工程系統(tǒng)仿真

1、摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等高新技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)得到了快速的推動(dòng)，并 且在工程技術(shù)的發(fā)展中越來(lái)越重要。本文將首先介紹仿真技術(shù)的概念及特點(diǎn)，然后介紹仿真 技術(shù)在工程中的重要作用，進(jìn)而分析工程仿真技術(shù)發(fā)展水平以及展望其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；工程系統(tǒng)一、仿真技術(shù)的概念仿真技術(shù)是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)業(yè) 知識(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模 型對(duì)系統(tǒng)（已有的或設(shè)想的）進(jìn)行研究的一門(mén)多學(xué)科的綜合性的技術(shù)。在現(xiàn)代的工程系統(tǒng)中，仿真是一種常用而且有效的方法，因?yàn)樗梢詫?duì)復(fù)雜 的動(dòng)態(tài)對(duì)象進(jìn)行分析，可以縮短設(shè)計(jì)和制造的周期，減少

2、風(fēng)險(xiǎn)并節(jié)約投資。而隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究 使得仿真技術(shù)更加普及。利用計(jì)算機(jī)對(duì)工程系統(tǒng)仿真的過(guò)程可以通過(guò)三個(gè)基本活 動(dòng)來(lái)描述：1）建?；顒?dòng)：通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的觀測(cè)和檢測(cè)，在忽略次要因素及不可檢測(cè) 變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述，從而獲得實(shí)際工程系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近 似模型。這里的模型與實(shí)際工程系統(tǒng)的功能與參數(shù)之間應(yīng)具有相似性和對(duì)應(yīng)性。2）仿真模型：對(duì)工程系統(tǒng)的數(shù)字模型（實(shí)際是一種簡(jiǎn)化后的模型）進(jìn)行一 定的算法處理，使其成為合適的形式之后以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。仿真模型對(duì)實(shí) 際工程系統(tǒng)來(lái)講是一個(gè)二次簡(jiǎn)化的模型。3）過(guò)程仿真：將實(shí)際工程的狀態(tài)在模型中

3、進(jìn)行模擬。通過(guò)仿真技術(shù)可以弄 清工程系統(tǒng)的內(nèi)在變量對(duì)被控對(duì)象的影響。二、工程仿真技術(shù)的特點(diǎn)工程系統(tǒng)的仿真憑借新的加工制造技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的支持，對(duì)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)起到了積極作用，也因此得到了巨大的發(fā)展。而現(xiàn)代的工程仿真技術(shù)具有如 下特點(diǎn)：1）在工程系統(tǒng)中，仿真技術(shù)是一門(mén)通用的支撐性技術(shù)1。在決策者們面對(duì) 一些重大的、棘手的問(wèn)題時(shí)，仿真技術(shù)能以其他方法無(wú)法替代的特殊功能為其提 供關(guān)鍵性的見(jiàn)解和創(chuàng)新觀點(diǎn)。2）工程仿真技術(shù)的發(fā)展具有相對(duì)的獨(dú)立性，同時(shí)又與光、機(jī)、電、聲，特 別是信息等眾多專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展互為促進(jìn)。因此，工程

4、仿真技術(shù)具有學(xué) 科面廣、綜合性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?、無(wú)破壞性、可多次重復(fù)、安全、經(jīng)濟(jì)、可控、 不受氣候及場(chǎng)地空間的限制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，這是其他技術(shù)無(wú)法比擬的。3）工程仿真技術(shù)的發(fā)展還與應(yīng)用緊密相關(guān)。應(yīng)用需求是推動(dòng)仿真技術(shù)發(fā)展 的源動(dòng)力，工程仿真技術(shù)應(yīng)用效益不但與其工程技術(shù)實(shí)際水平的高低有關(guān)，還與 應(yīng)用的工程領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)。大量實(shí)例表明，仿真技術(shù)的有效應(yīng)用必須依托 于先進(jìn)的仿真系統(tǒng)，只有服務(wù)于應(yīng)用的仿真系統(tǒng)向前發(fā)展了才能帶動(dòng)工程仿真技 術(shù)的發(fā)展。因此，必須處理好應(yīng)用要求牽引、系統(tǒng)帶技術(shù)、技術(shù)促系統(tǒng)、系統(tǒng)服 務(wù)于應(yīng)用的辯證關(guān)系。三、仿真技術(shù)在工程系統(tǒng)中的作用工程系統(tǒng)的仿真起源于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。從最初的

5、簡(jiǎn)單電子、機(jī)械系統(tǒng)， 逐漸發(fā)展到今天的涵蓋機(jī)、電、液、熱、氣、電、磁等各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，并且在控 制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面上飛速發(fā)展?？刂破鞯姆抡孳浖?，在研究控制策略、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、電、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)提高到前所未有的水平。這 也使得仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用：1）利用仿真技術(shù)可以提高工程系統(tǒng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)質(zhì)量?，F(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)強(qiáng)調(diào)“最 優(yōu)化設(shè)計(jì)”，以追求產(chǎn)品全壽命周期的綜合性能最佳為核心準(zhǔn)則。但是，產(chǎn)品在 其全壽命周期內(nèi)可能遇到各種各

