仿真和虚拟教学.ppt

仿真技术是近几十年发展起来的一门综合性、新技术学科,它为对系统进行研究、分析、设计、决策等提供了先进的手段。
在科学研究及生产实践中，由于受到客观条件（如经济、安全、时间等）的限制，常常不能对所研究的对象直接进行试验。在这种情况下，可以采用间接试验的方法，即建立一个与所研究系统相似的模型，通过模型间接地研究原系统。这种间接试验技术就是仿真技术。
仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一。
追击敌机问题
已知：敌机在100KM高空，以20KM/min的速度匀速直线行驶。
假设：（1）只要两机相距在10公里之内，我机就可以摧毁敌机；
（2）如果10分钟之内没有捕捉到，就认为失败。
问：我方飞机应以怎样的速度，沿着什么航线飞行，需要多长时间可捕捉到目标。比如我机以30KM/min的速度，每1分钟改变一次方向，能不能捕捉到？我机以40KM/min的速度，每2分钟改变一次方向，能不能捕捉到？第一章计算机仿真概念及其实现§1-1系统、模型与仿真一、系统（System）二、模型（Model）三、仿真（Simulation）§1-2计算机仿真一、计算机仿真的过程、步骤二、计算机仿真的分类三、计算机仿真的优点及特殊功能四、系统仿真的应用及发展五、仿真软件§1-1系统、模型与仿真

一、系统（System）
1．定义
所谓“系统”是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标。

2．分类
通常，根据系统的物理特征，可将系统分为两大类：

例如，图1所示的加热炉温度调节系统就是一个工程系统。图2所示的工厂系统则是一个经济管理系统——非工程系统。

3．构成系统的三大要素：实体、属性、活动

二、模型（Model）

1．定义
所谓“模型”就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。

2．模型的作用

系统实验研究的两种方式：①直接在真实系统上进行（通常都不采用，因为…）②在模型上进行（在模型上做实验是对系统进行分析、研究的十分有效的手段。）

3．模型的分类

§1-2计算机仿真

一、计算机仿真的过程、步骤

计算机仿真的整个过程可用图2—1所示的流程图说明。

二、计算机仿真的分类

1．根据被研究系统的特征可以分为两大类：
①连续系统仿真——数学模型能用一组数学方程式来描述
②离散事件系统仿真——数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。

2．根据所用计算机的类型可以分为如下三类：
①模拟计算机仿真——基于数学模型相似原理，仿真主要工具是模拟计算机
特点：运算速度快（并行计算），但计算精度较低（一般为千分之几），而且自动化程度低（如：有时需操作员去接线）。
②数字计算机仿真——基于数值计算原理，仿真主要工具是数字计算机。
特点：计算精度高（一般小型机也可达到6～7位有效数字），但运算速度较慢（串行运算）。
③模拟—数字仿真——将模拟仿真与数字仿真相结合的一种方法。
特点：兼有两者的优点，可用于实时仿真，但价格昂贵。三、计算机仿真的优点及特殊功能

四、系统仿真的应用及发展

1．系统仿真的应用2．系统仿真的发展

50年代以前：物理仿真
50年代：主要是模拟计算机仿真，数字计算机仿真刚刚开
始发展
60～70年代：数字计算机仿真与模拟—数字仿真都得到迅
速发展
80年代以来：数字仿真技术得到普及
未来的发展趋势：①改善建模环境；
②开发仿真数据库；
③在仿真中应用动画图形技术；
④研制专家系统；
⑤虚拟现实技术五、数字仿真软件的发展

自1955年第一个仿真软件问世以来，按照新事物出现的时间顺序，发展分为四个阶段：
1）程序编制阶段；
采用计算机高级语言（如FORTRAN、BASIC、C等），即使是一个很简单的系统，程序也会很长，难于调试。
2）程序软件包阶段；
将仿真程序中常用的程序段落编成子程序或过程，用于系统仿真的各种不同问题中。
3）专用计算机仿真语言阶段；
将一大类仿真问题，编写一个通用的主程序，用户只需将必要的参数填进去，经执行就能得到所需结果。（如连续系统仿真语言CSSL、离散事件系统仿真语言GPSS）
4）模块化图形组态阶段；
小结：
1．系统、模型与仿真
2．仿真、计算机仿真（数学仿真）、数字计算机仿真
3．仿真、实际系统、解析法三者的比较

下表列出了利用实际系统或利用解析方法和利用仿真技术的比较可见，仿真技术在可能性、安全性、准确性、方便性方面具有明显优点，在经济性、耗时性方面不如解析方法。因此在可能采用解析法并允许有一定误差时宜采用解析方法；在要求十分准确或建模有一定困难时宜采用实际系统；其他情况应尽量采用系统仿真技术。