第1章系統(tǒng)建模與仿真技術.ppt

系統(tǒng)建模與仿真技術第一章緒論 機械與汽車工程學院陳無畏 2 幾個例子 1 加加林遇難新說 1968年3月27日加加林到莫斯科郊外的契卡洛夫斯基航天場進行米格 15殲擊機的飛行訓練 訓練結束加加林請求返航時 地面塔臺卻失去了加加林的消息 接著加加林駕駛的飛機已經(jīng)墜毀在了離航天場不遠處的弗拉基米爾新村附近 加加林駕駛的米格 15進入前面飛機產(chǎn)生的湍流區(qū)域而進行螺旋飛行狀態(tài) 駕駛員做了5 6次擺脫操作 但缺少約2秒的時間 在250 300米高度出了問題 3 2 世貿(mào)大廈倒塌的結構問題 4 3 電視機抗跌落分析 為設計工程師提供結構改進及包裝設計的理論依據(jù) 5 LS DYNA的計算結果 6 4 轎車懸架運動學仿真 7 什么是 系統(tǒng)建模與仿真技術 以相似理論 模型理論 系統(tǒng)技術 信息技術以及建模與仿真應用領域的有關專業(yè)技術為基礎 以計算機 物理效應設備及仿真器為工具 利用共性或專用支撐技術 建立仿真系統(tǒng) 對研究對象 系統(tǒng) 進行抽象 映射 描述和實驗 分析 評估的一門多學科的綜合性 交叉性技術 8 1 1系統(tǒng) 模型 仿真的基本概念 1 系統(tǒng)G Golden 系統(tǒng)這個術語已經(jīng)在各個領域用得如此廣泛 以至很難給它下一個定義 系統(tǒng) 最早見著作 世界大系統(tǒng) 德謨克利特 公元前460年 公元前370年 任何事物都是在聯(lián)系中顯現(xiàn)出來的 都是在系統(tǒng)中存在的 系統(tǒng)聯(lián)系規(guī)定每一事物 而每一聯(lián)系又能反映系統(tǒng)的聯(lián)系的總貌 G Golden 按照某些規(guī)律結合起來 互相作用 互相依存的所有實體的集合或總和 9 例 一個超市定義為一個系統(tǒng) 實體 服務員 顧客顧客 按某種規(guī)律到達 服務完畢后顧客離去服務員 根據(jù)顧客的要求 按一定的程序服務相互作用 顧客到達模式影響著服務員的工作忙閑狀態(tài)和顧客排隊狀態(tài)服務員的多少和服務效率 影響著顧客接受服務的質(zhì)量 10 例 電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng) 實體 電動機 測速元件 比較元件以及控制器 相互作用 實現(xiàn)按給定要求調(diào)節(jié)電動機的速度 11 系統(tǒng) 續(xù) 系統(tǒng)定義 按照某些規(guī)律結合起來 互相作用 互相依存的所有實體的集合或總體 確定邊界 輸入 輸出描述系統(tǒng) 三要素 實體 屬性 活動 實體確定了系統(tǒng)的構成 也就確定了系統(tǒng)的邊界 屬性也稱為描述變量 描述每一實體的特征 活動定義了系統(tǒng)內(nèi)部實體之間的相互作用 從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程 12 1 1系統(tǒng) 模型 仿真的基本概念 2 模型模型是對實際問題的抽象 是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述 一般分為物理模型和數(shù)學模型 物理模型 樓盤模型 S形刃球頭立銑刀的數(shù)學模型 13 1 1系統(tǒng) 模型 仿真的基本概念 仿真 Simulation 就是通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所建模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究的過程 ADAMS CAR中建立的整車模型 14 系統(tǒng) 模型 仿真三者之間的關系 系統(tǒng)是研究的對象 模型是系統(tǒng)的抽象 仿真是通過對模型的實驗以達到研究系統(tǒng)的目的 15 1 2系統(tǒng)建模與仿真技術的發(fā)展歷史 第一個發(fā)展階段 20世紀40年代以前主要是物理仿真 飛機比例模型在風洞內(nèi)進行試驗 16 第二個發(fā)展階段 20世紀40年代 50年代主要是模擬計算機 AnalogComputer 仿真 而數(shù)字 DigitalComputer 仿真則剛剛起步 1946年誕生了世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC 17 第三個發(fā)展階段 20世紀60 70年代混合仿真與數(shù)字仿真都得到了迅速發(fā)展 其中混合仿真成為當時仿真的主流技術 在70年代末 我國自行研制的混合計算機系統(tǒng)已先后用于工程 教學 科研等領域 18 第四個發(fā)展階段 20世紀80年代末90年代初微機技術的迅速發(fā)展 多媒體仿真技術嶄露頭角 19 第五個發(fā)展階段 20世紀90年代末至今 虛擬現(xiàn)實仿真技術不斷興起 虛擬現(xiàn)實 VirtualReality VR 亦稱 靈境技術 是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實具備的三個基本特征 20 21 虛擬現(xiàn)實技術具有安全 經(jīng)濟 節(jié)能降污 不受外界環(huán)境限制等突出優(yōu)點 模擬汽車駕駛 22 23 虛擬制造 