1、计算机仿真技术01计算机仿真技术第1章 概论计算机仿真技术共有五章组成。将介绍计算机仿真的基本理论与方法以及系统仿真的实现手段。讲述的重点在第二章和第三章，其余三章只作简单的介绍。这样安排的原因是：学时的限制，其二是同学们的知识储备不够，无法作过多的讲解。尤其是第四章，离散事件仿真基础。在我们这个专业中，就很少接触或没有接触过离散事件及其相关的理论，因此，我们很难对这一系统的仿真作深入的讲解。一）意义自从第一台计算机问世以来，人们便应用计算机对所研究的系统或者说事件进行仿真实验。计算机仿真技术作为一门独立的科学理论兴起于上世纪的40年代。随着计算机技术和数学理论的发展，计算机仿真理论也得到了快
2、速的发展。它的应用几乎覆盖了人们从事活动的所有的领域。一个大系统或一个大的工程的研究和设计的成功在很大程度上依赖于计算机仿真技术。科研人员的理论研究和解决问题能力的提高也受益于计算机仿真技术。在计算机仿真技术出现以前，人们进行科学技术研究的手段只有两种：理论研究和实验研究。计算机仿真技术为人们提供了又一种新的科学技术研究的手段。这个手段是理论研究和实验研究无法替代的。可以说，这个技术已经成为科学技术研究的第三种手段。计算机仿真技术是当今最实用的技术之一。这一点已被人们所认可。如果认为：计算机仿真技术只为人们的纸上谈兵提供了技术支持，那是错误的。计算机仿真技术也为采样系统、装置的实现提供了技术上
3、的保障。也就是说，不能将计算机仿真技术简单地理解为可以编一个好的程序从而对系统进行分析、设计等等。利用计算机仿真技术也可以制作实际的装置和系统。这些例子在我们周围是经常遇到的。计算机控制系统就是利用仿真技术研制系统的一个很好的例子。所谓计算机控制系统就是利用计算机去替代系统控制回路的硬件部分。而如何用计算机去替代控制回路的硬件，这是计算机仿真技术解决这个问题。再一个典型的例子就是虚拟仪器仪表。在这些仪器中已经不存在传统上意义上的硬件电路，而使用数据处理器替代那些硬件。如何实现这种替代，同样应用了计算机仿真技术。可以说，只要系统中含有计算机、单片机、DSP等数据处理部件，那么，这个系统就一定含有
4、计算机仿真技术。可以说，利用计算机仿真技术去研制系统或装置已成为目前产品制作的主流。我相信，在未来社会的发展中，计算机仿真技术将直接影响一个国家的科研能力和产品制作。目前，各国对计算机仿真技术的研究投入了大量的人力和财力，这是利益的驱使。讲述了这么多，希望同学们对计算机仿真技术给与足够的重视。下面将介绍计算机仿真的定义（研究内容）、概念、分类以及他的发展史和目前的研究情况。二、 计算机仿真定义：计算机仿真的定义实质上是回答计算机仿真是做什么的，许多学者对此给出了不同的定义。但是人们觉得这些定义都不够完善。这里我们给出三个计算机仿真的定义。其目的是让同学们更好地理解计算机仿真技术。1) 利用计算
5、机软件模拟实际环境进行科学实验的综合技术。2) 仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术。3) 仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的科学。第一、二两种定义简单，但存在不足，（A）有时计算机仿真不存在程序，比如在模拟计算机上的仿真。（B）仿真不仅仅是数字化技术。比如，下面将介绍的半实物计算机仿真。第三种定义比较完善。但这个定义太长，要想记住他不是个容易的事。理解他就可以了。从第三个定义
6、可看出，计算机仿真技术是建立在诸多科学的理论基础上的。对于一个工程研究人员学习、运用和研究计算机仿真技术，这些理论并不是必须掌握的。从计算机的仿真过程看，以下的理论知识应该是必须掌握：计算机技术（软件、硬件），相似理论，数学和相关领域的系统科学。三、 计算机仿真的理论基础：计算机技术（软件、硬件），相似理论，数学理论和相关领域的系统科学其中，相似理论是计算机仿真的核心理论，没有相似理论就没有仿真理论。数学是计算机的灵魂，没有数学计算机将什么也做不成。计算机的应用离不开数学。计算机仿真技术是从各科学领域的仿真技术中发展起来的技术。它对各学科的仿真具有理论上的指导和技术上的支持作用。仿真方的是一个
