第6章 計(jì)算機(jī)仿真的基本概念

第6章計(jì)算機(jī)仿真的基本概念

2024/2/2812024/2/282第六章計(jì)算機(jī)仿真的基本概念第一節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法第二節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法一般包含：解析法、實(shí)驗(yàn)法、仿真實(shí)驗(yàn)法一、解析法：對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行理論分析計(jì)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(duì)汽車運(yùn)動(dòng)性能的影響(通過理論分析來設(shè)計(jì))2024/2/284第一節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法--解析法純數(shù)學(xué)分析問題問題：由于理論不完善，對(duì)事物認(rèn)識(shí)不深入，有局限性

mKBXF(t)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型從動(dòng)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(dòng)態(tài)方程：2024/2/285第一節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法--實(shí)驗(yàn)法系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)法：對(duì)于已經(jīng)建立或存在的實(shí)際系統(tǒng)，施加一定類型的信號(hào)，測(cè)取系統(tǒng)響應(yīng)來確定系統(tǒng)性能的方法。特點(diǎn)：簡(jiǎn)明、直觀、真實(shí)。缺點(diǎn)：1、控制系統(tǒng)還沒有建立，無法實(shí)驗(yàn)。2、實(shí)際系統(tǒng)不允許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。如化工系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，造成巨額損失。(如何辨識(shí))3、費(fèi)用較高、周期較長(zhǎng)、具危險(xiǎn)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(shí)驗(yàn)方法--仿真實(shí)驗(yàn)法仿真實(shí)驗(yàn)法：在模型上（物理或數(shù)學(xué)的）進(jìn)行系統(tǒng)性能分析與研究的實(shí)驗(yàn)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(jì)制造時(shí)，先按比例縮小建造一個(gè)模型，放在水中進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究，滿足“幾何相似”。飛行器研制中，常常將實(shí)物放到“風(fēng)洞”中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，滿足“環(huán)境相似”。特點(diǎn)：效果好，精度高；造價(jià)高，耗時(shí)長(zhǎng)。數(shù)學(xué)模型仿真：用數(shù)學(xué)模型在（數(shù)字或模擬）計(jì)算機(jī)上進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)：總有實(shí)物介入，具有實(shí)時(shí)性和在線性。構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)高。數(shù)學(xué)仿真特點(diǎn)：在（模擬或數(shù)字）計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性和離線性。經(jīng)濟(jì)、快捷。2024/2/288第二節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)的分類與性能比較2、按計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。特點(diǎn)：1）描述連續(xù)的物理系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（采樣控制系統(tǒng)）的仿真較難。5）實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化程度低。2024/2/289第二節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。

特點(diǎn)：1）計(jì)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(shí)間等因素影響，精度不宜過高。2）對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便。3）仿真實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度較高。4）計(jì)算速度較低。但是將來不會(huì)成為問題。2024/2/2810第二節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。應(yīng)用場(chǎng)合：要求與實(shí)物連接進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，同時(shí)又有復(fù)雜計(jì)算問題。如參數(shù)尋優(yōu)、統(tǒng)計(jì)分析等反復(fù)迭代運(yùn)算。特點(diǎn)：具有上述兩種仿真的優(yōu)點(diǎn)。但復(fù)雜，價(jià)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(jī)體。1、系統(tǒng)組成的三要素：實(shí)體、屬性、活動(dòng)實(shí)體：存在于系統(tǒng)中的具有確定意義的物體。如閥門。屬性：實(shí)體所具有的任何有效特征。如閥門的開度?；顒?dòng)：系統(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(dòng)。電網(wǎng)電壓波動(dòng)是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的外部活動(dòng)。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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制對(duì)象、控制器和傳感器組成一個(gè)有機(jī)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(jiǎn)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(shí)間”可分為：連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量隨時(shí)間連續(xù)變化。如鍋爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。離散時(shí)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(shí)刻上。如計(jì)算機(jī)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(shí)刻上所發(fā)生的事件所驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。如倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的“庫(kù)存”問題，是受“出庫(kù)”和“入庫(kù)”事件的隨機(jī)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(jì)算機(jī)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(duì)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(duì)不能或難以用數(shù)學(xué)方法描述的系統(tǒng)，只能用語(yǔ)言（自然語(yǔ)言或程序語(yǔ)言）進(jìn)行描述的模型。模型的精確與實(shí)現(xiàn)之間有矛盾。為了有效地對(duì)一類復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)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(yàn)”或“知識(shí)”的描述模型。如：在模糊控制中，對(duì)控制對(duì)象的描述就是一組基于經(jīng)驗(yàn)的If-then-else語(yǔ)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(shí)體、屬性和活動(dòng)。2）測(cè)取有關(guān)的模型數(shù)據(jù)。3）運(yùn)用適當(dāng)理論建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4）檢驗(yàn)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(duì)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(duì)實(shí)際工作具有指導(dǎo)作用！如駕駛飛機(jī)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(shí)驗(yàn)一般包括三個(gè)基本要素：實(shí)際系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)。聯(lián)系三個(gè)要素有三個(gè)基本活動(dòng)：模型建立、仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。數(shù)字仿真的基本內(nèi)容如圖所示：實(shí)際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)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(shí)仿真實(shí)驗(yàn)將實(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)上運(yùn)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(shí)驗(yàn)。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(shí)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(dá)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)