第18卷 第1期计 算 机 仿 真2001年1月
复杂系统仿真方法及应用
王正中 (北京信息与控制研究所,100037)
摘要 文章讨论复杂系统仿真方法及其应用,内容包括:组成系统仿真的要素及活动;传统系统仿真方法学;复杂性及复杂
系统仿真方法学。
关键词 系统 模型 仿真 复杂性
中图分类号 TP30115 文献标识码 A
1 系统-模型-计算机
“仿真”方法即模型研究方法是人类最古老的工程方法之一。这种基于相似原理的模型研究方法,经历了从直观的物理模型到抽象的形式化模型(数学模型)的发展,二十世纪计算机的出现以及人类对于“系统”的认识,则赋予仿真即模型研究以新的内容与方法。导致了现代仿真技术,即系统仿真技术的产生。系统仿真一个不甚严格但被广泛认同的定义是:在计算机上建立系统模型,运转和实验这个模型以研究一个现存的或虚拟的系统。现代仿真技术的第一个特点是视研究对象为一个系统,另一个特点是以计算机作为系统模型的载体。因此系统仿真的方法论是与系统学和计算机科学紧密相联系的。系统论的先驱者贝塔朗菲认为“不同领域中表现出结构上的相似性或同构性”可以看作一般系统论形成的重要依据。系统仿真方法的基本原理正是基于客观世界中系统之间的相似性或同构性,基于这一系统属性去建立系统模型并通过研究模型去研究系统,模型也是一个系统,它与原形系统之间具有相似性或同构性。计算机的出现对于现代科学工程方法的发展是一次革命。计算机的应用使得人的智能超出了人自身的自然限制。对仿真而言,计算机的应用使得模型研究的复杂性和灵活性都获得了质的飞跃。计算机仿真专家柯恩在他的“连续系统动态仿真”一书中曾写到:计算机是活的数学模型。这的确是一个恰如其份的评价而非艺术上的夸张。
一般认为,组成系统仿真的三个要素是:系统、模型、计算机。而将三个要素结合在一起的三个活动是:系统建模,模型程序化及仿真实验和分析。在这一基础上形成了系统仿真方法学的三个分支。
①仿真建模方法学(演绎推理;归纳推理)
②仿真语言构造方法学(连续系统仿真方法和语言CSS L,离散事件仿真方法和语言DES L,混合仿真语言HCS L)
③仿真试验支撑环境构造方法学,(集成化仿真环境ISE;分布式仿真环境DSE;虚拟仿真环境VSE,互连网仿真环境WSE)。
系统仿真方法学的发展大致可以分为两个阶段,从40年代到70年代,是传统系统仿真方法学发展阶段。从80年代到今天,是复杂系统仿真方法学发展阶段,两个发展阶段的主要区别是建模在系统仿真方法学中重要性的增长。
传统的系统仿真方法学主要是面向工程系统如航空、航天、电力、化工等,一般说来,这类系统具有良好定义和良好结构;具有充分可用的理论知识;可以采用演绎推理的方法建模。而复杂系统仿真主要是面向社会、经济、生态、生物等这些十分复杂的非工程系统。仿真这些复杂系统的难点主要在于系统的病态定义和病态结构,以及无充分可用的理论和先验知识。传统系统仿真方法中的建模,其侧重点是对形式化模型进行演绎推理,实验,分析。这显然具有工程技术的特点。而在复杂系统仿真方法中,其侧重点是解决如何建立系统的形式化模型,建立一种抽象的表示方法以获得对客观世界和自然现象的深刻认识,这明显是面向科学的。
2 复杂性—复杂系统仿真方法
复杂性问题的提出起源于奥地利,1928年贝塔朗菲在他撰写的《生物有机体系统》论文中首次提出了复杂性问题,随后,怀特梅在《有机体的哲学》论文中也提出了类似的观点。在此之后,许多科学家对此进行了多方面的研究并作出了贡献,如马卡诺赫和匹茨在神经网络方面的研究;冯诺依曼在元胞自动机和复杂性方面的研究,维纳在控制论方面的研究;普里高津及含肯在系统论方面的研究。九十年代,美国圣塔菲研究院(SFI)成为研究复杂问题的中心并著名于世。中国在八十年代初,钱学森先生发表了《系统科学,思维科学与人体科学》的论文,近年来,他又提出《开放、复杂、巨系统》的概念以及处理这类系统的方法论。由于对于复杂系统(社会、经济、生物、生态)的研究,推动了包括系统仿真在内各相关学科的发展。
如果说70年代以前,多数的仿真专著都是面向物理系统,并以讨论基于演绎推理的传统建模与仿真方法学为主。那么70年代以后,许多重要的系统仿真专著,都已从不同方面讨论了复杂系统仿真的方法学问题。其中如理查森和普茨的《系统动力学建模导论》;齐格勒的《建模与仿真理论》,
收稿日期:2000-12-20
戈登的《系统仿真》;斯普里特及范斯蒂恩斯基的《计算机辅助建模与仿真》。作者在《现代计算机仿真及应用》一书中也有相当的篇幅是讨论复杂系统仿真问题。最近我国学者白方舟教授编写了《定性仿真》一书,对定性仿真、模糊仿真及归纳推理等仿真方法作了较系统的介绍。
与传统的系统仿真方法相比较,复杂系统的仿真的难点主要在于:
①复杂系统研究的理论基础尚未达到如物理系统领域的抽象程度,通过系统分析而产生的数学模型常常可信度比较低。
②复杂系统往往具有病态定义的特征,即很难以一种严格的数学形式来对它进行定义及定量分析。
③复杂系统的另一个难点是病态结构,系统结构很难从空间和时间上加以分割,很难确定系统的边界和水平。
④对复杂系统的观测和试验都比较困难,从而使获得的数据对于系统行为的反映可信度及可接受性降低。
在复杂系统系统仿真方法学的发展中,常常提及以下一些概念:
?黑箱:对于一个可观测到其输入和输出值,但不知其内部结构的系统,可以视为一个黑箱:黑箱方法认为系统的输入及输出值中包含了系统的结构信息,因此可以通过研究其外部特性去研究它的内部结构和关系。对于那些已知其内部结构的系统,则可视为“白箱”。而介于“白箱”与“黑箱”之间的,是“灰箱”系统。复杂系统仿真方法主要研究的是黑箱和灰箱的问题。著名仿真学者卡普勒斯曾经提出了一个从白箱问题到黑箱问题的模型色谱,他把航空、航天、电力、化工等问题放在色谱带中白箱的一端,把社会、经济、生物放在色谱带的另一端—黑箱带。而在黑箱色带与白箱色带之间渐变的灰箱色带,则包含了生态、环境等问题。
?信息源集成:系统仿真建模的信息源主要来自三个方面:先验理论;观测数据;专家经验。在传统系统仿真方法中,先验理论一般是充分可用的,确定的。因此在系统建模中,特别建立模型框架阶段,先验理论起着主要的作用。但在复杂系统仿真中,先验理论往往是不充分甚至是无可用的。
因此,复杂系统仿真的建模过程需要对一切可用的信息源加以集成,一切可用的先验知识、专家经验及观测数据,包括定性和定量的;精确和模糊的;形式化和非形式化的统统集成起来,加以利用。这是复杂系统仿真方法一个重要的特征。
?同构与同态:对于系统的描述,一般可以分为三级,即行为级;状态结构级;结构分解级。行为一级是最低一级,在这一级系统实际被视为黑箱。在系统与模型之间,如果在行为一级等价称之为同态模型,如果在结构一级等价,则称之为同构模型。同态意味着系统与模型之间行为的相似,但并无结构上的对应关系。在复杂系统仿真中,低级阶段是建立系统的同态模型,它可用来复现和预测系统的行为。高级阶段则是建立系统的同构模型,从状态结构级一直到结构分解级,以认识系统运行的机理和规律。
?演绎与归纳:传统仿真方法主要是演绎推理,主要应用先验理论,补充以某些假设和推理,然后通过数学的逻辑演绎来建模,它的基本特征是从一般到特殊。在复杂系统仿真中,它是从观测系统的行为出发,补充以某些假设和专家的经验,然后把所有可用的信息源集成起来,进行归纳推理。从系统描述的最低一级(行为级)开始,目的是获得系统更高一级(结构级)的描述。因此这是一个从特殊到一般的过程。归纳推理的结果往往不是唯一解。这就使得归纳推理建模的可信度研究变得十分重要。可信度分析一般归结为模型行为与真实系统行为之间的比较,以它们之间偏离程度来度量。
