计算机仿真技术及其发展

计算机仿真技术及其发展清华大学热能动力仿真与控制研究所北京恒和大风软件技术有限公司程芳真博士仿真技术的定义•理论定义–以计算机技术为基础、以控制论与相似原理为方法，借助系统模型对设想的或真实的系统，进行解析或半实物混合试验研究的一门综合性技术。•通俗含义–将系统的物理规律转化为数学模型，并编制为可在计算机上执行的软件代码，以模拟系统的运行。•新的高度–被称为继科学理论和实验研究后的第三种认识和改造世界的工具。仿真技术的起源•50年代初，美国人Aaron借助大型的电子管计算机，利用最小二乘法进行滤波器的线性网络设计，被认为是计算机仿真的开端。仿真技术的重要性•1991年美国国家关键技术委员会给总统的报告：–仿真与建模可以应用在几乎任何用其它方法需要进行繁重的实际试验、或者是直接试验，也许不能实现、或根本不可能的情况。仿真技术的主要应用情形•对系统进行真实实验的代价高昂–比如在汽车工业中需要对新型汽车做碰撞实验•系统的实现只有一次机会–比如三峡大坝的建造•需要预测系统在未来的变化–比如2008年奥运会期间的天气情况仿真技术的应用领域•航天和军事——最大的领域•天气预报——发展迅速•电力工业——形成了产业•模拟驾驶器：飞机、汽车、火车、船舶•石油化工•热力管网•……仿真技术的功能和作用•方案论证与设计阶段–合理性、可行性•实施阶段–校验、评估、发现和解决实际问题•运行阶段–人员培训：正常运行、故障的判断和处理–故障分析：解决实际问题–系统优化：运行得更好仿真技术对现代军事的作用•降低成本–如驾驶模拟器可以降低战机和战车的燃油和机车体损耗。–统计显示：如实弹打靶次数节约40～50％•缩短周期–统计显示：研制周期缩短30～40％•效果好–可以达到一些实兵演习达不到的效果。仿真系统分类（1）•根据被研究系统的特征–连续系统仿真：系统状态变量随时间连续变化•实时仿真•非实时仿真–离散事件系统仿真：系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化•根据仿真设备来划分–物理仿真：仿真对象做成物理模型，如风洞–数字仿真：完全使用数学模型–物理-数字混合仿真：既有实物，又有数学模型仿真系统分类（2）•根据仿真系统的功能–培训用–分析研究用•根据仿真对象–飞行仿真器–电站仿真机–化工过程仿真机–坦克仿真器–……仿真系统分类（3）•根据对仿真对象的逼真程度–全范围高逼真度仿真系统•数学模型是全范围、全过程的。–缩小范围仿真机•忽略部分次要的系统及其数学模型，不影响主系统、主设备的正确仿真。–通用型仿真机•并不是根据某一具体对象原型进行仿真，而是作了大量的简化，保留了原型的基本原理。数学模型分类•理论分析模型–根据基本的物理定律，从机理出发–由于很难建立纯粹的机理性模型，忽略了许多不确定影响因素–精度一般不很高，但其定性结论却比较合理•经验归纳模型–不考虑工作机理，完全根据实测数据的定量关系–只适用于已经建成并投入运行的设备或系统–不能推广应用于实验范围以外，不具备通用性•混合模型–采用理论解析与经验归纳相结合的方法–精度比较高、模型比较可靠、多采用建模方法的发展•手工建模–低级语言→高级语言•模块化建模–可简单重用•专用仿真语言–CSMP、ACSL，MATLAB•自动化建模–符号、表格•图形化自动建模–面向对象仿真支撑环境数学模型仿真支撑环境硬盘台或虚拟盘台（人机操作界面）计算机网络接口设备仿真支撑环境的发展历史（国际）•自80年代初开始，国外各大公司相继开发了大量仿真支撑软件–如意大利自动化和计算研究中心的LEGO–美国电力研究所的MMS–德国西门子公司的NLOOP–美国ABB（原CE）公司的CETRAN–美国原LINK公司的S3–法国THOMSON公司的FLOWNET&LOGNET–芬兰技术研究中心（VTT）的APROS–加拿大SACDA公司的SACDA仿真支撑环境的发展历史（国内）•国外引进–深圳罗湖工业研究所引进并改造的PROSIMS–华北电力学院在CE公司CETRAN的基础上，开发出了STAR-90–亚洲仿真公司在LINK公司S3的基础上，开发出了ASCA•自主产权–清华大学热能工程系的运行于UNIX的ISSE和运行于Windows的Vcs3–中国电力科学研究院科东公司的CC-2000–北京同方电子科技有限公司的DCOSE–北京恒和大风软件技术有限公司的SimuWorks几款优秀的专用仿真软件•荷兰国家应用科技研究院TNO的MADYM–是一个多刚体与有限元结合的数学模拟软件，已成为汽车碰撞安全性设计的工业标准。