7、具体的系统，这个系统属于某个具体的学科。这无疑要涉及该学科的理论与方法。四、仿真的工具1）计算机2）物理设备在计算机仿真中所用到的物理设备，不仅仅使显示器打印机之类的输出设备。有时所用到的设备是相当复杂和昂贵的。这一点突出表现在半实物仿真中。要想进行仿真就得有仿真的工具。因此，对计算机仿真技术的研究和应用应包含两个方面的研究和应用，一是软件，二是硬件。软件就是指程序，对软件的研究我们国家不比其他国家差，而对硬件的研究相对差一些。1）计算机，2）物理设备：显示器、打印机2） 优点：经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点。仿真技术已成为现代科学技术研究的不可缺少的应用工具。3） 仿真技
8、术的工具：数学理论、相关科学的理论与技术、计算机和各种物理设备。在有些文献中，仿真计算的工具没有提到相关科学的理论与技术。我个人认为这是不完善的。只有数学理论、计算机和各种物理设备，而对所研究的系统不了解，就无法进行仿真。有人将各领域的仿真方法，或者说技术进行理论上的升华或者说抽象，而提出了计算机仿真技术，并将其作为一门独立的研究领域进行研究。但是，当应用从计算机仿真技术中所得到的成果进行系统仿真时，无不用到相关领域的理论与技术。因此，仿真技术所用到的工具应当加上相关科学的理论与技术。计算机仿真不仅是在计算机上编制仿真程序，有时还要设及一些硬件设备。比如，计算机的实时仿真。4） 仿真技术与工程
9、仿真的关系计算机仿真技术是从各学科的仿真方法中提炼出来的具有共性的问题。它可作为一个理论或思想去指导各学科的仿真分析之中。是普遍与个体的关系。系统仿真是上世纪40年代末开始兴起并逐步发展起来的一门新兴学科。随着计算机的发展，这门技术也蓬勃地发展起来了。但是，研制一个仿真系统并不是一件容易的事情。其研制的投资及研制的时间并不是一个小的数字。比如，西门子的电力系统仿真软件，从立项研究到第一个版本的仿真软件的问世，历经了近十年的时间。由于仿真系统所具有的优点，它的投入与其收回的效益相比还是小得多，这也是激励人们研究仿真系统的一个原因。激励人们研究仿真系统还有许多原因。如原子弹爆炸的仿真实验。美国用计
10、算机仿真原子弹的爆炸过程。5仿真步骤： a)建立系统模型 b)建立仿真模型 c)仿真实验 d)仿真结果分析6计算机仿真的历史及现状1.1计算机仿真的基本概念1 仿真的种类系统仿真是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在的或正在研究设计中的系统的具体过程。要实现系统仿真首先要寻找一个实际系统的“替身”，这个“替身”被称为系统模型。它不是系统原型的复现，而是按研究的侧重面或实际需要对系统进行简化提炼，以利于研究者抓住问题的本质或主要矛盾。在计算机出现以前，人们只采用物理仿真，那时的仿真技术附属在其它有关学科之中。随着计算机技术的发展，在仿真领域提出了大量的共同性的理论、方法和技术，所以仿真理论逐渐
11、形成了一门独立的学科。计算机仿真就是以计算机为工具，用仿真理论来研究系统。系统是仿真技术研究的对象，计算机是进行仿真技术研究所使用的工具。而应用恰当的模型描述系统是进行仿真研究的前提与核心，为了更全面系统地了解系统仿真的基本概念和基本方法，有必要先了解一下什么是系统、系统模型及系统仿真。1.1.1系统计算机仿真技术是对系统的研究，因此，首先介绍一下系统。一）系统：具有特定功能和运动规律的有机整体。在这个整体中，各组成部分相互联系、相互制约、相互依存。子系统（分系统）：系统的组成部分。如电力系统。它的功能是实现电能的生产、传输和使用。它有其自身的运动规律。它的组成可分为：发电子系统、属电子系统、
