系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)工程系統(tǒng)的仿真，起源于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。從最初的簡(jiǎn)單電子、機(jī)械系統(tǒng)，逐步發(fā)展到今天涵蓋機(jī)、電、液、熱、氣、電、磁等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，并且在控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)方向上飛速發(fā)展?？刂破鞯姆抡孳浖谘芯靠刂撇呗?、控制算法、控制系統(tǒng)的品質(zhì)方面提供了強(qiáng)大的支持。隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)、電、液、熱、氣、磁等驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，以高可靠性、高精度、高反應(yīng)速度和穩(wěn)定性為代表的先進(jìn)特征，將工程系統(tǒng)的執(zhí)行品質(zhì)提升到了前所未有的水平。相對(duì)控制器本身的發(fā)展，憑借新的加工制造技術(shù)的支持，執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展更加富于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，而對(duì)于設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及構(gòu)建

2、一個(gè)包括控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完整的自動(dòng)化系統(tǒng)也提出了更高的要求。 AMESIM軟件正是能夠提供平臺(tái)級(jí)仿真技術(shù)的工具。從根據(jù)用戶需求，提供液壓、機(jī)械、氣動(dòng)等設(shè)計(jì)分析到復(fù)雜系統(tǒng)的全系統(tǒng)分析，到引領(lǐng)協(xié)同仿真技術(shù)的發(fā)展方向，AMESIM的發(fā)展軌跡和方向代表了工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)。一、系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 工程系統(tǒng)仿真作為虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的一部分，與控制仿真、視景仿真、結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算仿真、多物理場(chǎng)以及虛擬布置和裝配維修等技術(shù)一起，在貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)改進(jìn)乃至退役的全壽命周期技術(shù)活動(dòng)中，發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也在滿足越來(lái)越高和越來(lái)越復(fù)雜的要求。因此，工程系統(tǒng)仿真技術(shù)也就迅速地發(fā)展到了協(xié)

3、同仿真階段。其主要特征表現(xiàn)為：1、控制器和被控對(duì)象的聯(lián)合仿真：MATLABAMESIM，可以覆蓋整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的全部要求。2、被控對(duì)象的多學(xué)科、跨專業(yè)的聯(lián)合仿真：AMESIM機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)CFDTHERMAL電磁分析3、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是由仿真軟件與仿真機(jī)等半實(shí)物仿真系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，通過物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模型來(lái)測(cè)試成型或者硬件控制器。4、集成進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)現(xiàn)代研發(fā)制造單位，尤其是設(shè)計(jì)研發(fā)和制造一體化的大型單位，引進(jìn)PDM/PLM系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化建設(shè)的潮流。在復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理流程中，系統(tǒng)仿真作為CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，與上下游工具配合。5、超越仿真技術(shù)本身工程師不必是精通數(shù)值算法和仿真

4、技術(shù)的專家，而只需要關(guān)注自己的專業(yè)對(duì)象，其他大量的模型建立、算法選擇和數(shù)據(jù)前后處理等工作都交給軟件自動(dòng)完成。這一技術(shù)特點(diǎn)極大地提高了仿真的效率，降低了系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用門檻，避免了因?yàn)椴涣私馑惴ㄔ斐傻姆抡媸　?、構(gòu)建虛擬產(chǎn)品在通過建立虛擬產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化過程中，關(guān)注以各種特征值為代表的系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)多方案的快速比較。二、系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)21、屏棄單專業(yè)的仿真 單一專業(yè)仿真將退出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，專注于單一專業(yè)技術(shù)的深入發(fā)展。作為總體優(yōu)化的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)分析工具，必要條件之一是跨專業(yè)多學(xué)科協(xié)同仿真。22、跟隨計(jì)算技術(shù)的發(fā)展 隨著計(jì)算技術(shù)在軟硬件方面的發(fā)展，大型工程軟件系統(tǒng)開始有減少模型的簡(jiǎn)化