6、樣的工作環(huán)境，而且這些復(fù)雜的工作環(huán)境往往是 人工難以完成的。應(yīng)用仿真技術(shù)，可以在產(chǎn)品尚未最終設(shè)計(jì)出來(lái)之前就考察研究 它們?cè)诟鞣N工作環(huán)境下的表現(xiàn)，從而保證其綜合性能為最優(yōu)。2）利用仿真技術(shù)可以縮短工程設(shè)計(jì)周期。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)往往要經(jīng)歷如下 過(guò)程：方案設(shè)計(jì)-圖樣設(shè)計(jì)一施工設(shè)計(jì)-實(shí)際施工等一系列步驟，在任何一個(gè)步 驟中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，常常要退回到前面一個(gè)步驟重新循環(huán)。此外，圖紙的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算 要花費(fèi)很多的時(shí)間，這樣會(huì)造成設(shè)計(jì)時(shí)間冗長(zhǎng)，為避免大量消耗精力而采取保守 的設(shè)計(jì)等狀況的發(fā)生。利用仿真系統(tǒng)則可大大提高設(shè)計(jì)效率，并且能遇見(jiàn)某種方 案可能產(chǎn)生的后果，從而提高設(shè)計(jì)水平，對(duì)于一些安全隱患可以做到防范于未然 保

7、證施工的正常進(jìn)行。3）利用仿真技術(shù)可以大大地減少工程造價(jià)，提高生產(chǎn)效率。用計(jì)算機(jī)模型 代替實(shí)際的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不僅可以大大地縮短設(shè)計(jì)周期而且還能節(jié)省開(kāi)支。這一點(diǎn) 在土木工程中尤為突出。四、工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀工程系統(tǒng)的仿真作為虛擬設(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)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)合仿真目前的工程系統(tǒng)仿真，不再是單一的控制仿真

8、或是被控對(duì)象仿真，而是過(guò)渡 到了控制與被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真。在仿真的過(guò)程中，通常把幾種仿真 軟件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)合仿真，目前常用的軟件有MATLAB和AMESIM軟件3， 它們幾乎可以覆蓋整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的全部仿真要求。2）被控對(duì)象的多科學(xué)、跨專(zhuān)業(yè)的聯(lián)合仿真在工程系統(tǒng)中，有各種類(lèi)型的被控對(duì)象，有些被控對(duì)象及其復(fù)雜，其技術(shù)涉 及到多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)，因此就需要將多學(xué)科技術(shù)，多種軟件結(jié)合到一起進(jìn)行聯(lián)合 仿真，目前通常將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、電磁分析等學(xué)科技術(shù)與AMESIM、CFD軟件聯(lián) 合起來(lái)進(jìn)行仿真。3）實(shí)時(shí)仿真實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在工程系統(tǒng)中是由仿真軟件與仿真器等半實(shí)物仿真系統(tǒng)聯(lián)合 實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)

9、模型來(lái)測(cè)試成型或者硬件控制器。通過(guò)仿真看到輸 入和輸出的直接關(guān)系，通過(guò)仿真圖像了解工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、精確度 等等各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)或者加入反饋的形式來(lái)達(dá)到要求的工程控制效果。4）集成設(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，工程系 統(tǒng)仿真作為CAE工作的一部分，同樣被要求嵌入流程，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)值算法和剛才仿真技術(shù)的專(zhuān)家，而只需關(guān)注自己的工程 控制對(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

10、了工程系統(tǒng)仿真的效率，降低了工程系統(tǒng)仿真 技術(shù)的應(yīng)用門(mén)檻，避免了因?yàn)椴涣私馑惴ǘ斐傻姆抡媸　?）構(gòu)建虛擬產(chǎn)品4通過(guò)建立虛擬產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程，關(guān)注以各種特征值為代表的工程系 統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)多方案的快速比較。五、工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和仿真 計(jì)算機(jī)的智能化。仿真技術(shù)將不僅在傳統(tǒng)的工程技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展，而且其發(fā)展 將影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物等許多非工程領(lǐng)域，此外，并行處理、人工智能、知識(shí) 庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展正影響著剛才仿真技術(shù)的發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn) 在如下幾個(gè)方面：1）擯棄單專(zhuān)業(yè)的仿真單一專(zhuān)業(yè)仿真將退出工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，

11、不再專(zhuān)注于單一專(zhuān)業(yè)技術(shù)的深入 發(fā)展。作為總體優(yōu)化的工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析工具，必要條件之一是跨專(zhuān)業(yè)多學(xué)科協(xié) 同仿真。2）平臺(tái)化目前對(duì)工程系統(tǒng)進(jìn)行仿真，要求仿真工具能夠提供建模、運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)傳遞等全部工程系統(tǒng)工作流程要求的功能，并且通過(guò)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(kāi)發(fā)流程的仿真要求，在空間尺 度上支持不同開(kāi)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)管理。3）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，并與其他主流軟件工具通過(guò)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)發(fā)展迅

12、速，具有強(qiáng)大的發(fā)展后勁。專(zhuān)業(yè)化：隨著市場(chǎng)需求的細(xì)分，走專(zhuān)業(yè)化道路，將出現(xiàn)極專(zhuān)業(yè)的仿真工具。 這些專(zhuān)業(yè)工具將在某些具體的領(lǐng)域提供深入研究的特殊支持。將會(huì)出現(xiàn)整合型工程系統(tǒng)仿真工具和專(zhuān)業(yè)化工程系統(tǒng)仿真工具互補(bǔ)的局面。智能化工程系統(tǒng)仿真所用的仿真軟件將更加智能，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。通過(guò)不斷改進(jìn)讓軟件使用者直接體驗(yàn)到數(shù)值計(jì)算專(zhuān)家 開(kāi)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，使開(kāi)發(fā)人員更加容易對(duì)實(shí)際工程系統(tǒng)進(jìn)行仿真。參考文獻(xiàn)1楊明，張冰，王子才.建模與仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(9):1901-1904,1913.杜志強(qiáng).仿