对复杂系统仿真方法的研究仍处于初期的阶段。目前研究重点主要集中在解决系统病态问题和观测数据的低可接受性问题方面。主要研究如:
?参数优化方法:基于系统辨识和参数估计理论的目标函数最优化方法。
?定性仿真方法:基于建立模型框架,对于参数采取定性处理(从一个定性的约束集和一个初始状态出发,预测系统未来行为)的方法。
?模糊仿真方法:基于模糊数学,在建立模型框架的基础上,对于观测数据的不确定性,采用模糊数学的方法进行处理。
?归纳推理方法:基于黑箱概念,假设对系统结构一无所知,只从系统的行为一级进行建模与仿真(同态模型),根据系统观测数据,生成系统定性行为模型,用于预测系统行为。
?系统动力学方法:基于信息反馈及系统稳定性的概念,认为物理系统中的动力学性质及反馈控制过程在复杂系统(如生物、生态、社会、经济)中同样存在。通过专家对复杂系统机理的研究,可以建立复杂系统的动力学模型,并通过运转这个模型去观察系统在外力作用的变化。系统动力学仿真的目的主要研究系统的变化趋势,而不注重数据的精确性。
目前文献上发表的复杂系统仿真方法很多,但观其实质,基本仍可分为两大类:
第一类方法可以称之为朴素物理方法,或还原论方法。这类方法的基本观点认为:复杂系统的运动形式和规律与物理系统的运动形式和规律相似。两类系统之间具有相似性和同构性。因此可以按照物理系统建模一样去构造复杂系统的模型框架。在没有足够先验理论的条件下,可以利用和集成有限的先验知识、专家经验和假设。选定一个适当的模型框架,然后经过模型结构的特征化,利用观测数据,进行参数估计,从而建立起系统的同构模型。同时经过可信度分析,不断的修正这个模型,提高模型可信度以求得相对可用模型。这类方法的建模过程如图(2)所示,与图(1)所示的传统建模过程相比,其基本过程是相似的。所以也有人称之为
模拟演释推理方法
。
图1
传统系统仿真方法中的建模过程
图2 复杂系统仿真方法中结构级建模过程
第二类方法可称为归纳推理方法或称为行为仿真方法。这类方法的基点是反还原论的,它不考虑复杂系统与物理系统之间在运动形式和规律上是否存在相似性,也不去考虑复杂系统的内在结构。它把仿真目标定位在行为一级,根据观测数据去建立系统的同态模型,研究系统的行为趋向。这类方法的建模过程是图(3).非形式化描述主要确定系统观测变量;对于观测到的数据,通过归纳的方法进行处理,建立起系统同态模型,通过外推产生新的数据,实现数据生成。归纳推理方法可以采用传统的统计归纳方法,也可以采用信息熵最小化方法。
3 应用
①世界系统研究:目的是研究世界范围内人口、环境、工业化、以及其他相关因素相互影响。预测未来的发展趋势。最具影响的是70年代福雷斯特建立的世界模型。
这个
图3 复杂系统仿真方法中行为级建模过程
模型企图预测环境污染和自然资源消耗对人口数量和质量的影响。采用了系统动力学方法和DY NAM O 仿真语言。根据仿真结果发表了著名的《增长的极限》研究报告。其重要意义在于使人们终于认识到必须认真思考人类赖以生存的这个6371公里半径、5亿1仟平方公里面积的地球,其变化与人类自身行为与发展的密切关系。
②人口系统研究:人口系统研究是一个重要的应用领域。由于中国和印度是两个人口大国,因此其研究成果也有较大影响。70年代末,中国学者宋健从理论和应用两个方面对人口控制进行了系统的定量研究,建立了人口系统数学模型,这是一个由偏微分方程描述的带边界控制的分布参数系统模型,这一模型经过离散化后可以在计算机上仿真。仿真结果表明,对中国人口近期的预测结果与实际统计数据比较结果十分接近。研究成果已被用于中国人口控制的实践中。
印度曾应用系统动力学方法构造了印度人口模型,并就
生育控制政策对人口系统的稳定影响作了估价。研究报告介绍了自1976年至2026年人口增长趋势,仿真结果表明,当采用了不同的人口政策时,出生率将在千分之37～35到千分之14～11两个区间变化。同时,实行任何人口政策,至少需要6年才能显示出人口增长率的变化,而且只有在30年后才能使人口达到稳定值。上述研究为印度人口政策的制定提供了依据。
③环境系统研究:环境污染对于人类生存带来的不良影响和环境日益恶化,已成为国际社会关心的共性问题。建模与仿真在环境系统研究中已经取得了很好的应用成果。在水资源方面:如对蓄水层的耗损;蓄水层的污染;水流污染;热污染等的研究。在陆地资源方面:如对陆地沉积;海岸线侵蚀;地表侵占等研究。在空气环境方面:如对空气污染;气温变化等研究。环境系统处于模型的灰色谱带,大部分环境系统具有明显相似之处,均具有分布参数系统的特点,可以用线性抛物型偏微分方程来描述。大部分的系统框架和结构可以从先验知识演绎而来,而对于分布场参数的特征化问题,一般是经过近似处理视为有限维的参数估计问题,通
过参数优化的方法处理。近20年,欧美已发表了大量的文献,记载了这一方面取得的研究成果和进展。
④人脑系统:人的大脑皮层大约由100亿个神经元细胞组成。每个神经元都是一个复杂的信息处理单元。从1943年第一次提出了神经元的数学模型,目前已提出了上百种不同的数学模型。神经元之间不是孤立的,彼此相互联结,在人脑皮层中,每个神经元与1千个其他的神经元相联结,形成复杂的神经网络。曾经对36×36个相同神经元随机联结组成的脑神经元网络进行了仿真,以研究人脑波产生的机理,取得了一定的结果,其动态波形与脑电波相似。目前的研究工作已经达到了数千个神经元组成神经网络模型动态仿真的水平。
⑤市场系统研究
在市场经济中,对于商品在市场的流通情况及市场占有率是商业决策的重要依据。市场系统是一个复杂系统,对其描述基本上是采用定性的方法,所针对的作用与变量也往往具有模糊和不精确的性质。在这个领域中,定性仿真方法得到了应用,如用于银行系统商业行为分析与诊断的AMRO模型,用定性仿真算法QSI M建立的市场预测模型,已在一些商业决策中被使用。参考文献
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[8] 白方周,张雷1定性仿真导论1中国科学技术大学出版社,1998作者简介
:
王正中,1958年毕业于清华大学电机系;北京信息
与控制研究所研究员;中国系统仿真学会副理事长;
中国自动化学会常务理事;国际计算机仿真学会
SCSI;国际数学与计算机仿真协会IM ACS;国际信息
管理学会SIM会员。目前研究方向:发展战略及复
杂系统仿真。
Methods and Application of Complex System Simulation
Wang Zhengzong (Institute N o.710,100037)
ABSTRACT In this paper,the C omplex System S imulation methods and its application was discussed.Including the main component of Sys2 tem S imulation;the Classic System S imulation methodology;C omplexity and C omplex System S imulation methodology.
