《系统建模与仿真（第2版）》 - 张晓华 - 清华大学出版社 - 香港大書城

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『簡體書』系统建模与仿真（第2版）

書城自編碼： 2723693
分類：簡體書→大陸圖書→教材→研究生/本科/专科教材
作者：张晓华
國際書號(ISBN)： 9787302422822
出版社：清华大学出版社
出版日期： 2015-12-01
版次： 2 印次： 1

書度/開本： 128开釘裝：平装

售價：HK$ 72.2

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編輯推薦：

系统建模内容丰富。包括一阶直线倒立摆自平衡式两轮电动车、水箱液位控制水轮发电机组、直流电动机PWM整流器等10余个工程案例。
虚拟样机与实物半实物仿真技术内容新颖。系统地阐述了虚拟样机建模方法、MATLAB-ADAMS联合仿真技术，以及实物半实物仿真技术应用案例。
倡导启发与探究式教学模式。每章均设立问题与探究一节，内含有相关参考文献与网上资源，为读者提供一个畅想与实践的空间。

內容簡介：

本书以MATLAB语言为平台，以工程案例教学为特色，系统地阐述了系统建模与仿真技术的基本概念、原理与方法，涉及运动控制、过程控制、电力电子与电力传动控制领域的系统建模、控制器设计与仿真实验等内容。
全书共分5章，主要包括：概述、系统建模与分析、控制系统设计与仿真、虚拟样机技术与应用、实物半实物仿真技术与应用；书中配有练习型、分析设计型、探究型习题，有助于激发读者的兴趣和进一步领会与掌握自动化领域相关课程内容。
本书系高等学校自动化专业本科生用教材，也可作为电气工程及其自动化、机械电子工程机械设计制造及其自动化等专业本科生（或研究生）“仿真技术”类课程的教学用书。

第1章概述
1.1系统的实验研究方法
1.2仿真实验的分类
1.3相似性原理
1.4系统、模型与数字仿真
1.5仿真技术的应用
1.5.1控制系统CAD
1.5.2虚拟现实
1.5.3工程应用
1.5.4几种常用的数字仿真工具软件
1.6仿真技术的发展与展望
1.7问题与探究投针实验
本章小结
习题
参考文献
第2章系统建模与分析
2.1控制系统的数学模型
2.2系统建模概述
2.3系统建模方法
2.4模型验证
2.5系统建模实例
2.5.1独轮自行车实物仿真问题
2.5.2龙门吊车运动控制问题
2.5.3水箱液位控制问题
2.5.4燃煤热水锅炉控制问题
2.5.5直流电动机转速控制问题
2.5.6三相电压型PWM整流器系统控制问题
2.6问题与探究水轮发电机系统的线性化模型
本章小结
习题
参考文献
第3章控制系统设计与仿真
3.1直流电动机转速电流双闭环控制系统设计
3.2一阶直线倒立摆系统的双闭环PID控制方案
3.3龙门吊车重物防摆的鲁棒PID控制方案
3.4自平衡式两轮电动车直行与转向复合控制系统设计
3.5龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案
3.6一阶直线双倒立摆系统的可控性研究
3.7基于经典频域法的DCDC变换器控制方案
3.8三相电压型PWM整流器的高功率因数控制方案
3.9问题与探究灵长类仿生机器人运动控制研究
本章小结
习题
参考文献
第4章虚拟样机技术与应用
4.1概述
4.2虚拟样机技术的形成、发展和应用
4.3一阶直线倒立摆的虚拟样机
4.4问题与探究球棒系统的虚拟样机研究
本章小结
参考文献
第5章实物半实物仿真技术与应用
5.1概述
5.2半实物仿真技术应用
5.2.1基于TORA的土木结构减振控制技术
5.2.2基于TORA的土木结构减振控制系统设计
5.2.3基于dSPACE半实物仿真技术的控制系统实现
5.3实物仿真技术应用
5.3.1龙门吊车实物仿真系统
5.3.2实物仿真系统的电气控制平台
5.3.3实物仿真实验
5.4问题与探究独轮自行车实物仿真
本章小结
参考文献

內容試閱：

第1章概述
1.1系统的实验研究方法在工程设计与理论学习过程中，我们会接触到许多系统的分析、综合与设计问题，需要对相应的系统进行实验研究，概括起来有解析法、实验法与仿真实验法三种实验方法。1. 解析法所谓解析法，就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析、计算。它是一种纯理论意义上的实验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。例如，在研究汽车轮子悬挂系统的减震器性能及其弹簧参数变化对汽车运动性能的影响时，可从动力学角度分析，将系统等效为图11所示模型形式，进而得出描述该系统动态过程的二阶常微分方程
ad2xdt2 bdxdt cx=Ft11
图11悬挂系统动力学模型
对于式11的分析求解显然就是一个纯数学解析问题。但是，在许多工程实际问题中，由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响例如黑箱、灰箱问题等，解析法往往有很大的局限性。2. 实验法对于已经建立的或已存在的实际系统，利用各种仪器仪表与装置，对系统施加一定类型的信号或利用系统中正常的工作信号，通过测取系统响应来确定系统性能的方法称为实验法。它具有简明、直观与真实的特点，在一般的系统分析与测试中经常采用。图12给出的是一带传动性能试验机转速控制系统，其动态性能nt及静态性能nId均可通过实验的方法测得，图13是其静特性的测量结果。
图12带传动试验机转速控制系统
图13转速控制系统静特性
但是，由于种种原因，这种实验方法在实际中常常难以实现。归纳起来有如下几方面的原因：
系统建模与仿真（第2版）
第1章概述
1 对于控制系统的设计问题，由于实际系统还没有真正地建立起来，所以不可能在实际的系统上进行实验研究。2 实际系统上不允许进行实验研究。比如在化工控制系统中，随意改变系统运行的参数，往往会导致最终产品的报废，造成巨额损失，类似的问题还有许多。3 费用过高、具有危险性、周期较长。比如：大型加热炉、飞行器及原子能利用等问题的实验研究。鉴于上述原因，在模型上进行的仿真实验研究方法逐渐成为对控制系统进行分析、设计与研究的十分有效的方法。3. 仿真实验法仿真实验法就是在模型上物理的或数学的所进行的系统性能分析与研究的实验方法，它所遵循的基本原则是相似原理。系统模型可分为两类，一类为物理模型，另一类是数学模型。例如，在飞行器的研制中，将其置放在风洞中进行的实验研究，就是模拟空中情况的物理模型的仿真实验研究，其满足环境相似的基本原则。又如，在船舶设计制造中，常常按一定的比例缩小建造一个船舶模型，然后将其置放在水池中进行各种动态性能的实验研究。这满足几何相似的基本原则，是模拟水中情况的物理模型的仿真实验研究。在物理模型上所做的仿真实验研究具有效果逼真、精度高等优点，由于造价高昂，或者耗时过长，不为广大的研究人员所接受，大多是在一些特殊场合下比如，导弹或卫星一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等采用。随着计算机与微电子技术的飞速发展，人们越来越多地采用数学模型在计算机数字的或模拟的上进行仿真实验研究。在数学模型上所进行的仿真实验是建立在性能相似的基本原则之上的。因此，通过适当的手段与方法建立高精度的数学模型是其前提条件。1.2仿真实验的分类由于仿真实验是利用模型物理的或数学的来进行系统动态性能研究的实验，其中绝大多数都要应用计算机模拟的或数字的，因此其分类方式以及相应的称呼均有所不同。
