計(jì)算機(jī)仿真教案01--第一章 緒論

1、船舶與海洋工程學(xué)院主主 講：李錦云講：李錦云 唐國元唐國元電電 話：話： 87541769(87541769(李李) )辦公地址：東辦公地址：東8 8樓樓108108室室( (李李) )E - mailE - mail：(李李) )仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論教學(xué)安排課時(shí)/學(xué)分：32/2 教學(xué)內(nèi)容：1、概論，仿真的基本方法 2、數(shù)值積分法 3、連續(xù)系統(tǒng)仿真 4、離散相似法仿真 5、MATLAB(SIMULINK )基本使用方法 仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言T19611961年年G.W.MorgenthlerG.W.Morgenthler 首次技術(shù)性解釋首次技術(shù)性解釋 指

2、在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的復(fù)現(xiàn)指在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的復(fù)現(xiàn)T雷諾雷諾(T.H.Naylor(T.H.Naylor) )于于19661966年在其專著中對仿真作了如下定義：年在其專著中對仿真作了如下定義：“仿真是在仿真是在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)字化技術(shù)，它包括數(shù)字與邏輯模型的某些模數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)字化技術(shù)，它包括數(shù)字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)式，這些模型描述某一事件或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)( (或者它們的某些部分或者它們的某些部分) )在若干周期在若干周期內(nèi)的特征。內(nèi)的特征?！盩19781978年科恩（年科恩（ KornKor

3、n）在）在連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真一書中將仿真定義為一書中將仿真定義為“用能代用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實(shí)驗(yàn)表所研究的系統(tǒng)的模型做實(shí)驗(yàn)”仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言T 1984 1984年年OrenOren提出提出“仿真是一種基于模型的活動(dòng)仿真是一種基于模型的活動(dòng)”，被認(rèn)為是現(xiàn)代仿真技，被認(rèn)為是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個(gè)重要概念。術(shù)的一個(gè)重要概念。 仿真是對真實(shí)世界的模擬。仿真是對真實(shí)世界的模擬。T 基本共同觀點(diǎn)是：仿真是基于模型進(jìn)行的。基本共同觀點(diǎn)是：仿真是基于模型進(jìn)行的。T 其它一些定義只對仿真作一些概括的描述：其它一些定義只對仿真作一些概括的描述： 仿真就是模仿真實(shí)系統(tǒng)；仿真

4、就是利用模型來作實(shí)驗(yàn)等等。仿真就是模仿真實(shí)系統(tǒng)；仿真就是利用模型來作實(shí)驗(yàn)等等。T 艾倫艾倫(A.Alan(A.Alan) )在在19791979年年8 8月出版的月出版的仿真仿真期刊上對眾多的定義進(jìn)行了綜述期刊上對眾多的定義進(jìn)行了綜述仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言綜合定義：綜合定義：仿真仿真(Simulation)(Simulation)通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。它是將所研究的對象用其它手段加以模仿的一種活動(dòng)它是將所研究的對象用其它手段加以模仿的一種活動(dòng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真: :是建立在控制理論、相似理論

5、、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等等理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為之上的，以計(jì)算機(jī)和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具工具，利用，利用系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型對真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行對真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)試驗(yàn)，并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識、統(tǒng)，并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究分析研究，進(jìn)而做出，進(jìn)而做出決策決策的一門綜的一門綜合性的和試驗(yàn)性的學(xué)科。合性的和試驗(yàn)性的學(xué)科。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言1.1.2 仿真的必要性仿真的必要性1. 必要性必要性分析、研究和設(shè)計(jì)一個(gè)系

6、統(tǒng)，需要分析、研究和設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，需要 “ “理論知識理論知識+ +實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究”。一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，有著可實(shí)現(xiàn)性與不可實(shí)現(xiàn)性。一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，有著可實(shí)現(xiàn)性與不可實(shí)現(xiàn)性。一個(gè)未來系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，具有不可實(shí)現(xiàn)性。一個(gè)未來系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，具有不可實(shí)現(xiàn)性。結(jié)論：對系統(tǒng)建立模型，借助于系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)論：對系統(tǒng)建立模型，借助于系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言不可實(shí)現(xiàn)性的原因有：不可實(shí)現(xiàn)性的原因有： 安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)驗(yàn)周期性、可能性等安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)驗(yàn)周期性、可能性等。例：例： “舊金山號舊金山號”核潛艇核潛艇“舊金山號舊金山號”核潛艇核

