2022年系统仿真 .pdf

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1、系统仿真的过去、现在和未来系统仿真是 20 世纪 40 年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（ Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门， 并进一步扩大到社会系统、经济系统、 交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。 可以说， 现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。

2、其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。近 50 年来，计算机仿真技术从萌生到发展，再到当今各领域的广泛应用，充分说明了仿真技术的实用性与市场需求对它的牵引作用。仿真实验方法最早可以追溯到1773 年， 法国自然学家G.L.L.Buffon为了估计 值所进行的“投针实验” ；该实验方法又称为蒙特卡罗法，它是一种通过随机数做实验来求解随机问题的实验技术。1876 年， W.S.Gosset 应用蒙特卡罗实验方法证明了他的“t 分布法”，尽管还不是十分精确，但毕竟为“实验证明”提供了一种实用可行的方法。20 世纪 40 年代， 计算机的出现为仿真实验技术的发展开辟了道路，数学模拟开始在美国的一些

3、大学和科研机构逐步开展起来。1955 年，数字计算机的程序编写制还处于汇编语言阶段， 仿真程序编制的困难限制了数字仿真技术的广泛应用；而此时， 应用模拟计算机对自动控制理论的仿真研究却取得了长足的进步。1966 年，雷诺（ T.H.Naylor）在其专著中给“仿真”做出了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，包括数学与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统在若干周期内的特征”。这一论述标志着仿真实验作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。20 世纪 70 年代，以FORTRAN为代表的高级语言与多种专用的仿真语言（如MIMIC 、DSL/90、 CSSL 、 CSMP

4、等）为数字仿真技术的广泛应用奠定了基础；1978 年，美国推出的AD10数字 /模拟混合计算机使仿真技术得以进入军事、武器装备等领域的深层应用。进入 20 世纪 80 年代，随着“冷战”的加剧与军事工业的需求，仿真技术得以快速发展。1983 年，美国国防高级研究计划局（DARPA ）与陆军共同制定了仿真组网（SIMNET）计划，它可将分散在各地的仿真器，同计算机网络连接起来，以进行各种复杂作战任务的训练模拟；1984 年， William Gibon 提出了“虚拟现实”的概念，为仿真技术的应用指出了新的发展方向； 1985 年，美国推出性能更加强大AD100 数字 /模拟混合计算机（可用于洲际

5、导弹/多目标飞行器的实时仿真） 。1992 年，美国政府提出的22 项国家关键技术中，仿真技术被列为第16 项； 在 21 项国防关键技术中， 仿真技术被列为第6 项。1996 年，美国学者Macredic 系统阐述了虚拟现实、仿真环境、 面向对象的建模机制等重要概念与理论，为虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应用推波助澜。系统仿真技术在其近50 年的发展史中，“推动了几乎所有设计领域的革命”，被喻为 20世纪下半叶“十大工程技术成就之一”。如今，系统仿真技术已成为现代工程技术人员一个掌握的基本技能之一。由于仿真技术具有经济、安全、 快捷的优点以及其特殊的用途，使得其在工程设计、理

6、论研究。产品开发等方面具有重要意义。在经济方面， 对于大型、 复杂的系统， 直接实验的费用往往是十分昂贵的，如空间飞行器一次飞行实验的成本大约在1 亿美元左右， 而采用仿真实验方法仅需其成本的1/101/5 ，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 而且设备可以重复使用。这类例子数不胜数。在安全方面，对于某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往存在很大危险， 甚至是不允许的， 而采用仿真实验可以有效降低危险程度

7、，对系统的研究起到保障作用。在快捷方面， 在系统分析与设计、产品前期开发以及新理论的检验等方面，采用仿真技术（或CAD 技术）可使工作进程大大加快，在科技飞速发展与市场竞争日趋激烈的今天，这一点是非常重要的。应用仿真技术可实现预测、优化等特殊功能。在真实系统上进行结构与参数的优化设计是非常困难的，有时甚至是不可能的。在仿真技术中应用各种最优化原理与方法实现系统的优化设计，可使最终结果达到“最佳”，对于大型复杂系统问题的研究具有重要意义。对于一类非工程系统（如社会、经济、管理等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接进行某种实验几乎不可能的，为减少错误的方针策略在以后的实践中所带来的不必要的损失，

