计算机仿真技术基础.

本课程的主要内容•计算机仿真技术的基本理论、概念、基本的仿真方法与实现手段第一章绪论•一）计算机仿真:计算机仿真就是应用计算机对系统某些特性的近似模仿真实系统建立模型计算机分析结果假想系统•二）研究计算机仿真技术的意义•1）为科学技术研究提供有效的分析、实验手段•2）为系统、装置的实现提供技术支持三、计算机仿真的定义•1)仿真是利用计算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。四、计算机仿真的基本理论基础：•计算机理论（软件、硬件），•相似理论，（相似理论是仿真的核心理论）•数学理论（计算机的灵魂）•相关领域的系统科学五、仿真的工具•1）计算机（必备工具）2）物理设备（附加设备）：显示器、打印机、网络连接器、传感器、数据采集转换装置、信号放大器等六、计算机仿真的过程•仿真技术研究的核心问题是建模问题系统建立系统模型建立实验模型分析仿真结果运行试验模型完善系统模型计算机仿真过程七、计算机仿真的优点•经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用。八、计算机仿真的分类计算机仿真的分类按使用的工具1.模拟计算机仿真2.数字计算机仿真3.半实物计算机仿真按仿真的时间1.实时仿真2.非实时仿真（亚实时仿真超实时仿真）按仿真的系统1.连续系统仿真2.离散系统仿真3.采样系统仿真4.。。。1、模拟计算机•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。模拟计算机仿真特点•模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模型的运行速度与模拟机有关，而与模型的复杂程度无关。•模拟机仿真可以进行实时仿真，又可以进行非实时仿真。•易于和实物相连。和实物系统连接时不需要A/D、D/A转换装置。•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数字仿真的特点–数值计算的延迟。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。–仿真模型的数值化。仿真模型必须是离散模型。–计算精度高。–模型的运行速度不仅与计算机自身性能有关，还与模型的复杂度有关。。–利用数字计算机进行半实物仿真时需要有A/D、D/A转换装置与连续运动的实物相连接3、半实物仿真•有实物参与的计算机仿真。•半实物仿真必为实时仿真实物系统计算机采样控制A/D输出控制D/A实时数字仿真过程框图九、计算机仿真的应用•1）系统分析与设计•A）系统建立前的方案论证及可行性分析•B）设计过程中的实验验证，并进行优化设计•C)系统建成后，系统的运行状况分析。•2）在系统理论研究中的应用•3）在专职人员训练与教育方面的应用仿真培训系统十、计算机仿真的基本概念•1、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。•例如电力系统系统的阶梯组成形式维护子系统用户子系统配电子系统输电子系统发电机子系统砺磁子系统原动机子系统发电子系统电力系统5.4.3.2.3.2.1.1.2、系统研究的内容•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。e（t）RLC+-实体：电阻R；电感L；电容C和激励e（t）；属性：电荷q；电流；激励e（t）；R、L、C的数值；活动：电振荡（随时间变化）。3、影响系统活动的因素1）内部因素（内部环境）：在系统内可改变的因素；（系统参数、内部激励源）2)外部因素（外部环境）：在系统内不可改变的因素（外部对系统4、系统具有下列性质•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。•相关性反映了各组成部分相互联系、相互制约、相互依存•目的性系统要完成特定的功能。5、系统分类周期变化）统。（状态保持恒定或动态系统又称为静态系态保持不变，此时的静态系统：若系统的状态有关而且与他过去的工作状（有记忆系统）同时刻的输入，系统的状态不仅取决于动态系统：关与他过去的工作状态无无记忆系统）时刻的输入，系统的状态只取决于同即时系统：()1例题•动态系统：t很小，或e(t)为非直流和周期变化的电源•静态系统：t趋于无穷大，e(t)且为直流或周期变化的电源e（t）RLC＋－完全确定的函数关系）在（输入与状态变量不存影响系统的状态输出，环境发生不确定的变动随机系统：系统内部或有完全确定的函数关系与状态变量确定系统：系统的输入）2有限的离散系统称之输入与状态取值数字系统：之连续变化的连续系统称随时间模拟系统：输入与状态某些时间点上有值只在离散系统：输入与状态所有时间点上有值在连续系统：输入和状态）3以图示说明状态状态连续系统模拟系统非模拟系统tt状态状态数字系统非数字系统离散系统tt数）非线性方程（微分、代系统中含有非线性元件非线性系统：）线性方程（微分、代数元件皆为线性元件线性系统：组成系统的)4时间变化时变系统：系统参数随随时间变化定常系统：系统参数不）5件系统中含有分布参数元分布参数系统：为集总参数元件统的元件皆集总参数系统：组成系）6