仿真和虚拟教学1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,仿真技术是近几十年发展起来的一门综合性、新技术学科,它为对系统进行研究、分析、设计、决策等提供了先进的手段。,在科学研究及生产实践中，由于受到客观条件（如经济、安全、时间等）的限制，常常不能对所研究的对象直接进行试验。在这种情况下，可以采用间接试验的方法，即,建立一个与所研究系统相似的模型，通过模型间接地研究原系统,。这种间接试验技术就是仿真技术。,前 言,计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为,基础,，以计算机和各种物理效应设备为,工具,，利用系统模型对实际的或设想的系统进行,试验研究,的一门综合性技术。,仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一。,比如，工程界：,生物、医学界：,国防和军事界：,国民经济运行：,交通运输：,追击敌机问题,已知：敌机在100KM高空，以20KM/min的速度匀速直线行驶。,假设：（1）只要两机相距在10公里之内，我机就可以摧毁敌机；,（2）如果10分钟之内没有捕捉到，就认为失败。,问：我方飞机应以怎样的速度，沿着什么航线飞行，需要多长时间可捕捉到目标。比如我机以30KM/min的速度，每1分钟改变一次方向，能不能捕捉到？我机以40KM/min的速度，每2分钟改变一次方向，能不能捕捉到？,我机以30KM/min的速度,每1分钟改变一次方向,6分钟可捕捉到敌机,我机以40KM/min的速度,每2分钟改变一次方向,不能捕捉到敌机,第一章 计算机仿真概念及其实现,1-1 系统、模型与仿真,一、系统（System）二、模型（Model）三、仿真（Simulation）,1-2 计算机仿真,一、计算机仿真的过程、步骤 二、计算机仿真的分类 三、计算机仿真的优点及特殊功能 四、系统仿真的应用及发展 五、仿真软件,1-1系统、模型与仿真,一、系统（System）,1定义,所谓“,系统,”是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标。,特点：,1）,整体性,：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。,2）,相关性,：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。,3）,层次性,：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。,4）,目的性,：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。,2分类,通常，根据系统的物理特征，可将系统分为两大类：,例如，图1所示的加热炉温度调节系统就是一个工程系统。,系统,工程系统,（如：电气、机械、机电、化工、热力等）,非工程系统,（如：经济、交通、管理、生态等）,比较器,调节器,加热炉,温度计,温度偏差,喷油量,温度给定值,扰动,温度,图2所示的工厂系统则是一个经济管理系统非工程系统。,3构成系统的三大要素：实体、属性、活动,生产管理部门,采购部门,制造车间,装配车间,运输车间,原料,成品,用户订单,实体组成系统的具体对象。,属性实体的特性。,活动对象随 时间推移而发生的状态变化。,二、模型（Model）,1定义,所谓“模型”就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。,2模型的作用,系统实验研究的两种方式：,直接在真实系统上进行（通常都不采用，因为）在模型上进行（,在模型上做实验是对系统进行分析、研究的十分有效的手段。,）,3模型的分类,模型,物理模型：是根据相似原理把实际系统加以缩小或放大的复制品。,数学模型：是用数学的形式对一个系统的（行为、特征）的描述，保持了模型与原型之间信息传递规律的相似。,三、仿真（Simulation）,1仿真的定义,从广义上来说，为了对系统进行分析研究，首先建立系统的模型，然后在模型上进行试验这一过程就称为“仿真”。,2.根据模型的种类不同，系统仿真可以分成三种：,物理仿真,：建立物理模型，并在物理模型上进行试验,优点：直观、形象 缺点：发费大、周期长、结构难于变更,数学仿真,：简而言之，就是,在计算机上对系统的数学模型进行试验,，故又称为,“计算机仿真,”。（具体过程、步骤在后面讲解）,优点：经济、方便、灵活性大,混合仿真,：将数学模型及物理模型或实物联合在一起进行试验。,综上所述，系统、模型与仿真之间有着十分密切的关系。,系统被研究的对象；,模型对系统的描述；,仿真是研究系统的一种试验方法，它包含两个过程：建立模型及对模型进行试验。