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工程仿真是什么

工程仿真是通过数字图像建立工程系统模型并利用所建数字图像模型对实际工程系统进行实验研究的过程。

简介

利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统,又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的,静态的和动态的,连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时,仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。

简史

20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型,进行水利学方面的研究。40~50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代计算机技术的突飞猛进,为仿真技术提供了先进的工具,加速了仿真技术的发展。

利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活,而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。50年代初,连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中,人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后,又出现了混合模拟计算机仿真,以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。70年代后期,还研制成功专用的全数字并行仿真计算机(见全数字仿真计算机)。

分类

仿真可以按不同原则分类:

①按所用模型的类型(物理模型、数学模型、物理-数学模型)分为物理仿真、计算机仿真(数学仿真)、半实物仿真;

②按所用计算机的类型(模拟计算机、数字计算机、混合计算机)分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真;

③按仿真对象中的信号流(连续的、离散的)分为连续系统仿真和离散系统仿真;

④按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真(仿真时间标尺等于自然时间标尺)、超实时仿真(仿真时间标尺小于自然时间标尺)和亚实时仿真(仿真时间标尺大于自然时间标尺);

⑤按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。

模型

仿真模型是被仿真对象的相似物或其结构形式。它可以是物理模型或数学模型。但并不是所有对象都能建立物理模型。例如为了研究飞行器的动力学特性,在地面上只能用计算机来仿真。为此首先要建立对象的数学模型,然后将它转换成适合计算机处理的形式,即仿真模型。具体地说,对于模拟计算机应将数学模型转换成模拟排题图;对于数字计算机应转换成源程序。

实验

通过实验可观察系统模型各变量变化的全过程。为了寻求系统的最优结构和参数,常常要在仿真模型上进行多次实验。在系统的设计阶段,人们大多利用计算机进行数学仿真实验,因为修改、变换模型比较方便和经济。在部件研制阶段,可用已研制的实际部件或子系统去代替部分计算机仿真模型进行半实物仿真实验,以提高仿真实验的可信度。在系统研制阶段,大多进行半实物仿真实验,以修改各部件或子系统的结构和参数。在个别情况下,可进行全物理的仿真实验,这时计算机仿真模型全部被物理模型或实物所代替。全物理仿真具有更高的可信度,但价格昂贵。

工具

主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型:模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真,称为模拟仿真。在进行模拟仿真时,依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来,并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值,就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此,模拟计算机的人机交互性好,适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差,在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度,某些专用的数字计算机的速度更高,已能满足大部分系统的实时仿真的要求,由于软件、接口和终端技术的发展,人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作,充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高,只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外,仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器,如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。 仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真软件的种类很多,在工程领域,用于系统性能评估,如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。

方法

主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法,可分为两大类:连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法(见仿真方法)。人们有时将建立数学模型的方法也列入仿真方法,这是因为对于连续系统虽已有一套理论建模和实验建模的方法,但在进行系统仿真时,常常先用经过假设获得的近似模型来检验假设是否正确,必要时修改模型,使它更接近于真实系统。对于离散事件系统建立它的数学模型就是仿真的一部分。

应用和效益

仿真技术得以发展的主要原因,是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面,采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。利用飞行仿真器在地面训练飞行员,不仅节省大量燃料和经费(其经费仅为空中飞行训练的十分之一),而且不受气象条件和场地的限制。此外,在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障,培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面,采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障,一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域,而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域,如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统,很难在真实的系统上进行实验。因此,利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。

发展方向

在仿真硬件方面,从60年代起采用数字计算机逐渐多于模拟计算机。混合计算机系统在70年代一度停滞不前,80年代以来又有发展的趋势,由于小型机和微处理机的发展,以及采用流水线原理和并行运算等措施,数字仿真运算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型机 VAX 11-785和外围处理器AD-10联合工作可对大型复杂的飞行系统进行实时仿真。在仿真软件方面,除进一步发展交互式仿真语言和功能更强的仿真软件系统外,另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智能结合起来,产生具有专家系统功能的仿真软件。仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都在不断地增长,对它们的有效性和置信度的研究将变得十分重要。同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。

意义与作用

随着军事和科学技术的迅猛发展,仿真已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段,尤其是在航空航天领域,仿真技术已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段,可以取得很高的经济效益。

在研制、鉴定和定型全过程都必须全面地应用先进的仿真技术。否则,任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。

海湾战争期间“爱国者”导弹和“飞毛腿”导弹之间的较量,也反映出了仿真模拟的参与。现代战略导弹的进攻威力很大,射程很远,更要命的是常常装有多个真真假假的弹头,用来迷惑敌方,以便顺利突破敌方强大的防空网。一般说来,最先进的反导弹系统的雷达预警时间只有短短的几分钟。为了不让敌方的攻击得逞,己方必须在这短短的几分钟里迅速而正确地作出反应,识别真假弹头,算出飞行轨道,动员力量进行拦截,以确保敌弹在到达目标之前就被摧毁掉。要做到这一切,不得不发挥超大规模科学计算的能力,否则己方只能处于被动挨打的地位。在海湾战争期间,“爱国者”导弹智斗“飞毛腿”导弹,形成战争史上的奇观。“飞毛腿”导弹的水平也不一般,它的飞行速度可达 2638米/秒。