图14按模型分类的几种情况
下面仅就常用的几种情况加以说明。1. 按模型分类若仿真实验采用的模型是物理模型，则称之为物理仿真；若是数学模型，则称之为数学仿真。事实上，人们经常把仿真实验中有无实物介入以及与时间的对应关系来对模型进行分类，可归纳成图14所示的情况。由图可见，物理仿真总是有实物介入的，具有实时性与在线的特点。因此，物理仿真系统具有构成复杂、造价较高等特点，图15给出了某卫星姿态控制的实物仿真系统原理，从中可略见一斑。数学仿真是在计算机上进行的，具有非实时性与离线的特点，是一种经济、快捷与实用的实验方法。
图15卫星姿态控制的实物仿真系统原理图
本书重点讨论基于数学模型的数字仿真问题。2. 按计算机类型分类
图16模拟计算机的组成
由于数学仿真是在计算机上进行的，所以视计算机的类型以及仿真系统的组成不同可有多种仿真形式。1 模拟仿真采用数学模型在模拟计算机上进行的实验研究称为模拟仿真。模拟计算机的组成如图16所示，其中运算部分是它的核心，它是由我们熟知的模拟运算放大器为主要部件所构成的，能够进行各种线性与非线性函数运算的模拟单元。下面的例子说明了模拟仿真实验的实现过程。
例11在图11所示系统中，若初始条件为xt|t=0=xo=,xt|t=0=xo=，试分析参数B对系统振动特性的影响。解对于式11，不难确定： a=m,b=B,c=K，则有
xt=-Bmxt-Kmxt 1mft12
据式12可有图17所示的模拟仿真结构图，依据它在模拟计算机排题板上即可进行排版及作仿真实验。
图17模拟仿真结构图
若ft=1t，则当参数B取不同值时，有图18所示仿真结果。从中可见，适当选择B值可以使系统减小或消除振动，提高汽车乘坐的舒适性。这一结果与解析法分析结果是一致的。阻尼系数B值过小时系统易产生振动。
图18动态仿真结果
模拟仿真具有如下优缺点：① 描述连续的物理系统的动态过程比较自然而逼真。② 仿真速度极快，失真小，结果可信度高。③ 受元器件性能的影响，仿真精度较低。④ 对计算机控制系统采样控制系统的仿真较困难。⑤ 仿真实验过程的自动化程度较低。2 数字仿真采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算的方法所进行的仿真实验称为数字仿真。数字仿真具有简便、快捷、成本低的特点，同时还具有如下优缺点：① 计算与仿真的精度较高。由于计算机的字长可以根据精度要求来随意设计，因此从理论上讲系统数字仿真的精度可以是无限的。但是，由于受到误差积累、仿真时间等因素的影响，其精度不易定得过高。② 对计算机控制系统的仿真比较方便。③ 仿真实验的自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能。④ 计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。因此，对一些频响较高的控制系统进行仿真时具有一定的困难。随着计算机技术的发展，速度问题会在不同程度上得以改进与提高，因此可以说数字仿真技术有着极强的生命力。3 混合仿真通过上面的介绍可以看到，模拟仿真与数字仿真各有优缺点，同时其优缺点可以互补，由此就产生了将这两种方法结合起来的混合仿真实验系统，简称混合仿真，主要应用于下述情况：① 要求对控制系统进行反复迭代计算时，例如：参数寻优、统计分析等。② 要求与实物连接进行实时仿真，同时又有一些复杂函数的计算问题。③ 对于一些计算机控制系统的仿真问题。此时，数字计算机用于模拟系统中的控制器，而模拟计算机用于模拟被控对象。混合仿真集中了模拟仿真与数字仿真的优点，其缺点是系统构成复杂、造价偏高。
图19全数字仿真系统原理图
4 全数字仿真对于计算机控制系统的仿真问题，在实际应用中为简化系统构成，对象的模拟也可用一台数字计算机来实现，用软件来实现对象各种机理的模拟，如图19所示。从中可见，控制计算机系统是真实系统，即今后要实际应用的；而仿真计算机是用来模拟被控对象的，可用软件灵活构成各种线性及非线性特性，因此全数字仿真系统具有灵活、多变、构成简便的特点。
在全数字仿真中，若想进一步降低仿真系统成本，或仅用其作理论研究，则图19中的AD与DA接口电路部分可以去掉，用网络通信的方法实现控制器与模拟对象之间的信息交换，其在复杂系统数字仿真加速方法上具有独到之处。5 分布式数字仿真对于算法复杂的大型数字仿真问题，仅用一两台PC进行数字仿真往往受到速度与精度这一对矛盾因素的影响，尽管数字计算机单机的运行速度在不断提升，这一矛盾问题始终困扰数字仿真技术的推广及深入的应用。大型或巨型计算机虽然具有卓越的性能，但价格限制了其市场范围。那么如何用普通PC来解决数字仿真中的加速与精度的提高问题呢？现代计算机网络技术为其开辟了新径。图110给出了基于网络技术实现的分布式数字仿真系统。从中可见，数字仿真系统将所研究的问题分布成若干个子系统，分别在主站与各分站的计算机上同时运行，有用数据通过网络与主站进行信息交换，在网络通信速度足够高的条件下，分布式数字仿真系统具有近似的多CPU并行计算机的性能，使仿真速度与精度均可有所保证，而成本却相对低得多，这是一种简便有效的解决复杂系统数字仿真问题的方法。
图110分布式数字仿真系统
1.3相似性原理相似性是人们在认识世界过程中广泛存在的一种现象，众多科学家的发明或发现都应用到相似性原理；从1638年伽利略论述的威尼斯人在造船中应用几何相似原理、1686年牛顿在他的名著《自然哲学的数学原理》中讨论的两个固体运动过程中的相似法则，到1848年物理学家柯西Cauchy从弹性物体的运动方程导出了集合相似物体中的声学现象与规律，再到1920年前后M.B.基尔比切夫在其弹性现象中的相似性定理问题研究中使相似性原理得以逐步完善。可以说相似性原理是科学技术创新与应用的桥梁。1. 相似方式在现代实验科学中，常用的相似方式可归纳成如下几种基本类型。1 几何相似在几何学中，相似性具有多种等比特性。依据该原理，人们在风洞试验、水池船舶实验等问题的研究中广泛应用几何相似原理。图111所示的是水池船舶实验与船舶模型。
图111水池船舶实验与船舶模型
同理，在实验科学研究中还经常应用时间相似、速度相似、动力学相似等原理。2 环境相似在有人参与的仿真实验系统中例如：虚拟现实，人们往往追求耳、眼、鼻等感觉器官的真实性。因此，环境相似就成为相似方式中的重要一环，它可使仿真系统更为真实。图112给出了某大型船舶驾驶员操控培训系统的实物场景，从中可见，仿真培训系统从视觉、听觉、身体触觉等多方面达到了与真实船舶驾驶舱完全相同的境地。
图112船舶驾驶培训仿真系统
环境相似是现代仿真技术虚拟现实VR的基本要素之一。3 性能相似性能相似也称为数学相似，是指不同的问题可以用相同的数学模型来描述。图113给出了几种物理过程的性能相似原理。它是数字仿真所遵循的基本原则。
