《計算機仿真技術基礎》計算機仿真技術.ppt

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機電工程學院機電工程系李安Tel 15166391658Email jdgc lian 計算機仿真技術 本門課程的目標 熟悉一個概念掌握一種方法精通一項技術會用一款軟件 結課方式 考試 作業(yè) 上機考試 開卷 60 作業(yè) 上機 40 參考文獻 1 計算機仿真技術基礎 劉瑞葉等編 電子工業(yè)出版社2 系統(tǒng)仿真概論 肖田元等編 清華大學出版社3 現(xiàn)代仿真技術與應用 康風舉編 國防工業(yè)出版社4 先進仿真技術與仿真環(huán)境 熊光楞編 國防工業(yè)出版社5 系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實 吳啟迪主編 化學工業(yè)出版社6 MATLAB7 0從入門到精通 劉保柱等編 人民郵電出版社 第1章概述 ThreetopicstobediscussedWWHWhytolearnWhattolearnHowtolearn 理解并掌握仿真的概念 分類 作用 了解計算機仿真的發(fā)展歷程 應用領域及目前研究 應用現(xiàn)狀 熟悉掌握計算機數(shù)字仿真的基本過程 本章學習要求 1 1仿真的基本概念及其分類1 1 1系統(tǒng)仿真的定義 分類及作用1 1 2計算機仿真的定義及其分類1 2計算機仿真的發(fā)展及其應用領域1 3計算機數(shù)字仿真的基本過程1 4先進仿真技術 1 1仿真 simulation 的基本概念及其分類 1 1 1系統(tǒng)仿真的定義 分類及其作用1 系統(tǒng)仿真的定義系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型的某種操作 研究一個存在的或設計中的系統(tǒng) 簡言之 系統(tǒng)仿真是對系統(tǒng)模型的試驗 即在仿真中 系統(tǒng)的模型在一定的試驗條件下被行為產生器驅動 產生模型行為 2 系統(tǒng)仿真的分類 系統(tǒng)模型分類方式 物理仿真系統(tǒng)模型為物理模型 實物模型 PM 數(shù)字仿真系統(tǒng)模型為數(shù)字模型 數(shù)學模型和幾何模型 MM GM 半物理仿真既有物理模型也有數(shù)字模型 3 系統(tǒng)仿真的作用 優(yōu)化系統(tǒng)設計 在復雜的系統(tǒng)建立以前 能夠通過改變仿真模型結構和調整參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設計 MM 對系統(tǒng)或系統(tǒng)的某一部分進行性能評價 MM 節(jié)省費用 重現(xiàn)系統(tǒng)故障 以便判斷故障產生的原因 GM 可以避免試驗的危險性 進行系統(tǒng)抗干擾性能的分析研究 MM 訓練系統(tǒng)操作人員 GM 系統(tǒng)仿真能為管理決策和技術決策提供依據(jù) 正因為仿真技術對國防建設 工農業(yè)生產及科學研究均具有極大的應用價值 所以 仿真技術被美國國家關鍵技術委員會于1991年確定為影響美國國家安全及繁榮的22項關鍵技術之一 本章目錄 1 1 2計算機仿真 ComputerSimulation 的定義及其分類 1 計算機仿真的定義計算機仿真是指應用幾何和性能相似原理 構成數(shù)字模型 在計算機上對系統(tǒng)數(shù)字模型進行某種操作 計算機仿真又稱為數(shù)字仿真 根據(jù)計算機分類模擬計算機仿真 數(shù)字計算機仿真 模擬數(shù)字混合仿真 根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關系實時仿真 欠實時仿真 超實時仿真 根據(jù)系統(tǒng)模型的特性連續(xù)系統(tǒng)仿真 離散事件系統(tǒng)仿真 本章目錄 計算機仿真的分類 1 2計算機仿真的發(fā)展及其應用領域 1 計算機仿真的發(fā)展第一階段 模擬仿真技術發(fā)展階段 1950年以前 動因 火炮與飛行控制動力學系統(tǒng)的研究 第二階段 混合仿真技術發(fā)展階段 50 60年代 動因 洲際導彈和宇宙飛船飛行姿態(tài)及軌道控制動力學的研究 第三階段 數(shù)字仿真技術發(fā)展階段 70年代以后 模擬機 混合機 數(shù)字機 計算機仿真的應用類型 系統(tǒng)設計器對尚未有的系統(tǒng)進行設計時采用仿真技術 系統(tǒng)分析器對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術 系統(tǒng)預測器在系統(tǒng)運行前 利用仿真模型作為預測器 向用戶提供系統(tǒng)運行起來后 可能產生什么現(xiàn)象 以便用戶修訂計劃或決策 系統(tǒng)觀測器在系統(tǒng)運行時 利用仿真模型作為觀測器 給用戶提供過去 現(xiàn)在甚至未來的信息 以便用戶實時作出正確的決策 