KE YWOR DS System M oud S imulation C omplexity
(上接第21页)
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1996作者简介
:
黄心渊,男,1965年出生,工学博士,教授。主要研
究方向为计算机辅助设计、多媒体技术和实用VR
技术。获科技进步奖多项,发表论文40余篇。
戈建涛,助理研究员。主要研究方向为计算
机动画、多媒体技术和实用VR技术。
The G enerating and Composing System of Stereopsis Animation
Huang X inyuan G e Jiantao
(C AD Research Center,N orth China University of T echnology,100041)
ABSTRACT The generating and composing system of the parallax animation is introduced in this paper.With this system,a double view2 point animation sequence can be generated from a single view point animation sequence which is made with commercial animation s oftware,then we can compose it into stereopsis animation which can be watched with liquid crystal spectacles.
KE YWOR DS S tereopsis Animation Parallax C ompose View point
流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用 作者：章建栋，冯毅萍，荣冈来源：互联网2010-06-29 0人 分享此文 分析了该集成仿真技术面临的关键问题，包括多分辨率建模技术，分布式集成仿真技术标准和集成仿真平台，以及可视化仿真技术等，最后探讨了仿真技术未来的发展方向。 0 引言 面对全球激烈的商业竞争，流程工业企业纷纷通过提高产品质量、降低运营成本和缩短交货期等手段来提升自己的竞争力。在这个过程中，计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)受到高度重视，不少学术机构对此进行了研究，并提出了不同的CIMS体系结构，比较典型的有：欧共体EsPRIT的计算机集成制造开放系统体系结构(Computer Integrated Manufacturing Open System Archltecture，CIM-OSA)、普渡大学的普渡企业参考体系结构(Purdue Enterprise Reference Archltecture，PERA)，以及美国先进制造研究中心(Advanced Manufacturing Research，AMR)的企业资源规划(Enterprise Resource Planning，ERP)／制造执行系统(Manufacturing Executive System，MES)／过程控制系统(Process Control system，PCS)三层企业集成体系结构(如图1)。其中，AMR的三层企业集成体系结构已成为当今西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架，并在实际应用中取得了显著的效益。 在ERP／MES／PCS三层企业集成体系结构中，PCS层通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic controllcr，PLC)、集散控制系统(Dlstributed Control system，DCS)或现场总线控制系统，负责对生产设备进行自动控制，对生产过程实时监控；MES层通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理等应用系统来组织生产，并对PCS 层和ERP层的信息进行采集、传递和加工处理；ERP层主要根据企业的人、财、物的总结状况和产、供、销各环节的信息，对生产进行合理有效的计划和组织，使生产经营协调有序进行，并对企业战略计划进行决策。在对上述各层次应用的研究中，仿真技术发挥了巨大的 作用。 事实上，随着现代流程工业日趋大型化、复杂化和自动化，系统的模型化与仿真已成为过程系统工程领域的重要研究内容，并成为进行设备参数设定、控制系统设计、生产预测分析、决策支持优化，以及员工培训等活动不可或缺的一门技术，而计算机技术的不断发展，更是推动了仿真技术的广泛应用。现在，企业迫切需要通过仿真技术来提高自身的竞争能力，能否有效应用仿真，将成为决定企业成败的关键因素之一。 从AMR对各层次的定义可以看出，每一层的研究对象有着很大的差异，PCS层关注生产设备，MES层着眼于生产过程，而ERP则考虑制造企业的整个产供销过程。这造成了不同层次的应用研究对仿真的需求各不相同，并使得仿真技术在不同层次的表现形式也有所差别。本文以ERP／MES／PCS三层企业集成体系结构为基础，对典型的流程工业企业——石化生产企业在这三个层次中的仿真应用，以及ERP／MES／PCS一层集成仿真技术进行总结和综述，指出流程r业仿真应用的发展方向。 1 过程控制系统层中的仿真
控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
本栏目责任编辑：李桂瑾人工智能及识别技术 １引言 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机仿真技术和虚拟现实仿真在各行各业得到了广泛应用，使用计算机进行仿真的研究和应用也是如火如荼。计算机仿真［１］（ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）又称计算机模拟［２］（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｎａｌｏｇｙ），它是分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法，是系统仿真［３］的一个重要分支。系统仿真就是建立系统的模型，并在模型上进行实验的过程。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。因此，通俗的说，计算机仿真就是指在实体尚不存在、或者不易在实体上进行实验的情况下，对考察对象进行建模，然后通过计算机编程考察对象在系统参数以及内外环境条件改变的情况，达到全面了解和掌握考察对象特性的目的。 本文主要在介绍计算机仿真技术的基础上，谈谈计算机仿真技术的应用。 ２计算机仿真技术 计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。 ２．１计算机仿真的发展 计算机仿真技术主要是随着计算机技术、计算技术、图形图像技术、复杂系统建模技术和专业建模技术的发展而发展的。从历史上看，计算机仿真大致经历了四个发展阶段： （１）模型试验。