仿真技術

仿真技術

仿真技術是套用仿真硬體和仿真軟體通過仿真實驗,藉助某些數值計算和問題求解,反映系統行為或過程的仿真模型技術。仿真技術在20世紀初已有了初步套用。如在實驗室中建立水利模型,進行水利學方面的研究。20世紀40—50年代,航空、航天和原子能技術的發展推動了仿真技術的進步。20世紀60年代計算機技術的突飛猛進提供了先進的仿真工具,加速了仿真技術的發展。

基本介紹

  • 中文名:仿真技術
  • 仿真工具:仿真硬體和仿真軟體
  • 套用領域:社會、經濟、生物等領域
  • 發展方向:將仿真技術和人工智慧結合起來
簡介,仿真工具,仿真方法,套用和效益,發展方向,仿真軟體介紹,

簡介

信息處理技術 和網路技術的發展,實際上已經完全改變為仿真的概念。將先進的仿真技術與網路技術相結合,由真實裝備和計算機仿真系統綜合仿真系統組成仿真環境,用計算機網路把新武器系統和分散在不同地點的研製者、用戶聯 系在一起,讓用戶在仿真環境中提前“使用”正在研製的武器,讓研製者能提前了解武器的作戰使用,雙方共同 研究,及時發現和解決問題。這樣不僅加快了武器系統的研製進度,也縮短了新武器形成戰鬥力的時間。在部 隊訓練方面,仿真技術同樣大有用武之地。美國陸軍到 80年代末,訓練士兵還是採用野戰訓練和模擬訓練兩種方 法。野戰訓練的主要問題是燃料、彈藥消耗大,場地、都有困難,組織大規模演習費時又費力;模擬訓練,所用的 模擬器可能比它所模擬的真實裝備還要貴。為了解決部隊訓練問題,美國國防部高級研究計畫局1983年開始實施 模擬器聯網計畫,把分散在各地的訓練器用計算機聯成網路,形成分散式互動仿真,實現異地聯通與互操作。仿 真技術是一項國防關鍵技術,對提高武器系統的研製效率、改善部隊訓練和提高戰鬥力將發揮越來越大的作用 ,已成為已開發國家實現質量建軍的一種重要手段。

仿真工具

主要指的是仿真硬體和仿真軟體。仿真硬體中最主要的是計算機。用於仿真的計算機有三種類型:模擬計算機、數字計算機混合計算機。數字計算機還可分為通用數字計算機和專用的數字計算機模擬計算機主要用於連續系統的仿真,稱為模擬仿真。在進行模擬仿真時,依據仿真模型(在這裡是排題圖)將各運算放大器按要求連線起來,並調整有關的係數器。改變運算放大器的連線形式和各係數的調定值,就可修改模型。仿真結果可連續輸出。因此,模擬計算機的人機互動性好,適合於實時仿真。改變時間比例尺還可實現超實時的仿真。60年代前的數字計算機由於運算速度低和人機互動性差,在仿真中套用受到限制。現代的數字計算機已具有很高的速度,某些專用的數字計算機的速度更高,已能滿足大部分系統的實時仿真的要求,由於軟體、接口和終端技術的發展,人機互動性也已有很大提高。因此數字計算機已成為現代仿真的主要工具。混合計算機把模擬計算機和數字計算機聯合在一起工作,充分發揮模擬計算機的高速度和數字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優點。但這種系統造價較高,只宜在一些要求嚴格的系統仿真中使用。除計算機外,仿真硬體還包括一些專用的物理仿真器,如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環境仿真器等。
仿真軟體包括為仿真服務的仿真程式、仿真程式包、仿真語言和以資料庫為核心的仿真軟體系統。 仿真軟體的種類很多,在工程領域,用於系統性能評估,如機構動力學分析、控制力學分析、結構分析、熱分析、加工仿真等的仿真軟體系統MSC Software在航空航天等高科技領域已有45年的套用歷史。

仿真方法

主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法,可分為兩大類:連續系統仿真方法和離散事件系統的仿真方法(見仿真方法)。人們有時將建立數學模型的方法也列入仿真方法,這是因為對於連續系統雖已有一套理論建模和實驗建模的方法,但在進行系統仿真時,常常先用經過假設獲得的近似模型來檢驗假設是否正確,必要時修改模型,使它更接近於真實系統。對於離散事件系統建立它的數學模型就是仿真的一部分。

