計算機(jī)仿真技術(shù)緒論-第一講.ppt

1、計算機(jī)仿真技術(shù),主講教師：張春燕 手機(jī)教材：郝培鋒等主編計算機(jī)仿真技術(shù)，機(jī)械 工業(yè)出版社.2009年6月；,參考書籍：ADAMS 2005/2007相關(guān)教程； MATLAB 7.0相關(guān)教程。,計算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ),課程總體介紹（理論教學(xué)大綱和實驗教學(xué)大綱） 計算機(jī)仿真技術(shù)課程簡介 學(xué)習(xí)本課程的作用和方法,學(xué)習(xí)本課程的作用和方法,1、計算機(jī)仿真技術(shù)能做什么？ 2、怎么樣應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)去做（理論上）？ 3、將理論應(yīng)用到簡單的機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)計算機(jī)仿真的具體實現(xiàn) （實驗）？ 4、從簡單引申到復(fù)雜，進(jìn)而能對較復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行綜合的 計算機(jī)仿真，保證系統(tǒng)的性能、質(zhì)量，為以后從事相關(guān)

2、專業(yè)工作打下基礎(chǔ)。,考核及要求：,平時（20%）+實驗（20%）+期末考試（60%）,平時（20%）：考勤：8分；作業(yè)：7分；創(chuàng)新：5分。,實驗（20%）：實驗報告：6分；考核：4分；創(chuàng)新：10分。,說明：考勤8分，曠課1次扣1分，點1次名算3次，請假須在課前，請3次假扣1分，扣完為止；作業(yè)6分，1次1分；創(chuàng)新6分，完成思考題，作業(yè)中采用新方法、新思路，作業(yè)質(zhì)量、課堂回答問題等。,說明：實驗報告7分，1次1分；創(chuàng)新8分，回答思考題，獨具一格的書寫內(nèi)容等；實驗考核6分，完成一個電子實驗報告及仿真系統(tǒng)圖，如果內(nèi)容多可以2人/組。,第1章 計算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ),計算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)概述 仿真軟件簡介 小

3、結(jié) 作業(yè),本章學(xué)習(xí)要求： 理解并掌握計算機(jī)仿真的概念、分類，計算機(jī)數(shù)字仿真的基本過程； 了解計算機(jī)仿真的發(fā)展歷程、應(yīng)用領(lǐng)域及目前研究、應(yīng)用現(xiàn)狀； 了解目前所涉及的計算機(jī)仿真軟件，并重點掌握MATLAB、ADAMS兩個軟件。,1.1從現(xiàn)實問題開始1.2系統(tǒng)及系統(tǒng)的分類1.3系統(tǒng)模型的概念及其分類1.4計算機(jī)仿真中的系統(tǒng)建模1.5計算機(jī)仿真的定義1.6計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展概要1.7小結(jié),計算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)概述,三峽水庫總庫容393 億立方米，總裝機(jī)容量1820萬千瓦，將是世界上最大的水電站。 但是三峽的安全問題是一個很重要的問題，我們不可能等到建好后再看它的安全性，用計算機(jī)仿真就可以很好的解決這一問

4、題。,從現(xiàn)實問題開始,從現(xiàn)實問題開始-計算機(jī)仿真能做什么？,寶馬車部分生產(chǎn)線,仿真油田鉆井,ABB機(jī)器人IRB120涂膠仿真,系統(tǒng)的觀點追述,30年代：人們在一些科學(xué)學(xué)科研究中（生物學(xué)、心理學(xué)、社會科學(xué)），發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的一些固有性質(zhì)與個別系統(tǒng)的特殊性無關(guān)。 二次大戰(zhàn)前不久:路德維希.馮.倍塔朗菲提出一般系統(tǒng)概念和一般系統(tǒng)理論。 1954年：建立了一般系統(tǒng)理論促進(jìn)協(xié)會，系統(tǒng)的研究進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時代。 1957年：美國人古德寫的“ 系統(tǒng)工程”公開出版，系統(tǒng)工程一詞被確認(rèn)。 20世紀(jì)70年代：電子計算機(jī)的應(yīng)用，系統(tǒng)工程思想有了充分實現(xiàn)的可能性。,系統(tǒng)及系統(tǒng)的分類,系統(tǒng)及系統(tǒng)的分類,系統(tǒng)：為實現(xiàn)規(guī)定功能以