最原始的仿真思想，其模型试验是基于物理模型进行的，缺乏柔性和精度。 （２）数字化仿真。采用计算机进行分析计算，但是计算结果表达局限于记录文件和图表上，缺乏直观形象。 （３）图像化仿真。大量采用丰富的图形图像技术来表达仿真结果，如三维图形。 （４）虚拟现实技术。不光采用三维图形技术表达计算结果，而 且采用特殊装置，如戴上三维数据头盔，触摸仪器等，使人有身临其境的效果。 ２．２计算机仿真的步骤及技术核心一般计算机仿真的步骤为： （１）建立数据模型。建立数据模型主要是通过演绎法、 归纳法、综合集成法等分析方法，建立一个特定对象的有限边界的数学模型。要建立好数学模型，通常要考虑到特定对象仿真研究的预定目标和边界、先验知识（包括已被验证的定理、定律、理论和模型）、观测数据、特定领域专家的经验等因素。 （２）数学模型的实现，也称的数据模型的程序化。数学模型的实现包括两个方面的内容，即设计仿真算法及编制仿真程序。传统的模型程序化活动是一个十分繁琐和复杂的工作。由于大量算法的研究成果及软件技术的进步，目前对于某些特定领域，已能提供面向对象、可交互操作、具有自动编程能力和算法库的商品化产品，如：ＣＳＳＬ、ＣＳＭＰ、ＡＣＳＬ、ＳＬＭＣＲＩＰＴ、ＧＰＳＳ、ＳＩＭＵＬＡ、ＳＬＡＭ、ＧＡＳＰ、ＤＹＮＡＭＯ等。 （３）仿真实验。仿真实验（包括分析）是系统仿真另一个十分重要的活动，它主要是按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果。 目前，计算机仿真计算的关键技术主要包括： （１）面向对象的仿真［４］（ｏｂｊｅｃｔ－ＯｒｉｅｎｔｅｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ＯＯＳ）。 其主要是将整个系统的功能设计和实现归属为对对象的操作及对象信息的彼此综合利用来实现，对象间信息的传送引起了系统的活动。 （２）分布交互仿真（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ＤＩＳ）。主要是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连，构成时间与空间互相耦合的虚拟仿真环境。 （３）智能仿真（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ＩＳ）。主要是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，构造各处基本知识的开发途径。是人工智能（如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等）与仿真技术（如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软件等）的集成化。（下转第２３８页） 收稿日期：２００７－０９－１０ 作者简介：张峰（１９６８－），男，甘肃省庆阳市人，上海铁道学院，工程师，研究方向：计算机应用。 计算机仿真技术及其应用 张锋 （烟台市芝罘区经济信息中心，山东烟台２６４０００） 摘要：近年来，随着控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展，系统科学研究的深入，计算机仿真技术已经发展成为一门新的学 科。信息处理技术的突飞猛进，更使得仿真技术得到了迅速发展。 计算机仿真技术是分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法。本文主要在介绍计算机仿真技术的发展、计算机仿真的仿真步骤以及仿真的核心技术的基础上谈谈计算机仿真技术的应用。 关键词：计算机仿真技术；仿真步骤；仿真应用中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００７）１９－４０２３３－０１ ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＺＨＡＮＧＦｅｎｇ （ＹａｎｔａｉＺｈｉｆｕＥｃｏｎｏｍｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｙａｎｔａｉ２６４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎ－ｄｅｐｔｈｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｃｏｍｅａｎｅｗｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ．Ｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｔａｌｓｏｍａｋｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｆａｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍ＇ｓｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｒｅｖｅａｌｅｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ－ｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｅｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｐｐｌｉｃａ－ｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｅｐｓ；ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ２３３
东华理工大学信息工程学院 课程论文 课程：计算机仿真技术基础 题目：仿真技术的应用与发展 学生姓名： 学号： 班级：10204102 专业：计算机科学与技术 指导教师：谢小林 二零一三年六月四日
摘要 作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了60多年的发展，已广泛应用于国民经济和社会生活中。并与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术这一新的研究方法。计算机仿真作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。 本文系统全面地介绍了计算机仿真技术，阐述了计算机仿真技术的概念、原理、优点，简要介绍了计算机仿真技术的发展历程，文章最后重点探讨了现代仿真技术的研究热点，即计算机仿真技术在社会各个领域中的应用：面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。 关键词：计算机仿真、发展、应用、模拟
