计算机仿真论文

计算机仿真应用举例及其发展趋势成员：王瑞禄、马晓峰、雷鹏、明国庆班级：自动化11-12 班一、仿真技术的介绍。“仿真”来源于英语单词“simulation”，也译成“模拟”，是“模仿真实世界的意思”计算 机仿真，是在研究系统过程中，根据相似原理以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系 统的仿真模型，通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律 的综合评估与预测。研究对象可以是真实的系统，也可以是设想中的系统。仿真技术的发展 源于自动控制系统在设计过程中对系统参数变化或受外界干扰时必须验证系统性能是否能 满足设计要求而进行的一项工作。它是分析评估现有系统运行状态或设计优化未来系统性能 与功能的一种技术手段，在机械系统、工程设计、航空航天、交通运输、计算机集成等领域 中有着广泛的应用。二、近年来仿真技术的发展转变。80 年代后期，特别是近十几年数字技术的发展使仿真技术本身及其应用领域大大扩展了， 计算机仿真在应用领域、仿真对象、仿真框架、仿真目的及仿真软件等方面都发生了十分重 大的转变。这种转变十分明显地说明：计算机仿真已进入一个崭新的发展阶段，它的重要性 与特殊功效已越来越突出。如：1）在应用领域方面，已有航空、航天领域转向制造业。1991 年美国国家关键技术委 员会列出了 90 年代影响美国国家繁荣与安全的 21 项关键技术，建模与仿真为其中之一， 而仿真的应用领域排在第一位的是制造业。2）在被仿真的系统方面，已由重点是对连续系统仿真转向对离散时间系统的仿真。3）在对仿真基本框架中三个步骤（建模、仿真实验、结果分析）的重视程度方面， 已由重视仿真实验转向重视建模及仿真结果分析。4）在与计算机技术结合方面，已由强调并重视与人工智能相结合转向强调与重视与 图形技术及面向对象技术相结合。5）在仿真环境方面，已由集中式仿真转向分布式仿真。6）在仿真软件方面，已由开发仿真语言转向研究开发一体化仿真软件系统（或称一 体化仿真环境）。在仿真的对象及目的方面，已由研究系统的动力学特性扩展为研究系统的 各种特性，包括动力学特性、运动学特性.三、几个汽车方面的仿真实例。1）汽车整体多体系统动力学仿真问题。紧密围绕产品虚拟设计这一主题思想，运用 先进的软硬件平台，建立有代表性的汽车整车虚拟样机，然后在计算机上完成对汽车系统动 力学的主要性能如动力性、操纵稳定性、制动性和平顺性的精确仿真分析，使汽车开发设计 过程中对整车的性能分析和校核工作尽可能多地转移到虚拟平台上，从而减少物理样机的试 制次数，减少台架试验和经验设计的工作量，其本质和最终目的是要缩短产品开发周期，降 低开发费用，增强产品的竞争力3。在机械系统仿真软件 ADAMS 下建立汽车的虚拟样机模 型，对整车系统动力学仿真，通过与实验结果的比较，验证了该虚拟样机的合理性和精确性。 利用 ADAMS 软件中提供的零件库、约束库、力库等建模模块，按照所要分析的系统的物 理参数，建立起多刚体系统模型。ADAMS软件进行运算时，首先读取原始的输入数据，在 检查正确无误后，判断整个系统的自由度。如果系统的自由度为零，进行运动学分析。如果 系统的自由度不为零， ADAMS 软件通过分析初始条件，判定是进行动力学分析还是静力学 分析。在确定了分析类型后， ADAMS 软件通过其功能强大的积 分器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅可比矩阵奇异（如位置锁死），则仿 真成功。此时，可以通过人机交互界面再输入新的模拟结束时间，或者进行有关参数的测量 及绘制曲线。如果在仿真过程中，出现雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异，则数值发散， ADAMS 软件显示为仿真失败，这需要检查系统模型（特别是运动机构的锁死点以及约束的类型）， 或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程序中的控制参数等，直到得出正确的仿真结 果。就重型卡车而言，由于主要以装载货物为目的，其驾乘舒适性和平顺性直接体现在驾驶 室上。整车是一个复杂的多自由度振动系统，如果仅以路面激励的作用情况来分析其传递路 径，首先要通过轮胎传递到车桥，再从车桥通过底盘悬架传递到车架，然后通过悬置传递到 驾驶室本体，最后通过座椅传递到乘员。