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20世紀初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實驗室中建立水利模型,進行水利學(xué)方面的研究。40~50年代航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動了仿真技術(shù)的進步。60年代計算機技術(shù)的突飛猛進,為仿真技術(shù)提供了先進的工具,加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。

利用計算機實現(xiàn)對于系統(tǒng)的仿真研究不僅方便、靈活,而且也是經(jīng)濟的。因此計算機仿真在仿真技術(shù)中占有重要地位。50年代初,連續(xù)系統(tǒng)的仿真研究絕大多數(shù)是在模擬計算機上進行的。50年代中,人們開始利用數(shù)字計算機實現(xiàn)數(shù)字仿真。計算機仿真技術(shù)遂向模擬計算機仿真和數(shù)字計算機仿真兩個方向發(fā)展。在模擬計算機仿真中增加邏輯控制和模擬存儲功能之后,又出現(xiàn)了混合模擬計算機仿真,以及把混合模擬計算機和數(shù)字計算機聯(lián)合在一起的混合計算機仿真。在發(fā)展仿真技術(shù)的過程中已研制出大量仿真程序包和仿真語言。70年代后期,還研制成功專用的全數(shù)字并行仿真計算機(見全數(shù)字仿真計算機)。

1、物性數(shù)據(jù)庫。包括模塊運行時所需的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)、物性計算等。

2、單元操作模型庫。囊括模擬所需的模塊,每個模塊用包括物料平衡、能量平衡、相平衡、反應(yīng)速率等方程在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成。

3、模型求解算法庫。包括各種數(shù)值求解算法,線性、非線性方程組的求解、參數(shù)擬合、最優(yōu)化算法等等各種算法。

4、仿真環(huán)境及其輸入輸出。仿真環(huán)境是模型仿真運行的管理機構(gòu),控制著仿真的進行程度。

仿真可以按不同原則分類:

類型一

按所用模型的類型(物理模型、數(shù)學(xué)模型、物理-數(shù)學(xué)模型)分為物理仿真、計算機仿真(數(shù)學(xué)仿真)、半實物仿真;

類型二

按所用計算機的類型(模擬計算機、數(shù)字計算機、混合計算機)分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真;

類型三

按仿真對象中的信號流(連續(xù)的、離散的)分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真;

類型四

按仿真時間與實際時間的比例關(guān)系分為實時仿真(仿真時間標尺等于自然時間標尺)、超實時仿真(仿真時間標尺小于自然時間標尺)和亞實時仿真(仿真時間標尺大于自然時間標尺);

類型五

按對象的性質(zhì)分為宇宙飛船仿真、化工系統(tǒng)仿真、經(jīng)濟系統(tǒng)仿真等。

仿真模型是被仿真對象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型。但并不是所有對象都能建立物理模型。例如為了研究飛行器的動力學(xué)特性,在地面上只能用計算機來仿真。為此首先要建立對象的數(shù)學(xué)模型,然后將它轉(zhuǎn)換成適合計算機處理的形式,即仿真模型。具體地說,對于模擬計算機應(yīng)將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成模擬排題圖;對于數(shù)字計算機應(yīng)轉(zhuǎn)換成源程序。

通過實驗可觀察系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù),常常要在仿真模型上進行多次實驗。在系統(tǒng)的設(shè)計階段,人們大多利用計算機進行數(shù)學(xué)仿真實驗,因為修改、變換模型比較方便和經(jīng)濟。在部件研制階段,可用已研制的實際部件或子系統(tǒng)去代替部分計算機仿真模型進行半實物仿真實驗,以提高仿真實驗的可信度。在系統(tǒng)研制階段,大多進行半實物仿真實驗,以修改各部件或子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。在個別情況下,可進行全物理的仿真實驗,這時計算機仿真模型全部被物理模型或?qū)嵨锼�代替。全物理仿真具有更高的可信�?但價格昂貴。

主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計算機。用于仿真的計算機有三種類型:模擬計算機、數(shù)字計算機和混合計算機。數(shù)字計算機還可分為通用數(shù)字計算機和專用的數(shù)字計算機。模擬計算機主要用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真,稱為模擬仿真。在進行模擬仿真時,依據(jù)仿真模型(在這里是排題圖)將各運算放大器按要求連接起來,并調(diào)整有關(guān)的系數(shù)器。改變運算放大器的連接形式和各系數(shù)的調(diào)定值,就可修改模型。仿真結(jié)果可連續(xù)輸出。因此,模擬計算機的人機交互性好,適合于實時仿真。改變時間比例尺還可實現(xiàn)超實時的仿真。60年代前的數(shù)字計算機由于運算速度低和人機交互性差,在仿真中應(yīng)用受到限制�，F(xiàn)代的數(shù)字計算機已具有很高的速度,某些專用的數(shù)字計算機的速度更高,已能滿足大部分系統(tǒng)的實時仿真的要求,由于軟件、接口和終端技術(shù)的發(fā)展,人機交互性也已有很大提高。因此數(shù)字計算機已成為現(xiàn)代仿真的主要工具�；旌嫌嬎銠C把模擬計算機和數(shù)字計算機聯(lián)合在一起工作,充分發(fā)揮模擬計算機的高速度和數(shù)字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優(yōu)點。但這種系統(tǒng)造價較高,只宜在一些要求嚴格的系統(tǒng)仿真中使用。除計算機外,仿真硬件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(huán)境仿真器等。

