仿真

仿真

利用模型復現實際系統中發生的本質過程,並通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統,又稱模擬。這裏所指的模型包括物理的和數學的,靜態的和動態的,連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛,包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統,也包括社會、經濟、生態、管理等系統。當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數變化所引起的後果時,仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是電腦。仿真與數值計算、求解方法的區別在于它首先是一種實驗技術。仿真過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。

  • 中文名稱
    仿真
  • 外文名稱
    simulation
  • 作用
    轉化為它們對目標的影響
  • 利用設備
    電腦模型
  • 方法
    系統模型的實驗來研究

簡介

利用模型復現實際系統中發生的本質過程,並通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統,又稱模擬。這裏所指的模型包括物理的和數學的,靜態的和動態的,連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛,包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統,也包括社會、經濟、生態、管理等系統。當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數變化所引起的後果時,仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是電腦。仿真與數值計算、求解方法的區別在于它首先是一種實驗技術。仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。

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簡史

20世紀初仿真技術已得到套用。例如在實驗室中建立水利模型,進行水利學方面的研究。40~50年代航空、航天和原子能技術的發展推動了仿真技術的進步。60年代電腦技術的突飛猛進,為仿真技術提供了先進的工具,加速了仿真技術的發展。

利用電腦實現對于系統的仿真研究不僅方便、靈活,而且也是經濟的。因此電腦仿真在仿真技術中佔有重要地位。50年代初,連續系統的仿真研究絕大多數是在模擬電腦上進行的。50年代中,人們開始利用數位電腦實現數位仿真。電腦仿真技術遂向模擬電腦仿真和數位電腦仿真兩個方向發展。在模擬電腦仿真中增加邏輯控製和模擬存儲功能之後,又出現了混合模擬電腦仿真,以及把混合模擬電腦和數位電腦聯合在一起的混合電腦仿真。在發展仿真技術的過程中已研製出大量仿真程式包和仿真語言。70年代後期,還研製成功專用的全數位並行仿真電腦(見全數位仿真電腦)。

仿真內容

1. 物性資料庫。包括模組運行時所需的基礎物性資料、物性計算等。

2. 單元操作模型庫。囊括模擬所需的模組,每個模組用包括物料平衡、能量平衡、相平衡、反應速率等方程在內的數學模型構成。

3. 模型求解演算法庫。包括各種數值求解演算法,線性、非線性方程組的求解、參數擬合、最最佳化演算法等等各種演算法。

4. 仿真環境及其輸入輸出。仿真環境是模型仿真運行的管理機構,控製著仿真的進行程度。

分類

仿真可以按不同原則分類:

按所用模型的類型(物理模型、數學模型、物理-數學模型)分為物理仿真、電腦仿真(數學仿真)、半實物仿真;

按所用電腦的類型(模擬電腦數位電腦混合電腦)分為模擬仿真、數位仿真和混合仿真;

按仿真對象中的信號流(連續的、離散的)分為連續系統仿真和離散系統仿真;

按仿真時間與實際時間的比例關系分為即時仿真(仿真時間尺規等于自然時間尺規)、超即時仿真(仿真時間尺規小于自然時間尺規)和亞即時仿真(仿真時間尺規大于自然時間尺規);

按對象的性質分為宇宙飛船仿真、化工系統仿真、經濟系統仿真等。

模型

仿真模型是被仿真對象的相似物或其結構形式。它可以是物理模型或數學模型。但並不是所有對象都能建立物理模型。例如為了研究飛行器的動力學特徵,在地面上隻能用電腦來仿真。為此首先要建立對象的數學模型,然後將它轉換成適合電腦處理的形式,即仿真模型。具體地說,對于模擬電腦應將數學模型轉換成模擬排題圖;對于數位電腦應轉換成源程式。

實驗

通過實驗可觀察系統模型各變數變化的全過程。為了尋求系統的最優結構和參數,常常要在仿真模型上進行多次實驗。在系統的設計階段,人們大多利用電腦進行數學仿真實驗,因為修改、變換模型比較方便和經濟。在部件研製階段,可用已研製的實際部件或子系統去代替部分電腦仿真模型進行半實物仿真實驗,以提高仿真實驗的可信度。在系統研製階段,大多進行半實物仿真實驗,以修改各部件或子系統的結構和參數。在個別情況下,可進行全物理的仿真實驗,這時電腦仿真模型全部被物理模型或實物所代替。全物理仿真具有更高的可信度,但價格昂貴。