图113性能相似实例
4 思维相似人的思维方式包括逻辑思维和形象思维，在模拟人的行为的仿真实验中，应遵循思维相似的原则。逻辑思维相似主要是应用数理逻辑、模糊逻辑等理论，通过对问题的程序化，应用计算机来仿真人的某些行为，例如：专家系统、知识库、企业管理ERP等。形象思维相似主要是应用神经网络等理论来模拟人脑所固有的大规模并行分布处理能力，以模拟人的瞬时完成对大量外界信息的感知与控制的能力。5 生理相似为了有效地对人体本身进行模拟，以推进现代医学、生物学、解剖学等的发展，生理相似理论已有长足的发展如人体生理系统数学模型Human，但是，由于人体生理系统是一个十分复杂的系统，甚至还有许多机理至今尚未搞清楚，所以生理相似理论还不完善，这也是当今仿真技术中一个重要的交叉学科。2. 相似定理1 相似第一定理定理：彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则，通常称之为相似第一定理或相似正定理。对于一些复杂的问题与现象，常常存在一定的相似准则，例如，黏性不可压缩流体的稳定等温流动存在三个相似准则：
wl=常数,Pw2=常数,glw2=常数
相似准则中的物理量一般按同一点或同一状态来取，对于同一系统不同点或不同状态的相似准则具有不同数值。相似第一定理说明，实验时应测量哪些量，即必须测量各相似准则所包含的所有量，这样才可以整理出相似准则的关系式。2 相似第二定理定理：对于同一种类现象，即都被同一完整方程组所描述的现象，当单值条件相似，而且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象就必定相似，通常称之为相似第二定理或相似逆定理。可见，要实现现象相似，就必须满足如下相似条件：① 相似现象都由文字完全相同的数学方程组所描述；② 单值条件相似；③ 由单值条件的物理量组成的相似准则在数值上相等。大量实践表明，随着定性准则数量的增多，会使模型的实现愈加困难，甚至无法实现。因此，常常只保证三个以内的定性准则在数值上相等，而忽略那些对系统影响小的准则，这样使模型较容易实现。相似第二定理说明：进行模型实验必须遵守上面提到的三个相似条件。3 相似第三定理定理：描述某现象的各种量之间的关系，可表示成相似准则1,2,,n之间的函数关系，即
F1,2,,n=0
这种关系式，称为准则关系式或准则方程式。相似第三定理也称为定理。因为对于所有彼此相似的现象，相似准则都保持同样数值，所以它们的准则关系式也应是相同的。由此，如把某现象的实验结果整理成准则关系式，那么得到的这种准则关系式，就可以推广到与其相似的现象中去。相似第三定理说明应该如何整理实验结果，即必须将其整理成相似准则之间的关系式。
4 相似性原理是仿真实验所遵循的基本原则在科学史上，无数科学家发现的事实表明，源于相似理论的启示是科学与技术创新之桥梁。如今，相似理论已逐步发展成为一门独立的边缘学科，正在形成从基础科学的相似理论与相似系统理论到应用科学的相似工程学。相似理论的发展，为相似工程应用提供基础，主要表现在以下几个方面：① 相似理论是从系统的角度而非个别现象出发来研究相似问题；② 相似理论把相似性问题从概念明确提升到数值确定，把定性分析与定量计算结合起来；③ 相似理论论证了可变相似性，可进行相似性动态分析；④ 通过对不同系统间相似特性的研究，可找出系统之间的相互关系；⑤ 通过找出各种系统间存在相似性的原因，可研究相似性的形成过程和演变动力。相似系统理论是相似理论中的重要内容和理论基础。它主要从系统角度，研究各种系统间普遍存在的相似性，各种性质的共同性及差异性，揭示自然界中存在的各种相似系统的形成原理和演变规律。相似理论可以广泛地应用于科学实验中，小到分子原子，大到宇宙天体，相似理论可以帮助我们揭示事物间内在的联系以及其动力学特性。总之，相似理论是实验科学的基础，是仿真实验所遵循的基本原则。1.4系统、模型与数字仿真在进行数字仿真实验时，对实际系统的认识，对系统模型的理解以及在计算机上的实现是一个有机的整体，每个环节都不同程度地对最终结果有所影响。因此，有必要对它们深入了解与掌握。1. 系统的组成与分类所谓系统就是由一些具有特定功能的、相互间以一定规律联系着的物体又称子系统所构成的有机整体。1 组成系统的三个要素实体、属性和活动实体就是存在于系统中的具有确定意义的物体。比如电力拖动系统中的执行电动机，热力系统中的控制阀等。属性即实体所具有的任何有效特征。比如温度、控制阀的开度及传动系统的速度等。活动系统内部发生的任何变化过程称之为内部活动，系统外部发生的对系统产生影响的任何变化过程称之为外部活动。比如：控制阀的开启为热力系统的内部活动，电网电压的波动为电力拖动系统的外部活动即外部扰动。2 系统具有的三种特性整体性、相关性和隶属性整体性即系统中的各部分子系统不能随意分割。比如任何一个闭环控制系统的组成中，对象、传感器及控制器缺一不可。因此，系统的整体性是一个重要特性，直接影响系统功能与作用。相关性即系统中的各部分子系统以一定的规律和方式相联系，由此决定了其特有的性能。比如电动机调速系统是由电动机、测速机、PI调节器及功率放大器等组成，并形成了电动机能够调速的特定性能。隶属性一般情况下，有些系统并不像控制系统由人工制成的那样可清楚地分出系统的内部与外部，它们常常需要根据所研究的问题来确定哪些属于系统的内部因素，哪些属于系统的外界环境，其界限也常常随不同的研究目的而变化，将这一特性称之为隶属性。分清系统的隶属界限是十分重要的，它往往可使系统仿真问题得以简化，有效地提高仿真工作的效率。3 系统的分类系统的分类可有多种形式，下面是以时间作为依据的分类情况。系统连续系统
离散系统离散时间系统
离散事件系统
混合系统连续系统系统中的状态变量随时间连续变化的系统为连续系统。如电机速度控制系统、锅炉温度调节系统等。离散时间系统系统中状态变量的变化仅发生在一组离散时刻上的系统为离散时间系统。如计算机系统。离散事件系统系统中状态变量的改变是由离散时刻上所发生的事件所驱动的系统为离散事件系统。如大型仓储系统中的库存问题，其库存量是受入库、出库事件的随机变化的影响的。离散事件系统的仿真问题本书未涉及，有兴趣的读者可参阅有关文献。连续离散混合系统若系统中一部分是连续系统，而另一部分是离散系统，其间有连接环节将两者联系起来，则称之为连续离散混合系统。如计算机控制系统，通常情况下其对象为连续系统，而控制器为离散时间系统。本书中所述的离散系统均指离散时间系统。2. 模型的建立及其重要性1 模型系统模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们用以认识事物的一种手段或工具。
模型物理模型数学模型描述模型对于物理模型与数学模型，我们已有所了解，下面着重谈一下描述模型。所谓描述模型是一种抽象的无实体的，不能或很难用数学方法描述的，而只能用语言自然语言或程序语言描述的系统模型。