8、可以应用仿真技术对所研究系统的特性及其对外界环境的影响等问题进行预测，从而取得“超前”的认识，对所研究的系统实施有效的控制。随着 FMS 与 CIMS技术的应用与发展，离散事件系统越来越多地为仿真领域所重视，离散事件仿真从理论到实现给我们带来许多新的问题。随着管理科学、 柔性制造系统、 计算机集成制造系统的不断发展，离散事件系统仿真问题将越来越显示出它的重要性。系统建模与仿真技术的不断发展，将会促使诸如宇宙的起源、社会的发展、 未来的战争以及新材料的开发等科学难题的研究得以有效开展。系统仿真实验是以科学规律为基础，以系统模型为对象，通过对真实世界的科学抽象与数学模拟来揭示其内在本质的再认识与创

9、意的发挥。20 世纪 80 年代初，“虚拟现实”这一概念一经推出，就在系统仿真领域中产生了巨大的影响。 20 年来，虚拟现实技术与仿真技术相结合使得系统仿真结果在表现形式上更加“逼真、形象”。使人富有想象；而系统仿真技术在虚拟现实中的应用（如运动学、动力学等原理的应用）使得虚拟现实技术得以更广泛地应用（如影视特技、电脑游戏等）。下面是虚拟现实仿真技术在自动化领域中的几个典型应用。(一) 虚拟样机现在， 人们可以借助于虚拟现实仿真工具软件（如 ADAMS）来“制造” 机械部件、设备、车辆甚至飞行器的“虚拟样机”，在计算机上对“样机”进行各种动态/静态性能的测试。目前，虚拟样机“制造”的准确性可达

10、95%以上，可广泛应用于制造业和科研工作中。(二) 虚拟制造在现代工业设计、 机械设计等领域， 人们可广泛应用虚拟现实工具软件（如 pro/E、Auto CAD）进行机械部件或复杂机械装配机构的“虚拟制造”，在计算机上进行三维运动学实验与装配实验，以检查设计的有效性。(三) 虚拟环境在现代艺术设计、影视艺术设计以及平面艺术设计等领域，人们也已广泛应用虚拟现实仿真工具软件（如VRML、 3DSMAX等）进行虚拟环境与场景的设计，以有效增强作品的感染力（或仿真环境的真实性）。现代仿真技术经过近50 年的发展与完善，已经在各行业做出卓越贡献，同时也充分体现出其在科技发展与社会进步中的重要作用。1)航

11、空与航天工业对于航空航天工业的产品来说，系统的庞杂、造价的高昂等因素促成了其必须建立起完备的仿真实验体系。在美国， 1958 年所进行的四次发射全部失败了，1959 年的发射成功率也不过57%。通过对实际经验的不断总结，美国宇航局逐步建立了一整名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 套仿真实验体系，到了60 年代成功率达到79%，在 70 年代已达到91%，今年来，其空间发射计划已很少有不成功的情况了。2)电力工业电力系

12、统是最早采用仿真技术的领域之一。在电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流等方面，国内较早地采用了数字仿真技术，取得显著的经济效益。在三峡水利工程的子项目大坝排沙系统工程设计中，设计人员也采用了物理仿真的方法，取得了较完善的研究成果。近年来，国内在电站操作人员培训模拟系统的研制上，达到国际先进水平，为仿真技术的应用开辟了广阔的前景。3)原子能工业由于能源的日趋紧张，原子能的和平利用在世界范围内为人们广泛重视，随着核反应堆的尺寸与功率的不断增加，使得整个原子能电站运行的稳定性、安全性与可靠性等问题成为必须要解决的问题。因此，几乎大部分核电站都建有相应的仿真系统，许多仿真器是全尺寸的，即仿真系统与