,1-2 计算机仿真,一、计算机仿真的过程、步骤,计算机仿真的整个过程可用图21所示的流程图说明。,是程序问,题吗？,系统,系统模型建立,仿真模型建立,仿真程序设计,仿真试验,数据处理、分析,满足要求否？,是仿真模型问题吗？,修改程序,修改仿真模型,修改系统模型,N,N,N,Y,Y,Y,图21 计算机仿真过程流程图,系统,模型,计算机,模型,建立,仿真,试验,仿真模型建立,图22 系统、模型与计算机的关系,计算机仿真包括三个要素，即,系统,、,模型,与,计算机,；联系这三个要素的有三个基本活动：模型建立、仿真模型建立及仿真试验。图22表示了三要素及三个基本活动之间的关系。,二、计算机仿真的分类,1根据被研究系统的特征可以分为两大类：,连续系统仿真,数学模型能用一组数学方程式来描述,离散事件系统仿真,数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。,2根据所用计算机的类型可以分为如下三类：,模拟计算机仿真,基于数学模型相似原理，仿真主要工具是模拟计算机,特点：运算速度快（并行计算），但计算精度较低（一般为千分之几），而且自动化程度低（如：有时需操作员去接线）。,数字计算机仿真,基于数值计算原理，仿真主要工具是数字计算机。,特点：计算精度高（一般小型机也可达到67位有效数字），但运算速度较慢（串行运算）。,模拟数字仿真,将模拟仿真与数字仿真相结合的一种方法。,特点：兼有两者的优点，可用于实时仿真，但价格昂贵,。,三、,计算机仿真的优点及特殊功能,经济,安全,预测性,经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因。对一个大型系统进行研究，采用物理模型或直接在实物上试验，成本十分昂贵。以空间技术为例，单次飞行的成本约为10,4,10,8,美元，采用数字计算机仿真的方法，仅需实际飞行成本的1/51/10，而且设备可以重复使用。,可以说，几乎所有的大型发展项目，都十分重视仿真技术的应用，这是因为这些项目投资很大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以减小风险。,对于某些系统，如载人宇宙飞行器、核电站等，直接试验往往是危险和不允许的，因此必须在模型上进行试验。安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因。所以，航空、航天、武器系统曾经是仿真技术应用的最主要领域，一直到现在仍然占有很大的比重。,对于经济、社会、生物等非工程系统，直接实验几乎是不可能的，仿真则可预测系统的特性和外作用的影响，从而研究控制的策略。,四、,系统仿真的应用及发展,1,系统仿真的应用,用于系统分析和设计,在一个新的系统未建立之前，运用系统仿真技术可以论证系统及其可行性，为准确地进行系统设计打下坚实的基础；在系统设计过程中，利用仿真技术可以帮助设计人员实现系统的最优化设计；系统建成后，利用仿真技术可以分析系统工作的状况，选择最佳运行参数和策略。,在社会、经济、人口、生态等非工程系统中，用于系统的政策与策略研究。,近年来，已采用控制论的观点去研究社会、经济、生态环境等复杂系统和大系统。研究的方法是：首先建立数学模型，然后利用仿真软件在数字计算机上进行反复计算、试验、分析和比较，以求得该系统的最佳运行机制以及切实可行的策略。,用于人员训练,2,系统仿真的发展,50年代以前：物理仿真,50年代：主要是模拟计算机仿真，数字计算机仿真刚刚开,始发展,6070年代：数字计算机仿真与模拟数字仿真都得到迅,速发展,80年代以来：数字仿真技术得到普及,未来的发展趋势：改善建模环境；,开发仿真数据库；,在仿真中应用动画图形技术；,研制专家系统；,虚拟现实技术,五、数字,仿真软件的发展,自1955年第一个仿真软件问世以来，按照新事物出现的时间顺序，发展分为四个阶段：,1）,程序编制阶段；,采用计算机高级语言（如FORTRAN、BASIC、C等），即使是一个很简单的系统，程序也会很长，难于调试。,2）程序软件包阶段；,将仿真程序中常用的程序段落编成子程序或过程，用于系统仿真的各种不同问题中。,3）专用计算机仿真语言阶段；,将一大类仿真问题，编写一个通用的主程序，用户只需将必要的参数填进去，经执行就能得到所需结果。（如连续系统仿真语言CSSL、离散事件系统仿真语言GPSS）,4）模块化图形组态阶段；,小结：,1,系统、模型与仿真,2,仿真、计算机仿真（数学仿真）、数字计算机仿真,3,仿真、实际系统、解析法三者的比较,下表列出了利用,实际系统,或利用,解析方法,和利用,仿真技术,的比较,方便性,可以做到 受现场限制，方便,十分方便 很不方便,可见，仿真技术在可能性、安全性、准确性、方便性方面具有明显优点，在经济性、耗时性方面不如解析方法。因此在可能采用解析法并允许有一定误差时宜采用解析方法；在要求十分准确或建模有一定困难时宜采用实际系统；其他情况应尽量采用系统仿真技术。,