5、、減少模型解藕的趨勢(shì)，力爭(zhēng)從模型和算法上保證仿真的準(zhǔn)確性。更強(qiáng)更優(yōu)化的算法，配合專業(yè)的庫(kù)，將提供大型工程對(duì)象的系統(tǒng)整體仿真的可能性。在高性能計(jì)算方面，將支持包括并行處理、網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)和高速計(jì)算系統(tǒng)等技術(shù)。23、平臺(tái)化 要求仿真工具能夠提供建模、運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理（包括二次開發(fā)后的集成和封裝）、數(shù)據(jù)傳遞等全部仿真工作流程要求的功能，并且通過數(shù)據(jù)流集成在更大的PDM/PLM平臺(tái)上。同時(shí)，在時(shí)間尺度上支持全開發(fā)流程的仿真要求，在空間尺度上支持不同開發(fā)團(tuán)隊(duì)甚至是交叉型組織架構(gòu)間的協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)的管理。24、整合和細(xì)分市場(chǎng) 整合化：將出現(xiàn)主流的標(biāo)準(zhǔn)工具。其特征是功能涵蓋了現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的主要系統(tǒng)仿真需求，并

6、與其他主流軟件工具通過接口或后臺(tái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)別的數(shù)據(jù)交互，有協(xié)同工作的能力；軟件自身的技術(shù)進(jìn)展迅速，具有強(qiáng)大的發(fā)展后勁。專業(yè)化：隨著市場(chǎng)需求的細(xì)分，走專業(yè)化道路，將出現(xiàn)極專業(yè)的工具。這些工具將在某些具體的專業(yè)領(lǐng)域提供深入研究的特殊支持，如開發(fā)特殊的庫(kù)或模型，專注于具有鮮明行業(yè)特征的技術(shù)，滿足特殊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將出現(xiàn)整合型工具和專業(yè)化工具互補(bǔ)的局面。25、智能化 將引進(jìn)更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不斷改進(jìn)GUI，讓軟件使用者直接體驗(yàn)到數(shù)值計(jì)算專家開發(fā)的后臺(tái)工具提供的強(qiáng)大功能，同時(shí)減少軟件學(xué)習(xí)和使用的困難。提供易學(xué)易用的強(qiáng)大工具。26、豐富的二次開發(fā)選項(xiàng) 提供源代碼級(jí)的二次開發(fā)支持

7、，開放的架構(gòu)滿足不同用戶的專業(yè)開發(fā)要求。在強(qiáng)大的工具平臺(tái)上，根據(jù)自身的需要，進(jìn)行二次開發(fā)。這已經(jīng)是目前許多研發(fā)單位開發(fā)專有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。今后的系統(tǒng)仿真工具必須支持用戶在進(jìn)行二次開發(fā)的時(shí)候，從源代碼級(jí)別開始的創(chuàng)新和工程化定制，并能夠通過封裝集成到原有平臺(tái)中去。這種技術(shù)將成為用戶在實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技術(shù)組織內(nèi)共享和傳承的同時(shí)，保護(hù)自身知識(shí)產(chǎn)權(quán)的必然選擇。早期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)算出來(lái)，如 Ziegler 與 Nichols 于1942年提出的 PID 經(jīng)驗(yàn)公式就可以十分容易地設(shè)計(jì)出來(lái)。隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計(jì)算器等簡(jiǎn)單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了

8、迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (computer-aided control system design , CACSD)方法?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國(guó)際上最權(quán)威的IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)的控制系統(tǒng)雜志(Control Systems Magazine)和IEEE學(xué)會(huì)的科研報(bào)告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？?。近三十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CACSD 軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB

9、語(yǔ)言出現(xiàn)以來(lái)，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，成為控制界學(xué)者的首選。MATLAB 作為主要程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費(fèi)在沒有太大價(jià)值的底層重復(fù)性機(jī)械性勞動(dòng)上，這樣可以對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認(rèn)識(shí)偏差，提高控制器設(shè)計(jì)的效率和可靠性。（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗

10、口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。（2）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言Matlab一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫

11、好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代

12、替底層編程語(yǔ)言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能 MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖

13、象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB對(duì)許多專

14、門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之