5、達(dá)到某一目標(biāo)而構(gòu)成的相互 關(guān)聯(lián)的一個集合體或裝置(部件)。,例如：數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、機(jī)-電-液控制系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等。,系統(tǒng)具有以下四個特點： 系統(tǒng)是由部件組成的，部件處于運動狀態(tài)； 部件之間存在著聯(lián)系； 系統(tǒng)行為的輸出也就是對目標(biāo)的貢獻(xiàn)，系統(tǒng)各主量和的貢獻(xiàn)大于各主量貢獻(xiàn)之和，即系統(tǒng)的觀點1+12； 系統(tǒng)的狀態(tài)是可以轉(zhuǎn)換的，在某些情況下系統(tǒng)有輸入和輸出，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是可以控制的。,系統(tǒng)及系統(tǒng)的分類,按綜合復(fù)雜程度分為三類：物理系統(tǒng)；生物系統(tǒng)；人類社會及宇宙； 按抽象程度：可把系統(tǒng)分為三類，即概念系統(tǒng)，邏輯系統(tǒng)和實在系統(tǒng)； 按與外界關(guān)系：可把系統(tǒng)分為封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)； 按內(nèi)部結(jié)構(gòu)

6、：可把系統(tǒng)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；,系統(tǒng)及系統(tǒng)的分類,系統(tǒng)的分類（從不同的角度出發(fā)，系統(tǒng)分類有不同的方法）：,從系統(tǒng)的綜合復(fù)雜程度方面考慮，我們可以把系統(tǒng)分為三類九等。 “三類”是:物理系統(tǒng)；生物系統(tǒng)；人類社會及宇宙。 “九等”是：,按系統(tǒng)的抽象程度分，可把系統(tǒng)分為三類，即概念系統(tǒng)，邏輯系統(tǒng)和實在系統(tǒng)。 概念系統(tǒng)：是最抽象的系統(tǒng)，在各方面均不很完善，有許多地方很含糊，也有可能不能實現(xiàn)，但它表達(dá)了系統(tǒng)的主要特征，描繪了系統(tǒng)大致輪廓，從根本上決定了以后系統(tǒng)的成敗。 邏輯系統(tǒng)：在概念系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的原理上可行得通的系統(tǒng)，它考慮到了總體的合理性，結(jié)構(gòu)的合理性和實現(xiàn)的可能性，但它沒有給出實現(xiàn)的具體元

7、件。所以邏輯系統(tǒng)是擺脫了具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)的合理系統(tǒng)。 實在系統(tǒng)（物理系統(tǒng)）：完全確定的系統(tǒng)，能完全實現(xiàn)。,按系統(tǒng)和外界的關(guān)系分類: 封閉系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界分開，外界不影響系統(tǒng)的主要現(xiàn) 象的復(fù)現(xiàn)。 開放系統(tǒng)：指不可能和外界分開的系統(tǒng)或者可以分開， 但分開以后系統(tǒng)的重要性質(zhì)將會發(fā)生變化。 封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)有時也能互相轉(zhuǎn)化。,按系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分類 按系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分,可把系統(tǒng)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)又可分為一般開環(huán)系統(tǒng)和前饋開環(huán)系統(tǒng)，見圖（a）。閉環(huán)系統(tǒng)又可分為單閉環(huán)和多重閉環(huán)系統(tǒng)，見圖 (b)，閉環(huán)中既可能包含反饋，又可能包括前饋。,圖 (a),圖 (b),執(zhí)行,判斷一個系統(tǒng)的好壞可以由以下四點

8、觀察： 目標(biāo)明確。每個系統(tǒng)（部件）均為一個目標(biāo)而運動。系統(tǒng)的好壞要看它運行后對目標(biāo)的貢獻(xiàn)。因而目標(biāo)明確是評價系統(tǒng)的第一指標(biāo)。 結(jié)構(gòu)合理。子系統(tǒng)的聯(lián)接方式組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。聯(lián)接清晰，路徑通暢，冗余少等，以達(dá)到合理實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的目的。 接口清楚。子系統(tǒng)之間有接口，系統(tǒng)和外部的聯(lián)接也有接口，好的接口其定義應(yīng)十分清楚。 能觀能控。通過接口，外界可以輸入信息，控制系統(tǒng)的行為，可以通過輸出觀測系統(tǒng)的行為。只有系統(tǒng)能觀能控，系統(tǒng)才會有用，才會對目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。,系統(tǒng)及系統(tǒng)的分類,系統(tǒng)性能的評價,系統(tǒng)模型的定義：是指以某種確定的形式（如文字、符號、圖表、實物、數(shù)學(xué)公式等），對系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性的描述。,系統(tǒng)模型

