1、 單位：物理電子學院 主講人：王剛 Email: buncan_計算機仿真原理與應用計算機仿真原理與應用教學安排教學安排n考查課考查課n授課形式：授課形式：n 課堂授課（課堂授課（14學時）學時）n 上機實踐（上機實踐（34學時）學時）主要內容主要內容n計算機仿真技術的概述、特點以及發展趨勢計算機仿真技術的概述、特點以及發展趨勢n連續系統仿真原理、方法連續系統仿真原理、方法n離散系統仿真原理、方法離散系統仿真原理、方法n面向對象仿真原理與技術面向對象仿真原理與技術n并行仿真技術并行仿真技術n半實物仿真技術與應用半實物仿真技術與應用n分布式仿真技術原理與典型應用分布式仿真技術原理與典型應用美國三

2、種典型導彈研制過程仿真技術的作用美國三種典型導彈研制過程仿真技術的作用原計劃發射仿真后實發節省導彈 節省費用（單位：千萬美元）愛國者1411014080羅蘭特2249512942尾 刺1851147125運運20研制效率的提高（研制效率的提高（2013年）年） 汽車、航空電子控制系統汽車、航空電子控制系統 一、為什么要進行仿真n什么叫系統？n系統：相互關聯又相互作用著的對象的有機組合，該有機組合能夠完成某項任務或實現某個預定的目標。n 通常研究的系統有工程系統和非工程系統。n工程系統（電氣、機電、化工）n非工程系統（經濟、交通、管理）n 建立系統概念的目的在于深入認識并掌握系統的運動規律，以便

3、分析和綜合自然、社會和工程系統中的種種復雜問題。n對系統進行研究、分析與設計的方法；n （1）直接在系統上進行實驗n 在要設計的系統上進行實驗n （2）在模型上進行實驗n 對要設計的系統進行處理，根據其中內含的各種自然規律（包括歐姆定律、比例環節和慣性環節等）得到相關的控制規律，即系統的數學模型來進行研究。n 對要設計的系統進行一定比例的縮放得到縮小或放大的物理模型。（古時的建筑）選擇在模型上進行實驗的原因n系統尚未設計出來n某些實驗會對系統造成傷害n難以保證實驗條件的一致性；如果存在人的因素，則更難保證條件的一致性。n費用高n無法復原二、仿真的定義n仿真的定義在不同的領域或范疇中有不同的描述

4、，可以概括為：“仿真是指用模型（物理模型或數學模型）代替實際系統進行實驗和研究。”n仿真遵循的原則： 原理抽象n 相似原理n相似原理：幾何相似、性能相似、環境相似。n幾何相似：根據相似原理把原來的實際系統放大可縮小。如把12000噸水壓機可用1200噸或120噸水壓機作其模型。萬噸輪船也要用縮小的模型來研究。n性能相似：構成模型的元素和原系統的不同，但其性能相似。如：可用一個電氣系統來模擬熱傳導系統。在這個電氣系統中電容代表熱容量，電阻代表熱阻，電壓代表溫差，電流代表熱流。三、仿真的目標n優化設計n預測系統的性能和參數n經濟性n采用物理模型或實物實驗，花費巨大。n采用數學模型即計算機數學仿真可

5、大幅度的降低成本并可重復使用。n安全性n載人飛行器和核電站的危險性不允許。n預測性n對于非工程系統，直接實驗不可能，只能采用預測的方法。（天氣預報）n復原性四、仿真的分類n按照模型性質分：物理、數學、混合n物理仿真：按照物理性質構造系統的物理模型，并在模型上進行試驗（直觀 形象）n數學仿真： 一般是指在計算機上對系統的數學模型進行試驗。（經濟方便）n混合仿真：兩者結合系統模型計算機模型建立仿真試驗仿真模型建立計算機仿真三要素n理發館系統： 實體：服務員、顧客n顧客：顧客：按某種規律到達，服務完畢后顧客離去按某種規律到達，服務完畢后顧客離去n 服務員：服務員：根據顧客的要求，按一定的程序服根據顧