每一个环节都是一个振动子系统，各系统间还存在 振动耦合现象，因此非常复杂，要准确地通过建立完整的整车动力学模型来定量分析振动特 性是非常困难的。从单质量系统的振动分析着手，重点分析重型汽车驾驶室悬 置系统的振动。2）多能源动力总成控制系统的控制策略及仿真。 为验证并联混合动力车辆扭矩分配的变结构模糊逻辑控制方法的有效性，基于 Matlab6.1， 在 ADVISOR 基础上作了二次开发，在 MATLAB/SIMULINK 中建立了该控制方法的仿真模型， 用 ADVISOR 在此控制方法下进行仿真。采用这种智能控制方法和软硬件系统可以较好地实 现汽车行驶模式的控制。多能源动力总成控制系统用于在保护蓄电池处于正常工作状态的情 况下，满足汽车动力性的设计要求，保证可接受的驾驶性，并根据驾驶员转矩需求和子系统 的限制条件确定车轮转矩命令、动力系统的驱动模式和各模式间的转换机制及燃料电池或发 动机的运行状态，从而获得最大的燃料经济性本项目以高性能数字信号处理器（DSP）为核 心，并采用 FPGA 设计多能源动力总成控制系统高速实时逻辑运算和信号处理硬件电路；采 用 CAN 总线技术，设计高速实时控制网络通信接口电路和 CAN 通信协议；基于嵌入式实 时操作系统实现控制策略软件设计，满足多能源动力总成信号流和能量流的处理与分配，保 证动力控制系统按照司机的意图和道路条件实现对电动汽车动力系统的动态控制。具有高稳 定性、实时性、强抗干扰性、可扩展性、故障自诊断功能、状态显示 功能、出错自动复位功能等特点。3）神经网络在公路交通中的应用汽车转向仿真。结合人工智能的最新方向 -人工神经网络，利用 BP 网络的联想、记忆功能，建立了具有 神经网络的驾驶员-环境控制系统模型，研制了闭环控制系统仿真软件，对几种典型转 向情况进行了模拟，并进行了汽车转向试验，结果表明：闭环系统模型合理，仿真结果准确。 高速公路交通流控制模型对于提高道路通行能力，缓解交通阻塞，平滑交通流，提高行驶的 安全性等方面是一种有效和适用的方法当道路上的交通流处于正常运行状态时，通过交通 流控制模型可以减少由于车速不均匀带来的交通流紊乱，从而平滑交通流，提高道路的通行 能力；当道路上的交通流处于由交通事故和其它异常事件引起的阻塞时，通过交通流控制模 型可以避免交通阻塞加剧，快速消除阻塞，降低阻塞延误；当道路上的交通流发生常发性拥 挤时，通过交通流控制模型可以在保证主线流量最大的前提下，实现相连路网流量的动态分 配，使路网流量更趋合理化。4）内燃机剩余寿命预测的仿真。 内燃机使用寿命主要取决于缸套、活塞、曲轴轴承等主要零部件的磨损程度。在找出损坏这 些部件的主要因素，并确定这些因素之间的定量关系后，根据系统动力学原理采用软件 STELLA 对系统进行模拟仿真，从而可以预测内燃机的剩余寿命。在对某型六缸汽车发动机 曲轴系动态仿真和对曲轴进行静态有限元分析基础上对曲轴的疲劳寿命进行了计算 。首先对曲轴系进行动态仿真,得到曲轴连杆颈处的载荷和载荷谱,载荷作为曲轴有限元分析 的力边界条件,而载荷谱经过简化,得到计算曲轴疲劳寿命的载荷谱,同时利用弹簧单元对主 轴颈处的弹性支撑实际状况进行了模拟,也考虑了相邻拐的影响,然后在有限元分析的基础上 分别利用 S-N 和局部应变法计算了曲轴的疲劳寿命 ,得到的结果说明传统的计算过于保守, 这不但对曲轴的设计和优化有一定的意义;也说明再制造发动机时直接利用曲轴其寿命是可 靠的,足以维持下一个生命周期。四、仿真技术的未来发展趋势。 采用仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气象条件和空域场地的限制，可多 次重复，以及经济性等特点。仿真技术可广泛应用于系统规划、方案论证、设计、研制、试 验评估、运行维护、系统改进、人员训练等方面。近年来，方针技术的发展和应用提高到一 个新的阶段，突出表现在： (1)仿真系统的规模复杂化。多武器平台的作战方针系统、防空体系仿真系统等都是规模 大、结构复杂的仿真系统。(2)环境仿真更加重视和深化。半实物仿真要解决各种传感器的环境仿真，例如红外成像 制导导弹的仿真要解决红外成像目标仿真器。人在回路中的仿真环境要求具有沉浸感，有身 临其境的感觉。(3)仿真技术应用于先期技术演示验证。虚拟样机(VP, virtualprototype)技术的应用将 降低型号的研制费用，缩短研制周期，使用户提前介入研制过程。