目录 摘要 (2) 第一章前言 (4) 第二章计算机仿真技术概述 (4) 2.1计算机仿真技术简介 (4) 2.2计算机仿真技术原理 (5) 2.2.1模型的建立 (6) 2.2.2模型的转换 (6) 2.2.3模型的仿真实验 (6) 第三章计算机仿真技术发展 (6) 3.1发展趋势 (7) 3.2 现代仿真技术 (8) 3.3计算机仿真技术发展方向 (10) 3.3.1．网络化仿真 (10) 3.3.2．虚拟制造技术 (10) 第四章计算机仿真技术的应用 (11) 4.1.交通领域 (11) 4.2.制造领域 (11) 4.3.教育领域 (12) 结语 (13) 参考文献 (14)
液压机械系统建模仿真软件AMESim及其应用
液压仿真软件AMESim及其应用 在现代工业中，随着对液压机械设备的性能要求以及机电液一体化程度的不断提高，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求，传统的以完成设备工作循环和满足静态特性为目的的液压系统设计方法已不能适应现代产品的设计和性能要求。如果要对液压机械系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，就需要运用计算机仿真技术，它是利用计算机技术研究液压机械系统动态特性的一种新方法。计算机仿真技术不仅可以在设计中预测系统性能，缩短设计周期，降低成本，还可以通过仿真对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化设计，提高系统稳定性及可靠性的目的。 仿真首要任务就是建立数学模型，重点和难点也是进行建模，然后才可能进行计算机仿真研究，而建模是一件相当复杂的工作。目前常用的建模方法有传递函数法、状态空间法、功率键合图法等。模型建立的好坏直接关系到仿真的结果，不恰当的模型有可能得出相反的结论。目前
绝大多数软件采用状态方程建模，这些对一般的液压工作者来说，要求较高，有相当的难度。 1建模仿真软件——AMESim 基于建模过程的复杂性以及给仿真研究带来的不便，近几年来国外尤其是欧洲陆续研制出一些更为实用的液压机械仿真软件，并获得了成功的应用。AMESim就是其中杰出的代表。它是法国IMAGINE公司于1995年推出基于键合图的液压/机械系统建模仿真及动力学分析软件。它由一系列软件构成，其中包括AMESim、AMESet、A MECustom和AMERun。这4部分有其各自的用途和特性。 (1)AMESim——图形化工程系统建模、仿真和动态性能分析工具 AMESim是一个图形化的开发环境，用于工程系统建模、仿真和动态性能分析。使用者完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有的模型都经过严格的测试和实验验证。AMESim不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的最终目标，而且还可以分析和优化设计。A MESim使得工程师从繁琐的数学建模中解放出
现代工程控制理论 实验报告 实验名称：控制系统数字仿真技术 实验时间： 2015/5/3 目录 一、实验目的 (3) 二、实验内容 (3)
三、实验原理 (3) 四、实验方案 (6) 1、分别离散法； 6 2、整体离散法； 7 3、欧拉法 9 4、梯形法 10 5、龙格——库塔法 11 五、实验结论 (12) 小结： (14) 一、实验目的
1、探究多阶系统状态空间方程的求解； 2、探究多种控制系统数字仿真方法并对之进行 精度比较； 二、实验内容 1、对上面的系统进行仿真，运用分别离散法进 行分析； 2、对上面的系统进行仿真，运用整体离散法进 行分析； 3、对上面的系统进行仿真，运用欧拉法进行分 析； 4、对上面的系统进行仿真，运用梯形法进行分 析； 5、对上面的系统进行仿真，运用龙泽——库塔法进行分 析； 6、对上面的几种方法进行总计比较，对他们的 控制精度分别进行分析比较； 三、实验原理 1、控制系统状态空间方程整体离散法的求解；
控制系统的传递函数一般为 x Ax Bu Y Cx Du ? =+ =+ 有两种控制框图简化形式如下： KI控制器可以用框图表示如下： p K i K1 s 惯性环节表示如下： K T 1 s 1T - 高阶系统(s) (1)n K G T = + 的框图如下 对于上面的框图可以简写传递函数 x Ax Bu Y Cx Du ? =+ =+
根据各环节间的关系可以列写出式子中出现的系数A 、B 、C 和D ，下面进行整体离散法求传递函数的推导 00 ()0 ...*()...()(t)(0)...*(t)(0)(t)(0)()(0)At At At At At t t At t t A AT t AT A At t t At At A At A t x Ax Bu e e x e Ax e Bu d e x dt Bue dt dt e x Bue dt e x x Bue d e x x e e Bue d x x e Bue d t KT x kT x e τ ττ τττττ ? -? -----------=+=+=?=?=+=+?=+==????? ?①①得②③ ③得令()0 (1)(1)[(1)]0 (1)[(1)]0 ...(1)[(1)](0)...*(1)()(1)T (1)()()() ,kT A kT A kT k T A k T A k T AT k T AT A k T kT T T AT At AT At AT Bue d t K T x k T x e Bue d e x k e x k Bue d k t x k e x k e Budt e x k e Bdt u k e ττττττ τ?-+?++-++-+=++=+-+-=+-=+=+=+?Φ=? ? ? ??④ 令⑤ ⑤④得令令0 (1)()(1) T At m m e Bdt x k x k x k Φ=+=Φ?+Φ?+?得 这样，如果知道系数，就可以知道高阶系统的传递函数和状态空间方程。 2、 在控制系统的每一个环节都加一个采样开
哈尔滨理工大学实验报告 控制系统仿真 专业：自动化12-1 学号：1230130101 姓名：
一．分析系统性能 课程名称控制系统仿真实验名称分析系统性能时间8.29 地点3# 姓名蔡庆刚学号1230130101 班级自动化12-1 一．实验目的及内容： 1. 熟悉MATLAB软件的操作过程； 2. 熟悉闭环系统稳定性的判断方法； 3. 熟悉闭环系统阶跃响应性能指标的求取。 二．实验用设备仪器及材料： PC, Matlab 软件平台 三、实验步骤 1. 编写MATLAB程序代码； 2. 在MATLAT中输入程序代码，运行程序； 3.分析结果。 四．实验结果分析： 1.程序截图
得到阶跃响应曲线 得到响应指标截图如下
2.求取零极点程序截图 得到零极点分布图 3.分析系统稳定性 根据稳定的充分必要条件判别线性系统的稳定性最简单的方法是求出系统所有极点,并观察是否含有实部大于0的极点，如果有系统不稳定。有零极点分布图可知系统稳定。
二．单容过程的阶跃响应 一、实验目的 1. 熟悉MATLAB软件的操作过程 2. 了解自衡单容过程的阶跃响应过程 3. 得出自衡单容过程的单位阶跃响应曲线 二、实验内容 已知两个单容过程的模型分别为 1 () 0.5 G s s =和5 1 () 51 s G s e s - = + ，试在 Simulink中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。 三、实验步骤 1. 在Simulink中建立模型，得出实验原理图。 2. 运行模型后，双击Scope，得到的单位阶跃响应曲线。 四、实验结果 1．建立系统Simulink仿真模型图，其仿真模型为