6、客的要求，按一定的程序服務務n 相互作用：相互作用： 顧客到達模式影響著服務員的工顧客到達模式影響著服務員的工作忙閑狀態作忙閑狀態n 顧客排隊狀態顧客排隊狀態 、服務員的多少和服務效率：服務員的多少和服務效率：影響著顧客接受服務的質量影響著顧客接受服務的質量 電動機調速系統電動機調速系統 實體：實體：電動機、測速元件、比較元件以及電動機、測速元件、比較元件以及控制器。控制器。 相互作用：相互作用：實現按給定要求調節電動機的實現按給定要求調節電動機的速度速度系統定義：系統定義： 確定邊界、輸入、輸出確定邊界、輸入、輸出 描述系統描述系統“三要素三要素”：實體、屬性、活動：實體、屬性、活動邊界邊界

7、環境環境系統系統輸入輸入輸出輸出實體實體確定了系統的構成，也就確定了系統的邊界；確定了系統的構成，也就確定了系統的邊界；屬性屬性也稱為描述變量，描述每一實體的特征；也稱為描述變量，描述每一實體的特征；活動活動定義了系統內部實體之間的相互作用，從而確定義了系統內部實體之間的相互作用，從而確定了系統內部發生變化的過程。定了系統內部發生變化的過程。n模型實際系統本質的抽象與簡化n（1）真實的系統尚未建立n（2）可能會引起系統破壞或發生故障n（3）難以保證每次試驗的條件相同n（4）試驗時間太長或費用昂貴n模型分為兩大類n物理模型，采用一定比例尺按照真實系統的“樣子”制作沙盤模型n數學模型，用數學表達式

8、形式來描述系統的內在規律。n 定義如下集合結構：),(YQXTSTXQ：時間基，描述系統變化的時間坐標：時間基，描述系統變化的時間坐標為整數則稱為為整數則稱為離散時離散時間系統間系統，為實數則稱為為實數則稱為連續時間系統連續時間系統 ：輸入集，代表外部環境對系統的作用。：輸入集，代表外部環境對系統的作用。 ：輸入段集，描述某個時間間隔內輸入模式，是：輸入段集，描述某個時間間隔內輸入模式，是：內部狀態集，是系統內部結構建模的核心。：內部狀態集，是系統內部結構建模的核心。：狀態轉移函數，定義系統內部狀態是如何變化的。：狀態轉移函數，定義系統內部狀態是如何變化的。 ：輸出函數：輸出函數 Y：輸出段集

9、，系統通過它作用于環境。：輸出段集，系統通過它作用于環境。模型描述變量的軌 跡模 型形 式變量范圍模型的時間集合連續離散空間連續變化模型偏微分方程連續時間模型空間不連續變化模型常微分方程差分方程離散時間模型離散（變化）模型有限狀態機馬爾可夫鏈活動掃描連續時間模型事件調度進程交互系系 統統模模 型型計算機計算機系統建模系統建模仿真實驗仿真實驗仿真建模仿真建模 計算機仿真三要素及三個基本活動計算機仿真三要素及三個基本活動系統是研究的對象系統是研究的對象模型是系統的抽象模型是系統的抽象仿真是對模型的實驗仿真是對模型的實驗傳統上：傳統上：“系統建模系統建模”系統辨識技術范疇系統辨識技術范疇“仿真建模仿

10、真建模”即針對不同形式的系統模型研究其求解算法即針對不同形式的系統模型研究其求解算法“仿真實驗仿真實驗”檢驗（檢驗（Verification）“仿真程序仿真程序”的檢驗的檢驗 致效（致效（Validation）將仿真結果與實際系統的行將仿真結果與實際系統的行 為進行比較為進行比較現代仿真技術現代仿真技術：將仿真活動擴展到上述三個方面，：將仿真活動擴展到上述三個方面， 并將其統一到同一環境中。并將其統一到同一環境中。u系統建模系統建模 基本定律及系統辨識等方法計算機程序化基本定律及系統辨識等方法計算機程序化 用仿真方法確定實際系統的模型用仿真方法確定實際系統的模型 基于模型庫的結構化建模基于模型

11、庫的結構化建模 采用面向對象建模（采用面向對象建模（Object- Oriented Modeling）方法，）方法， 在類庫的基礎上實現模型拼合與重用在類庫的基礎上實現模型拼合與重用u仿真建模仿真建模 許多新算法和新軟件許多新算法和新軟件 模型與實驗分離技術，即模型的數據驅動（模型與實驗分離技術，即模型的數據驅動（data driven）。）。 仿真問題分為兩部分：模型與實驗仿真問題分為兩部分：模型與實驗 模型又分為兩部分：參數模型和參數值模型又分為兩部分：參數模型和參數值 仿真實驗仿真實驗將實驗框架與仿真運行控制區分開來將實驗框架與仿真運行控制區分開來特定模型：特定模型： 參數模型參數模型

