系統(tǒng)建模與仿真

系統(tǒng)建模仿真技術(shù)的歷史現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析工程133 胡浩 【摘要】：經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,仿真技術(shù)已經(jīng)成為對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步具有重要影響的一門(mén)綜合性技術(shù)學(xué)科。本文對(duì)建模與仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)作了較全面分析。仿真建模方法更加豐富,更加需要仿真模型具有互操作性和可重用性,仿真建模VVA與可信度評(píng)估成為仿真建模發(fā)展的重要支柱;仿真體系結(jié)構(gòu)逐漸形成標(biāo)準(zhǔn),仿真系統(tǒng)層次化、網(wǎng)絡(luò)化已成為現(xiàn)實(shí),仿真網(wǎng)格將是下一個(gè)重要發(fā)展方向;仿真應(yīng)用領(lǐng)域更加豐富,向復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展,并將更加貼近人們的生活。工程系統(tǒng)的仿真，起源于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。從最初的簡(jiǎn)單電子、機(jī)械系統(tǒng)，逐步發(fā)展到今天涵蓋機(jī)、電、液、熱、氣、電、磁等各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，并且在控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)方向上飛速發(fā)展?？刂破鞯姆抡孳浖谘芯靠刂撇呗?、控制算法、控制系統(tǒng)的品質(zhì)方面提供了強(qiáng)大的支持。隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)、電、液、熱、氣、磁等驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，以高可靠性、高精度、高反應(yīng)速度和穩(wěn)定性為代表的先進(jìn)特征，將工程系統(tǒng)的執(zhí)行品質(zhì)提升到了前所未有的水平。相對(duì)控制器本身的發(fā)展，憑借新的加工制造技術(shù)的支持，執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展更加富于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，而對(duì)于設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及構(gòu)建一個(gè)包括控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完整的自動(dòng)化系統(tǒng)也提出了更高的要求。AMESIM軟件正是能夠提供平臺(tái)級(jí)仿真技術(shù)的工具。從根據(jù)用戶(hù)需求，提供液壓、機(jī)械、氣動(dòng)等設(shè)計(jì)分析到復(fù)雜系統(tǒng)的全系統(tǒng)分析，到引領(lǐng)協(xié)同仿真技術(shù)的發(fā)展方向，AMESIM的發(fā)展軌跡和方向代表了工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)。一、系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀工程系統(tǒng)仿真作為虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的一部分，與控制仿真、視景仿真、結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算仿真、多物理場(chǎng)以及虛擬布置和裝配維修等技術(shù)一起，在貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)改進(jìn)乃至退役的全壽命周期技術(shù)活動(dòng)中，發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也在滿足越來(lái)越高和越來(lái)越復(fù)雜的要求。因此，工程系統(tǒng)仿真技術(shù)也就迅速地發(fā)展到了協(xié)同仿真階段。其主要特征表現(xiàn)為：1、控制器和被控對(duì)象的聯(lián)合仿真：MATLABAMESIM，可以覆蓋整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的全部要求。2、被控對(duì)象的多學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的聯(lián)合仿真：AMESIM機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)CFDTHERMAL電磁分析3、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是由仿真軟件與仿真機(jī)等半實(shí)物仿真系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模型來(lái)測(cè)試成型或者硬件控制器。4、集成進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)現(xiàn)代研發(fā)制造單位，尤其是設(shè)計(jì)研發(fā)和制造一體化的大型單位，引進(jìn)PDM/PLM系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化建設(shè)的潮流。在復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理流程中，系統(tǒng)仿真作為CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，與上下游工具配合。5、超越仿真技術(shù)本身工程師不必是精通數(shù)值算法和仿真技術(shù)的專(zhuān)家，而只需要關(guān)注自己的專(zhuān)業(yè)對(duì)象，其他大量的模型建立、算法選擇和數(shù)據(jù)前后處理等工作都交給軟件自動(dòng)完成。這一技術(shù)特點(diǎn)極大地提高了仿真的效率，降低了系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用門(mén)檻，避免了因?yàn)椴涣私馑惴ㄔ斐傻姆抡媸　?、構(gòu)建虛擬產(chǎn)品在通過(guò)建立虛擬產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程中，關(guān)注以各種特征值為代表的系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)多方案的快速比較。