仿真軟件包括為仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。仿真軟件的種類很多,在工程領(lǐng)域,用于系統(tǒng)性能評估,如機構(gòu)動力學(xué)分析、控制力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、熱分析、加工仿真等的仿真軟件系統(tǒng)MSC Software在航空航天等高科技領(lǐng)域已有45年的應(yīng)用歷史。

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(xù)系統(tǒng)的仿真方法和離散事件系統(tǒng)的仿真方法(見仿真方法)。人們有時將建立數(shù)學(xué)模型的方法也列入仿真方法,這是因為對于連續(xù)系統(tǒng)雖已有一套理論建模和實驗建模的方法,但在進行系統(tǒng)仿真時,常常先用經(jīng)過假設(shè)獲得的近似模型來檢驗假設(shè)是否正確,必要時修改模型,使它更接近于真實系統(tǒng)。對于離散事件系統(tǒng)建立它的數(shù)學(xué)模型就是仿真的一部分。

仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因,是它所帶來的巨大社會經(jīng)濟效益。50年代和60年代仿真主要應(yīng)用于航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術(shù)領(lǐng)域。在航空工業(yè)方面,采用仿真技術(shù)使大型客機的設(shè)計和研制周期縮短20%。利用飛行仿真器在地面訓(xùn)練飛行員,不僅節(jié)省大量燃料和經(jīng)費(其經(jīng)費僅為空中飛行訓(xùn)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(shè)置一些在空中訓(xùn)練時無法設(shè)置的故障,培養(yǎng)飛行員應(yīng)付故障的能力。訓(xùn)練仿真器所特有的安全性也是仿真技術(shù)的一個重要優(yōu)點。在航天工業(yè)方面,采用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數(shù)減少80%。在電力工業(yè)方面采用仿真系統(tǒng)對核電站進行調(diào)試、維護和排除故障,一年即可收回建造仿真系統(tǒng)的成本。現(xiàn)代仿真技術(shù)不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域,而且日益廣泛地應(yīng)用于社會、經(jīng)濟、生物等領(lǐng)域,如交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產(chǎn)管理、市場預(yù)測、世界經(jīng)濟的分析和預(yù)測、人口控制等。對于社會經(jīng)濟等系統(tǒng),很難在真實的系統(tǒng)上進行實驗。因此,利用仿真技術(shù)來研究這些系統(tǒng)就具有更為重要的意義。

在仿真硬件方面,從60年代起采用數(shù)字計算機逐漸多于模擬計算機。混合計算機系統(tǒng)在70年代一度停滯不前,80年代以來又有發(fā)展的趨勢,由于小型機和微處理機的發(fā)展,以及采用流水線原理和并行運算等措施,數(shù)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(lián)合工作可對大型復(fù)雜的飛行系統(tǒng)進行實時仿真。在仿真軟件方面,除進一步發(fā)展交互式仿真語言和功能更強的仿真軟件系統(tǒng)外,另一個重要的趨勢是將仿真技術(shù)和人工智能結(jié)合起來,產(chǎn)生具有專家系統(tǒng)功能的仿真軟件。仿真模型、實驗系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)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(tǒng)進行評估的工作也日益受到重視。

隨著軍事和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,仿真已成為各種復(fù)雜系統(tǒng)研制工作的一種必不可少的手段,尤其是在航空航天領(lǐng)域,仿真技術(shù)已是飛行器和衛(wèi)星運載工具研制必不可少的手段,可以取得很高的經(jīng)濟效益。

在研制、鑒定和定型全過程都必須全面地應(yīng)用先進的仿真技術(shù)。否則,任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研制都將是不可能的。

海灣戰(zhàn)爭期間"愛國者"導(dǎo)彈和"飛毛腿"導(dǎo)彈之間的較量,也反映出了仿真模擬的參與�，F(xiàn)代戰(zhàn)略導(dǎo)彈的進攻威力很大,射程很遠,更要命的是常常裝有多個真真假假的彈頭,用來迷惑敵方,以便順利突破敵方強大的防空網(wǎng)。一般說來,最先進的反導(dǎo)彈系統(tǒng)的雷達預(yù)警時間只有短短的幾分鐘。為了不讓敵方的攻擊得逞,己方必須在這短短的幾分鐘里迅速而正確地作出反應(yīng),識別真假彈頭,算出飛行軌道,動員力量進行攔截,以確保敵彈在到達目標之前就被摧毀掉。要做到這一切,不得不發(fā)揮超大規(guī)�？茖W(xué)計算的能力,否則己方只能處于被動挨打的地位。在海灣戰(zhàn)爭期間,"愛國者"導(dǎo)彈智斗"飛毛腿"導(dǎo)彈,形成戰(zhàn)爭史上的奇觀。"飛毛腿"導(dǎo)彈的水平也不一般,它的飛行速度可達 2638米/秒。