7、潛艇20052005年年1 1月月8 8日在關(guān)島以南海域撞上了一個(gè)海底山脈。日在關(guān)島以南海域撞上了一個(gè)海底山脈。這一事故造成一名艇員死亡，這一事故造成一名艇員死亡，6060多名艇員受傷。多名艇員受傷。 仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 充分性仿真的好處充分性仿真的好處T便于便于重復(fù)重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，便于進(jìn)行試驗(yàn)，便于控制參數(shù)控制參數(shù)，時(shí)間短，代價(jià)小，時(shí)間短，代價(jià)小T可以在真實(shí)系統(tǒng)建立起來之前，可以在真實(shí)系統(tǒng)建立起來之前，預(yù)測預(yù)測其行為效果，從而可以從不同結(jié)其行為效果，從而可以從不同結(jié)構(gòu)構(gòu) 或不同參數(shù)的模型的結(jié)果或不同參數(shù)的模型的結(jié)果比較比較之中，之中，選擇最佳模型選擇最佳模型T對

8、于對于缺少解析表示缺少解析表示的系統(tǒng)，或雖有解析表示但無法精確求解的系統(tǒng)，的系統(tǒng)，或雖有解析表示但無法精確求解的系統(tǒng)，可以通過仿真獲得系統(tǒng)運(yùn)行的可以通過仿真獲得系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)值結(jié)果數(shù)值結(jié)果 難以用數(shù)學(xué)公式表示的系統(tǒng)，或者沒有建立和求解數(shù)學(xué)模型的有效難以用數(shù)學(xué)公式表示的系統(tǒng)，或者沒有建立和求解數(shù)學(xué)模型的有效方法方法 雖然可以用解析的方法解決問題，但數(shù)學(xué)的分析與計(jì)算過于復(fù)雜，雖然可以用解析的方法解決問題，但數(shù)學(xué)的分析與計(jì)算過于復(fù)雜，這時(shí)計(jì)算機(jī)仿真可能提供簡單可行的求解方法這時(shí)計(jì)算機(jī)仿真可能提供簡單可行的求解方法T對于對于隨機(jī)性系統(tǒng)隨機(jī)性系統(tǒng)，可以通過大量的，可以通過大量的重復(fù)試驗(yàn)重復(fù)試驗(yàn)，獲得其平均

9、意義上的，獲得其平均意義上的特特性指標(biāo)性指標(biāo)仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 充分性仿真的好處（續(xù)）充分性仿真的好處（續(xù)）T 希望能在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到系統(tǒng)發(fā)展的全過程，以估計(jì)某些參數(shù)對希望能在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到系統(tǒng)發(fā)展的全過程，以估計(jì)某些參數(shù)對系統(tǒng)行為的影響系統(tǒng)行為的影響T 難以在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真是唯一可行的方法，難以在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真是唯一可行的方法， 例如太空飛行的研究例如太空飛行的研究T 需要對系統(tǒng)或過程進(jìn)行長期運(yùn)行比較，從大量方案中尋找最優(yōu)方案需要對系統(tǒng)或過程進(jìn)行長期運(yùn)行比較，從大量方案中尋找最優(yōu)方案仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基

10、礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言1.1.3 仿真的分類仿真的分類a) a) 根據(jù)計(jì)算機(jī)類型根據(jù)計(jì)算機(jī)類型模擬計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算機(jī)仿真數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真模擬數(shù)字混合仿真模擬數(shù)字混合仿真b) b) 根據(jù)系統(tǒng)模型信息流的特性根據(jù)系統(tǒng)模型信息流的特性 連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真 離散系統(tǒng)仿真離散系統(tǒng)仿真 離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真c) c) 仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系 實(shí)時(shí)仿真實(shí)時(shí)仿真 欠欠( (亞亞) )實(shí)時(shí)仿真實(shí)時(shí)仿真 超實(shí)時(shí)仿真超實(shí)時(shí)仿真仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言1.1.3 仿真的分類仿真的分類(續(xù)續(xù))d)根據(jù)仿真系統(tǒng)組成根據(jù)仿真系統(tǒng)組成物

11、理仿真物理仿真計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真半實(shí)物仿真半實(shí)物仿真物理仿真：物理仿真：基于物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，例如船模?；谖锢砟Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，例如船模。缺點(diǎn)：成本高、不易修改。缺點(diǎn)：成本高、不易修改。計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）：計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）：將系統(tǒng)模型變?yōu)榉抡婺Ｐ停谟?jì)算機(jī)進(jìn)將系統(tǒng)模型變?yōu)榉抡婺Ｐ?，基于?jì)算機(jī)進(jìn)行行 實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究。優(yōu)點(diǎn)：精度高、重復(fù)性好、通用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。優(yōu)點(diǎn)：精度高、重復(fù)性好、通用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。半實(shí)物仿真（半實(shí)物仿真（hardware in the loop simulationhardware in the loop simulation）：）：在仿真系統(tǒng)中，一

12、部分是在仿真系統(tǒng)中，一部分是實(shí)際物理系統(tǒng)；另一部分是安裝在計(jì)算機(jī)里的數(shù)學(xué)模型。實(shí)際物理系統(tǒng)；另一部分是安裝在計(jì)算機(jī)里的數(shù)學(xué)模型。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言1.1.4 1.1.4 仿真技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用與發(fā)展的趨勢仿真技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用與發(fā)展的趨勢1. 1. 仿真技術(shù)的發(fā)展仿真技術(shù)的發(fā)展1) 1)發(fā)展階段發(fā)展階段 二次大戰(zhàn)末期，火炮控制與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技二次大戰(zhàn)末期，火炮控制與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展術(shù)的發(fā)展 2) 2)成熟階段成熟階段 7070年代中期年代中期 , ,出現(xiàn)了用于培訓(xùn)民航客機(jī)駕駛員和軍用飛機(jī)飛行員的出現(xiàn)了用于培訓(xùn)民航客機(jī)駕駛

13、員和軍用飛機(jī)飛行員的飛行訓(xùn)練模擬器和培訓(xùn)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作人員的仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品飛行訓(xùn)練模擬器和培訓(xùn)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作人員的仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品 3) 3)高級階段高級階段 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代初年代初, ,以美國國防高級研究計(jì)劃局以美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)(DARPA)和美國陸軍共和美國陸軍共同制定和執(zhí)行的同制定和執(zhí)行的SIMNET(SimulatorsSIMNET(Simulators Network) Network)研究計(jì)劃和美國三軍建立先研究計(jì)劃和美國三軍建立先進(jìn)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)室為標(biāo)志，標(biāo)志著仿真技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高級進(jìn)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)室為標(biāo)志，標(biāo)志著仿真技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)

14、新的高級階段。階段。 仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 計(jì)算機(jī)仿真反映出新的科學(xué)技術(shù)的時(shí)代特征計(jì)算機(jī)仿真反映出新的科學(xué)技術(shù)的時(shí)代特征, ,它的應(yīng)用為各個(gè)領(lǐng)域帶來它的應(yīng)用為各個(gè)領(lǐng)域帶來新氣象和成果。新氣象和成果。應(yīng)用的領(lǐng)域有：應(yīng)用的領(lǐng)域有： 艦船操作訓(xùn)練艦船操作訓(xùn)練 武器研發(fā)武器研發(fā) 航空管理航空管理, , 公交車的調(diào)度公交車的調(diào)度, , 飛機(jī)設(shè)計(jì)飛機(jī)設(shè)計(jì), , 三峽的安全、生態(tài)三峽的安全、生態(tài), , 道路的修建道路的修建, , 醫(yī)療保險(xiǎn)醫(yī)療保險(xiǎn), , 國債的發(fā)行國債的發(fā)行, , 家居裝修家居裝修, , 煉鋼的溫度估計(jì)煉鋼

15、的溫度估計(jì), , 發(fā)電廠的操作訓(xùn)練發(fā)電廠的操作訓(xùn)練, , 飛行員訓(xùn)練，飛行員訓(xùn)練， 傳染病的檢測和預(yù)報(bào)。傳染病的檢測和預(yù)報(bào)。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用（1 1）武器及裝備的研發(fā)：）武器及裝備的研發(fā)：用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供先期演示先期演示檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)方案、戰(zhàn)技術(shù)性能及檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)方案、戰(zhàn)技術(shù)性能及其操作的合理性其操作的合理性如：艦炮通用火控、艦船搖擺運(yùn)動(dòng)等單武器平臺研發(fā)中，半實(shí)物仿真系統(tǒng)如：艦炮通用火控、艦船搖擺運(yùn)動(dòng)等單武器平臺研發(fā)中，半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)在型號研制中發(fā)揮了作用。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)在型號研制

16、中發(fā)揮了作用。 仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)的深潛救生的控制研究：傳統(tǒng)的深潛救生的控制研究：可利用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不制造實(shí)際模型的情況下校驗(yàn)控制算法的正可利用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不制造實(shí)際模型的情況下校驗(yàn)控制算法的正確性，還能將深潛救生的仿真過程實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可被感受的場景動(dòng)畫，以利確性，還能將深潛救生的仿真過程實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可被感受的場景動(dòng)畫，以利于仿真試驗(yàn)人員在線地對控制仿真過程和對結(jié)果進(jìn)行分析、評判和決策于仿真試驗(yàn)人員在線地對控制仿真過程和對結(jié)果進(jìn)行分析、評判和決策仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)

17、基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用飛機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗(yàn)。飛機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗(yàn)。實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用巨大。實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用巨大。使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，使費(fèi)用大大降低。使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，使費(fèi)用大大降低。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用（2 2）船舶訓(xùn)練）船舶訓(xùn)練（a a）操作訓(xùn)練及適應(yīng)性訓(xùn)練：）操作訓(xùn)練及適應(yīng)性訓(xùn)練：如：六自由度艦艇操縱如：六自由度艦艇操縱訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，已用于訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，已用于海軍院校學(xué)員的培訓(xùn)；海軍院校學(xué)員的培訓(xùn)；船舶電站仿真、輪機(jī)駕船舶電站

18、仿真、輪機(jī)駕駛、運(yùn)動(dòng)控制等各類仿駛、運(yùn)動(dòng)控制等各類仿真系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用真系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言我空軍戰(zhàn)斗機(jī)模擬器仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用（2 2）船舶訓(xùn)練）船舶訓(xùn)練（b）維修訓(xùn)練：）維修訓(xùn)練： “虛擬維修虛擬維修”是在設(shè)備的維修中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使是在設(shè)備的維修中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使人可以對真實(shí)的設(shè)備進(jìn)行維修前演練人可以對真實(shí)的設(shè)備進(jìn)行維修前演練 ，如：，如：美國對哈勃望遠(yuǎn)鏡美國對哈勃望遠(yuǎn)鏡(HsT(HsT) )的虛擬維修系統(tǒng)的虛擬維修系統(tǒng)英國海軍在艦載核能推進(jìn)系統(tǒng)維修項(xiàng)目上采用虛擬現(xiàn)英

19、國海軍在艦載核能推進(jìn)系統(tǒng)維修項(xiàng)目上采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)備維修訓(xùn)練實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)備維修訓(xùn)練 兩種情況：兩種情況：1. 1.對機(jī)器人的操作對機(jī)器人的操作 2. 2.維修經(jīng)驗(yàn)的獲取維修經(jīng)驗(yàn)的獲取仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用（3）戰(zhàn)爭仿真：）戰(zhàn)爭仿真：（a a）將仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事訓(xùn)練，讓戰(zhàn)爭走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，既能比）將仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事訓(xùn)練，讓戰(zhàn)爭走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，既能比實(shí)兵操演節(jié)約大量的財(cái)力物力，又能使官兵實(shí)兵操演節(jié)約大量的財(cái)力物力，又能使官兵“身臨其境身臨其境” ” (b) (b) 運(yùn)用建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可

20、以建立運(yùn)用建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以建立大規(guī)模演練大規(guī)模演練聯(lián)合戰(zhàn)役聯(lián)合戰(zhàn)役的的“戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)室戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)室”(c) (c) 在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，還可實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，還可實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言世界上第一次運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)演大規(guī)模的世界上第一次運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)演大規(guī)模的“網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭”是在是在19941994年，年， “ “路易斯安娜路易斯安娜94” 94” 演習(xí)演習(xí)近年來，世界上軍事強(qiáng)國利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)施的近年來，世界上軍事強(qiáng)國利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)施的“網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭”層出不窮層出不窮 20052005年末，歷

21、時(shí)年末，歷時(shí)5 5年、得到著名科學(xué)家錢學(xué)森高度評價(jià)的國防大學(xué)戰(zhàn)爭模擬實(shí)年、得到著名科學(xué)家錢學(xué)森高度評價(jià)的國防大學(xué)戰(zhàn)爭模擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程驗(yàn)室建設(shè)工程, ,已在北京通過鑒定。光明日報(bào)的報(bào)道稱，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的建成已在北京通過鑒定。光明日報(bào)的報(bào)道稱，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的建成, ,標(biāo)標(biāo)志著國防大學(xué)的信息化建設(shè)在戰(zhàn)爭模擬和戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域已處于世界先進(jìn)水平。志著國防大學(xué)的信息化建設(shè)在戰(zhàn)爭模擬和戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域已處于世界先進(jìn)水平。 仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言美國的紅旗演習(xí)美國的紅旗演習(xí)仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的模型需要描述整個(gè)戰(zhàn)場的環(huán)境，參與作戰(zhàn)活動(dòng)角色的各種物理作戰(zhàn)仿真

22、系統(tǒng)的模型需要描述整個(gè)戰(zhàn)場的環(huán)境，參與作戰(zhàn)活動(dòng)角色的各種物理特性以及他們的行為特性以及他們的行為如：分布式潛艇作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)可以提供以下功能：如：分布式潛艇作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)可以提供以下功能：(a) (a) 提供真實(shí)模擬戰(zhàn)場環(huán)境和實(shí)體特性的能力提供真實(shí)模擬戰(zhàn)場環(huán)境和實(shí)體特性的能力(b) (b) 提供仿真運(yùn)行管理、戰(zhàn)場態(tài)勢顯示、仿真過程的記錄和再現(xiàn)、碰提供仿真運(yùn)行管理、戰(zhàn)場態(tài)勢顯示、仿真過程的記錄和再現(xiàn)、碰撞檢測和對仿真過程監(jiān)控的能力撞檢測和對仿真過程監(jiān)控的能力(c) (c) 提供仿真評估功能提供仿真評估功能(d) (d) 提供對潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)完整工作過程的仿真提供對潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)完整工作過程的仿真(e)

23、(e) 支援分布交互式仿真支援分布交互式仿真仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言2. 2. 仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)的應(yīng)用（4）水利：）水利：三峽水庫總庫容三峽水庫總庫容393 393 億立方米，總裝機(jī)容量億立方米，總裝機(jī)容量18201820萬千瓦，是世界上最大的水電萬千瓦，是世界上最大的水電站之一。站之一。 但是三峽的安全問題是一個(gè)很重要的問題，我們不可能等到建好后再看它的但是三峽的安全問題是一個(gè)很重要的問題，我們不可能等到建好后再看它的安全性，用計(jì)算機(jī)仿真就可以很好的解決這一問題。安全性，用計(jì)算機(jī)仿真就可以很好的解決這一問題。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.1 引言(1) (

24、1) 正日益與新興學(xué)科融合并推動(dòng)自身發(fā)展，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬正日益與新興學(xué)科融合并推動(dòng)自身發(fā)展，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(2) (2) 仿真系統(tǒng)的智能化、社會化是其發(fā)展的趨勢之一，如智能虛仿真系統(tǒng)的智能化、社會化是其發(fā)展的趨勢之一，如智能虛 擬環(huán)境擬環(huán)境(3) (3) 仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正得到不斷的拓展仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正得到不斷的拓展仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2.1 系統(tǒng)系統(tǒng)按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存的所有實(shí)體的集合或總和按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存的所有實(shí)體

25、的集合或總和。描述系統(tǒng)的描述系統(tǒng)的“三要素三要素”：實(shí)體、屬性、活動(dòng)。：實(shí)體、屬性、活動(dòng)。 實(shí)體：確定了系統(tǒng)的構(gòu)成與邊界。實(shí)體：確定了系統(tǒng)的構(gòu)成與邊界。 屬性：即描述變量，描述每一個(gè)實(shí)體的特征。屬性：即描述變量，描述每一個(gè)實(shí)體的特征。 活動(dòng)：定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化活動(dòng)：定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)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。的過程。功能和特性功能和特性: :1. 1.整體性整體性; ;2. 2.相關(guān)性相關(guān)性; ;仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)按其狀態(tài)變化的性質(zhì)，可以分為系統(tǒng)按其狀態(tài)變化的性質(zhì)，可以分為3

26、3類：類： A.A.連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) B.B.離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) C.C.離散事件系統(tǒng)離散事件系統(tǒng) 離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在某些離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生上發(fā)生跳躍變化跳躍變化的系統(tǒng)的系統(tǒng) 離散事件系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別：狀態(tài)變化發(fā)生在離散事件系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別：狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)；狀態(tài)；狀態(tài) 以以跳躍形式跳躍形式變化變化研究系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：研究系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容： 1 1）系統(tǒng)分析：存在的系統(tǒng)，認(rèn)識，建模，靜、動(dòng)態(tài)分析，得到性能指標(biāo)）系統(tǒng)分析：存在的系統(tǒng)，認(rèn)識，建模，靜、動(dòng)態(tài)分析，得到性能指標(biāo) 2 2）系統(tǒng)綜合與設(shè)計(jì)：未存

27、在的系統(tǒng)，根據(jù)性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合）系統(tǒng)綜合與設(shè)計(jì)：未存在的系統(tǒng)，根據(jù)性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合要要 求的系統(tǒng)求的系統(tǒng) 3 3）系統(tǒng)預(yù)測：預(yù)測系統(tǒng)在內(nèi)外因素變化條件下，可能的行為和特征）系統(tǒng)預(yù)測：預(yù)測系統(tǒng)在內(nèi)外因素變化條件下，可能的行為和特征仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2.2 系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型是采用某種特定的形式（如文字、符號、圖表、實(shí)物、數(shù)學(xué)公式等）系統(tǒng)模型是采用某種特定的形式（如文字、符號、圖表、實(shí)物、數(shù)學(xué)公式等）對一個(gè)系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性進(jìn)行描述，以提供有關(guān)系統(tǒng)的知識。對一個(gè)系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性進(jìn)行描述，以提供有關(guān)系統(tǒng)的知識。1

28、. 1.系統(tǒng)模型的分類系統(tǒng)模型的分類1) 1)根據(jù)模型的時(shí)間集合可分為連續(xù)時(shí)間模型和離散時(shí)間模型根據(jù)模型的時(shí)間集合可分為連續(xù)時(shí)間模型和離散時(shí)間模型; ; 連續(xù)時(shí)間模型連續(xù)時(shí)間模型: : 系統(tǒng)的狀態(tài)可在任意時(shí)刻點(diǎn)獲得系統(tǒng)的狀態(tài)可在任意時(shí)刻點(diǎn)獲得; ; 離散時(shí)間模型離散時(shí)間模型: :系統(tǒng)的狀態(tài)只能在離散的時(shí)刻點(diǎn)獲得系統(tǒng)的狀態(tài)只能在離散的時(shí)刻點(diǎn)獲得. .2) 2)根據(jù)模型的狀態(tài)變量可分為連續(xù)變化模型和離散變化模型根據(jù)模型的狀態(tài)變量可分為連續(xù)變化模型和離散變化模型; ; 上述分類相互交叉上述分類相互交叉, ,可得一種復(fù)雜的系統(tǒng)模型的分類可得一種復(fù)雜的系統(tǒng)模型的分類3) 3)隨機(jī)模型和確定性模型隨機(jī)模型

29、和確定性模型; ;仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真2.連續(xù)系統(tǒng)模型連續(xù)系統(tǒng)模型1）微分方程模型）微分方程模型: 未知函數(shù)是一元函數(shù)，則稱為常微分方程；若未知函數(shù)是多元函數(shù)，則稱未知函數(shù)是一元函數(shù)，則稱為常微分方程；若未知函數(shù)是多元函數(shù)，則稱為偏微分方程為偏微分方程. . 常微分方程常微分方程: :設(shè)系統(tǒng)輸入設(shè)系統(tǒng)輸入u(tu(t) )和系統(tǒng)輸出和系統(tǒng)輸出y(ty(t) )ubdtudbdtudbyadtydadtydmmmmmnnnnn1110111仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)

30、、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真2 2）傳遞函數(shù)模型）傳遞函數(shù)模型U(sU(s) )與與Y(sY(s) )分別是輸入分別是輸入, ,輸出的拉普拉斯變換輸出的拉普拉斯變換3 3）狀態(tài)空間模型）狀態(tài)空間模型 x- x-狀態(tài)向量狀態(tài)向量 u-u-輸入向量輸入向量 y- y-輸出向量輸出向量4 4）結(jié)構(gòu)圖模型）結(jié)構(gòu)圖模型當(dāng)系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)等時(shí)，采用此種模型當(dāng)系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)等時(shí)，采用此種模型仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真3. 離散系統(tǒng)模型離散系統(tǒng)模型1 1）差分方程模型）差分方程模型2 2）脈沖傳遞函數(shù)模型）

31、脈沖傳遞函數(shù)模型仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真3 3）離散狀態(tài)方程模型）離散狀態(tài)方程模型 x(kx(k)- )-離散狀態(tài)向量離散狀態(tài)向量; ; u(k u(k)- )-離散輸入向量離散輸入向量; ; y(k y(k)- )-離散輸出向量離散輸出向量. .4）.結(jié)構(gòu)圖模型結(jié)構(gòu)圖模型 當(dāng)系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)、有連續(xù)部分時(shí)，采用此種模型。當(dāng)系統(tǒng)中有非線性環(huán)節(jié)、有連續(xù)部分時(shí)，采用此種模型。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真1.2.3 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真1. 系統(tǒng)仿真的三個(gè)要素系統(tǒng)仿真的三個(gè)要素 系系 統(tǒng)統(tǒng) 模模 型型 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)建

32、模 仿真建模 仿真實(shí)驗(yàn) 即針對不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法即針對不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法 檢驗(yàn)（檢驗(yàn)（VerificationVerification）致效（致效（ValidationValidation）系統(tǒng)辨識技術(shù)范疇系統(tǒng)辨識技術(shù)范疇 系統(tǒng)是研究的對象系統(tǒng)是研究的對象 模型是系統(tǒng)的抽象模型是系統(tǒng)的抽象 仿真是對模型的實(shí)驗(yàn)仿真是對模型的實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真2.系統(tǒng)仿真的內(nèi)容系統(tǒng)仿真的內(nèi)容（1）模擬計(jì)算機(jī)仿真）模擬計(jì)算機(jī)仿真電子元器件電子元器件( (直流放大器直流放大器, ,電阻電阻, ,電容電容, ,二極管二極管) )線性線性/

33、/非線性模擬運(yùn)算部件非線性模擬運(yùn)算部件模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真（2）數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真）數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件的迅速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件的迅速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真得到長足的發(fā)展，已取代了模擬計(jì)算機(jī)仿真。導(dǎo)致數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真得到長足的發(fā)展，已取代了模擬計(jì)算機(jī)仿真。其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在：其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在： 1 1）仿真計(jì)算精度高；）仿真計(jì)算精度高； 2 2）使用方便，修改參數(shù)容易；）使用方便，修改參數(shù)容易； 3 3）采用程序控制，自動(dòng)化程度高。）采用程序控制

34、，自動(dòng)化程度高。存在的缺點(diǎn)是：存在的缺點(diǎn)是： 1 1）由于數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真速度較慢；）由于數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真速度較慢； 2 2）對于反應(yīng)較快的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真有一定困難。）對于反應(yīng)較快的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真有一定困難。仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真（3）混合仿真）混合仿真混合仿真是混合仿真是把兩種機(jī)器把兩種機(jī)器“結(jié)合結(jié)合”起來的作法，基本上有兩種起來的作法，基本上有兩種 一種是在普通模擬計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一些數(shù)字邏輯功能，使之成為混一種是在普通模擬計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一些數(shù)字邏輯功能，使之成為混合模擬計(jì)算機(jī)；合模擬計(jì)算機(jī)； 另一種則是通過一個(gè)混合界面將一臺通用數(shù)字計(jì)算機(jī)與一臺模擬計(jì)算機(jī)連另一種則是通過一個(gè)混合界面將一臺通用數(shù)字計(jì)算機(jī)與一臺模擬計(jì)算機(jī)連接起來，組成一個(gè)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接起來，組成一個(gè)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 不論是那一種，都具有綜合利用模擬機(jī)解算微分方程的快速性及數(shù)字計(jì)算不論是那一種，都具有綜合利用模擬機(jī)解算微分方程的快速性及數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的軟硬件功能這兩個(gè)方面的特點(diǎn)機(jī)強(qiáng)有力的軟硬件功能這兩個(gè)方面的特點(diǎn)仿真技術(shù)基礎(chǔ)仿真技術(shù)基礎(chǔ) 緒論緒論1.2 系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真（4）數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真軟件