二、系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)21、屏棄單專(zhuān)業(yè)的仿真單一專(zhuān)業(yè)仿真將退出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，專(zhuān)注于單一專(zhuān)業(yè)技術(shù)的深入發(fā)展。作為總體優(yōu)化的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)分析工具，必要條件之一是跨專(zhuān)業(yè)多學(xué)科協(xié)同仿真。22、跟隨計(jì)算技術(shù)的發(fā)展隨著計(jì)算技術(shù)在軟硬件方面的發(fā)展，大型工程軟件系統(tǒng)開(kāi)始有減少模型的簡(jiǎn)化、減少模型解藕的趨勢(shì)，力爭(zhēng)從模型和算法上保證仿真的準(zhǔn)確性。更強(qiáng)更優(yōu)化的算法，配合專(zhuān)業(yè)的庫(kù)，將提供大型工程對(duì)象的系統(tǒng)整體仿真的可能性。在高性能計(jì)算方面，將支持包括并行處理、網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)和高速計(jì)算系統(tǒng)等技術(shù)。23、平臺(tái)化要求仿真工具能夠提供建模、運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理（包括二次開(kāi)發(fā)后的集成和封裝）、數(shù)據(jù)傳遞等全部仿真工作流程要求的功能，并且通過(guò)數(shù)據(jù)流集成在更大的PDM/PLM平臺(tái)上。同時(shí)，在時(shí)間尺度上支持全開(kāi)發(fā)流程的仿真要求，在空間尺度上支持不同開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)甚至是交叉型組織架構(gòu)間的協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)的管理。24、整合和細(xì)分市場(chǎng)整合化：將出現(xiàn)主流的標(biāo)準(zhǔn)工具。其特征是功能涵蓋了現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的主要系統(tǒng)仿真需求，并與其他主流軟件工具通過(guò)接口或后臺(tái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)別的數(shù)據(jù)交互，有協(xié)同工作的能力；軟件自身的技術(shù)進(jìn)展迅速，具有強(qiáng)大的發(fā)展后勁。專(zhuān)業(yè)化：隨著市場(chǎng)需求的細(xì)分，走專(zhuān)業(yè)化道路，將出現(xiàn)極專(zhuān)業(yè)的工具。這些工具將在某些具體的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域提供深入研究的特殊支持，如開(kāi)發(fā)特殊的庫(kù)或模型，專(zhuān)注于具有鮮明行業(yè)特征的技術(shù)，滿足特殊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將出現(xiàn)整合型工具和專(zhuān)業(yè)化工具互補(bǔ)的局面。25、智能化將引進(jìn)更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不斷改進(jìn)GUI，讓軟件使用者直接體驗(yàn)到數(shù)值計(jì)算專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的后臺(tái)工具提供的強(qiáng)大功能，同時(shí)減少軟件學(xué)習(xí)和使用的困難。提供易學(xué)易用的強(qiáng)大工具。26、豐富的二次開(kāi)發(fā)選項(xiàng)提供源代碼級(jí)的二次開(kāi)發(fā)支持，開(kāi)放的架構(gòu)滿足不同用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)要求。在強(qiáng)大的工具平臺(tái)上，根據(jù)自身的需要，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。這已經(jīng)是目前許多研發(fā)單位開(kāi)發(fā)專(zhuān)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。今后的系統(tǒng)仿真工具必須支持用戶(hù)在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的時(shí)候，從源代碼級(jí)別開(kāi)始的創(chuàng)新和工程化定制，并能夠通過(guò)封裝集成到原有平臺(tái)中去。這種技術(shù)將成為用戶(hù)在實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技術(shù)組織內(nèi)共享和傳承的同時(shí)，保護(hù)自身知識(shí)產(chǎn)權(quán)的必然選擇。【參考文獻(xiàn)】 【1】梁炳成,王恒霖,鄭燕紅;軍用仿真技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和展望J;系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2001年01期【2】楊明,張冰,馬萍,王子才;仿真系統(tǒng)VV&A發(fā)展的五大關(guān)鍵問(wèn)題J;系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2003年11期【3】李伯虎,柴旭東,朱文海,孫家廣,梁炳成,吳慧中,彭曉源;SBA支撐環(huán)境技術(shù)的研究J;系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2004年02期【4】蔣郝平 .O9第四屆中國(guó)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)高層論壇閉幕詞 【5】游景玉.O9第四屆中國(guó)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)高層論壇開(kāi)幕詞 【6】李伯虎 ，柴旭東 ，朱文海 ，邸彥強(qiáng) ，王鵬 ，施國(guó)強(qiáng) ，譚娟 ，殷潤(rùn)民 ，侯寶存.現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)發(fā)展中的幾個(gè)焦點(diǎn).系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).Vo116No9 .Sept200【7】孫黎陽(yáng)，毛少杰等。網(wǎng)絡(luò)中心化仿真支撐平臺(tái)，2010.1.6 30-35【8】毛少杰，李玉萍，林劍檸等，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011.22（7）：1660-1663【9】高武奇，康鳳舉等