12、配电子系统和用电子系统。这些子系统又可有一些子系统组成。从而形成系统的解题形式的连接。一） 系统研究的内容：任何系统都存在三方面需要研究的内容：即实体、属性和活动。实体组成系统的具体对象；属性实体所具有的每一种有效特性（状态和参数）；活动系统内对象随时间推移而发生的状态变化。以图1-1中的RLC电路系统为例：图1-1 RLC电路系统系统的实体为：电阻R；电感L；电容C和激励e（t）；系统的属性为：电荷q；电流；激励e（t）；R、L、C的数值；系统的活动为：电振荡（随时间变化）。影响系统活动的因素可能很多，我们把这些因素分成两类：一个是因部因素，一个是外部因素1） 影响系统活动的因素：a) 内部
13、因素（内部环境）：在系统内可改变的因素；（系统参数、内部激励源）b) 外部因素（外部环境）：在系统内不可改变的因素（外部对系统的注入量）。三） 系统具有下列性质：1） 整体性，系统是一个整体，它的各个部分既相对独立，又是不可分割的。图1-1所示的系统就是由独立的电路元件按一定的规律组成的简单电路系统。2） 相关性，反映了各组成部分相互联系、相互制约、相互依存。系统内部的各个部分之间按一定的规律相互联系相互作用。这种联系和相互作用可以表现为某一个子系统从其它的子系统接受输入，从而产生有用的输出作用，该子系统的输出又可能是另一个子系统的输入。如图1-1的电路系统所示，系统的关联性主要表现为每个环节
14、之间的信息流动和信息反馈作用。3） 目的性，系统要完成特定的功能。1.1.2系统分类在对系统分析、仿真机设计之前应首先对系统进行分类。我们对不同类型的系统将采取不同的分析、仿真方法。了解系统的分类对系统的仿真分析是必需的。系统分类的方式很多。如何对系统进行分类，取决于研究的目的。下面解说常见的几种分类方式： 没有储能元件的系统是计时系统，电阻元件组成的系统含有储能元件的系统是动态系统动态系统：t 很小，为非直流和周期变化的电源C静态系统：t 趋于无穷大，且为直流或周期变化的电源我们所研究的系统大部分是确定系统。严格上讲，自然界中确定系统是不存在的。我们说系统是确定系统，是因为忽视了系统的不确定
15、因素。如，忽视了干扰信号的影响，系统参数（温度的影响）的变化等。确定系统是随机系统的特例。连续系统的输入与状态在所有时间点上有值，并不意味着随时间连续变化。因为若连续变化意味着其导数存在。从图中可见，其导数不一点存在。离散系统只在某些时间点上有值，在其他时间点上输入与状态无定义，并不是等于零1.1.8 系统仿真的应用系统仿真在系统分析与设计、系统理论研究、专职人员培训等方面都有十分重要的应用。（1） 在系统分析与设计中的应用主要有以下几方面：a)对尚未建立起来的系统进行方案论证及可行性分析，为系统设计打下基础；b)在系统的设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型，进行模型简化及验证，
16、并进行优化设计；c)在系统建成之后，可以利用仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改进系统的最佳途径，找出最优的控制策略。（2）在系统理论研究中的应用：对系统理论的研究，过去主要依靠理论推导。现在，系统仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有利的工具。它不仅可以验证理论本身的正确与否，而且还可以进一步暴露系统理论在实际应用中的矛盾与不足，为理论研究提供新的研究方向。目前，在最优控制、自适应控制和大系统的分解协调控制等理论问题的研究中都应用了仿真技术。（3）在专职人员训练与教育方面的应用： 系统仿真应用于训练和教育是它应用的另一个重要的方向。现在已经为各种运载工具（包括飞机、汽车和船舶等）以及各种复杂