随着科学技术的发展，在许多系统中都存在着精确与实现之间的矛盾问题，即若过分追求模型的精确即严格的数学模型，则实际中往往很难实现。因此，为了有效地对一类复杂系统实现控制，人们已不再单纯地追求数学模型，而是建立起基于经验或知识的描述模型。例如，在模糊fuzzy控制系统中，人们对控制对象的描述就是一组基于经验的Ifthenelse语句的描述。描述模型是系统模型由粗向精转换过程中的一个中间模型，随着人们对系统行为的不断深入认识，其最终将被精确的数学模型所取代。2 模型的建立建立系统模型就是以一定的理论为依据把系统的行为概括为数学的函数关系。其包括以下内容：① 确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动。② 测取有关的模型数据。③ 运用适当理论建立系统的数学描述，即数学模型。④ 检验所建立的数学模型的准确性。3 系统建模的重要性由于控制系统的数字仿真是以其数学模型为前提的，所以对于仿真结果的可靠性来讲，系统建模至关重要，它在很大程度上决定了数字仿真实验的成败。长期以来，由于人们对系统建模重视不够，使得数字仿真技术的应用仅仅限于理论上的探讨，缺乏对实际工作的指导与帮助，因而在一部分人的思想概念中产生了仿真结果不可信或仿真用处不大的错误认识。现代的数字仿真技术已日趋完善地向人们提供强有力的仿真软件工具，从而对系统建模的要求越来越高，因此应予以充分的重视与熟练的掌握。3. 数字仿真的基本内容通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统、数学模型与计算机。联系这三个要素则有如下三个基本活动，即模型建立、仿真实验与结果分析。以上所述三要素及三个基本活动的关系可用图114来表示。由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模问题；将数学模型转换为可在计算机上运行的仿真模型，称为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。
图114数字仿真的基本内容
长期以来，仿真领域的研究重点一直放在仿真模型的建立这一活动上即二次模型化问题，并因此产生了各种仿真算法及工具软件，而对于模型建立与仿真结果的分析问题重视不够，因此使得当一个问题提出后，需要较长的时间用于建模。同时，仿真结果的分析常常需要一定的经验，这对于进行仿真实验的工程技术人员来讲是有困难的，容易造成仿真结果不真实，可信度低等问题。这些问题有碍于数字仿真技术的推广应用。综上所述，仿真实验是建立在模型这一基础之上的，对于数字仿真要完善建模、仿真实验及结果分析体系，以使仿真技术成为控制系统分析、设计与研究的有效工具。1.5仿真技术的应用1.5.1控制系统CAD计算机辅助设计computer aided design，CAD技术是随着计算机技术的发展应运而生的一门应用型技术，至今已有近40年的历史。1989年，美国评出了科技领域近25年间最杰出的十项工程技术成就，将CADCAM技术列为第四项，称之为推动了几乎所有设计领域的革命。工欲善其事，必先利其器，CAD技术已成为当今推动技术进步与产品更新换代的不可缺少的有力工具。1. CAD技术的一般概念1 什么是CAD技术CAD技术就是将计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力与设计者的综合分析、逻辑判断以及创造性思维结合起来，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。CAD不是简单地使用计算机代替人工计算、制图等传统的设计方法，而是通过CAD系统与设计者之间强有力的信息交互作用，从本质上增强设计人员的想象力与创造力，从而有效地提高设计者的能力与设计结果的水平。在近20年的发展历史中，汽车制造业的推陈出新、服装加工业的层出不穷，以及航空航天领域的卓越成就无不与CAD技术的发展有着密切的联系。因此，CAD技术中所涉及的设计应该是以提高社会生产力的水平、加快社会进步为目的的创造性的劳动。2 CAD系统的组成
CAD系统通常是由应用软件、计算机、外围设备以及设计者本身即用户组成的，它们之间的关系如图115所示。其中：应用软件是CAD系统的核心内容，在不同的设计领域有相应的CAD应用软件，例如，机械设计中有AutoCAD软件，控制系统设计中有MATLAB软件及相应工具箱。计算机是CAD技术的基础，随着单机性能的不断提高，CAD技术将更广泛地为各行业所采用。外围设备是人机信息交换的手段。显示技术与绘图打印技术的不断发展为CAD技术提供了丰富多彩的表现形式，在提高设计者的想象力、创造力以及最终结果的展现等方面具有重要意义。
图115CAD系统的组成
3 怎样面对CAD技术由于CAD技术涉及到数字仿真、计算方法、显示与绘图以及计算机等诸多内容，作为CAD技术的使用者，我们应注意以下几方面的问题：① 注重对所涉及内容基本概念的理解与掌握，它是我们能够进行创造性思维与逻辑推理的理论基础。② 选择数值可靠、性能优越的应用软件作为CAD系统的核心，以使设计结果具有实际意义。③ 将理论清晰、概念明确但分析计算复杂的工作交给计算机来做，作为设计者应主要从事具有创造性的设计工作。控制系统CAD作为CAD技术在自动控制理论及自动控制系统分析与设计方面的应用分支，是本门课程的另一个重要内容。2. 控制系统CAD的主要内容CAD技术为控制系统的分析与设计开辟了广阔天地，它使得原来被人们认为难以应用的设计方法成为可能。一般认为，控制系统分析与设计方法有两类，即频域法又称变换法和时域法又称状态空间法。1 频域法频域法属经典控制理论范畴，主要适用于单输入单输出系统。频域法借助于传递函数、劳斯判据、伯德图、奈奎斯特图及根轨迹等概念与方法来分析系统动态性能和稳态性能，设计系统校正装置的结构，确定最优的装置参数。2 时域法时域法为现代控制理论内容，适用于多输入多输出系统的分析与设计。其主要内容有： ①线性二次型最优控制规律与卡尔曼滤波器的设计； ②闭环系统的极点配置； ③状态反馈与状态观测器的设计； ④系统稳定性、可控性、可观测性及灵敏度分析等。此外，自适应控制、自校正控制以及最优控制等现代控制策略都可利用CAD技术实现有效的分析与设计。3. 数字仿真软件作为控制系统CAD技术中的核心内容应用软件，数字仿真软件始终为该领域研究开发的热点，人们总是以最大限度地满足使用者特别是工程技术人员方便、快捷、精确的需求为目的，不断地使数字仿真软件推陈出新。1 数字仿真软件的发展随着计算机与数字仿真技术的发展，数字仿真软件经历了以下四个阶段：① 程序编制阶段即在人们利用数字计算机进行仿真实验的初级阶段，所有问题如微分方程求解、矩阵运算、绘图等都是仿真实验者用高级算法语言如BASIC、FORTRAN、C等来编写。往往是几百条语句的编制仅仅解决了一个矩阵求逆一类的基础问题，人们大量的精力不是放在研究系统问题如何，而是过多地研究软件如何编制、其数值稳定性如何等旁支问题，其结果使得仿真工作的效率较低，数字仿真技术难以为众人所广泛应用。② 程序软件包阶段针对程序编制阶段所存在的问题，许多系统仿真技术的研究人员将他们编制的数值计算与分析程序以子程序的形式集中起来形成了应用子程序库，又称为应用软件包以便仿真实验者在程序编制时调用。这一阶段的许多成果为数字仿真技术的应用奠定了基础，但还是存在着使用不便、调用繁琐、专业性要求过强、可信度低等问题。这时人们已开始认识到，建立具有专业化与规格化的高效率的仿真语言是十分必要的，这样才能使数字仿真技术真正成为一种实用化的工具。