《第一章仿真技术概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章仿真技术概述.ppt（75页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、系统建模与仿真 仿真技术概述,李哲 教授 /博士生导师 E-mail:,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,第一章 概述,科研工作的基本方法,解析法：,运用已掌握的理论知识，对所研究的对象进行理论方面的分析、计算及综合。,最佳路径问题,庞得里亚金极大值原理,工程最优问题,科研工作的基本方法,解析法：,工程动力学问题 F=ma,一阶倒立摆,科研工作的基本方法,解析法：,Routh判据,英国E.J.Routh建立 （Routh-Hurwitz Stability Criteria）（1875年）,科研工作的基本方法,2实验法：,
2、在所建立的实际系统（或模型）上，利用各种仪器仪表，通过施加一定类型的激励信号，测取系统响应来确定系统的性能。,科研工作的基本方法,2实验法：,系统模型,科研工作的基本方法,2实验法：,实际系统,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,在模型上（物理的/数学的）所进行的系统性能分析与研究方法。,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,数学模型,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,虚拟模型,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,实物模型,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,仿真实验性能比较：,数学模型,虚拟模型,实物模型,实物原型,仿真精度,低,高,科研工作的基本方法,3仿真实验法：,工程应用： 飞行器设计
3、的三级仿真体系,科研工作的基本方法,4混合法：,解析法+实验法,工程实例： 水轮发电机组,科研工作的基本方法,4混合法：,流体力学：层流/紊流,我们要确定的“六系数”（偏导数）,工程实例： 水轮发电机组,科研工作的基本方法,4 混合法：,工程实例： 水轮发电机组,科研工作的基本方法,5猜想法：,又称为“假想法”，通过人们对所研究问题的“直觉”，提出“可能的”结果/结论，利用“反演/推理/证明”的方法进行“创造性”的研究和发现。,科研工作的基本方法,5猜想法：,哥德巴赫猜想,相对论假说,电磁波设想,科研工作的基本方法,5猜想法：,宇宙大爆炸理论,科研工作的基本方法,5猜想法：,布丰投针原理,主要
4、内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,相似性原理及应用,仿真实验所遵循的基本原则； 科学技术创新与应用的桥梁；,1、几何相似 2、环境相似 3、性能相似 4、思维相似 5、生理相似,相似性原理及应用,1、几何相似,相似性原理及应用,2、环境相似,相似性原理及应用,3、性能相似,相似性原理及应用,相似定理：,相似第一定理： 彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。 例：比例环节，减速箱、放大器：n2=i*n1,相似第二定理： （相似逆定理） 现象的数值相同必定彼此相似。 条件：1、方程组相同，2、初值相同，3数值相等,相似第三定理
5、：（H定理） 描述某现象的各种量之间的关系，可表示成相似准则的函数关系：F(H1,H2 Hn)=0 这种关系式称为准则关系式或准则方程式。,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,模型及其建立,模型的重要性,勾股定理,模型及其建立,模型的重要性,电磁场理论,涡旋磁场,位移电流,赫兹,模型及其建立,模型的重要性,1、把世间的现象/问题上升到“数学抽象/数学模型”的理论高度是现代科学发现与技术创新的基础。 2、“实验、归纳、推演”是建立系统“数学模型”的重要手段/方法/途径。 3、“数学模型”是人们对自然世界的一种抽象理解，它与自然
6、世界/现象/问题具有“性能相似”的特点。,模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证,1.目的要明确,飞行器,目的2 飞行器的结构强度,目的1 飞行器的动态性能,流体力学,结构力学,方法1,方法2,模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证,2.方法要恰当 （1）逻辑推理方法：归纳、推演、类比、移植 （2）机理建模法: 白箱问题 （3）实验建模法：黑箱问题 （4）综合建模法：机理+实验,模型及其建立,建模三要素：目的，方法，验证,3.结果要验证,数学模型必要条件 实物模型充要条件 实际应用结果检验,模型及其建立,建模过程,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法
7、,相似原理及其应用,模型及其建立,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,仿真系统,仿真技术及其重要性,仿真系统应用,固有特性分析,仿真技术及其重要性,仿真系统应用,闭环控制性能分析,仿真技术及其重要性,仿真系统应用,闭环控制性能分析,仿真技术及其重要性,仿真系统应用,球棒系统,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,1仿真实验的高级形式 2可视化/真实性 3有助于人们的创造与想象力的发挥,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR） 虚拟现实系统：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,感知设备：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,表现装
8、置：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实（VR）,三大特征：,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实仿真技术,虚拟样机 虚拟制造 虚拟环境,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实仿真技术：,虚拟样机,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实仿真技术：,虚拟制造,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟现实仿真技术：,虚拟环境,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,虚拟样机,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,1 车辆肇事仿真 2飞行器设计 3 联合仿真 4 军事工程,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,1车辆肇事仿真,仿真技术及其重要性,仿真技术