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
例2-1 已知一个系统的微分方程为： ???????-==1221 5x u dt dx x dt dx 其中，状态变量初始条件0)0()0(21==x x ，输入u 为阶跃函数，要求利用SIMULINK 对系统建立仿真模型，并绘制时域响应曲线。 在利用SIMULINK 创建模型之前，先把微分方程进行拉普拉斯变换，得到每个微分方程的传递函数，即用传递函数的形式表示系统。 x1 x2 Step Scope 1s Integrator1 1 s Integrator 5Gain 连接信号之后的系统模型图 exam2_1 系统时域响应曲线
例7-9 一个控制系统由5个子系统组成，组成结构如下图 G 1(s) G 2(s) G 3(s)G 4(s) H(s) R(s) Y(s) 各子系统的传递函数分别为： 6 15215)(2 21++++=s s s s s G ，)20)(2() 6(4)(2+++=s s s s G ，1010)(3+=s s G ，631)(24+++=s s s s G ，1.0)(=s H 试在MATLAB 中分别用仿真模块建模和仿真命令编程两种方法进行仿真，并绘制系统的阶跃响应曲线图。 首先在Simulink 环境下将所需要的仿真模块连接起来，并将各模块的参数设置好。 s+1 s +3s+62Transfer Fcn3 4s+24s +22s+402Transfer Fcn2 10s+10Transfer Fcn1 s+52s +15s+62Transfer Fcn Step Scope 0.1Add 系统的仿真模型图 exam7_9
第一章控制系统及仿真概述 控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。 第一节控制系统仿真的基本概念 1．系统： 系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。 “系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。 工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。 非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。 2．模型： 模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。 模型分为物理模型和数学模型两种。数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。 3．系统仿真： 系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。 要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。 那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。我们这里讲的是后一种仿真。 数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。
仿真技术及其应用 第一章仿真技术概述 仿真技术的泛化定义：是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。 电力系统仿真是通过建立适当的数学模型来模拟实际系统的一种研究方法。为了保证电力系统安全、优质、经济的运行，在规划、分析和研究电力系统时必须确切完整地考察实际电力系统的特性。由于电力系统仿真不受原有系统规模和结构复杂性的限制，现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具。为了对电力系统仿真工具有一个系统的了解，下面以电力系统应用比较广泛的几个仿真工具为例，介绍其历史、主要功能以及各自特点。 1.1仿真工具介绍 1.1.1离线仿真软件 电力系统离线仿真是指在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真过程研究，其仿真速度与实际系统的动态过程不同。电力系统的离线仿真分析，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真，中长期动态过程仿真及发电机组的轴系扭振等。 当今比较流行的电力系统仿真软件¨。有：加拿大H．W．Dommel教授创立的电力系统电磁暂态计算程序(EMTP)、德国西门子公司开发的NETOMAC软件、美国电力技术公司(PTI)开发的由西门子公司收购了的PSS／E、Mathworks公司开发的MATLAB中所包含的(PSB)工具箱、中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序(PSASP)等。 2，1 EM rP／ATP EMTP(Electromagnetic Transients Program)是加拿大H．W．Dommel教授首创的电磁暂态分析软件，具有分析功能多、元件模型全等优点。对于电网的稳态和暂态都可作仿真分析，它的典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。EMTP是世界范围内通用的电力系统仿真软件，其计算速度快、结果准确度高、功能强大，几乎可以为任意复杂电力网络进行模拟，ATP(The AhemativeTransients Program)是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。ATP 程序正式诞生于1984年，主要由Drs．W．ScottMeyer和Tsu—huei Liu完成的。ATP还配备有灵活、功能强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATP．Draw。获得ATP，表面上不要费用，但必须买他们的使用手册及相关资料并要写保证书(不做商业目的)，才能给你口令，从网上下载。 主要功能：雷电过电压研究；操作过电压和故障；系统过电压研究；接地等现象的快速暂态分析；设备建模；电机启动过程动态仿真；轴系扭振分析；铁磁共振现象的研究；电力电子设备的研究；STATCOM、SVC、UPFC、TCSC模型谐波分析等。 2．2 PSAPAC PSAPAC由美国EPRI开发，是一个全面分析电力系统静态和动态性能的软件工具。 主要功能：网络化简与系统的动态等值，保留需要的节点；模拟静态负荷模型和动态负荷模型；快速计算电力潮流和各种负荷、事故及发电调度的输电线的传输极限；直接法稳定分析提供了计算稳定裕度的方法；时域仿真用来模拟大型电力系统受到扰动后的长期动态过程；评价大型复杂电力系统的电压稳定性，给出接近于电压不稳定的信息和不稳定机理；分析大型电力系统暂态和中期稳定性时域仿真；局部电厂模式振荡和站间模式振荡的分析等。2．3 EMTDC／PSCAD Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。 主要功能：研究系统中断路器操作、故障及雷击时出现的过电压；研究包含复杂非线性元件的大型电力系统进行三相的精确模拟；进行电力系统时域或频域计算仿真；电力系统谐波分