17、设备及系统（电站、电网和化工设备等）制造出各种训练仿真器。它们在提高训练效率、节约能源及安全训练等方面起着十分重要的作用。1.2计算机仿真的历史及现状1.2.1 计算机仿真模拟计算机仿真数学仿真的基本工具是计算机，通常又将数学仿真称为计算机仿真。按照所使用的计算机的种类的不同，可以将计算机仿真分为模拟计算机仿真、数字计算机仿真和混合计算机仿真。（1） 模拟计算机仿真模拟计算机是由运算放大器组成的模拟计算装置，它包括运算器、控制器、模拟结果输出设备和电源等。基本运算部件为加（减）法器、积分器、乘法器和函数器。运算部件的输入输出变量都是模拟量电压，故称为模拟计算机。与数字计算机不同，模拟计算机不仅
18、其加（减）法器由硬件组成，其积分器、乘法器和函数器也是由硬件构成的。因此，模拟计算机的运算速度比数字计算机要快。但是，要想用模拟计算机完成复杂的计算是相当困难的。随着数字计算机运算速度的提高，目前，模拟计算机被淘汰。不管模拟计算机模拟的是什么系统，其变量都用电压值表示，如，机解运动系统，其变量为距离、速度等量，这些量在模拟计算机上表现为电压值。模拟仿真的理论基础是相似原理。关于相似原理将在第二章介绍。这里不再多述。模拟仿真特点：1） 能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。2） 可以灵活设置仿真试验的时间标尺。模拟机仿真既可以进行实时仿
19、真，又可以进行非实时仿真。3） 易于和实物相连。模拟计算机仿真是用直流电压表示被仿真的物理量，因此和连续运动的实物系统连接时一般不需要A/D、D/A转换装置。4） 由于受到电路元件精度的制约和易于受到外界的干扰，所以模拟仿真的精度一般低于数字计算机仿真，且逻辑控制功能较差，自动化程度也较低。（2） 数字计算机仿真数字计算机的基本组成是存储器、运算器、控制器和外围设备等。由于数字计算机只能对数码进行操作，所以任何系统在数字计算机上进行仿真都必须将原系统模型变换成能在数字计算机上进行计算的模型即计算机程序。故数字仿真需要研究各种仿真算法，并用这些算法实现仿真程序的编制。这是数字计算机仿真与模拟计算
20、机仿真的最基本的差别。模拟计算机不需要编制程序。数字仿真的特点是：1） 数值计算的延迟。任何数值计算都有计算时间的延迟，其延迟的大小与计算机本身的性能所研究问题本身的复杂程度及使用的算法有关。2） 仿真模型的数值化。数字计算机对仿真问题进行计算是采用数值计算，仿真模型必须是离散模型，如果原始数学模型是连续模型，则必须转换成适合数字计算机求解的仿真模型，因此需要研究各种仿真算法。3） 计算精度高。特别是在工作量很大时，与模拟机相比具有更大的优越性。4） 实现实时仿真比模拟仿真困难。对复杂的快速动态系统进行实时仿真时，对数字计算机本身的计算速度、存取速度等要求高。5） 利用数字计算机进行半实物仿真
21、时需要有A/D、D/A转换装置与连续运动的实物相连接。（3） 混合计算机仿真混合计算机系统是由模拟计算机、数字计算机通过一套混合接口（A/D、D/A）组成的数字、模拟混合计算机系统，该系统具有模拟计算机的快速性和数字计算机的高精度和灵活性的优点。混合仿真系统的特点是：1) 混合仿真系统可以充分发挥模拟仿真和数字仿真的特点。2) 仿真任务同时在模拟计算机和数字计算机上执行，这就存在按什么原则分配模拟计算机和数字计算机任务的问题，一般是使模拟计算机承担精度要求不高的快速计算任务，数字计算机则承担高精度、逻辑控制复杂的慢速变化任务。3) 混合仿真的误差包括模拟机误差、数字机误差和接口误差，这些误差在
22、仿真中均予以考虑。4) 一般混合仿真需要专门的混合仿真语言来控制仿真任务的完成。1.2.2仿真软件及仿真计算机数字仿真语言是现代仿真工具，因其相对简单而被广泛采用。仿真语言最大的优点是相对独立于硬件和软件装置，其缺点是仿真速度不能满足实时仿真的要求。仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。它的功能可概括为：1)模型描述的规范及处理；2）仿真试验的执行与控制；3）资料与结果的分析、显示及文档化；4）对模型、试验程序、资料、图形或知识的存储、检索与管理。根据上述功能的实现情况，仿真软件分为仿真程序、仿真语言、仿真环境三个不同层次。仿真软件包括仿真程序和仿真语言，其中仿真
