计算机仿真69075

,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,计算机及信息工程学院,薛云灿,计算机仿真,参考教材,系统仿真导论,肖田元,2000,年,9,月,课程安排,系统仿真概论,第,1,周,连续系统仿真篇,连续系统的模型描述,第,2,周,经典的连续系统建模方法学,第,3,、,4,周,时域连续系统仿真建模技术,第,5,周,频域连续系统仿真建模技术,第,6,周,采样控制系统的仿真,第,7,周,病态系统系统仿真技术,第,8,周,0,概 述,几个例子：,1,、加加林遇难新说,1968,年,3,月,27,日 加加林遇难,1988,年,1,月,18,日 塔斯社报道（参考消息,1,月,28,日）,“加加林驾驶的米格,15,进入前面飞机产生的湍流区域而进行螺旋飞行状态”，“驾驶员做了,56,次摆脱操作，但缺少约,2,秒的时间”；“在,250300,米高度出了问题”,逆风,切变,顺风,切变,2,、广州白云机场坠机事件（,1992,年）,-,起飞飞行中突然遭遇风切变所致,3,、气囊弹射速度确定（,1997,年，美国）,原来,220,英里,/,小时，在加拿大一年统计：,6000,件事故，救了,4000,人，打死,2000,人；,1997,年,12,月美国众议院通过，调整到,180,英里,/,小时。,4,、美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用,原计划发射,仿真后实发,节省导弹,节省费用（单位：千万美元）,爱国者,141,101,40,8,0,罗兰特,224,95,129,4,2,尾 刺,185,114,71,2,5,0.1,系统、模型与仿真,0.1.1,系统,G.Golden,-“,系统这个术语已经在各个领域用得如此广泛，以至很难给它下一个定义。”,系统,-,最早见著“世界大系统”,德谟克利特,（公元前,460,公元前,370,年）,“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的联系的总貌。”,G.Golden,-,“,按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和”。,理发馆系统：,实体：服务员、顾客,顾客：,按某种规律到达，服务完毕后顾客离去,服务员：,根据顾客的要求，按一定的程序服务,相互作用：,顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态,顾客排队状态,服务员的多少和服务效率：影响着顾客接受服务的质量,电动机调速系统,实体：,电动机、测速元件、比较元件以及控制器。,相互作用：,实现按给定要求调节电动机的速度,系统定义：确定边界、输入、输出,描述系统“三要素”,：实体、属性、活动,边界,环境,系统,输入,输出,实体,确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；,属性,也称为描述变量，描述每一实体的特征；,活动,定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。,0.1.2,模型,模型,实际系统本质的抽象与简化,（,1,）真实的系统尚未建立,（,2,）可能会引起系统破坏或发生故障,（,3,）难以保证每次试验的条件相同,（,4,）试验时间太长或费用昂贵,模型分为两大类,物理模型，采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作,沙盘模型,数学模型，用数学表达式形式来描述系统的内在规律。,定义如下集合结构：,：时间基，描述系统变化的时间坐标,为整数则称为,离散时间系统,，,为实数则称为,连续时间系统,：输入集，代表外部环境对系统的作用。,：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是,：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。,：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。,：输出函数,：输出段集，系统通过它作用于环境。,系统模型水平：,行为水平,亦称为输入,/,输出水平,将系统视为一个“黑盒”，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测量；,分解结构水平,将系统看成若干个黑盒连接起来，定义每个黑盒的输入与输出，以及它们相互之间的连接关系；,状态结构水平,不仅定义了系统的输入与输出，而且还定义了系统内部的状态集及状态转移函数。,Or,n,分类：,表,0.1,模型分类,模型描述变量的,轨 迹,模 型,形 式,变量范围,模型的,时间集合,连续,离散,空间连续变化模型,偏微分方程,连续时间,模型,空间不连续变化,模型,常微分方程,差分方程,离散时间,模型,离散（变化）,模型,有限状态机,马尔可夫链,活动扫描,连续时间,模型,事件调度,进程交互,0.1.3,仿真,定义：,1961,年，,G.W.Morgenthater,，首次技术性定义,“,仿真,意指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的实现”。,1978,年，,Krn,，“,连续系统仿真,”,“用能代表所研究的系统的模型作实验”。,1982,年，,Spriet,进一步将仿真的内涵加以扩充,“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”,1984,年，,Oren,给出了仿真的基本概念框架“建模实验分析”,“,仿真是一种基于模型的活动,”,“系统、模型、仿真”三者之间的关系：,系 统,模 型,计算机,系统建模,仿真实验,仿真建模,计算机仿真三要素及三个基本活动,系统是研究的对象,模型是系统的抽象,仿真是对模型的实验,传统上：,“,系统建模,”,系统辨识技术范畴,“,仿真建模,”,即针对不同形式的系统模型研究其求解算法,“,仿真实验,”,检验（,Verification,）,“,仿真程序”的检验,致效（,Validation,）,将仿真结果与实际系统的行,为进行比较,现代仿真技术,：将仿真活动扩展到上述三个方面，,并将其统一到同一环境中。,系统建模,基本定律及系统辨识等方法计算机程序化,用仿真方法确定实际系统的模型,基于模型库的结构化建模,采用面向对象建模（,Object-Oriented Modeling,）方法，,在类库的基础上实现模型拼合与重用,仿真建模,许多新算法和新软件,模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（,data driven,）。