套用和效益

仿真技術得以發展的主要原因,是它所帶來的巨大社會經濟效益。50年代和60年代仿真主要套用於航空、航天、電力、化工以及其他工業過程控制等工程技術領域。在航空工業方面,採用仿真技術使大型客機的設計和研製周期縮短20%。利用飛行仿真器在地面訓練飛行員,不僅節省大量燃料和經費(其經費僅為空中飛行訓練的十分之一),而且不受氣象條件和場地的限制。此外,在飛行仿真器上可以設定一些在空中訓練時無法設定的故障,培養飛行員應付故障的能力。訓練仿真器所特有的安全性也是仿真技術的一個重要優點。在航天工業方面,採用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數減少80%。在電力工業方面採用仿真系統對核電站進行調試、維護和排除故障,一年即可收回建造仿真系統的成本。現代仿真技術不僅套用於傳統的工程領域,而且日益廣泛地套用於社會、經濟、生物等領域,如交通控制、城市規劃、資源利用、環境污染防治、生產管理、市場預測、世界經濟的分析和預測、人口控制等。對於社會經濟等系統,很難在真實的系統上進行實驗。因此,利用仿真技術來研究這些系統就具有更為重要的意義。

發展方向

在仿真硬體方面,從60年代起採用數字計算機逐漸多於模擬計算機。混合計算機系統在70年代一度停滯不前,80年代以來又有發展的趨勢,由於小型機和微處理機的發展,以及採用流水線原理和並行運算等措施,數字仿真運算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機 VAX 11-785和外圍處理器AD-10聯合工作可對大型複雜的飛行系統進行實時仿真。在仿真軟體方面,除進一步發展互動式仿真語言和功能更強的仿真軟體系統外,另一個重要的趨勢是將仿真技術和人工智慧結合起來,產生具有專家系統功能的仿真軟體。仿真模型、實驗系統的規模和複雜程度都在不斷地增長,對它們的有效性和置信度的研究將變得十分重要。同時建立適用的基準對系統進行評估的工作也日益受到重視。

仿真軟體介紹

SimuWorks®是為大型科學計算、複雜系統動態特性建模研究、過程仿真培訓、系統最佳化設計與調試、故障診斷與專家系統等,提供通用的、一體化的、全過程支撐的,基於微機環境的開發與運行支撐平台。軟體採用了動態記憶體機器碼生成技術、分散式實時資料庫技術面向對象的圖形化建模方法,在仿真領域處於國內領先水平。它主要用於能源、電力、化工、航空航天、國防軍事、經濟等研究領域,既可用於科研院所的科學研究,也可用於實際工程項目。
一、 SimuWorks® 的組成
SimuWorks平台產品主要包括
1、 仿真支撐平台SimuEngine(早期版本為Vcs3、SE2000)
2、 圖形化建模工具SimuBuilder(早期版本THAms、FigAms)、包括模組資源管理器SimuManager
3、 模組資源庫SimuLib(包括:控制,電氣,熱力,流網,電網)
4、 嵌入式實時作業系統仿真平台SimuERT
5、 仿真實時圖形系統SimuMMI
二、SimuWorks®的主要特點
1、 使用動態記憶體機器碼生成技術,結合分散式實時資料庫,為微機環境下分散式計算和複雜系統實時仿真,提供了高效的底層支撐平台;
2、 採用面向對象的圖形化建模方法,為不同領域仿真科學研究與工程實踐,提供了通用的模型開發環境。
3、 SimuWorks將系統仿真所需要的各種功能進行了整合,形成了從開發、調試、驗證、到運行、分析等全過程的整套流水線,創立了“系統仿真流水線開發工廠”的新理念,大大提高了仿真工程項目的開發效率;
4、 大型實時仿真系統中,普通的商業資料庫達不到實時性要求,SimuWorks中的SimuEngine仿真引擎提供了一個高速的網路實時資料庫,可以實現多個模型的分散式計算、動態數據顯示與線上數據修改,可以滿足大型實時仿真系統的開發和運行的需要。
三、 SimuWorks® 的工作流程
● 使用SimuWorks進行仿真開發的工作流程為:
● 對於系統未提供的專業模組和部分通用模組,用戶可以使用SimuManager進行擴充;
● 在SimuBuilder環境中,利用系統提供的模組和用戶自己開發的模組,根據仿真對象的組成,用圖形的方式進行模組組合,構建仿真系統;
● 配合SimuEngine的仿真支撐,利用SimuBuilder對所構建的仿真系統進行調試,直至形成穩定的最終產品;
● 最終產品僅依賴SimuEngine運行,用於科研和培訓等任務。

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