23、程序是仿真软件的初级形式，是仿真软件的基本组成部分。仿真程序用于某些特定的问题的仿真，可提供许多算法；仿真语言则为用户提供更强的仿真功能，适用于不同领域的多种系统的仿真。仿真程序主要是采用高级计算机语言开发出来的，早期使用Basic语言而现在一般使用Fortran语言和Visual C语言开发仿真程序，并且还发展到采用 Visual C+语言来开发面向对象的计算机仿真程序。仿真程序一般对计算机的硬件要求比较低，一般的计算机只要配置了相应的算法语言程序就可以运行；仿真程序可以针对不同的问题作适当的修改，以满足不同的需要；仿真程序使用比较简单，只需要输入系统模型和系统参数即可，并可选择多种积分算法
24、。但仿真程序在功能上一般比较简单，只适于解决某一特定领域的一些小型仿真问题。国外从20世纪60年代开始开发适用于不同领域、不同对象的仿真语言，我国也在70年代的后期开始了这方面的研究，仿真语言多属于面向专门问题的高级语言，它是在通用的高级语言的基础上，针对专门问题研制的，分为面向方程和面向框图两种类型的仿真语言。它不需要用户掌握复杂的高级语言，而是由机器自动翻译成高级语言或汇编语言，所以速度比较慢，并且研制周期较长，但它面向用户，具有较强的仿真功能。目前，仿真语言的开发已经取得了可喜的成果，开发出了许多的应用仿真程序。如可以处理一般的数学、物理问题的通用仿真语言ACSL,CSSL,TUTSIM
25、,CSMP等，这类语言可以被应用于各个领域（技术的、非技术的、经济的、社会的），但是用户必须对建模与仿真的方法有一个基本了解，另外一点需要强调是通用仿真语言之所以通用是因为它们只能解决一般的问题，而不能解决所有的问题，只适合于解决一些不太复杂的问题；如果要解决特殊的问题就需要专用的仿真语言MATLAB,SPICE，PSPICE等，这些语言要求用户能深入了解建模与仿真问题，但用它们去解决一般性的问题却极不方便。现代仿真使用的计算机根据仿真的对象的及仿真的目的的不同，可以使用个人计算机，工作站和大型的计算机。仿真领域的特点主要表现为大量、复杂、高精度、费时的计算和数据处理，要求使用的计算机具有高速
26、的运算能力、高速的数据交换能力、大容量的数据处理能力以及高速度的图形处理能力。以前这些工作都由大型机和图形工作站来支持完成，然而随着个人计算机技术的突飞猛进的发展，微处理器、存储介质、图形处理设备等都可以适应仿真领域的要求，操作系统、高级语言、工具软件和应用软件也日益成熟、丰富，个人计算机具有菜单式选择功能和图形用户界面，所以个人计算机也可以满足计算机仿真的要求，一般用于仿真教学，规模较小的系统的离线仿真分析。工作站是以个人计算环境和分布式网络计算环境为基础，性能高于微型计算机的一类多功能计算机。工作站具有高速运算功能，适应多媒体应用的功能和知识处理功能。中央处理器能够进行高速定点、浮点运算以
27、及高速度图形和处理。工作站由于低廉的价格，友好的人机界面及联网能力，得到了十分广泛的应用。SGI、SUN公司的工作站在该领域一直处于领先的地位，得到了广泛的使用。大型计算机是由其所处时代的先进技术构成的一类高性能、大容量通用计算机，能够代表一个时期计算机技术的先进综合水平。大型计算机的处理系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。处理机一般采用两级高速缓冲存储器、流水线技术和多级部件以提高性能。存储器一般有高速缓冲存储器、主存储器、磁盘存储器和海量存储器组成，它们构成多层次的存储器系统。输入输出系统由通道和外围设备组成。大型计算机有十分广泛的应用领域，在军事、民用等重要应用系统中发挥着
