
仿真技术
仿真技术是套用仿真硬体和仿真软体通过仿真实验,藉助某些数值计算和问题求解,反映系统行为或过程的仿真模型技术。仿真技术在20世纪初已有了初步套用。如在实验室中建立水利模型,进行水利学方面的研究。20世纪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。20世纪60年代计算机技术的突飞猛进提供了先进的仿真工具,加速了仿真技术的发展。
基本介绍
- 中文名:仿真技术
- 仿真工具:仿真硬体和仿真软体等
- 套用领域:社会、经济、生物等领域
- 发展方向:将仿真技术和人工智慧结合起来
简介
信息处理技术 和网路技术的发展,实际上已经完全改变为仿真的概念。将先进的仿真技术与网路技术相结合,由真实装备和计算机仿真系统综合仿真系统组成仿真环境,用计算机网路把新武器系统和分散在不同地点的研製者、用户联 系在一起,让用户在仿真环境中提前“使用”正在研製的武器,让研製者能提前了解武器的作战使用,双方共同 研究,及时发现和解决问题。这样不仅加快了武器系统的研製进度,也缩短了新武器形成战斗力的时间。在部 队训练方面,仿真技术同样大有用武之地。美国陆军到 80年代末,训练士兵还是採用野战训练和模拟训练两种方 法。野战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大,场地、都有困难,组织大规模演习费时又费力;模拟训练,所用的 模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题,美国国防部高级研究计画局1983年开始实施 模拟器联网计画,把分散在各地的训练器用计算机联成网路,形成分散式互动仿真,实现异地联通与互操作。仿 真技术是一项国防关键技术,对提高武器系统的研製效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用 ,已成为已开发国家实现质量建军的一种重要手段。
仿真工具
主要指的是仿真硬体和仿真软体。仿真硬体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线起来,并调整有关的係数器。改变运算放大器的连线形式和各係数的调定值,就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此,模拟计算机的人机互动性好,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互动性差,在仿真中套用受到限制。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,由于软体、接口和终端技术的发展,人机互动性也已有很大提高。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,仿真硬体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。
仿真软体包括为仿真服务的仿真程式、仿真程式包、仿真语言和以资料库为核心的仿真软体系统。 仿真软体的种类很多,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体系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的套用历史。
仿真方法
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。
套用和效益
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年代仿真主要套用于航空、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,採用仿真技术使大型客机的设计和研製周期缩短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定一些在空中训练时无法设定的故障,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,採用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。在电力工业方面採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。现代仿真技术不仅套用于传统的工程领域,而且日益广泛地套用于社会、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
在仿真硬体方面,从60年代起採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,以及採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联合工作可对大型複杂的飞行系统进行实时仿真。在仿真软体方面,除进一步发展互动式仿真语言和功能更强的仿真软体系统外,另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智慧结合起来,产生具有专家系统功能的仿真软体。仿真模型、实验系统的规模和複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。同时建立适用的基準对系统进行评估的工作也日益受到重视。
仿真软体介绍
SimuWorks®是为大型科学计算、複杂系统动态特性建模研究、过程仿真培训、系统最佳化设计与调试、故障诊断与专家系统等,提供通用的、一体化的、全过程支撑的,基于微机环境的开发与运行支撑平台。软体採用了动态记忆体机器码生成技术、分散式实时资料库技术和面向对象的图形化建模方法,在仿真领域处于国内领先水平。它主要用于能源、电力、化工、航空航天、国防军事、经济等研究领域,既可用于科研院所的科学研究,也可用于实际工程项目。
一、 SimuWorks® 的组成
SimuWorks平台产品主要包括
1、 仿真支撑平台SimuEngine(早期版本为Vcs3、SE2000)
2、 图形化建模工具SimuBuilder(早期版本THAms、FigAms)、包括模组资源管理器SimuManager
3、 模组资源库SimuLib(包括:控制,电气,热力,流网,电网)
4、 嵌入式实时作业系统仿真平台SimuERT
5、 仿真实时图形系统SimuMMI
二、SimuWorks®的主要特点
1、 使用动态记忆体机器码生成技术,结合分散式实时资料库,为微机环境下分散式计算和複杂系统实时仿真,提供了高效的底层支撑平台;
2、 採用面向对象的图形化建模方法,为不同领域仿真科学研究与工程实践,提供了通用的模型开发环境。
3、 SimuWorks将系统仿真所需要的各种功能进行了整合,形成了从开发、调试、验证、到运行、分析等全过程的整套流水线,创立了“系统仿真流水线开发工厂”的新理念,大大提高了仿真工程项目的开发效率;
4、 大型实时仿真系统中,普通的商业资料库达不到实时性要求,SimuWorks中的SimuEngine仿真引擎提供了一个高速的网路实时资料库,可以实现多个模型的分散式计算、动态数据显示与线上数据修改,可以满足大型实时仿真系统的开发和运行的需要。
三、 SimuWorks® 的工作流程
● 使用SimuWorks进行仿真开发的工作流程为:
● 对于系统未提供的专业模组和部分通用模组,用户可以使用SimuManager进行扩充;
● 在SimuBuilder环境中,利用系统提供的模组和用户自己开发的模组,根据仿真对象的组成,用图形的方式进行模组组合,构建仿真系统;
● 配合SimuEngine的仿真支撑,利用SimuBuilder对所构建的仿真系统进行调试,直至形成稳定的最终产品;
● 最终产品仅依赖SimuEngine运行,用于科研和培训等任务。