③ 交互式语言阶段从方便人机信息交换的角度出发，将数字仿真涉及到的问题上升到语言的高度所进行的软件集成，就产生了交互式的仿真语言。仿真语言与普通高级算法语言如C、FORTRAN等的关系就如同C语言与汇编语言的关系一样，人们在用C语言进行乘或除法运算时不必去深入考虑乘法是如何实现的已有专业人员周密处理了；同样，仿真语言可用一条指令实现系统特征值的求取，而不必考虑是用什么算法以及如何实现等低级问题。曾经具有代表性的仿真语言有：瑞典Lund工学院的SIMNON仿真语言、IBM公司的CSMP仿真语言以及ACSL、TSIM、ESL等。20世纪80年代初，由美国学者Cleve Moler等人推出的交互式MATLAB语言以它独特的构思与卓越的性能为控制理论界所重视，现已成为控制系统CAD领域最为普及与流行的应用软件。④ 模型化图形组态阶段尽管仿真语言将人机界面提高到语言的高度，但是对于从事控制系统设计的专业技术人员来讲还是有许多不便，他们似乎对基于模型的图形化如框图描述方法更亲切。随着视窗Windows软件环境的普及，基于模型化图形组态的控制系统数字仿真软件应运而生，它使控制系统CAD进入到一个崭新的阶段。目前，最具代表性的模型化图形组态软件当数美国Math Works软件公司1992年推出的Simulink，它与该公司著名的MATLAB软件集成在一起，成为当今最具影响力的控制系统CAD软件。2 MATLABMATLAB是美国Math Works公司的软件产品。20世纪80年代初期，美国的Cleve Moler博士数值分析与数值线性代数领域著名学者在教学与研究工作中充分认识到当时的科学分析与数值计算软件编制工作的困难所在，便构思开发了名为Matrix Laboratory矩阵实验室的集命令翻译、科学计算于一体的交互式软件系统，有效地提高了科学计算软件编制工作的效率，迅速成为人们广泛应用的软件工具。MATLAB作为原名的缩写成为后来由Moler博士及一批优秀数学家与软件专家组成的Math Works公司软件产品的品牌。尽管MATLAB一开始并不是为控制系统的设计者们设计的，但是它一出现便以其语言化的数值计算、较强的绘图功能、灵活的可扩充性和产业化的开发思路很快就为自动控制界研究人员所瞩目。目前，在自动控制、图像处理、语言处理、信号分析、振动理论、优化设计、时序分析与统计学、系统建模等领域，由著名专家与学者以MATLAB为基础开发的实用工具箱极大地丰富了MATLAB的内容，使之成为国际上最为流行的软件品牌之一。应该指出的是，尽管MATLAB在功能上已经完全具备了计算机语言的结构与性能，人们将其简称为MATLAB语言，但是由于其编写出来的程序并不能脱离MATLAB环境而独立运行，所以严格地讲，MATLAB并不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。3 SimulinkSimulink是美国Math Works软件公司为其MATLAB提供的基于模型化图形组态的控制系统仿真软件，其命名直观地表明了该软件所具有的simu仿真与link连接两大功能，它使得一个复杂的控制系统的数字仿真问题变得十分直观而且相当容易。例如，对于图116所示的高阶PID控制系统，采用Simulink实现的仿真界面如图117所示。
图116PID控制系统结构图
图117PID控制系统的Simulink实现
值得一提的是，图117所示的仿真实现过程全部是在鼠标下完成的，从模型生成、参数设定到仿真结果的产生不过几分钟的时间，即使再复杂一些的系统仿真问题所需的时间也不会太多。Simulink使控制系统数字仿真与CAD技术进入到人们期盼已久的崭新阶段。有关MATLAB与Simulink进一步的内容，本书在后续章节中将有进一步的介绍。
1.5.2虚拟现实虚拟现实（virtual reality,VR）是仿真实验的高级形式，通过虚拟现实技术在仿真系统中的应用，能使仿真过程可视化，使人体会到仿真实验的真实性，有助于人们的创造性与想象力的发挥。1. 系统仿真与虚拟现实系统仿真实验是以科学规律为基础，以系统模型为对象，通过对真实世界的科学抽象与数学模拟来揭示其内在规律；传统系统仿真实验的数学表现形式单一数据或曲线，不便于人们对事物内在本质的再认识与创意的发挥。虚拟现实是在建模技术、计算机技术、图形技术、传感技术、显示技术等多种学科技术上发展起来的综合性技术。它追求的是人们对已知或未知世界的真实再现，着眼于利用各种新技术或新手段使表现形式更加有效与真实。虚拟现实技术在系统仿真实验中的应用，可使仿真实验的结果更加直观、生动而有效，有利于仿真技术在生活、工业、军事等领域的广泛应用。2. 虚拟现实系统的组成如图118所示，虚拟现实系统通常由感知设备、计算机、人机交互界面、系统表现装置以及网络设备组成。
图118虚拟现实系统
1 感知设备① 视觉传感器如平面CCD、三维视觉等；② 听觉传感器如三维多维声道感应器、专用音频转换器等；③ 位置传感器如数据手套衣装图119，用以实现人在虚拟世界中的位置信息刻画；④ 触觉传感器如基于应变片、压力弹簧、压电复合材料图120等触觉传感器，用于表现虚拟环境下人的行为动作。
图119数据手套
图120压电复合材料
2 表现装置① 音响装置如多通道音响播放设备，用以模拟虚拟环境下的音响效果。② 视觉装置如立体宽视场头盔显示器图121，180环形显示屏等设备，用以模拟虚拟环境下的视觉效果。③ 运动装置如六自由度运动转台图122，用以模拟虚拟环境下的运动振动等特性。
图121头盔显示器
图122六自由度运动转台
3 计算机系统用以实现虚拟现实系统中的运动学、动力学以及逻辑推理等仿真算法的计算与信息处理。4 人机交互设备如显示器、键盘、三维鼠标等外围设备，用以实现软件编制、算法生成等工作。5 网络设备用以实现虚拟现实与仿真实验过程的运动监控与联合管理。3. 虚拟现实技术的特征图123给出了虚拟现实技术的三大基本特征，即3IImmersion沉浸感、Interaction交互性、Imagination想象力。
图123虚拟现实技术的基本特征
沉浸感是指人作为主角存在于虚拟环境中的真实程度；虚拟现实技术很大程度就是追求沉浸感，即逼真程度。交互性是指人作为虚拟环境中的一员对环境中的事与物的可操作性或可干预性；交互性的好坏反映了基于虚拟现实技术的产品性能的高低。想象力是指人处于虚拟环境中所激发出的创造能力或创造意识。能够最大程度上激发人的创造力与创造性思维，是虚拟现实技术在实际应用中所追求的目标。4. 虚拟现实仿真技术20世纪80年代初，虚拟现实这一概念一经推出，就在系统仿真领域中产生了巨大的影响。20多年来，虚拟现实技术与仿真技术相结合使得系统仿真结果在表现形式上更加逼真、形象，使人富有想象；而系统仿真技术在虚拟现实中的应用如运动学、动力学等原理的应用使得虚拟现实技术得以更广泛地应用如影视特技、电脑游戏等。下面是虚拟现实仿真技术在自动化领域中的几个典型应用。1 虚拟样机现在，人们可以借助于虚拟现实仿真工具软件如ADAMS来制造机械部件、设备、车辆甚至飞行器的虚拟样机，在计算机上对样机进行各种动态静态性能的测试。目前，虚拟样机制造的准确性可达95%以上，可广泛应用于制造业和科研工作中。图124给出的是月球车的实物样车与虚拟样车的越障动力学实验情况。