28、巨大作用。在系统仿真中占主导地位。如：我国的银河型计算机、银河型计算机及银和实时仿真工作站已经在我国的国民经济与国防建设中发挥了重大的作用。1.2.3计算机仿真的发展历史与现状早期的系统科学研究是单输入单输出的系统，由于系统比较简单，所以常常可以借助于理论分析来解决问题，后来发展到多输入多输出系统，问题就变得复杂了，再后来发展到大系统、巨系统乃至超巨系统，还包括工程和非工程、宏观与微观、生物与非生物、系统与环境、思维与行为的综合系统，当然问题就变得更加复杂了。这时，单纯依靠理论分析和科学实验已经不可能了。仿真模拟就成为科学研究的途径之一了。事实上，40年代的仿真试验就已经存在了，风洞试验就是空
29、气动力模拟的典型例证。从40年代开始，随着数字计算机的不断发展，仿真技术也得到了发展。计算机进行算术运算的速度，从每秒小于10000次，发展到现在的每秒可以进行上百亿次，甚至上千亿次。计算机仿真使用的语言从机器内部使用的汇编语言，发展到可以使用高级的程序语言及专用的计算机仿真语言。计算机仿真应用的领域也越来越广泛了。进入80年代以后，超级计算机的仿真计算数据、卫星发回的地球资源、军事侦察数据、气象数据、海洋和地壳板块及地震监测数据、医学扫描图像数据等海量数据的产生与不能有效的解释这些数据的矛盾日益尖锐。首先，计算机仿真技术可以高效地处理科学数据和解释这些科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息
30、交流手段，即科学家之间的信息交流不再局限于采用文字和语言，而是可直接采用图形、图像、动画等可视信息。计算机仿真技术提供的参数最优化技术使科学家能够对中间计算结果进行解释，及时发现非正常现象与错误，达到动态调整计算过程的目的。计算机仿真技术的形成也是推动工业的发展、提高工业界竞争能力的需要。历史已经证明，推动工业发展的原动力是基础科学研究，科学上的新发现将促进示工业界新的革命，而促使基础研究发展的重要手段之一是提供先进的科学计算工具（硬件和软件）。先进的科学计算工具同时也是促进当代工业发展的新动力，例如无图纸设计、虚拟样机技术等对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低成本具有十分重要的作用。国外有
31、学者提出，应用计算机仿真要解决六大问题：核反应过程、宇宙起源、生物工程、结构材料、社会经济、未来战争。计算机仿真技术是先进的科学计算工具的重要组成部分，因此，世界各国都十分重视计算机仿真技术的研究。国际上，仿真技术在高科技中所处的地位日益提高。在1992年度美国提出的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，被列为第6项。甚至把仿真技术作为今后科技发展战略的关键推动力。北约在1989年制定“欧几里德计划”中，把仿真技术作为11项优先合作的发展项目之一。计算机仿真在国防上应得到了成功的应用，扩展的防空仿真系统（EADSIM）在海湾战争中得到验证，科索沃战争呈现出信息化
32、、智能化、一体化的发展新趋势，进一步表明了计算机仿真的重要性。近年来，美国在总结成功经验的基础上，更加重视仿真，已将发展“合成仿真环境”作为国防科技发展的七大科技推动领域之一。所谓合成仿真环境，就是在广泛采用DIS及相关的计算机技术（如灵境技术）的基础上，创造一种进行武器系统研究和训练的人工合成环境，在新武器系统研制过程中，用仿真实验（虚拟样机）代替实际样机试验，使新技术、新概念、新方案在虚拟战场条件下反复进行演示验证和分析比较，从而确定最佳方案，选择最佳技术路线。在此过程中，武器研制部门与武器的未来使用部门通过联网加强早期合作，即用户尽早介入“国防发展战略”,使新武器装备更合适军方的要求，并可以提前制定作战使用方案，比原先的实际样机方案更省时、省力，大大节约经费。据资料，面临着全面禁止核武器试验和全面禁止化学武器试验的形势，美国、俄国等军事强国都花
