第章计算机辅助设计与仿真技术概述.ppt

第1章系统仿真技术概述1.1计算机仿真技术
1.1.1“仿真”一词的由来
计算机问世不久，人们就消楚地看到这种新机器给很多问题的求解带来了异常的生机，但最初计算机在人类的科学工程活动中的作用是有限的，它仅仅作为一部强有力的、高速的、不会说话的机器。如在美国宾西法尼亚州诞生于1946年的世界上第一台电脑，名叫埃尼阿克，称为“电子数值积分和计算机”(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator简称ENIAC)。于1946年2月15日在美国举行了揭幕典礼，该计算机占地面积170平方米，总重量30吨，使用了18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线，耗电量140千瓦，可进行5000次/秒加法运算。
这台计算机的体积足有两间房子那么大，但比之前由法国的一位数学家“巴斯卡”所发明的一种叫“加法器”后又渐渐改良可做+、-、*、/四则运算的“差分机”来说，计算速度更快，所以，这台计算机最初被用来计算导弹轨迹。随着计算机的日益完善，许多复杂的模型可以通过计算机来进行计算求解，己在科学技术中的作用也与日俱增，并把模型求解的手段发展成为现代的计算机仿真技术，这样才真正诞生了“仿真”一词。
计算机仿真技术有着巨大的优越性：
利用它可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；
利用它可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；
利用它可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而可以节省大量的资源和费用。“仿真”
——仿真一词即是模仿真实的意思。多数人认为仿真就是程序的运行，该程序表示了一个抽象的模型，用来研究现实系统的一些特征。
1.1.2仿真活动
——可认为就是支持模型建立与模型分析的所有计算。在科学工程方法中，模型建立阶段和模型分析阶段具有同等重要的价值。1.1.3计算机出现之前的仿真
在计算机出现之前，科学研究中的绝大部分工作是利用数学手段或其他方法对事物或真实世界进行描述，即旧的建模活动。
1.1.4计算机出现之后的仿真
随着科学和工程技术的发展，人们认识自然和改造自然的能力和手段也不断增强。回顾科学和工程技术的发展历史,计算机的出现对科学和工程技术的发
展产生了深远的影响，使人们能对复杂事物和复杂系统建立模型,并利用计算机进行求解，这些手段和方法逐步形成了计算机仿真技术。建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容，建模与仿真技术已渗透到各学科和工程技术领域。
可见建模与仿真领域的发展可分为两个阶段：
其一是,计算机出现之前，主要是在物理科学基础上的建模；
其二是,20世纪40年代计算机诞生以后，出现了——是指构造现实世界实际系
统的模型，在计算机进行模仿
实际系统的有关复杂过程。其中，系统数学模型可分为机理模型、统计模型和混合模型三种。常用的数理统计分析方法有最大似然概率估算法，
最大似然概率辨识法等。计算机1.1.7仿真的基本原则数学仿真（2）按计算机类型分类，仿真可分为以下几种：(b)数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。（60年代）
数字仿真的优点是:计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度是无限制的，但是由于受到误差积累、仿真时间等因素影响，其精度也不易定得太高。
数字仿真对计算机控制系统的仿真较方便。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。计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”
会在不同程度上有所改进与提高。
数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员
用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。
(c)混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。
(d)现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，并且易学。（80年代以来）1.1.9自动控制系统的建模与仿真
自动控制系统的建模与仿真是一门涉及到计算机技术、计算数学、控制理论、系统辨识、控制工程以及系统科学的综合学科。
它以控制系统的分析、研究、计算、综合设计以及自动控制的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段。由于我们所面临的工程问题越来越复杂，计算机仿
真是一门综合性的新学科，它取决于计算机工具本身硬
件与软件的发展，又依赖于仿真计算方法在精度与效率
方面的研究与提高，还要服从于计算机仿真对象学科领
域的发展需要,所以,计算机仿真是多种学科互相渗透、
相互融合又与多种学科相关联的边缘科学。如何利用电脑来分析及解决工程问题，已是当今工程师的必要工具。如何善用电脑应用软件来帮助分析工程问题，将是各位同学往后所要学习的重点，也是本课程的目的。
1.2工程问题的解决方式1.3 计算机辅助设计