9、的特征： （1）它是現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象或模仿； （2）它是由反映系統(tǒng)本質(zhì)或特征的主要因素構(gòu)成的； （3）它集中體現(xiàn)了這些主要因素之間的關(guān)系。,系統(tǒng)模型的概念及其分類,系統(tǒng)模型的分類：物理模型、數(shù)學(xué)模型,說明：在所有模型中，通常普遍采用數(shù)學(xué)模型來分析系統(tǒng)工程問題，其原因在于：（1）它是定量分析的基礎(chǔ)；（2）它是系統(tǒng)預(yù)測和決策的工具；（3）它可變性好，適應(yīng)性強(qiáng)，分析問題速度快，省時省錢，且便于使用計算機(jī)。,系統(tǒng)模型的概念及其分類,系統(tǒng)模型的分類與關(guān)系,某建筑工程中的樓房物理模型,(1)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型,超市某日用品供需線性變化模型,超市某日用品供需非線性變化模型,1)連續(xù)系統(tǒng)模型2)離散系統(tǒng)模型 時間離散

10、系統(tǒng)。有時稱為采樣控制系統(tǒng)，一般用差分方程、離散狀態(tài)方程和脈沖傳遞函數(shù)來描述。此類系統(tǒng)的特性是連續(xù)的，僅僅是由于某些情況下是在離散的時間點上進(jìn)行的采樣過程，所以也看成連續(xù)系統(tǒng)(模型)。 事件離散系統(tǒng)。這是一種用概率模型描述的隨機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出不是完全由輸入作用的形式描述的，而可能存在多種輸出，即系統(tǒng)的輸入輸出是隨機(jī)發(fā)生的。常見的有庫存系統(tǒng)、管理車輛流動的交通系統(tǒng)、排隊服務(wù)系統(tǒng)等。,(2)動態(tài)數(shù)學(xué)模型,取不同值時汽車振動的變化形式,計算機(jī)仿真（Computer Simulation ）定義：借助高速、大存儲量數(shù)字計算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對復(fù)雜真實系統(tǒng)的運行過程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模擬的技術(shù)。,一個簡單機(jī)

11、械系統(tǒng)仿真視頻,系統(tǒng)仿真（System Simulation）定義：是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)、仿真軟件、仿真器和各種專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)研究的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。,計算機(jī)仿真的概念、類型及作用等,計算機(jī)仿真的分類： 根據(jù)計算機(jī)分類 模擬計算機(jī)仿真、數(shù)字計算機(jī)仿真、模擬數(shù)字混合計 算機(jī)仿真 根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系 實時仿真、欠實時仿真、超實時仿真 根據(jù)系統(tǒng)模型的特性 連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真,計算機(jī)仿真的概念、類型及作用等,計算機(jī)仿真的作用：,計算機(jī)仿真的概念、類型及作用等,汽車的懸架

12、系統(tǒng),如何分析研究并保證設(shè)計出或設(shè)計中的懸架系統(tǒng)的這種卓越性能？,研究方法： 1 理論方法 2 試驗方法 3 仿真方法,其中： X 狀態(tài)向量 A 系統(tǒng)矩陣 B 輸入矩陣,f(t) 輸入變量 C 輸出矩陣 D 直接轉(zhuǎn)移矩陣,其傳遞函數(shù),根據(jù)研究的目的編制試驗方案： 改變M、B、K，保持f(t)不變，研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響； 改變f(t)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，研究系統(tǒng)所受激振力對系統(tǒng)動態(tài)行為的影響。,建立仿真模型,應(yīng)用編程語言 應(yīng)用仿真語言或環(huán)境,應(yīng)用歐拉法、梯形法或RK法等仿真算法，將上述數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為便于編程的仿真模型：,應(yīng)用仿真語言或環(huán)境,應(yīng)用ADAMS 應(yīng)用MATLAB

13、,計算機(jī)仿真的概念、類型及作用等,計算機(jī)仿真總體流程圖：,利用計算機(jī)仿真的手段進(jìn)行系統(tǒng)求解與常規(guī)的方程解析求解方法相比有一個明顯的缺點，就是計算機(jī)仿真的方法得到的解通常是離散的數(shù)值解，沒有解析方法得到更為一般的系統(tǒng)解的表示形式。例如在汽車輪胎的運動仿真中，解析解表示的是可以引起振動的所有可能狀態(tài)，而利用仿真方法得到的每個解僅僅能說明一些特定的狀態(tài)是否可能引起輪胎的振動等。如果想了解其他狀態(tài)下輪胎發(fā)生振動的情況，就必須在其他給定條件下重新進(jìn)行仿真過程。顯然模型的精確解是最好的，尤其是在尋找系統(tǒng)極值的情況下，系統(tǒng)的一個解析解往往就把系統(tǒng)的一種特殊狀態(tài)表示了，但仿真的方法則需要進(jìn)行多次迭代尋優(yōu)，且會