图124月球车的实物样车与虚拟样车的越障动力学实验
2 虚拟制造在现代工业设计、机械设计等领域，人们可广泛应用虚拟现实工具软件如ProE、Auto CAD进行机械部件或复杂机械装配机构的虚拟制造，在计算机上进行三维运动学实验与装配实验，以检查设计的有效性。图125给出的是管内移动机器人对接自救机构的外形与装配图。
图125管内移动机器人对接自救机构的外形与装配图
3 虚拟环境在现代艺术设计、影视艺术设计以及平面艺术设计等领域，人们也已广泛应用虚拟现实仿真工具软件如VRML、3DSMAX等进行虚拟环境与场景的设计，以有效增强作品的感染力或仿真环境的真实性。图126给出的是探路者号火星漫游车在进行陆上虚拟仿真实验时的虚拟环境与实物实验情况。
图126探路者号火星漫游车陆上虚拟仿真实验与实物实验
1.5.3工程应用现代仿真技术经过近50年的发展与完善，已经在各行业做出卓越贡献，同时也充分体现出其在科技发展与社会进步中的重要作用。1 航空与航天工业对于航空航天工业的产品来说，系统的庞杂、造价的高昂等因素促成了其必须建立起完备的仿真实验体系。在美国，1958年所进行的四次发射全部失败了，1959年的发射成功率也不过57%。通过对实际经验的不断总结，美国宇航局逐步建立了一整套仿真实验体系，到了60年代成功率达到79%，在70年代已达到91%，近年来，其空间发射计划已很少有不成功的情况了。英、法两国合作生产的协和式飞机，由于采用了仿真技术，使研制周期缩短了18~16，节省经费15%~25%。目前，我国及世界各主要发达国家的航空航天工业均相继建立了大型仿真实验机构，并形成了三级仿真实验体系如图127所示，以保证飞行器从设计到定型生产过程的经济性与安全性。
图127飞行器设计的三级仿真体系
此外，近年来在飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器方面相继研制出多种产品，主要包括计算机系统、六自由度运动系统、视景系统计算机成像等设备，收到了方便、经济、安全的效果。2 电力工业电力系统是最早采用仿真技术的领域之一。在电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流等方面，国内较早地采用了数字仿真技术，取得显著的经济效益。在三峡水利工程的子项目大坝排沙系统工程设计中，设计人员也采用了物理仿真的方法，取得了较完善的研究成果。近年来，国内在电站操作人员培训模拟系统的研制上，达到国际先进水平，为仿真技术的应用开辟了广阔的前景。3 原子能工业由于能源的日趋紧张，原子能的和平利用在世界范围内为人们广泛重视。随着核反应堆的尺寸与功率的不断增加，使得整个原子能电站运行的稳定性、安全性与可靠性等问题成为必须要解决的问题。因此，几乎大部分核电站都建有相应的仿真系统，许多仿真器是全尺寸的，即仿真系统与真实系统是完全一致的，只是对象部分，如反应堆、涡轮发电机及有关的动力装置是用计算机来模拟的。核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理，对于保证系统的安全运行是十分重要的。目前，我国及世界各主要核技术先进国家在这方面均建立了相当规模的仿真实验体系，并取得了可观的成果。4 石油、化工及冶金工业石油、化工生产过程中有一个显著的特点就是过程缓慢，而且往往过程控制、生产管理、生产计划、经济核算等搅在一起，使得综合效益指标难以预测与控制。因此，仿真实验成为石油、化工及冶金系统设计与分析研究的基本手段，仿真技术对这些领域的技术进步也不同程度地起到了促进作用。5 非工程领域① 医学仿真技术在病变模型的建立、治疗方案的寻优、化疗与电疗强度的选择以及最佳照射条件等方面的应用，可为患者减少不必要的损失，为医生提供参考依据。② 社会学在人口增长、环境污染、能源消耗以及病情防疫等方面，利用仿真技术可有效解决预测与控制问题。例如，我国人口模型的建立与研究，预测了未来100年我国人口发展的趋势，从而为计划生育控制策略的提出以及相关问题的解决起到了重要作用。此外，工业化、人口、环境这三个人类发展不容回避的问题日益引起人们的关注，如何建立相互制约的关系体制，走出一条可持续发展的良性循环的道路是近年来人们应用仿真技术进行研究的热点之一。③ 宏观经济与商业策略的研究随着人类经济发展的多元化与商业贸易的复杂化，在金融、证券、期货以及国家宏观经济调控等方面，数字仿真技术已成为不可缺少的有力工具。1.5.4几种常用的数字仿真工具软件目前，在自动化领域内应用的仿真软件较多。除了前面介绍的MATLAB软件以外，还有如下几种常用的仿真工具软件。1 ADAMS机械系统动力学自动分析软件Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS是美国MDI公司Mechanical Dynamics Inc.开发的著名的虚拟样机分析软件后来被美国著名仿真分析软件公司MSC收购。目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件占据了销售总额近8000万美元的51％份额。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。进一步了解ADAMS请登录网站： www.msc.com。2 SaberSaber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件。Saber曾几易其主，2002年新思公司并购了当时拥有Saber的Avant!公司，将其收入囊中。作为一种系统级仿真软件，Saber拥有先进的原理图输入、数据可视化工具、大型混合信号、混合技术模型库以及强大的建模语言和工具组合功能，可以满足用户多种复杂的仿真需求。此外，Saber拥有大型的电气、混合信号和混合技术模型库，能够满足机电一体化和电源设计的需求。该模型库向用户提供不同层次的模型，支持自上而下或自下而上的系统仿真方法。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用MAST硬件描述语言和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使仿真速度更快、更有效。Saber可以同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真，对包含有Verilog或VHDL编写的模型的仿真设计。Saber能够与通用的数字仿真器相连接，包括Cadence的VerilogXL、Model Technology的ModelSim和ModelSim Plus、Innoveda的Fusion仿真器。由于MATLAB软件的仿真工具Simulink在软件算法方面有优势，而 Saber在硬件方面出色，将二者集成为SaberSimulink进行协同仿真。Saber可以分析从SOC到大型系统之间的设计，包括模拟电路、数字电路及混合电路。它通过直观的图形化用户界面全面控制仿真过程，并通过对稳态、时域、频域、统计、可靠性及控制等方面的分析来检验系统性能。