VirtualManufacturing 虛擬生產(chǎn)線 24 虛擬廠房 25 26 1 3系統(tǒng)建模與仿真技術的研究與應用 仿真技術應用趨于多樣化 全面化 從航空 航天 原子反應堆等少數(shù)領域擴展到電力 石油 化工 冶金 機械等一些主要工業(yè)部門 仿真技術從傳統(tǒng)的工程領域擴展到非工程領域 在社會經(jīng)濟系統(tǒng) 環(huán)境生態(tài)系統(tǒng) 能源系統(tǒng) 生物醫(yī)學系統(tǒng) 教育訓練系統(tǒng)等也得到了廣泛的應用 27 1 3 1系統(tǒng)建模與仿真技術的研究成果 1 3 1 1建模理論與方法機理建模方法 各個應用領域廣泛采用 辨識建模方法 當仿真對象的機理不清楚時 智能建模方法 為探索和解決具有不確定性 非線性 智能性的對象建模和仿真 仿真對象是錯綜復雜的 多種建模方法相結合 定量和定性相結合的建模與仿真已在各個應用領域獲得重視 28 1 3 1 2仿真語言 仿真軟件和仿真支撐環(huán)境 MATLAB與SIMULINK聯(lián)合仿真 軟硬件環(huán)境通信 29 1 3 1 3建模與仿真的可信度評估 建模與仿真的可信度評估包括 校核 Verification 驗證 Validation 確認 Accreditation 簡稱VV A 30 1 3 1 4實時仿真系統(tǒng) 實時仿真是指仿真模型的時間比例尺與真實系統(tǒng)的時間比例尺完全相同的仿真 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng) 31 電站仿真 32 汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室 汽車性能模擬器 33 1 3 1 5網(wǎng)絡化分布交互仿真系統(tǒng) 上世紀八十年代計算機網(wǎng)絡的發(fā)展 促進了分布交互仿真系統(tǒng)的發(fā)展和應用 構建分布交互仿真系統(tǒng)的關鍵技術是研究和提出一種具有通用性 互操作性和開放性的標準協(xié)議和規(guī)范并開發(fā)其運行支持軟件 上世紀九十年代提出高層體系結構 HLA 2000年HLA被批準為IEEE標準 我國開發(fā)層次化分布自治的TH RT1 在高速動車組開發(fā)中發(fā)揮了重要作用 34 1 3 1 6復雜系統(tǒng)建模與仿真 對于包含非線性 時變性 不確定性 不穩(wěn)定性等的復雜系統(tǒng)目前主要有兩類研究 一是研究演化動力學的機理 如復雜適應系統(tǒng) 人工生命 遺傳算法 演化算法和建模等一是研究具體對象的建模與仿真應用 對系統(tǒng)的演化過程則通過人機結合與交互 實現(xiàn)模型的修正與演化 如系統(tǒng)動力學 綜合集成方法等 35 1 3 2系統(tǒng)建模與仿真技術的應用成果 1 3 2 1系統(tǒng)建模與仿真技術在汽車工業(yè)中的應用汽車產(chǎn)品設計采用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術 麥弗遜前懸架產(chǎn)品設計 36 1 3 2 1系統(tǒng)建模與仿真技術在汽車工業(yè)中的應用 汽車制造采用虛擬制造技術 37 汽車試驗 汽車碰撞仿真 38 駕駛培訓 39 1 3 2 2系統(tǒng)建模與仿真技術在軍事領域中的應用 作戰(zhàn)仿真 沙盤模擬作戰(zhàn) 40 作戰(zhàn)仿真 41 作戰(zhàn)訓練 42 虛擬戰(zhàn)場 43 1 3 2 3系統(tǒng)建模與仿真技術在教育與訓練中的應用 寬屏駕駛仿真系統(tǒng) 44 電力行業(yè)員工仿真訓練 45 1 3 2 5系統(tǒng)建模與仿真技術在交通領域中的應用 交通仿真 46 收費站仿真 47 1 3 2 6系統(tǒng)建模與仿真技術在其它領域中的應用 飛行模擬器被廣泛用于飛行訓練 48 解決非工程領域如社會 經(jīng)濟 生態(tài)等方面中的預測 評價 優(yōu)化和決策等問題 計算機仿真能夠起到很大的作用 生態(tài)系統(tǒng)仿真 生物圈2號 49 1 4系統(tǒng)建模與仿真技術的發(fā)展趨勢 1 建模方法學 ModelingMethodology MM 研究能夠充分利用計算機功能的新的建模方法 2 面向對象仿真 Object OrientedSimulation OOS 提供更自然直觀且具可維護性和可重用性的系統(tǒng)仿真框架 3 定性仿真 QualitativeSimulation QS 定性仿真力求非數(shù)字化 通過定性模型推導系統(tǒng)定性行為描述 50 4 智能仿真 IntelligenceSimulation IS 構造智能仿真平臺 5 分布式交互仿真 DistributedInteractiveSimulation DIS 創(chuàng)造時間與空間互相耦合的虛擬仿真環(huán)境 6 可視化仿真 VisualSimulation VS 增加文本提示 圖形 圖像 動畫表現(xiàn) 使仿真過程更加直觀 結果更易理解 并能驗證仿真過程是否正確 51 7 多媒體仿真 MultimediaSimulation MS 在可視化仿真基礎上再加入聲音 得到視覺和聽覺媒體組合的多媒體仿真 8 虛擬現(xiàn)實仿真 VirtualRealitySimulation VRS 創(chuàng)造多維感覺環(huán)境