•美国ANSYS公司的FLUENT–是计算流体力学领域的一个著名软件，许多和流体、传热及化学反应有关的问题均可使用它来求解，在航空航天、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。•Matlab的Simulink–是一个用于对动态系统进行建模和设计的平台，是从事自动控制领域研究的必备软件。几款优秀的仿真支撑环境系统名称APROSROSEGTPROGFlow+、GElectric+、GControl、GLogicSimuWorks公司名称芬兰VTT研究所，Fortum公司加拿大CAE公司美国GE公司美国GSE公司清华大学，恒和大风公司运行平台Unix、VMS、WindowsLinux,UnixandWindowsWindowsWindowsWindows主要特点1.高精度物理模型和经验模型相结合。2.流程图中的内部模块可以被外部模块调用。1.先进的两相流水力模型。2.逼真的三维模拟。3.实时分布式过程控制。1.易于使用，可以在几分钟内产生一套全新的电厂设计。2.与PEACE模块结合生成详细的工程及造价估算。1.在全球范围仿真机中，是排名第一的供货商。1.拥有完全自主知识产权的国内软件。2.将热力系统、控制系统、电气系统、流网以及电网建模有机集成SimuLink与SimuWorks的比较SimuLinkSimuWorks主要应用领域自动控制策略研究系统实时动态特性研究数学模型的主要形式传递函数微分方程和偏微分方程端口类型单一变量多变量：信息流、物质流和电气流应用领域涵盖几乎所有领域能源、电力、军事、船舶、石油天然气管网等模块种类涵盖大多数领域热能动力系统、电气系统、控制系统等对图形建模功能的支持方便使用方便使用对实时仿真功能的支持不关心支持仿真过程用户的参与不支持支持对流体网络的支持不支持支持自动生成和实时求解对电气网络的支持不支持支持自动生成和实时求解仿真系统的硬件构成交换机操作站员1操作站员No……工程师站1工程师站Ne……投影计算机投影仪投影屏幕硬件盘台服务器（指导教师工作站）UPS仿真系统的软件构成仿真建模软件仿真支撑系统软件仿真功能软件数学模型软件人机界面软件硬件盘台数据通讯软件仿真系统的开发过程•建模–分析系统的主要因素，忽略次要因素；–分析主要因素之间的定量关系，并用数学语言描述出来；–确定算法：精确、收敛、快速。•编写计算程序–手工建模、自动建模、图形化建模•运行程序进行实验•分析实验结果–观察在不同输入数据情况下系统的变化。•修改和完善模型仿真技术的发展方向•分布式仿真技术–高性能计算：如分布在多个微机上的仿真–对象需求：如作战模拟•三维视景仿真技术–更逼真、更具真实感•虚拟现实技术•高性能的嵌入式仿真技术–在有限的资源状况下，实现高性能的仿真系统•互联网仿真技术–远程协同研究和培训清华大学与仿真技术•1975年开始电站仿真机的研制•国家科学技术进步一等奖•电力部优秀科技成果一等奖•1992年全国十大科技成就奖•国家“八五”科技攻关重大科技成果奖•国际计算机仿真学会于1995年授予吕崇德教授“突出贡献奖”•2004年教育部科技进步一等奖恒和大风与仿真技术•与清华合作–将业务拓展到电站以外的多个领域•专业致力于仿真平台及技术服务–自主知识产权的SimuWorks，八项软件版权–获得科技部创新基金的资助–中国软件评测中心“高级软件测试认证”•不断创新–紧跟世界新技术，持续创新–愿为民族软件产业的发展做出贡献什么是SimuWorks•SimuWorks将系统仿真所需要的各种功能进行了整合，形成了从开发、调试、验证、到运行、分析等全过程的整套流水线，创立了“系统仿真流水线开发工厂”的新理念，大大提高了仿真工程项目的开发效率。