虚拟仿真技术及其军事应用 作者 摘要：虚拟仿真技术是近年来系统仿真领域研究的热．氛问题，而且在军事领域有了广泛的应用。本文以庄拟现实技术为基础，具体讨论了虚拟现实技术在作战仿真中的应用，对虚拟作战仿真的研究进行了探讨。 关键词：虚拟仿真技术虚拟现实技术虚拟作战仿真 1. 引言 自从世界上出现第一台训练仿真系统（以1929 年美国空军飞机练习器-林克机为代表）以来，经过了以机电解算装置为主的仿真系统，以模拟计算机为主的仿真系统，以数字计算机为主的仿真系统等几个阶段，系统仿真技术得到逐步发展。特别是近十几年来，随着计算机技术的发展，系统仿真技术的发展也更加迅猛，而且在军事领域中的应用也越来越广泛。 虚拟现实（Virtual Reality 简记VR）技术是近年来系统仿真领域研究的热点，并且在很多行业开始有了实际应用。在军事领域，美国最早将虚拟现实技术应用于作战仿真。其研究人员在虚拟现实技术构造的数字化地形、地貌和敌情数据库上进行作战仿真和武器装备性能的评估。由于虚拟现实技术在军事领域有着广泛的应用前景，因此，美国军方始终把虚拟现实技术的研究与应用列于《国防部关键技术计划》中，并将虚拟现实技术视为建设21 世纪军队和培训21世纪人才以及发展新一代信息化战争武器装备的“革命性”手段。 目前，我军对作战仿真的研究日趋深人，但与先进的军事大国相比，仍存在不少差距。由于虚拟现实技术的出现极有可能为未来军事领域带来革命性的影响，因此我军应积极研究虚拟现实技术在作战仿真中的应用。本文以虚拟现实技术为基础，具体讨论虚拟作战仿真及其军事应用。2. 虚拟现实技术简介 2.1 虚拟现实技术的内涵 虚拟现实技术是80年代提出的一种新兴技术，它是将计算机技术、自动控制技术、系统工程方法、人工智能、仿真技术、多媒体技术、信息融合技术、立体影像技术、光电技术以及神经生物学、心理学和行为科学等诸多科学技术成果融合一体的崭新的人工合成的“虚拟环境”。 2.2虚拟现实技术的特征 虚拟现实技术创造的人机和谐仿真环境具有“沉浸-交互-构思”的基本特征。它利用并集成高性能的计算机系统和各类传感器，在多维信息空间创造一个使研究者处于具有身临其境的沉浸感，具有完善的交互作用能力，能帮助和启发构思的仿真信息环境。VR 的主要特征为： (1)多媒体感知性 在虚拟现实系统中，用户将感觉不到身体所处的外部环境而“融合”到虚拟世界中去，即指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。 (2)交互性 用户可以通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象，并从虚拟环境中得到反馈信息。 (3）自主性 指虚拟现实系统中的物体可按各自的模型和规则自主运动，即指虚拟环境中物体依据客观规律动作的程度。 2.3 虚拟现实系统的分类 依据交互界面的不同，可将VR 系统分为下几种类型： （1）世界之窗（Window on World
自动控制原理及系统仿 真课程设计 学号：1030620227 姓名：李斌 指导老师：胡开明 学院：机械与电子工程学院
2013年11月
目录 一、设计要求 (1) 二、设计报告的要求 (1) 三、题目及要求 (1) （一）自动控制仿真训练 (1) （二）控制方法训练 (19) （三）控制系统的设计 (23) 四、心得体会 (27) 五、参考文献 (28)
自动控制原理及系统仿真课程设计 一：设计要求： 1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。 2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。 3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。 4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。 二：设计报告的要求： 1.理论分析与设计 2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。 3.设计中的心得体会及建议。 三：题目及要求 一）自动控制仿真训练 1.已知两个传递函数分别为：s s x G s x G +=+= 22132)(,131)(
①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示； MATLAB代码： num=[1] den=[3 1] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) num=[2] den=[3 1 0] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) 仿真结果： num =2 den =3 1 0 Transfer function: 2 --------- 3 s^2 + s
第3章 连续系统仿真的方法 3.1 数值积分法 连续系统数值积分法，就是利用数值积分方法对广微分方程建立离散化形式的数学模型——差分方程，并求其数值解。可以想象在数学计算机上构造若干个数字积分器，利用这些数字积分器进行积分运算。在数字计算机上构造数字积分器的方法就是数值积分法，因而数字机的硬件特点决定了这种积分运算必须是离散和串行的。 把被仿真系统表示成一阶微分方程组或状态方程的形式。一阶向量微分方程及初值为 () (),00t Y Y t Y ???? ?????? Y =F = （3-1） 其中，Y 为n 维状态向量，F （t ，Y ）为n 维向量函数。 设方程（3-1）在011,,,,n n t t t t t +=…处的形式上的连续解为 ()()()()n+1n+1 t t n+10t t t =Y t +,(),n Y F t Y dt Y t F t Y dt =+ ?? （3-2） 设 n =() n Y Y t ，令 1n n n Y Y Q +=+ （3-3） 则有： ()1n+1t n Y Y += 也就是说， 1 (,)n n t n t Q F t Y dt +≈ ? （3-4） 如果n Y 准确解()n Y t 为近似值，n Q 是准确积分值的近似值，则式（3-4）