比如利用仿真技術進行故障分析和故障處理 系統(tǒng)訓練器利用仿真模型作為訓練器 訓練系統(tǒng)操作人員或管理人員 2 計算機仿真的應用領域從歷史上看 仿真技術首先被應用于那些在實際系統(tǒng)進行試驗有危險 花費巨大的領域 比如 航空 航天 武器系統(tǒng)等 以后逐漸擴大到雖然可在實際系統(tǒng)上進行試驗 但花費較大 耗時較長 不大方便的一些領域 比如 冶金 化工 電力等 近十幾年來 則進一步擴大到制造 交通 環(huán)境 生態(tài) 生物 石油等領域 綜觀仿真技術應用領域逐漸擴大的歷史 可以得到以下幾個有意義的結論 仿真技術在應用上的安全性一直是被采用的最主要原因 仿真技術在應用上的經(jīng)濟性也是被采用的十分重要的原因 仿真技術一般是從學院式的局部應用逐步走向全面應用 其標志是對某領域的仿真應用而設立的仿真中心 仿真技術在每一階段都有一個比較成熟的應用領域 根據(jù)仿真的應用范圍 研制和開發(fā)了一大批仿真產品 如各種仿真語言及仿真軟件包 各種訓練仿真器等等 為了推廣仿真技術的應用 幾乎所有的仿真語言都推出了PC版 計算機仿真應用視頻 1 3計算機數(shù)字仿真的基本過程 為了使大家對計算機數(shù)字仿真有一個全面的了解 讓我們用一個簡單的例子來予以說明 卓越的操控性 穩(wěn)定性和舒適性 汽車懸掛系統(tǒng) 問題 如何分析研究并保證設計出或設計中的懸架系統(tǒng)具有這種卓越性能 研究方法 1理論方法2實驗方法3仿真方法 仿真技術與物理實驗 理論研究的對比 質量彈簧阻尼系統(tǒng) 其中 X 狀態(tài)向量A 系統(tǒng)矩陣B 輸入矩陣f t 輸入變量C 輸出矩陣D 直接轉移矩陣 根據(jù)研究的目的編制試驗方案 1 改變M B K 保持f t 不變 研究系統(tǒng)結構參數(shù)對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響 2 改變f t 系統(tǒng)結構參數(shù)保持不變 研究系統(tǒng)所受激振力對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響 最后根據(jù)仿真試驗結果 給出相關結論 建立仿真模型 應用編程語言應用仿真語言或環(huán)境 應用歐拉法 梯形法或R K法等仿真算法 將上述數(shù)學模型轉化為便于編程的仿真模型 應用編程語言 應用仿真語言或環(huán)境 應用ADAMS應用MATLAB 計算機仿真的一般步驟 1 確定系統(tǒng)分析目標 進行系統(tǒng)分析 建立系統(tǒng)數(shù)學模型2 在系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上 建立系統(tǒng)的仿真模型3 編程或選用仿真語言4 制定仿真實驗方案 進行仿真實驗5 分析仿真實驗結果 修改模型 本章目錄 給點小提示 一 拉普拉斯變換1 拉氏變換的定義 2 拉氏變換的幾個定理 線性定理 衰減定理 延時定理 相似定理 微分定理 積分定理 終值定理 初值定理 卷積定理 連續(xù)系統(tǒng)仿真 線性定理 返回 衰減定理 延時定理 相似定理 返回 微分定理 GO 積分定理 終值定理 返回 初值定理 卷積定理 二 拉氏逆變換直接求解法 查表法 系數(shù)比較法 留數(shù)法 三 應用拉氏變換求解微分方程例 用拉氏變換解微分方程初始條件 四 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1 定義2 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 比例環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 慣性環(huán)節(jié) 二階環(huán)節(jié) 延時環(huán)節(jié) 1 定義 返回 比例環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 返回 慣性環(huán)節(jié) 二階環(huán)節(jié) 延時環(huán)節(jié) 返回 第2章連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真 對于一個集中參數(shù)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng) 利用我們學過的基礎理論知識和專業(yè)知識所能直接建立的數(shù)學模型形式有哪些呢 高階微分方程 傳遞函數(shù) 上述模型不能在數(shù)字機上直接求解 那么能夠在數(shù)字計算機上直接求解的數(shù)學模型形式又是什么樣的呢 差分方程 上述方程形式由何而來的 一階微分方程 仿真模型 數(shù)值積分算法 怎么來 動態(tài)方程 高階微分方程傳遞函數(shù) 模型變換 高階微分方程傳遞函數(shù) 差分方程 兩次模型變換 動態(tài)方程 等價變換 近似變換 2 