿真，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只有一個(gè)中央處理器（CPU），計(jì)算機(jī)指令只能逐條執(zhí)行。數(shù)字模擬混合仿真：為了發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)并行計(jì)算和數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存貯記憶及控制功能，以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)的高速仿真，將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一

16、部分放在模擬計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，另一部分放在數(shù)字計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間利用模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換裝置交換信息。,3.根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類 實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間基稱為實(shí)際時(shí)鐘 系統(tǒng)仿真時(shí)模型所采用的時(shí)鐘稱為仿真時(shí)鐘實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致 模型仿真的速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同 當(dāng)被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r(shí)，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真亞實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘慢

17、于實(shí)際時(shí)鐘 模型仿真的速度慢于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度，也稱為離線仿真。超實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘 模型仿真的速度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度,4.根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類連續(xù)系統(tǒng)仿真 連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)，分為：集中參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用常微分方程（組）描述分布參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用偏微分方程（組）描述離散時(shí)間變化模型中的差分模型歸為連續(xù)系統(tǒng)仿真范疇離散事件系統(tǒng)仿真 離

18、散事件系統(tǒng)是指在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于： 狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的；,,,,,,,“事件”往往發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上，亦稱為隨機(jī)事件， 因而一般都具有隨機(jī)特性系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難用人們所熟悉的數(shù)學(xué)方程形式描述研究與分析的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能而不是行為的點(diǎn)軌跡。,六

19、計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟,建模與形式化： 確定模型的邊界， 模型進(jìn)行形式化處理仿真建模： 選擇合適的算法， 算法的穩(wěn)定性、計(jì)算精度、計(jì)算速度,程序設(shè)計(jì)：將仿真模型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序來描述程序中要包括仿真實(shí)驗(yàn)的要求 仿真運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求模型校驗(yàn)：程序調(diào)試 檢驗(yàn)所選仿真算法的合理 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的正確性（Verification）仿真運(yùn)行：對模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析：對

20、系統(tǒng)性能作出評價(jià) 模型可信性檢驗(yàn)（Validation）★只有可信的模型才能作為仿真的基礎(chǔ),七 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用,仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用新系統(tǒng)設(shè)計(jì)：提供了強(qiáng)有力的工具在可行性論證階段，進(jìn)行定量比較，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)、模型簡化并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)：涉及新的設(shè)備、部件或控制裝置 利用仿真技術(shù)進(jìn)行分系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，即一部分采用實(shí)際部件，另一部分采用模型，避

21、免由于新的子系統(tǒng)的投入可能造成對原系統(tǒng)的破壞或影響大大縮短開工周期，提高系統(tǒng)投入的一次成功率舉例：系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)——現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)航空電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),航電發(fā)展歷程（第一代）,分立式每種設(shè)備由它所包含的傳感器、處理器和顯示器完成該設(shè)備的獨(dú)立功能，連接介質(zhì)是點(diǎn)對點(diǎn)的導(dǎo)線,航電發(fā)展歷程（第二代）,聯(lián)合式 采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理器來完成諸如通信、導(dǎo)航、武器投放、外掛管理和飛行控制這樣的管理功能；處理器之間用時(shí)分多路總線(MIL-STD-15

22、53B)相連接；實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)集中控制和統(tǒng)一顯示。,航電發(fā)展歷程（第三代）,綜合式 現(xiàn)場可更換設(shè)備?現(xiàn)場可更換模塊；核心綜合處理器（CIP）數(shù)字系統(tǒng)綜合采用光線通道,航電發(fā)展歷程（第四代）,先進(jìn)綜合式 數(shù)據(jù)系統(tǒng)綜合-〉傳感器綜合；從硬件的角度己經(jīng)難以分清通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)的硬件設(shè)備，它們是通用模塊，加駐不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能 ；,設(shè)計(jì)流程,需求分析系統(tǒng)規(guī)范系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)快速原型產(chǎn)品實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)流程,需求分析系統(tǒng)規(guī)范