13、真实系统是完全一致的，只是对象部分，如反应堆、涡轮发电机有关的动力装置是用计算机来模拟的。核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理，对于保证系统的安全运行是十分重要的。目前，我国及世界各抓哟核技术先进国家在这方面均建立了相当规模的仿真实验体系，并取得了可观的成果。4)石油、化工及冶金工业石油、化工生产过程中有一个显著的特点就是过程缓慢，而且往往过程控制。生产管理、生产计划、 经济核算等搅在一起，使得综合效益指标难于预测与控制。因此，仿真实验成为石油、化工及冶金系统设计与分析研究的基本手段，仿真技术是对这些领域的技术进步也不同程度地起到了促进作用。5)非工程领域i.医学仿真技术在病

14、变模型的建立、治疗方案的寻优、化疗与电疗强度的选择以及最佳照射条件等方面的应用，可为患者减少不必要的损失，为医生提供参考依据。ii.社会学在人口增长、 环境污染、 能源消耗以及病情防疫等方面，利用仿真技术可有效解决预测与控制问题。例如，我国人口模型的建立与研究，预测了未来 100 年我国人口发展的趋势，从而为计划生育控制策略的提出以及相关问题的解决起到了重要作用。此外，工业化、人口、环境这三个人类发展不容回避的问题日益引起人们的关注，如何建立相互制约的关系体制，走出一条可持续发展的良性循环的道路是近年来人们应用仿真技术进行研究的热点之一。iii.宏观经济与商业策略的研究随着人类经济发展的多元化

15、与商业贸易的复杂化，在金融、证券、期货以及国家宏观经济调整方面，数字仿真技术已成为不可缺少的有力工具。计算机辅助设计（computer aided design,CAD）技术是随着计算机技术的发展应运而生的一门应用型技术，至今已有近40 年的历史。 1989 年，美国评出了科技领域进25 年间最杰出的十项工程技术成就，将CAD/CAM技术列为第四项，称之为“推动了几乎所有设计领域的革命”。子曰： “工欲善其事，必先利其器”，CAD技术已成为当今推动技术进步与产品更新换代的不可缺少的有力工具。CAD技术就是将计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力与设计者的综合分析、 逻辑判断以及

16、创造性思维结合起来，用以加快设计进程。缩短设计周期、 提高名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 设计质量的技术。CAD不是简单地使用计算机代替人工计算、制图等“传统的设计方法”，而是通过CAD系统与设计者之间强有力的“信息交互”作用，从本质上增强设计人员的想象力与创造力，从而有效地提高设计者的能力与设计结果的水平。在近20 年的发展历史中，汽车制造业的推陈出新、服装加工业的层出不穷，以及航空航天领域的卓越成就, 无不与

17、CAD 技术的发展有着密切的联系。因此，CAD 技术中所涉及的 “设计”应该是以提高社会生产力的水平、加快社会进步为目的的创造性的劳动。作为控制系统CAD 技术中的“核心”内容应用软件，数字仿真软件始终为该领域研究开发的热点，人们总是以最大限度地满足使用者（特别是工程技术人员）方便、快捷、精确的需求为目的，不断地使数字仿真软件推陈出新。随着计算机与数字仿真技术的发展，数字仿真软件经历了以下四个阶段：1.程序编制阶段即在人们利用数字计算机进行仿真实验的初级阶段，所有问题（如微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是仿真实验者用高级算法语言（如BASIC 、FORTRAN 、C 等）来编写。往往是几百条

18、语句的编制仅仅解决了一个“矩阵求逆”一类的基础问题，人们大量的精力不是放在研究“系统问题”如何，而是过多地研究软件如何编制、 其数值稳定性如何等旁支问题，其结果使得仿真工作的效率较低，数字仿真技术难以为众人所广泛应用。2.程序软件包阶段针对“程序编制阶段” 所存在的问题， 许多系统仿真技术的研究人员将他们百年之的数值计算与分析程序以“子程序” 的形式集中起来形成了“应用子程序库”，又称为“应用软件包”（以便仿真实验者在程序编制时调用）。这一阶段的许多成果为数字仿真技术的应用奠定了基础，但还是存在着使用不便、调用繁琐、专业性要求过强、可信度低等问题。这时人们已开始认识到，建立具有专业化与规格化的