12、參數值參數值實驗：實驗： 實驗框架實驗框架 仿真運行控制仿真運行控制仿真問題描述仿真問題描述行為產生行為產生模型行為及其處理模型行為及其處理模型行為（仿真數據）模型行為（仿真數據）軌跡行為軌跡行為結構行為結構行為行為處理：分析、顯示行為處理：分析、顯示圖圖 現代仿真的概念框架現代仿真的概念框架實驗框架定義一組條件實驗框架定義一組條件輸出函數的定義也與仿真模型分離輸出函數的定義也與仿真模型分離開來開來Orn仿真概念框架仿真概念框架：“仿真問題描述仿真問題描述”“仿真建模仿真建模”“行為產生行為產生”“仿真實驗仿真實驗”“模型行為及其處理模型行為及其處理”輸出處理輸出處理五 系統仿真的特點n1.根

13、據模型的物理屬性分類n物理仿真：按照真實系統的物理性質構造系統的物理模型，并在物理模型上進行實驗的過程稱為物理仿真。n 物理仿真的優點是：直觀、形象，也稱為“模擬”。n 物理仿真的缺點是：模型改變困難，實驗限制多，投資較大。n數學仿真：對實際系統進行抽象，并將其特性用數學關系加以描述而得到系統的數學模型，對數學模型進行實驗的過程稱為數學仿真。n計算機技術的發展為數學仿真創造了環境，亦稱為計算機仿真n數學仿真優點是：方便、靈活、經濟n數學仿真缺點是：受限于系統建模技術，即系統數學模型不易建立。半實物仿真：半實物仿真：即將數學模型與物理模型甚至實物聯合起來進行即將數學模型與物理模型甚至實物聯合起來

14、進行實驗。實驗。對系統中比較簡單的部分或對其規律比較清楚的部分建立數對系統中比較簡單的部分或對其規律比較清楚的部分建立數學模型，并在計算機上加以實現學模型，并在計算機上加以實現對比較復雜的部分或對規律尚不十分清楚的系統，其數學模對比較復雜的部分或對規律尚不十分清楚的系統，其數學模型的建立比較困難，則采用物理模型或實物型的建立比較困難，則采用物理模型或實物仿真時將兩者連接起來完成整個系統的實驗仿真時將兩者連接起來完成整個系統的實驗2.根據仿真計算機類型分類根據仿真計算機類型分類模擬計算機仿真：模擬計算機仿真：模擬計算機本質上是一種通用的電氣裝置，模擬計算機本質上是一種通用的電氣裝置，這是這是50

15、60年代普遍采用仿真設備。將系統數學模型在模擬機年代普遍采用仿真設備。將系統數學模型在模擬機上加以實現并進行實驗稱為模擬機仿真。上加以實現并進行實驗稱為模擬機仿真。模擬機仿真是一種模擬機仿真是一種并行仿真并行仿真，仿真時，代表模型的各部件是并，仿真時，代表模型的各部件是并發執行的。發執行的。d ydtad ydtbdydtcyf td ydtad ydtbdydtcyf td ydtd ydtdtdydtd ydtdtydydtdt33223322223322 ( )( ) y y y yb-c-af例如例如: 數字計算機仿真數字計算機仿真：將系統數學模型用計算機程序加以實現，通過運行將系統數

16、學模型用計算機程序加以實現，通過運行程序來得到數學模型的解，從而達到系統仿真的目的。程序來得到數學模型的解，從而達到系統仿真的目的。早期的數字計算機仿真則是一種早期的數字計算機仿真則是一種串行仿真串行仿真，因為計，因為計算機只有一個中央處理器（算機只有一個中央處理器（CPU），計算機指令只能逐），計算機指令只能逐條執行。條執行。數字模擬混合仿真：數字模擬混合仿真：為了發揮模擬計算機并行計算和數字計算機強大的為了發揮模擬計算機并行計算和數字計算機強大的存貯記憶及控制功能，以實現大型復雜系統的高速仿真，存貯記憶及控制功能，以實現大型復雜系統的高速仿真，將系統模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計算機