14、留下一大堆需要解決的問題，如問題的解是局部最優(yōu)還是全局最優(yōu)等。,問題求解中的仿真方法和解析方法分析,1)確定所要研究的背景，對相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行說明，并由此建立系統(tǒng)概念。2)對上述資料進(jìn)行必要的整理，盡可能按照規(guī)范的數(shù)學(xué)語言重新描述題目，并逐條寫出研究的目的、題目具備的條件、需要補充的條件。3)分析題目，找出研究范圍內(nèi)與研究目的相關(guān)的主要實體，實體上與研究目的相關(guān)的所有屬性。4)采集數(shù)據(jù)、演繹基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。5)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型演繹，利用數(shù)學(xué)方法將建立的基礎(chǔ)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。6)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括系統(tǒng)、子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)、多媒體等基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計，根據(jù)題目的性質(zhì)和研究內(nèi)容的要求選取合適的計算機(jī)軟件，進(jìn)行軟件編

15、程、界面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫建立等。7)計算機(jī)實驗，利用現(xiàn)場或?qū)嶋H數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)仿真系統(tǒng)的模擬實驗，或?qū)嶋H數(shù)據(jù)在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行仿真系統(tǒng)的模擬檢驗，這種實驗是有目的的，主要是為修正數(shù)學(xué)模型或提高模型求解算法的精度進(jìn)行實驗，所以每次實驗后需要完成下一步工作。,計算機(jī)系統(tǒng)仿真的基本步驟,8)仿真結(jié)果分析，對仿真系統(tǒng)實驗所得的計算輸出與實際系統(tǒng)的輸出或目標(biāo)輸出進(jìn)行誤差分析，并據(jù)此找出仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)在所研究特性方面存在的差異和原因，根據(jù)分析結(jié)論對數(shù)學(xué)模型或軟件進(jìn)行修改、參數(shù)優(yōu)化等操作。9)將第7、8步循環(huán)進(jìn)行，直至建立的仿真系統(tǒng)輸出與實際系統(tǒng)輸出誤差滿足使用要求。,計算機(jī)系統(tǒng)仿真的基本步驟,系統(tǒng)仿真的內(nèi)容

16、 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用 系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展概要,系統(tǒng)仿真技術(shù)是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等理論利用模型和計算技術(shù)進(jìn)行實驗研究的一種方法。一般來說，系統(tǒng)仿真是根據(jù)實際系統(tǒng)的模型，結(jié)合所用的計算機(jī)進(jìn)行的，它是一個過程。這個過程包括建立實際系統(tǒng)的思想與背景資料、采集與分析實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)、根據(jù)背景資料和數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)實現(xiàn)方法研究、仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計與編寫、仿真系統(tǒng)程序調(diào)試、仿真實驗過程、仿真結(jié)果的系統(tǒng)分析、判斷是否對仿真過程的某些環(huán)節(jié)進(jìn)行修正和補充等。,系統(tǒng)仿真的內(nèi)容,計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展概要,仿真系統(tǒng)的應(yīng)用目的為： 作為分析系統(tǒng)的研究平臺；

17、 作為建立實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作。 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)十分廣泛： 工業(yè)中的應(yīng)用，如國防、鋼鐵、石油、交通等； 事業(yè)管理，如經(jīng)濟(jì)、財會、貿(mào)易、教育、生物、氣象等； 日用品生產(chǎn)等。,系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用,計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展概要,1)20世紀(jì)70年代，整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，系統(tǒng)仿真費用約占總經(jīng)費的1，在某些科學(xué)領(lǐng)域，系統(tǒng)仿真所占的費用更高一些，如導(dǎo)彈系統(tǒng)研制過程的仿真系統(tǒng)費用約占導(dǎo)彈研制費用的5。2)1989年，北約組織中的歐洲盟國制定了一個歐幾里德計劃，把仿真技術(shù)作為11項優(yōu)先合作發(fā)展的重點項目之一。3)1992年，美國提出了22項國家關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)仿真技術(shù)列在第16位。4)1992年，美國提

18、出了21項國防科技關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)仿真技術(shù)被列在第6位。5)1994年，美國國防部預(yù)研工作的七大重點，仿真技術(shù)是其中之一。6)1995年，美國國防部高級研究計劃局投資戰(zhàn)略的核心有四個方面，即開發(fā)先進(jìn)的信息技術(shù)、創(chuàng)建與國力相稱的國防技術(shù)、促進(jìn)軍民一體化工業(yè)基礎(chǔ)的建設(shè)、加強(qiáng)新技術(shù)向軍品轉(zhuǎn)移等，在每個方面都把模擬與仿真，特別是先進(jìn)的分布式仿真系統(tǒng)的開發(fā)列為年度投資重點之一。,系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展概要,仿真軟件簡介,MATLAB軟件簡介,1984年，MathWorks公司把內(nèi)核采用C語言編寫的MATLAB正式推向市場，MATLAB的名稱由Matrix（矩陣）和 Laboratory（實驗室）兩詞的前三個字母組合而成。MATLAB集數(shù)值分析、矩陣運