工具

主要指的是仿真硬體和仿真軟體。仿真硬體中最主要的是電腦。用于仿真的電腦有三種類型:模擬電腦數位電腦混合電腦數位電腦還可分為通用數位電腦和專用的數位電腦。模擬電腦主要用于連續系統的仿真,稱為模擬仿真。在進行模擬仿真時,依據仿真模型(在這裏是排題圖)將各運算放大器按要求連線起來,並調整有關的系數器。改變運算放大器的連線形式和各系數的調定值,就可修改模型。仿真結果可連續輸出。因此,模擬電腦的人機互動性好,適合于即時仿真。改變時間比例尺還可實現超即時的仿真。60年代前的數位電腦由于運算速度低和人機互動性差,在仿真中套用受到限製。現代的數位電腦已具有很高的速度,某些專用的數位電腦的速度更高,已能滿足大部分系統的即時仿真的要求,由于軟體、接口和終端技術的發展,人機互動性也已有很大提高。因此數位電腦已成為現代仿真的主要工具。混合電腦模擬電腦和數位電腦聯合在一起工作,充分發揮模擬電腦的高速度和數位電腦的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優點。但這種系統造價較高,隻宜在一些要求嚴格的系統仿真中使用。除電腦外,仿真硬體還包括一些專用的物理仿真器,如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環境仿真器等。

仿真植物仿真植物

仿真軟體包括為仿真服務的仿真程式、仿真程式包、仿真語言和以資料庫為核心的仿真軟體系統。仿真軟體的種類很多,在工程領域,用于系統性能評估,如機構動力學分析、控製力學分析、結構分析、熱分析、加工仿真等的仿真軟體系統MSC Software在航空航天等高科技領域已有45年的套用歷史。

方法

主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法,可分為兩大類:連續系統的仿真方法和離散事件系統的仿真方法(見仿真方法)。人們有時將建立數學模型的方法也列入仿真方法,這是因為對于連續系統雖已有一套理論建模和實驗建模的方法,但在進行系統仿真時,常常先用經過假設獲得的近似模型來檢驗假設是否正確,必要時修改模型,使它更接近于真實系統。對于離散事件系統建立它的數學模型就是仿真的一部分。

套用和效益

仿真技術得以發展的主要原因,是它所帶來的巨大社會經濟效益。50年代和60年代仿真主要套用于航空、航天、電力、化工以及其他工業過程控製等工程技術領域。在航空工業方面,採用仿真技術使大型客機的設計和研製周期縮短20%。利用飛行仿真器在地面訓練飛行員,不僅節省大量燃料和經費(其經費僅為空中飛行訓練的十分之一),而且不受氣象條件和場地的限製。此外,在飛行仿真器上可以設定一些在空中訓練時無法設定的故障,培養飛行員應付故障的能力。訓練仿真器所特有的安全性也是仿真技術的一個重要優點。在航天工業方面,採用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數減少80%。在電力工業方面採用仿真系統對核電站進行調試、維護和排除故障,一年即可收回建造仿真系統的成本。現代仿真技術不僅套用于傳統的工程領域,而且日益廣泛地套用于社會、經濟、生物等領域,如交通控製、城市規劃、資源利用、環境污染防治、生產管理、市場預測、世界經濟的分析和預測、人口控製等。對于社會經濟等系統,很難在真實的系統上進行實驗。因此,利用仿真技術來研究這些系統就具有更為重要的意義。

發展方向

仿真硬體方面,從60年代起採用數位電腦逐漸多于模擬電腦混合電腦系統在70年代一度停滯不前,80年代以來又有發展的趨勢,由于小型機和微處理機的發展,以及採用流水線原理和並行運算等措施,數位仿真運算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機 VAX 11-785和外圍處理器AD-10聯合工作可對大型復雜的飛行系統進行即時仿真。在仿真軟體方面,除進一步發展互動式仿真語言和功能更強的仿真軟體系統外,另一個重要的趨勢是將仿真技術和人工智慧結合起來,產生具有專家系統功能的仿真軟體。仿真模型、實驗系統的規模和復雜程度都在不斷地成長,對它們的有效性和置信度的研究將變得十分重要。同時建立適用的基準對系統進行評估的工作也日益受到重視。

意義與作用

隨著軍事和科學技術的迅猛發展,仿真已成為各種復雜系統研製工作的一種必不可少的手段,尤其是在航空航天領域,仿真技術已是飛行器和衛星運載工具研製必不可少的手段,可以取得很高的經濟效益。

在研製、鑒定和定型全過程都必須全面地套用先進的仿真技術。否則,任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研製都將是不可能的。

海灣戰爭期間"愛國者"飛彈和"飛毛腿"飛彈之間的較量,也反映出了仿真模擬的參與。現代戰略飛彈的進攻威力很大,射程很遠,更要命的是常常裝有多個真真假假的彈頭,用來迷惑敵方,以便順利突破敵方強大的防空網。一般說來,最先進的反飛彈系統的雷達預警時間隻有短短的幾分鍾。為了不讓敵方的攻擊得逞,己方必須在這短短的幾分鍾裏迅速而正確地作出反應,識別真假彈頭,算出飛行軌道,動員力量進行攔截,以確保敵彈在到達目標之前就被摧毀掉。要做到這一切,不得不發揮超大規模科學計算的能力,否則己方隻能處于被動挨打的地位。在海灣戰爭期間,"愛國者"飛彈智鬥"飛毛腿"飛彈,形成戰爭史上的奇觀。"飛毛腿"飛彈的水準也不一般,它的飛行速度可達 2638米/秒。

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