17、上將系統模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計算機上運行，另一部分放在數字計算機上運行，兩個計算機之運行，另一部分放在數字計算機上運行，兩個計算機之間利用模間利用模/數和數數和數/模轉換裝置交換信息。模轉換裝置交換信息。3.根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類 實際動態系統的時間基稱為實際動態系統的時間基稱為實際時鐘實際時鐘 系統仿真時模型所采用的時鐘稱為系統仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真時鐘仿真時鐘實時仿真：實時仿真：即仿真時鐘與實際時鐘完全一致即仿真時鐘與實際時鐘完全一致 模型仿真的速度與實際系統運行的速度相同模型仿真的速度與實際系統運行的速度相同 當被仿

18、真的系統中存在物理模型或實物時，必須進行實時仿真當被仿真的系統中存在物理模型或實物時，必須進行實時仿真亞實時仿真：亞實時仿真：即仿真時鐘慢于實際時鐘即仿真時鐘慢于實際時鐘 模型仿真的速度慢于實際系統運行的速度，也稱為離線仿真。模型仿真的速度慢于實際系統運行的速度，也稱為離線仿真。超實時仿真：超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘即仿真時鐘快于實際時鐘 模型仿真的速度快于實際系統運行的速度模型仿真的速度快于實際系統運行的速度4.根據系統模型的特性分類根據系統模型的特性分類連續系統仿真連續系統仿真 連續系統是指連續系統是指系統狀態隨時間連續變化系統狀態隨時間連續變化的系統，分為：的系統，分為：集中參數

19、系統模型集中參數系統模型，一般用常微分方程（組）描述，一般用常微分方程（組）描述分布參數系統模型分布參數系統模型，一般用偏微分方程（組）描述，一般用偏微分方程（組）描述u離散時間變化模型中的差分模型歸為連續系統仿真范疇離散時間變化模型中的差分模型歸為連續系統仿真范疇離散事件系統仿真離散事件系統仿真 離散事件系統是指在某些離散事件系統是指在某些隨機時間點隨機時間點上上系統狀態發生離散變系統狀態發生離散變化化的系統。的系統。與連續系統的主要區別在于：與連續系統的主要區別在于： 狀態變化發生在隨機時間點上這種引起狀態變化的行為稱為狀態變化發生在隨機時間點上這種引起狀態變化的行為稱為“事件事件”，因而

20、這類系統是由事件驅動的；，因而這類系統是由事件驅動的；“事件事件”往往發生在往往發生在隨機時間點隨機時間點上，亦稱為隨機事件，上，亦稱為隨機事件， 因而一般都具有因而一般都具有隨機特性隨機特性系統的狀態變量往往是系統的狀態變量往往是離散變化離散變化的的系統的系統的動態特性動態特性很難用人們所熟悉的很難用人們所熟悉的數學方程數學方程形式描形式描述述研究與分析的主要目標是系統行為的研究與分析的主要目標是系統行為的統計性能統計性能而不是而不是行為的點軌跡。行為的點軌跡。六 計算機仿真的一般步驟n建模與形式化：n 確定模型的邊界，n 模型進行形式化處理n仿真建模：n 選擇合適的算法，n 算法的穩定性、

21、計算精度、計算速度u程序設計：程序設計：將仿真模型用計算機能執行的程序來描述將仿真模型用計算機能執行的程序來描述程序中要包括仿真實驗的要求程序中要包括仿真實驗的要求 仿真運行參數、控制參數、輸出要求仿真運行參數、控制參數、輸出要求u模型校驗：程序調試模型校驗：程序調試 檢驗所選仿真算法的合理檢驗所選仿真算法的合理 檢驗模型計算的正確性（檢驗模型計算的正確性（Verification）u仿真運行：對模型進行實驗仿真運行：對模型進行實驗u仿真結果分析：對系統性能作出評價仿真結果分析：對系統性能作出評價 模型可信性檢驗（模型可信性檢驗（Validation）只有可信的模型才能作為仿真的基礎只有可信的模型才能作為仿真的基礎七 計算機仿真技術的應用n仿真技術在系統設計中的應用n新系統設計：提供了強有力的工具n在可行性論證階段，進行定量比較，為系統設計打下堅實的基礎n在系統設計階段，進行模型實驗、模型簡化并進行優化設計n系統改造設計：涉及新的設備、部件或控制裝置n 利用仿真技術進行分系統實驗，即一部分采用實際部件