Saber产品被广泛应用于航空航天、船舶、电气电力电子、汽车等设计制造领域。在电源和机电一体化设计方面，Saber是主流的系统级仿真工具。进一步了解Saber请登录网站： www.jialingint.comsaber.htm。3 PSPICE用于模拟电路仿真的SPICESimulation Program with Integrated Circuit Emphasis软件1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 9.0。与传统的SPICE软件相比，PSPICE 9.0在三方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。虽然PSPICE应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于SPICE软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。PSPICE采用变步长算法，对于以周期性的开关状态变化的电力电子电路，会将大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，有时甚至不收敛。另外，在磁性元件的模型方面PSPICE也有待加强。进一步了解PSPICE请登录网站： www.orcad.com。4 ANSYSANSYS软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，对于求解热结构耦合、磁结构耦合以及电、磁、流体、热耦合等多物理场耦合问题具有其他软件不可比拟的优势。该软件可用于固体力学、流体力学、传热分析以及工程力学和精密机械设计等多学科的计算。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示可看到结构内部等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。进一步了解ANSYS请登录网站： www.ansys.com.cn。5 MSC.PATRANMSC.PATRAN最早由美国宇航局NASA倡导开发, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集成，构成一个完整CAE集成环境。并行CAE工程的设计思想使MSC.PATRAN从另一个角度上打破了传统有限元分析的前后处理模式, 其独有的几何模型直接访问技术direct geometry access,DGA为基础的CADCAM软件系统间的几何模型沟通, 及各类分析模型无缝连接提供了完美的集成环境。使用DGA技术,应用工程师可直接在MSC.PATRAN框架内访问现有CADCAM系统数据库,读取、转换、修改和操作正在设计的几何模型而无须复制。MSC.PATRAN支持的不同的几何传输标准, 包括Parasolid、ACIS、STEP、IGES等格式。有限元分析模型可从 CAD 几何模型上快速地直接生成, 用精确表现真实产品设计取代以往的近似描述,省去了在分析软件系统中重新构造几何模型的传统过程, MSC.PATRAN所生成的分析模型包含直接分配到CAD几何上的载荷、边界条件、材料和单元特性将驻留在MSC.PATRAN的数据库中, 而CAD几何模型将继续保存在原有的CADCAM系统中, 当相关的设计模型存储在MSC.PATRAN中并生成有限元网格时, 原有的设计模型将被标记。设计与分析之间的相关性可使用户在MSC.PATRAN中迅速获知几何模型的任何改变, 并能重新观察新的几何模型，确保分析的精度。进一步了解MSC.PATRAN请登录网站：www.mscsoftware.comproductsproducts_detail.cfm?PI=6。1.6仿真技术的发展与展望近50年来，计算机仿真技术从萌生到发展，再到当今各领域的广泛应用，充分说明了仿真技术的实用性与市场需求对它的牵引作用。1. 仿真技术的发展历程仿真实验方法最早可以追溯到1773年，法国自然学家G.L.L.Buffon为了估计值所进行的投针实验参见1.7节；该实验方法又称为蒙特卡罗法，它是一种通过随机数做实验来求解随机问题的实验技术。1876年，W.S.Gosset应用蒙特卡罗实验方法证明了他的t分布法，尽管还不是十分精确，但毕竟为实验证明提供了一种实用可行的方法。20世纪40年代，计算机的出现为仿真实验技术的发展开辟了道路，数学模拟开始在美国的一些大学和科研机构逐步开展起来。1955年，数字计算机的程序编制还处于汇编语言阶段，仿真程序编制的困难限制了数字仿真技术的广泛应用；而此时，应用模拟计算机对自动控制理论的仿真研究却取得了长足的进步。1966年，雷诺T.H.Naylor在其专著中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。这一论述标志着仿真实验作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。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、DSL90、CSSL、CSMP等为数字仿真技术的广泛应用奠定了基础;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。进入20世纪80年代，随着冷战的加剧与军事工业的需求，仿真技术得以快速发展。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，它可将分散在各地的仿真器，同计算机网络连接起来，以进行各种复杂作战任务的训练模拟； 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； 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的实时仿真。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。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，为虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应用推波助澜。1993年，中国银河仿真Ⅱ型机研制成功，达到国际先进水平； 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。尽管我国从20世纪70年代后期才开始引进、跟踪和发展仿真技术，但是，经过20多年的努力，我国的仿真技术从理论研究到实际应用都已达到与世界同步的水平。目前，在教育科研、生产制造、民用娱乐、军事装备以及企业经济管理等许多领域，仿真技术成为不可缺少的重要工具。2. 应用仿真技术的重要意义由于仿真技术具有经济、安全、快捷的优点以及其特殊的用途，使得其在工程设计、理论研究、产品开发等方面具有重要意义。1 仿真技术的优点① 经济对于大型、复杂系统，直接实验的费用往往是十分昂贵的，如空间飞行器一次飞行实验的成本大约在1亿美元左右，而采用仿真实验方法仅需其成本的110~15，而且设备可以重复使用。