计算机仿真概述

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,计算机仿真,Matlab,语言的应用,参考教材,孙亮主编，北京工业大学出版社,陆宁编著 机械工业出版社,欧阳黎明 编著 国防工业出版社,楼顺天 李博菡 西安电子科技大学出版社,第,O,章 仿真技术概述,一、为什么要进行仿真,什么叫系统？,系统：相互关联又相互作用着的对象的有机组合，该有机组合能够完成某项任务或实现某个预定的目标。,通常研究的系统有工程系统和非工程系统。,工程系统（电气、机电、化工）,非工程系统（经济、交通、管理）,建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律，以便分析和综合自然、社会和工程系统中的种种复杂问题。,对系统进行研究、分析与设计的方法；,（1）直接在系统上进行实验,在要设计的系统上进行实验,（2）在模型上进行实验,对要设计的系统进行处理，根据其中内含的各种自然规律（包括欧姆定律、比例环节和惯性环节等）得到相关的控制规律，即系统的,数学模型,来进行研究。,对要设计的系统进行一定比例的缩放得到缩小或放大的,物理模型,。（古时的建筑）,选择在模型上进行实验的原因,系统尚未设计出来,某些实验会对系统造成伤害,难以保证实验条件的一致性；如果存在人的因素，则更难保证条件的一致性。,费用高,无法复原,二、仿真的定义,仿真的定义在不同的领域或范畴中有不同的描述，可以概括为：“仿真是指用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。”,仿真遵循的原则：原理抽象,相似原理。,相似原理：,几何相似,、,性能相似,、,环境相似,。,几何相似：根据相似原理把原来的实际系统放大可缩小。如把12000吨水压机可用1200吨或120吨水压机作其模型。万吨轮船也要用缩小的模型来研究。,性能相似：构成模型的元素和原系统的不同，但其性能相似。如：可用一个电气系统来模拟热传导系统。在这个电气系统中电容代表热容量，电阻代表热阻，电压代表温差，电流代表热流。,三、仿真的目的或作用,优化设计,预测系统的性能和参数,经济性,采用物理模型或实物实验，花费巨大。,采用数学模型即计算机数学仿真可大幅度的降低成本并可重复使用。,安全性,载人飞行器和核电站的危险性不允许。,预测性,对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测的方法。（天气预报,）,复原性,四、仿真的分类,按照模型性质分：物理、数学、混合,物理仿真：按照物理性质构造系统的物理模型，并在模型上进行试验（直观 形象）,数学仿真：一般是指在计算机上对系统的数学模型进行试验。（经济方便）,混合仿真：两者结合,系统,模型,计算机,模型建立,仿真试验,仿真模型建立,计算机仿真三要素,五、连续系统仿真概论,根据系统的数学模型特征：,连续系统仿真（微分方程或差分方程）,离散系统仿真（随机事件、随机函数）,混合系统仿真 连续系统：微分方程的数值求解方法。离散系统：建立在概率论基础上的方法。按照信号类型：模拟、数字、混合,模拟仿真：由一些基本的模拟器件组成，它的输入、输出是连续变化的电压信号。,采用并行运算，运算速度快，但精度不高。,数字计算机仿真：其主要工具是数字计算机和相应的数字仿真软件。,关键：将连续系统离散化,注意：算法和步长的选择,模拟数字计算机仿真,应用场合：上两者都不能满足要求时。,系统包括连续和离散系统。,连续系统仿真的数学模型1、连续时间模型,微分方程,传递函数,权函数（脉冲函数）,状态空间描述,2、离散时间模型,差分方程,Z,传递函数,权序列,离散状态空间模型,3、连续离散混合模型,各个环节中有的空间为连续变量，而有的环节的状态变量为离散变量,数字,计算机,保持器,连续,对象,e(,kt,),e(t),u(,kt,),u(t),y(t),r(t),数字仿真算法,数字仿真是利用计算机作为仿真工具，采用各种数字算法求解控制系统运动的微分方程，得到受控物理量的运动规律。,由于用一定的算法来实现受控对象的运动，是基于某些假设条件，忽略了一些非必要因素，使用简化的数学模型进行构造。,仿真结果的真实性除受计算机硬件的影响外，还受到系统数学模型的等价条件的影响。,在此仅仅介绍,MATLAB,语言中所用到的一些算法,1 欧拉法（,Euler,）,作为连续时间模型，其微分方程、传递函数、权函数都是描述系统输入输出之间的关系，而没有描述系统的内部的情况，其建立的模型为外部模型。,在实际应用系统中，计算机为了复现这系统，只有输入输出量还是不够的，还必须系统内部变量状态变量，也就是将外部模型变成内部模型状态空间模型,在状态空间中，主要是通过积分器求出内部状态变量,X。,因此，计算机仿真 本质就是在计算机上构造出数字积分器，进行,n,次的积分运算。其基本仿真运算就是数值积分法。,欧拉法简介,2、龙格库塔法,简介,二阶,四阶,特点,计算,y,k,+1,时只用到,y,k,，,即上一步运算的结果，又称单步法，可使存储量减少，而且可以自启动,步长可以在整个计算中不固定,不论是几阶龙格库塔法，计算公式总有两部分组成。第1部分为为上一步结果,y,k,，,第二部分是,t,k,-,t,k,+1,中对,f(t,y),的积分。,主菜单,Simulation,选项下的,Parameters,选项用于设置仿真参数,3、,Adams,多步4、,Gear,刚性系统,5、,Linsim,（,离散相似法）,六、仿真软件概述,可编程数字系统,采用计算机语言编写仿真程序,仿真软件的应用,MATLAB(Matrix Laboratory),七、与,MATLAB,类似的软件,Maple,系统,MathCAD,Mathematica,八、仿真软件分类,按实现内容,前面所涉及的主要为纯软件仿真（根据系统的控制模型通过编程来实现）,根据系统的硬件来仿真,Workbench,Pspice,Orcad,Protel,