9、的应用,工程应用：,2飞行器设计,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,3联合仿真,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,工程应用：,4军事工程,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,常用的工具软件,ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 1 美国MDI/MSC公司 2 50市场份额 3 运动学/动力学/机电一体化 4 网址： 。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,常用的工具软件,PSPICE（模拟电路CAD软件） 1电子电路仿真软件 2 ORCAD公司的商业化EDA软件 3直流/交流电路、瞬态特性优化设计、数字
10、模拟混合电路、电路绘图仿真一体化 4网址：。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,常用的工具软件,SABER（电气、模拟、混合信号仿真软件） 1图形化界面 2稳态、时域、频域、可靠性 3应用于电源、电力电子、电气、机电一体化设计 4网址：www.jialing- （结构、热、流体、电磁和声学运用有限元分析软件） 1求解“热结构耦合”、“磁结构耦合”以及“电磁流体热耦合”等问题 2多种物理介质相互作用下的“动态性能” 3梯度显示、立体切片显示、图表/曲线显示 4网址：。,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,1、1773年，法国自然学家G.L.L.Buffon的“投针实验”； 2、20
11、世纪40年代，随模拟计算机的出现而起步/发展； 3、1955年，数字计算机的出现为仿真技术的应用开辟了道路，但是“汇编语言”限制了其广泛发展； 4、1966年，雷诺（T.H.Naylor）给“仿真”做出了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，包括数学与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统在若干周期内的特征”，它标志着“仿真实验”作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,5、20世纪70年代，以FORTRAN为代表的高级语言与多种专用的仿真语言（如：MIMIC、DSL/90、CSSL、CSMP等）为“数字仿真技术”的广泛
12、应用奠定了基础; 6、1978年,美国推出的AD10数字/模拟混合计算机使“仿真技术”得以进入军事、武器装备等领域的深层应用。 7、20世纪80年代初，MATLAB软件出现，并广泛在欧美的中得到应用； 8、1983年，美国国防高级研究计划局（DARPA）与陆军共同制定了仿真组网（SIMNET）计划；,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,9、1984年，William Gibon提出了“虚拟现实”的概念，为仿真技术的应用指出了新的发展方向； 10、1985年，美国推出性能更加强大AD100数字/模拟混合计算机（可用于洲际导弹/多目标飞行器实时仿真）； 11、1989年，美国评出了科技
13、领域近25年间最杰出的十项技术成果，将CAD/CAM技术列为第四项，被称为“推动了几乎所有设计领域的革命”； 12、1992年，美国政府提出的22项国家关键技术中，仿真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，仿真技术被列为第6项；,仿真技术及其重要性,仿真技术的发展,发展历程：,13、1993年，中国“银河仿真型机”研制成功； 14、1996年，中国学者薛定宇所著控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用一书出版（清华大学出版社），它是国内最早的MATLAB专著； 15、1996年，美国学者Macredie系统阐述了虚拟现实、仿真环境、面向对象的建模机制等重要概念与理论，为虚拟现实仿真技
14、术在环境模拟与人员培训方面的广泛应用推波助澜； 16、1999年，“银河高性能分布仿真计算机”在长沙诞生，这标志着我国的仿真技术已达到国际先进水平；,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,发展历程：,17、1999年，控制系统数字仿真与CAD一书（第1版）出版（机械工业出版社），它标志着以MATLAB为平台的仿真技术类课程开始在高等院校本科生开展； 18、进入21世纪，“虚拟现实仿真技术”开始在影视艺术、工业设计、生活娱乐等领域大量应用；“仿真技术”已成为“现代工程技术人员应该掌握的基本技能之一”。,仿真技术及其重要性,仿真技术的应用,发展趋势：,1 在硬件上，基于多CPU的并行处理技术的全数字
15、仿真技术将有效的改善仿真系统的“实时性”； 2 基于网络技术的分布式数字仿真系统将广泛应用； 3 基于虚拟现实技术的“多媒体环境条件下的仿真技术”将推进军事、工业、生活、娱乐等领域的深层次应用； 4 “离散事件系统”的仿真问题将成为人们研究的另一热点； 5“仿真技术”将成为高等理工院校学生培养的重要技术。,主要内容,仿真技术及其重要性,科研工作的基本方法,学习本课程的目的与方法,相似原理及其应用,模型及其建立,学习本课程的目的和方法,学习本课程的目的,1了解仿真技术概况 2 夯实所涉及的基本概念、理论与方法 3 掌握仿真技术这一利器，并要认识到“与时俱进” 4 培养自主学习/研究的能力,学习本
16、课程的目的和方法,学习本课程的方法,1、注重基础（概念/原理）； 数学、力学 电拖动及控制系统 现代控制工程,学习本课程的目的和方法,学习本课程的方法,2、积极应用（CAD工具）； Matlab Adams pro/E、SOLIDWORKS,学习本课程的目的和方法,学习本课程的方法,3、努力实践（实践出真知/创新源于自主实践）， what I hear I forget. what I see I remember. what I do I understand. By Confucius,学习本课程的目的和方法,学习本课程的要求,1 积极思考/上机实践 2 完成“课程报告” 选题：必做题，二
17、人或三人一组，每组一份报告，在章节开始处注明作者。 选做题，每人一题，不得与必做题重复 报告的撰写：格式要求，科技论文 3 培养科学研究的能力 研究生的基本能力,结业考核,1、双闭环直流调速系统的建模与仿真实验研究 2人，分别完成系统建模和仿真 2、双闭环PID控制一阶直线倒立摆系统建模、仿真与虚拟样机实验研究 3、双闭环PID控制一阶旋转倒立摆系统建模、仿真与虚拟样机实验研究 4、双闭环PID控制二维运动龙门起重机系统建模、仿真与虚拟样机实验研究,结业考核,5、双闭环PID控制球棒系统的建模与仿真实验研究 3人，分别完成系统建模、仿真和虚拟样机 6、自平衡式两轮电动车系统建模、仿真与虚拟样机实验研究 2、3、4、5、6题各3人，分别完成建模、仿真和虚拟样机,祝同学们学业有成！成就未来！,谢谢大家！,