这类例子很多，读者不妨自己想一想。② 安全对于某些系统如载人飞行器、核电装置等，直接实验往往存在很大危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。③ 快捷在系统分析与设计、产品前期开发以及新理论的检验等方面，采用仿真技术或CAD技术可使工作进程大大加快，在科技飞速发展与市场竞争日趋激烈的今天，这一点是非常重要的。例如，现代服装设计采用仿真与CAD技术，使得设计师能够在多媒体计算机上实现不同身材、不同光照、不同色彩以及不同风向条件下所设计时装各种情况的展示，极大地促进了时装业的创新，有利于企业在激烈的市场竞争中处于不败之地。2 仿真技术的特殊功能应用仿真技术可实现预测、优化等特殊功能。① 优化在真实系统上进行结构与参数的优化设计是非常困难的，有时甚至是不可能的。在仿真技术中应用各种最优化原理与方法实现系统的优化设计，可使最终结果达到最佳，对于大型复杂系统问题的研究具有重要意义。② 预测对于一类非工程系统如社会、经济、管理等系统，由于其规模及复杂程度巨大，直接进行某种实验几乎是不可能的，为减少错误的方针策略在以后的实践中所带来的不必要的损失，可以应用仿真技术对所研究系统的特性及其对外界环境的影响等问题进行预测，从而取得超前的认识，对所研究的系统实施有效的控制。仿真与CAD技术对科技进步与产业发展有着不可估量的作用和意义，我们对它应予以足够的重视。3. 仿真技术的发展趋势1 在硬件方面，基于多CPU并行处理技术的全数字仿真系统将有效提高仿真系统的速度，从而使仿真系统的实时性得以加强。2 随着网络技术的不断完善与提高，分布式数字仿真系统将为人们广泛采用，从而达到投资少、效果好的目的。3 在应用软件方面，直接面向用户的高效能的数字仿真软件将不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。4 虚拟现实技术的不断完善，为控制系统数字仿真与CAD开辟了一个新时代。例如，在飞行器驾驶人员培训模拟仿真系统中，可采用虚拟现实技术，使被培训人员置身于模拟系统中就犹如身在真实环境里一样，使得培训效果达到最佳。虚拟现实技术是一种综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多种学科而发展起来的高新技术。5 随着FMS与CIMS技术的应用与发展，离散事件系统越来越多地为仿真领域所重视，离散事件仿真从理论到实现给我们带来许多新的问题。随着管理科学、柔性制造系统、计算机集成制造系统的不断发展，离散事件系统仿真问题将越来越显示出它的重要性。6 系统建模与仿真技术的不断发展，将会促使诸如宇宙的起源、社会的发展、未来的战争以及新材料的开发等科学难题的研究得以有效开展。1.7问题与探究投针实验［2327］1. 问题提出在人类的数学文化史中，对圆周率精确值的追求吸引了许多学者的研究兴趣。在众多的圆周率计算方法中，最为奇妙的是法国物理学家布丰Boffon在1777年提出的投针实验。与传统的割圆术等几何计算方法不同的是，投针实验是利用概率统计的方法计算圆周率的值，进而为圆周率计算开辟了新的研究途径，也使其成为概率论中很有影响力的一个实验。投针实验的具体做法是如图128所示：在一个水平面上画上一些平行线，使它们相邻两条直线之间的距离都为a；然后把一枚长为l0la的均匀钢针随意抛到这一平面上。投针的结果将会有两种，一种是针与这组平行线中的一条直线相交，一种是不相交。设n为投针总次数，k为相交次数，如果投针次数足够多，就会发现公式2lnak计算出来的值就是圆周率。当然计算精度与投针次数有关，一般情况下投针次数要到成千上万次，才能有较好的计算精度。有兴趣的读者可以耐心地做一下这个实验。
图128投针实验原理图
2. 问题分析从本质上看，上述的投针实验具有朴素的离散事件系统仿真的思想。如果按照布丰的做法，进行成千上万次的投针实验和手工计算，势必要消耗大量的人力、物力和财力。而通过类比的研究方法，在对实验进行系统建模的基础上，使用计算机进行系统仿真实验，以此来进行投针实验，将使得该问题变得非常简单。同时，还可以看到，有意识地运用类比研究方法将有助于掌握复杂事物的内在规律，显著提升数学建模能力。数学建模的过程蕴含着许多重要的数学思想和方法，其中类比方法是最重要也是最有效的一种。类比建模的过程可表述为：根据已掌握的对客观事物的经验与认识，通过抽象分析运用数学语言、数学符号、数学公式等数学概念来表达这些量，从多种复杂因素中抽取主要因素，忽略次要因素，抓住事物的本质特征，运用一系列等式或不等式来表达各个量之间的关系，建立起研究对象的数学模型。基于对上述问题的分析与理解，请读者利用MATLAB语言自己进行系统建模与数字仿真实验，来检验这一方法的有效性。3. 几点讨论1 你能否对投针实验给出一种简单形象的解释，其道理为何？2 何谓离散事件？为什么说投针实验的数字仿真可称为离散事件仿真问题？它与连续系统的仿真问题有何不同？3 何谓类比研究方法？你能给出几个典型的例子吗？
本章小结本章就仿真技术所涉及到的基本概念、发展状况等问题进行了概括的介绍，归纳起来有如下几点：1 仿真是对系统进行研究的一种实验方法，数字仿真具有经济、安全、快捷的优点。2 仿真实验所遵循的基本原则是相似原理。3 仿真实验是在模型上进行的，建立系统模型是仿真实验中的关键内容，因为它直接影响仿真结果的真实性与可靠性。4 系统模型分为物理模型、数学模型及描述模型，根据所采用模型的不同，有实物仿真、半实物仿真、数字仿真等类型。5 系统、模型与计算机是数字仿真的三个基本要素，建模、仿真与结果分析是其三项基本活动，在仿真实验中应充分重视建模与结果分析环节。6 CAD技术推动了设计领域的革命，是系统分析与设计的有力工具。7 MATLAB与Simulink是当今广泛为人们所采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件，应熟练掌握。8 虚拟现实技术是一门综合性的交叉学科，具有更广阔的研究与发展前景，应给予充分重视。习题11什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？12在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别？各有什么特点？13数字仿真包括哪几个要素？其关系如何？14为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何？15什么是CAD技术？控制系统CAD可解决哪些问题？16什么是虚拟现实技术？它与仿真技术的关系如何？17什么是离散系统？什么是离散事件系统？如何用数学的方法描述它们？18如图129所示某卫星姿态控制仿真实验系统，试说明：
图129题18卫星姿态控制仿真实验系统
1 若按模型分类，该系统属于哪一类仿真系统？2 图中混合计算机部分在系统中起什么作用？3 与数字仿真相比较，该系统有什么优缺点？参考文献
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