•它主要用于能源、电力、军事、交通、石油化工等研究领域，既可用于科研院所的教学、科学研究，也可用于实际工程项目。SimuWorks的组成•仿真引擎SimuEngine–早期版本：Vcs3、SE2000•图形化建模系统SimuBuilder–早期版本：THAms、FigAms•模块资源管理器SimuManager•模型库–热能动力、控制、电气等•其它功能软件–自动评分系统、仿真实时图形系统等SimuEngine软件版权证书SimuBuilder软件版权证书SimuMMI软件版权证书SimuScorer软件版权证书SimuWorks创新基金立项证书SimuWorks创新基金验收证书SimuWorks高级软件评测证书SimuWorksISO9001－2000认证证书SimuWorks火炬计划项目证书SimuWorks的运行环境•硬件环境–Intel及其兼容微型计算机–以太网10/100/1000M•软件环境–Windows9x/NT/2000/XP/2003/Vista–VisualFortran5x/6x/8x–[VisualC++6.0]仿真引擎SimuEngine－系统简介–SimuEngine是介于仿真系统和计算机操作系统之间的可视化仿真支撑系统模型开发支持系统数据库管理系统API接口网络通讯系统实时运行与多任务调度系统模型调试与试验分析系统SimuEngineOPC接口仿真引擎SimuEngine－界面仿真引擎SimuEngine－主要特点1•实时网络数据库–专门为大型仿真系统设计–读物速度快，实时性强•数据可视化–表格、曲线、流程图、直方图等–画面可组态•在线调试–可随时对数据库中的任意数据进行在线修改，并可以立即影响到模型的计算仿真引擎SimuEngine－主要特点2•协同开发–支持多人在网络环境下的程序协同开发–提供了从程序编辑、变量扫描、编译、连接到运行、调试等全过程的支持。•完整的教练员功能–运行与停止、冻结与解冻、改变速度、故障设置、工况保存、回退、追忆等。•结构灵活–采用了“客户/服务器”模式，便于扩展仿真引擎SimuEngine－主要特点3•仿真精度高–最小仿真步长可达10毫秒–最小数据刷新周期50毫秒•占用资源少–在单CPU奔腾4上仅占用3~5％的CPU资源•多流程仿真–可以在一套硬件系统上同时开发或运行不同的系统，或者同一系统的多个实例。仿真引擎SimuEngine－主要特点4•良好的可维护性和可移植性–WindowsNT/9x/2000/XP/2003/Vista•多任务并行运行–支持多任务运行和在多CPU环境下的并行计算•开放性好–提供了方便的API接口–支持OPC协议–与多套商业流行软件有接口图形化建模系统SimuBuilder－与传统建模方法的区别•手工建模–效率低，使用不便–模块不能重用–可读性和可维护性差–对使用者计算机水平要求高•图形化自动建模–效率高，使用方便–模块可以重用–可读性强，易于维护–对使用者计算机水平要求低，尤其适于研究人员图形化建模系统SimuBuilder－界面图形化建模系统SimuBuilder－主要特点1•面向对象的方法–能构成与实际对象高度相似的组态画面•丰富的图形单元类型–模块、节点、连接线、注释、变量标签•强大的图形编辑能力–增加、删除、移动、缩放、翻转、旋转、对齐、及多级Undo和Redo功能图形化建模系统SimuBuilder－主要特点2•高度的开放性–用户可以方便地修改或添加自己的模块•自动化程度高–系统拓扑结构的分析和仿真模型（包括流体网络和电气网络）的生成均自动完成。–能按照用户易于理解的方式，自动生成程序变量。•生成模型方式灵活–既可以生成模型源程序，经编译和连接后静态运行，也可以无需生成源程序，直接动态运