,仿真问题分为两部分：模型与实验,模型又分为两部分：参数模型和参数值,仿真实验,将实验框架与仿真运行控制区分开来,特定模型：,参数模型,参数值,实验：,实验框架,仿真运行控制,仿真问题描述,行为产生,模型行为及其处理,模型行为（仿真数据）,轨迹行为,结构行为,行为处理：分析、显示,图,0.2,现代仿真的概念框架,实验框架定义一组条件,输出函数的定义也与仿真模型分离开来,Orn,仿真概念框架,：,“,仿真问题描述”,“,仿真建模”,“,行为产生”,“,仿真实验”,“,模型行为及其处理”,输出处理,0.2,系统仿真的类型,1.,根据模型的物理属性分类,物理仿真：,按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。,物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟”。,物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。,数学仿真：,对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。,计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为,计算机仿真,数学仿真优点是：方便、灵活、经济,数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。,半实物仿真：,即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。,对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现,对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物,仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验,2.,根据仿真计算机类型分类,模拟计算机仿真：,模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这是,50,60,年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。,模拟机仿真是一种,并行仿真,，仿真时，代表模型的各部件是并发执行的。,b,-,c,-,a,f,例如,:,数字计算机仿真,：,将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。,早期的数字计算机仿真则是一种,串行仿真,，因为计算机只有一个中央处理器（,CPU,），计算机指令只能逐条执行。,数字模拟混合仿真：,为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模,/,数和数,/,模转换装置交换信息。,3.,根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类,实际动态系统的时间基称为,实际时钟,系统仿真时模型所采用的时钟称为,仿真时钟,实时仿真：,即仿真时钟与实际时钟完全一致,模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同,当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真,亚实时仿真：,即仿真时钟慢于实际时钟,模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为离线仿真。,超实时仿真：,即仿真时钟快于实际时钟,模型仿真的速度快于实际系统运行的速度,4.,根据系统模型的特性分类,连续系统仿真,连续系统是指,系统状态随时间连续变化,的系统，分为：,集中参数系统模型,，一般用常微分方程（组）描述,分布参数系统模型,，一般用偏微分方程（组）描述,离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴,离散事件系统仿真,离散事件系统是指在某些,随机时间点,上,系统状态发生离散变化,的系统。,与连续系统的主要区别在于：,状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称为“,事件,”，因而这类系统是由事件驱动的；,“事件”往往发生在,随机时间点,上，亦称为随机事件，因而一般都具有,随机特性,系统的状态变量往往是,离散变化,的,系统的,动态特性,很难用人们所熟悉的,数学方程,形式描述,研究与分析的主要目标是系统行为的,统计性能,而不是行为的点轨迹。,0.3,系统仿真的一般步骤,建模与形式化：,确定模型的边界，,模型进行形式化处理,仿真建模：,选择合适的算法，,算法的稳定性、计算精度、计算速度,程序设计：,将仿真模型用计算机能执行的程序来描述,程序中要包括仿真实验的要求,仿真运行参数、控制参数、输出要求,模型校验：程序调试,检验所选仿真算法的合理,检验模型计算的正确性（,Verification,）,仿真运行：对模型进行实验,仿真结果分析：对系统性能作出评价,模型可信性检验（,Validation,）,只有可信的模型才能作为仿真的基础,实际系统,建模与形式化,形式模型,仿真建模,程序设计,仿真模型校验,正确否？,否,仿真运行,仿真结果分析,是,正确否？,否,是,结束,图,0.3,仿 真 的 一 般 步 骤,可信否？,否,是,0.4,仿真技术的应用,0.4.1,仿真技术在系统设计中的应用,新系统设计：,提供了强有力的工具,在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实的基础,在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行优化设计,系统改造设计：,涉及新的设备、部件或控制装置,利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对原系统的破坏或影响,大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功率,举例：系统仿真设计,大型雷达天线控制系统的设计,天线,电机,1,电机,2,C,1,C,2,J,J,1,J,2,U,2,U,1,2,1,M,0,大型雷达天线控制系统的特殊问题：,天线尺寸加大,传动机构不能视为刚性连接，而是弹性连接,转动惯量很大，谐振频率很低,机械谐振，给提高伺服系统的带宽带来困难,阵风扰动力矩很大，难以保证跟踪,c,c,c,2,机械谐振频率特性示意,机械谐振引起的过渡过程示意,K,n,C,2,C,2,C,m,1,C,1,C,1,C,e,1,K,i,1,K,i,2,K,T,C,e,2,K,i,1,K,i,2,g,3,g,2,g,2,g,1,-,-,+,-,+,*,*,*,0.4.2,仿真技术在系统分析中的应用,在真实系统上进行试验,在真实系统上试验会破坏系统的正常运行；,难以按预期