19、高效率的“仿真语言” 是十分必要的， 这样才能使数值仿真技术真正成为一种实用化的工具。3.交互式语言阶段从方便人机信息交换的角度出发，将数字仿真涉及到的问题上升到“语言”的高度所进行的软件集成，就产生了交互式的“仿真语言”。仿真语言与普通高级算法语言（如 C、FORTRAN等）的关系就如同C 语言与汇编语言的关系一样，人们在用C 语言进行乘（或除）法运算时不必去深入考虑乘法是如何实现的（已有专业人员周密处理了）；同意，仿真语言可用一条指令实现“系统特征值的求取”，而不必考虑是用什么算法以及如何实现等低级问题。当今具有代表性的房子语言有：瑞典Lund 工学院的SIMNON 仿真语言、 IBM 公

20、司的 CSMP仿真语言以及ACSL 、TSIM、ESL等。20 世纪 80 年代初，由美国学者Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 语言以它独特的构思与卓越的性能为控制理论界所重视，现已成为控制系统CAD领域最为普及与流行的应用软件。4.模型化图形组态阶段尽管仿真语言将人机界面提高到“语言”的高度，但是对于从事控制系统设计的专业技术人员来讲还是有许多不便，他们似乎对基于模型的图形化（如框图）描述方法更亲切。随着“视窗”（Windows ）软件环境的普及，基于模型化图形组态的控制系统数字仿真软件应运而生，它使控制系统CAD 进入到一个崭新的阶段。目前，最具代表性的模型化图形组态软

21、件当数美国Math Works软件公司1992 年推出的Simulink，它与该公司著名的MATLAB软件集成在一起，成为当今最具有影响力的控制系统CAD软件。下面介绍现今开发的两种软件，即MATLAB和 Simulink。MATLAB是美国 Math Works 公司的软件产品。20 世纪 80 年代初期，美国的Cleve Moler博士（数值分析与数值线性代数领域著名学者）在教学与研究工作中充分认识到当时科学分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 -

22、 - - - - - - - - 析与数值计算软件编制工作的困难所在，便构思开发了名为Matrix Laboratory（矩阵实验室）的集命令翻译、 科学计算于一体的交互式软件系统，有效地提高了科学计算软件编制工作的效率，迅速成为人们广泛应用的软件工具。MATLAB作为原名的缩写成为后来由Moler 博士及一批优秀数学家与软件专家组成的Math Works 公司软件产品的品牌。尽管 MATLAB一开始并不是为控制系统的设计者们设计的，但是它一出现便以其 “语言”化的数值计算、 较强的绘图功能、灵活的可扩充性和产业化的开发思路很快就为自动控制界研究人员所瞩目。目前，在自动控制、图像处理、语言处理

23、、信号分析、振动理论、优化设计、时序分析与统计学、系统建模等领域，由瞩目专家与学者以MATLAB 为基础开发的实用工具箱极大地丰富了MATLAB的内容，使之成为国际上最为流行的软件品牌之一。应该指出的是， 尽管 MATLAB在功能上已经完全具备了计算机语言的结构与性能，人们将其简称为 “MATLAB语言” ，但是由于其编写出来的程序并不能脱离MATLAB环境而独立运行，所以严格地讲， MATLAB并不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。Simulink 是美国 Math Works 软件公司为其MATLAB提供的基于模型化图形组态的控制系统仿真软件， 其命名直观地表明了该软件所

24、具有的simu （仿真） 与 link（连接） 两大功能，它使得一个复杂的控制系统的数字仿真问题变得十分直观而且相当容易。Simulink 使控制系统数字仿真与CAD技术进入到人们期盼已久的崭新阶段。半个多世纪一来，系统仿真技术在各类应用需求的牵引及有关学科技术的推动下，已经发展形成一门综合性的专业技术体系，迅速成为一项通用性、战略性技术， 并与高性能计算一起，成为继理论研究和实验研究之后第三种认识。改造客观世界的重要手段。近年来，仿真技术广泛应用于国防、军事、能源、交通等工程与非工程领域。在国防工业及研究部门，特别是航空、航天、船舶、兵器等领域，仿真技术贯穿于方案论证、产品设计、实验、生产制造、使用、维护的全生命周期，因此系统仿真技术是一门通用性强、应用面广、 发展迅速、跨学科的综合性技术。目前，系统仿真技术正向“数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”的方向发展。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -