第6章 計算機仿真的基本概念

第6章計算機仿真的基本概念

2024/2/2812024/2/282第六章計算機仿真的基本概念第一節(jié)控制系統(tǒng)的實驗方法第二節(jié)仿真實驗的分類與性能比較第三節(jié)系統(tǒng)模型與數(shù)字仿真2024/2/283第一節(jié)控制系統(tǒng)的實驗方法一般包含：解析法、實驗法、仿真實驗法一、解析法：對控制系統(tǒng)進行理論分析計算。如：研究汽車輪子懸掛系統(tǒng)的減震器性能及其彈簧參數(shù)變化對汽車運動性能的影響(通過理論分析來設(shè)計)2024/2/284第一節(jié)控制系統(tǒng)的實驗方法--解析法純數(shù)學(xué)分析問題問題：由于理論不完善，對事物認識不深入，有局限性

mKBXF(t)懸掛系統(tǒng)動力學(xué)模型從動力學(xué)角度出發(fā)，將系統(tǒng)等效為所示模型，再由理論分析出該模型的動態(tài)方程：2024/2/285第一節(jié)控制系統(tǒng)的實驗方法--實驗法系統(tǒng)輸入輸出信號響應(yīng)實驗法：對于已經(jīng)建立或存在的實際系統(tǒng)，施加一定類型的信號，測取系統(tǒng)響應(yīng)來確定系統(tǒng)性能的方法。特點：簡明、直觀、真實。缺點：1、控制系統(tǒng)還沒有建立，無法實驗。2、實際系統(tǒng)不允許進行實驗研究。如化工系統(tǒng)進行實驗會導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，造成巨額損失。(如何辨識)3、費用較高、周期較長、具危險性。如核系統(tǒng)航天系統(tǒng)2024/2/286第一節(jié)控制系統(tǒng)的實驗方法--仿真實驗法仿真實驗法：在模型上（物理或數(shù)學(xué)的）進行系統(tǒng)性能分析與研究的實驗方法?；驹瓌t：相似原理系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩類：物理模型仿真：如船舶設(shè)計制造時，先按比例縮小建造一個模型，放在水中進行各種動態(tài)性能實驗研究，滿足“幾何相似”。飛行器研制中，常常將實物放到“風(fēng)洞”中進行實驗研究，滿足“環(huán)境相似”。特點：效果好，精度高；造價高，耗時長。數(shù)學(xué)模型仿真：用數(shù)學(xué)模型在（數(shù)字或模擬）計算機上進行仿真研究，滿足“性能相似”的原則。前提條件：建立高精度的數(shù)學(xué)模型。2024/2/287第二節(jié)仿真實驗的分類與性能比較1、按模型分類：

物理仿真、數(shù)學(xué)仿真物理仿真特點：總有實物介入，具有實時性和在線性。構(gòu)造復(fù)雜，造價高。數(shù)學(xué)仿真特點：在（模擬或數(shù)字）計算機上進行，具有非實時性和離線性。經(jīng)濟、快捷。2024/2/288第二節(jié)仿真實驗的分類與性能比較2、按計算機類型分類模擬仿真、數(shù)字仿真、混合仿真模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型在模擬計算機上進行的實驗研究。特點：1）描述連續(xù)的物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然逼真。2）仿真速度極快，失真小，結(jié)果可靠。3）受元器件性能影響，仿真精度較低。4）對計算機控制系統(tǒng)（采樣控制系統(tǒng)）的仿真較難。5）實驗過程的自動化程度低。2024/2/289第二節(jié)仿真實驗的分類與性能比較數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算的方法進行的仿真實驗。

特點：1）計算與仿真精度高。理論上，精度可以任意高，但是受到誤差累積、仿真時間等因素影響，精度不宜過高。2）對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較方便。3）仿真實驗的自動化程度較高。4）計算速度較低。但是將來不會成為問題。2024/2/2810第二節(jié)仿真實驗的分類與性能比較混合仿真：將上述兩種仿真方法結(jié)合起來的仿真實驗系統(tǒng)。應(yīng)用場合：要求與實物連接進行實時仿真，同時又有復(fù)雜計算問題。如參數(shù)尋優(yōu)、統(tǒng)計分析等反復(fù)迭代運算。特點：具有上述兩種仿真的優(yōu)點。但復(fù)雜，價格高。2024/2/2811第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---系統(tǒng)一、系統(tǒng)：由一些具有特定功能、相互間以一定規(guī)律聯(lián)系著的物體所構(gòu)成的有機體。1、系統(tǒng)組成的三要素：實體、屬性、活動實體：存在于系統(tǒng)中的具有確定意義的物體。如閥門。屬性：實體所具有的任何有效特征。如閥門的開度?；顒樱合到y(tǒng)內(nèi)部或外部發(fā)生的變化過程。如閥門的開啟或關(guān)閉是熱力系統(tǒng)的內(nèi)部活動。電網(wǎng)電壓波動是電力拖動系統(tǒng)的外部活動。2024/2/2812第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---系統(tǒng)2、系統(tǒng)的特性：

整體性、相關(guān)性、隸屬性整體性：即系統(tǒng)中的各部分（子系統(tǒng)）不能隨意分割。如一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制對象、控制器和傳感器組成一個有機整體，缺一不可。相關(guān)性：即系統(tǒng)中各部分以一定的規(guī)律和方式聯(lián)系，由此決定了其特有的性能。隸屬性：一般情況下，有些系統(tǒng)并不象控制系統(tǒng)（由人工制成的）那樣可清楚地分出系統(tǒng)的“內(nèi)部”與“外部”，常常需要根據(jù)所研究的問題來確定哪些屬于系統(tǒng)的內(nèi)部因素，哪些屬于系統(tǒng)的外部環(huán)境，其界限也常常隨不同的研究目的而變化。將這一特性稱為隸屬性。分清系統(tǒng)的隸屬界限是十分重要的，往往可使系統(tǒng)仿真問題得以簡化，有效地提高仿真效率。（電水壺的加熱和安全性能）2024/2/2813第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---系統(tǒng)3、系統(tǒng)的分類按照不同的依據(jù)有多種分類方法。下面按“時間”可分為：連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量隨時間連續(xù)變化。如鍋爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。離散時間系統(tǒng)：系統(tǒng)中狀態(tài)變量的變化僅發(fā)生在一組離散時刻上。如計算機系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)：系統(tǒng)中狀態(tài)變量的改變是由離散時刻上所發(fā)生的事件所驅(qū)動的系統(tǒng)。如倉儲系統(tǒng)中的“庫存”問題，是受“出庫”和“入庫”事件的隨機變化影響的?；旌舷到y(tǒng)：一部分是連續(xù)系統(tǒng)，一部分是離散系統(tǒng)。如計算機控制系統(tǒng)。2024/2/2814第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---模型二、模型：是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象。1、模型分類：物理模型、數(shù)學(xué)模型、描述模型描述模型：對不能或難以用數(shù)學(xué)方法描述的系統(tǒng)，只能用語言（自然語言或程序語言）進行描述的模型。模型的精確與實現(xiàn)之間有矛盾。為了有效地對一類復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)控制，人們不再單純地追求“數(shù)學(xué)模型”，而是建立起基于“經(jīng)驗”或“知識”的描述模型。如：在模糊控制中，對控制對象的描述就是一組基于經(jīng)驗的If-then-else語句的描述。2024/2/2815第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---模型2、模型的建立1）確定模型結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)約束條件，確定系統(tǒng)的實體、屬性和活動。2）測取有關(guān)的模型數(shù)據(jù)。3）運用適當(dāng)理論建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4）檢驗所建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。2024/2/2816第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---模型3、系統(tǒng)建模的重要性由于控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真是以其“數(shù)學(xué)模型”為基礎(chǔ)的，所以，對于仿真結(jié)果的可靠性來說，系統(tǒng)建模至關(guān)重要！往往決定了數(shù)字仿真的成敗。否則，“仿真”就不“真”了！現(xiàn)代仿真技術(shù)，不但具有理論探討意義，還對實際工作具有指導(dǎo)作用！如駕駛飛機訓(xùn)練。2024/2/2817第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---數(shù)字仿真三、數(shù)字仿真實驗一般包括三個基本要素：實際系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型與計算機。聯(lián)系三個要素有三個基本活動：模型建立、仿真實驗和結(jié)果分析。數(shù)字仿真的基本內(nèi)容如圖所示：實際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計算機結(jié)果分析仿真結(jié)果一次模型化二次模型化系統(tǒng)辨識仿真實驗將實際系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)模型稱為一次模型化，它還涉及到系統(tǒng)辨識技術(shù)問題，統(tǒng)稱為建模問題。將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可在計算機上運行的仿真模型，稱為二次模型化，這涉及到仿真技術(shù)問題，統(tǒng)稱為仿真實驗。2024/2/2818第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---數(shù)字仿真所謂實現(xiàn)問題，就是根據(jù)已知的系統(tǒng)傳遞函數(shù)求取該系統(tǒng)相應(yīng)的狀態(tài)空間表達式。即把系統(tǒng)的外部描述模型轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)部描述模型。一般高階微分方程較難求解，所以要化為具有一階微分方程組的狀態(tài)方程，使之適宜數(shù)字計算機求數(shù)值解。2024/2/2819第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真---數(shù)字仿真仿真實現(xiàn)