1連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型 引進算子 1 高階微分方程 2 傳遞函數(shù) 3 狀態(tài)空間描述 1 由微分方程導出狀態(tài)空間表達式 引進如下狀態(tài)變量 假定一個連續(xù)系統(tǒng)可用下式來描述 令 則有 例系統(tǒng)的微分方程式 設狀態(tài)變量為 2 由傳遞函數(shù)導出狀態(tài)空間表達式 1 并聯(lián)程序法 m n 若G s 有n個單極點 引進n個狀態(tài)變量 令 例 2 串聯(lián)程序法 為G s 的單極點 為G s 的零點 1 分子 分母均為一階 設第i個子系統(tǒng)的表達式為 2 分子為常數(shù)第j個子系統(tǒng) 例 子系統(tǒng)1 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)3 差分方程 2 2在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型 2 3數(shù)值積分法 設 初始條件 歐拉公式 2 3 1歐拉法 折線法 幾何意義 折線 注 將圖中的y換成x 一般 2 3 2梯形法 梯形公式 2 3 3龍格 庫塔法 Runge Kutta x x t 設 泰勒級數(shù)展開 在 處展開成泰勒級數(shù) 只保留至 x x t 二階龍格 庫塔法 即為梯形公式 四階龍格 庫塔公式 一階微分方程四階龍格 庫塔法的c語言實現(xiàn) 宏定義 include include defineF t x voidmain void floatt0 x0 k1 k2 k3 k4 t1 x1 h intn i printf Inputt0 x0hn n scanf f f f d for i 1 i n i t1 t0 h k1 F t0 x0 k2 F t0 h 2 x0 h k1 2 k3 F t0 h 2 x0 h k2 2 k4 F t0 h x0 h k3 y1 x0 h k1 2 k2 2 k3 k4 6 printf 15d 15 6f 15 6f n i t1 x1 t0 t1 x0 x1 一階微分方程四階龍格 庫塔法的c語言實現(xiàn) 函數(shù) include includefloatf float float voidmain void floatt0 x0 k1 k2 k3 k4 t1 x1 h intn i printf Inputx0 x0hn n scanf f f f d for i 1 i n i t1 t0 h k1 f t0 x0 k2 f t0 h 2 x0 h k1 2 k3 f t0 h 2 x0 h k2 2 k4 f t0 h x0 h k3 y1 x0 h k1 2 k2 2 k3 k4 6 printf 15d 15 6f 15 6f n i t1 x1 t0 t1 x0 x1 floatf floatt floatx floatx1 x1 returnx1 2 4四階龍格 庫塔法算法通式 i 1 2 n 令 i 1 2 n j 1 2 3 4 2 5仿真舉例 機械諧振系統(tǒng)計算機仿真 根據(jù)研究的目的編制試驗方案 1 改變M B K 保持f t 不變 研究系統(tǒng)結構參數(shù)對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響 2 改變f t 系統(tǒng)結構參數(shù)保持不變 研究系統(tǒng)所受激振力對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響 選擇編程語言 編制仿真程序 仿真程序調試 仿真試驗運行 仿真結果分析 正確性分析 精度分析 可靠性分析 穩(wěn)定性分析等 仿真系統(tǒng)VV A 作業(yè)1 15 用c語言編制歐拉法 梯形法和四階R K法算法程序 求解下面方程并將計算結果與解析解比較之 解析解 第3章連續(xù)系統(tǒng)離散相似法數(shù)字仿真 連續(xù)系統(tǒng)的離散化 令 系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣 注 系統(tǒng)離散化后 對于k及k 1兩個依此相連的采樣瞬時 有 由于上式右端與積分k無關 則令k 0 而k與k 1之間 即 這就是一個連續(xù)系統(tǒng)離散化的狀態(tài)方程的解 其中 例已知線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 其中 解 作業(yè)2 25 應用四階R K算法 編制機械諧振系統(tǒng)仿真程序 研究在正弦載荷作用下系統(tǒng)彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)對系統(tǒng)運動參數(shù)的影響 假定M 200kg 正弦載荷幅值500N 角頻率為1 初相位為0 實現(xiàn)方式 c語言版和MATLAB版