就是式（3-2）的近似公式。换句话说，连续系统的数值解就转化为相邻两个时间点上的数值积分问题。 因此，所谓数值解法，就是寻求初值问题（3-1）的真解在一系列离散点12n t t t <…<…上的近似解12,,,n Y Y Y ……，相邻两个时间离散点的间隔 1n n n t t +=-h ，称为计算步距或步长，通常取n =h h 为定值。可见，数值积分法的主要问题归结为对函数(,)F t y 的数值积分问题，即如何求出该函数定积分的近似解。为此，首先要把连续变量问题用数值积分方法转化成离散的差分方程的初值问题，然后根据已知的初值条件0y ，逐步地递推计算后续时刻的数值解(1,2,)i y i =…。所以，解初值问题的数值方法的共同特点是步进式的，采用不同的递推算法，就出现各种不同的数值积分方法。 3.2 替换法 基于数值积分的连续系统仿真方法具有成熟、计算精度比较高的优点，但算法公式比较复杂、计算量比较大，通常只有在对速度要求不高的纯数字仿真时使用。当进行实时仿真或在计算机控制系统中实现数字控制器的算法时，要求计算速度快，以便能在一个采样周期内完成全部计算任务，这就需要一些快速计算方法。 用数值积分方法在数字机上对一个连续系统进行仿真时，实际上已经进行了离散化处理，只不过在离散化过程中每一步都用到连续系统的模型，离散一步计算一步。那么，能否先对连续的模型进行离散化处理，得到一个“等效”的离散化模型，以后的每一步计算都直接在这个离散化模型基础上进行，而原来的连续数学模型不再参与计算呢？回答是肯定的。这些结构上比较简单的离散化模型，便于在计算机上求解，不仅用于连续系统数字仿真，而且也可用于数字控制器在计算机上实现。 替换法的基本思想是：对于给定的函数G （s ），设法找到s 域到z 域的的某种映射关系，它将S 域的变量s 映射到z 平面上，由此得到与连续系统传递函数G （s ）相对应的离散传函G （z ）。进而再根据G （z ）由z 反变换求的系统的时域离散模型——差分方程，据此便可以进行快速求解。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/942370676.html, 基于PLC的控制系统仿真平台的应用 作者：罗卫东 来源：《卷宗》2012年第02期 摘要：仿真软件在PLC设计中占有举足轻重的地位，因为对于PLC系统的新编程序来说实际操作会有很大的风险，PLC的一个错误指令就会造成设备和操作人员不可预计的伤害。在网络上，用户可以安装这种软件，从开放式的资料库中获取所需要的各种功能部件。本文就从仿真软件在网络以及PLC设计中的应用方面来进行探索。 关键词：仿真软件；网络应用；PLC设计 仿真软件是通过建立网络设备和网络链路达到网络应用的标准，这是种通过模拟网络流量就可以获取到网络设计中所需要的相关数据的仿真软件。现阶段，我国工业发展都朝着高速大型化和自动化的方向发展，重大生产设备的运用使得成本日益增高，对运行操作人员素质要求也日益提高。由于仿真系统可以近乎真实的贴近现场实际，同时因为不需要到现场实际节省了很大的操作空间，而快速提高了现场的调试效率，降低了用于调试系统的费用和风险。 一、仿真软件的功能 1、控制程序运行 在PLC设计中仿真软件可以仿真其过程映像的输入输出，在仿真窗口改变运行程序的输入变量的ON/OFF状态进行控制程序，观察输出的变量状态能否符合要求、程序运行能否达到正确运行的目标，起到监视程序运行结果的作用。 2、防止程序出错 在程序运行过程中，仿真软件会通过对程序的检测修改定时器、计数器等。也可以通过程序自动运行或手动复位定时器。这样的检测不仅能够发现程序中的错误和缺陷，还可以使PLC 设计更加的完美。也可以在PLC设计过程中使用软件来改变它的控制过程，而PLC使用者对程序的编写和调试是必不可少的。 3、拥有储存记忆功能 仿真软件模拟是针对软元件、缓冲存储器、外设输入/出的读写。它的这项功能既可以存储PLC内的软元件、存储器的缓冲存储器的数据，并可以将这种数据使用到以后的调试工作中。如果用户想要收集相关网络设备中的某些特殊代码时，可以通过层次上的编程来收集自己感兴趣的网络代码。但在网络信息相对复杂的环境下，使用者的程序必须进行现场调试，而在这个过程中往往会出现一些差错，使用者直接将程序应用到实际操作系统中进行控制调试的话，会被设备带来一定的未知风险。
仿真技术的应用 仿真技术作为一门新兴的应用技术在许多重要领域中发挥了作用。灭火作战指挥仿真培训和用仿真技术研究、分析、制定灭火作战预案，对于培训具有现代化灭火作战素质的指战员，提高灭火效率具有极为重要的意义。目前，适合消防领域的仿真系统在世界范围内还是空白，我国应结合国情集中相应的人力、物力和财力，开展此类研究。 超薄型消火栓箱与旋转型室内消火栓 随着建筑物结构墙体越做越薄，安装在墙体上的消火栓箱也应随之减薄，而目前市场上的消火栓箱箱体普遍较厚，已不能满足设计、安装需要，也与现代室内装饰不协调，有碍观瞻。《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)GB50045中7.4.6.4条规定：“消火栓栓口离地面高度宜为1.1m，栓口出水方向宜向下或与设置消火栓的墙面相垂直。”按照这一规定，消火栓一般有两种安装方式：侧进口安装和底进口安装。在侧进口与底进口两种安装方式中，消火栓在箱体内安装高度不一样，侧进口安装消火栓中心距箱体底板距离不能小于350mm(见国家建筑标准设计图集99S202《室内消火栓安装》部分)，否则水带易产生死褶，影响水流正常通过。若要符合《高规》“消火栓栓口离地面高度宜为1.1m，”这个要求，只有改变箱体的安装高度。在同一建筑物内，消火栓箱高低参差不齐，比较凌乱。由于栓口出水方向向下，连接水带不方便，水带易脱落。《高规》GB50045的条文说明7.4.6条规定：“消火栓的出水方向应便于操作，并创造较好的水力条件，故规定消火栓出水方向宜与设置消火栓的墙面成90度角。”从操作方便，减小水流阻力这两方面看，《高规》还是希望消火栓安装采用底进口方式。 消火栓箱的厚度主要决定于消火栓的安装，消火栓与管路连接，一般采用螺纹连接，管路与箱体后背板之间要留有足够的间隙，便于消火栓回转安装，从进水管中心到箱体背板距离，一般要100mm左右。如果采用侧进口安装，进水管中心到箱门的距离，与消火栓手轮半径相等就可以了，如果采用底进口安装，因消火栓出水口凸出栓体，比消火栓手轮半径尺寸要大，所以箱体还要厚些。 由以上分析可知，如果实现消火栓箱厚度减薄，又要保证消火栓便于安装使用，只有使消火栓具有旋转功能。 旋转型消火栓，是消火栓的连接底座可以相对栓体转动，也就是说消火栓底座相当于一个活接头，在安装消火栓时，只需旋转底座，而不必使消火栓体在箱内旋转，减少了消火栓与箱背面之间的距离。不用时可将消火栓出水口转向侧面，使用时消火栓出水口向外转动，方便水带连接，或随水带牵引方向转动，避免水带产生死褶，水流顺畅通过。这样消火栓箱体可以减薄至140～160mm，大大减小了箱体厚度。由于消火栓出水口可以在水平360°任意转动，箱体可以做成前后开门，在墙面的任意一侧都能方便地连接水带，消火栓辐射面积扩大，减少栓箱的设置数量。 对于旋转型消火栓，旋转部位的密封性和转动部位防锈处理是产品可靠性的关键，北京海淀普惠机电技术开发公司已将这些问题圆满解决。根据消火栓常年处于关闭待用状态，只有在灭火或做周期性例行检查时才打开的特点，把旋转部位设计在阀座外侧，并设有可靠的密封装置。平时消火栓关闭时，与普通消火栓一样，阀瓣与阀座闭合将水流阻断，旋转部位与水流不接触，避免旋转部位的密封装置受到高压水挤迫，产生变形而引起泄漏，延长了消火栓使用寿命。在消火栓打开，栓体内充满水的时候，其旋转部位的密封装置将水隔离，保证旋转部位不会有水渗入。因此无论消火栓打开与关闭，其旋转部位都是与水隔绝的。为了使栓体转动灵活，减小转动力矩，在旋转部位增加了滑动机构，该机构安装在密封装置后端，不会接触到水，在较高的水压作用下，也能轻松转动。旋转消火栓的旋转部位全部采用不锈钢材料，有效保证该产品常年不用情况下不会产生锈蚀。 北京海淀普惠机电技术开发公司已研制出旋转型室内减压稳压消火栓和旋转型室内消火