计算机仿真技术

　　《计算机仿真技术（第3版）》：　　一、基本原理分类　　除了可按模型的特性分为连续系统仿真和离散事件系统仿真类型外，还可以从不同的角度对系统仿真进行分类。比较典型的分类方法有以下几种：　　（1）根据模型的种类可将系统仿真分为3种：物理仿真、数学仿真和半实物仿真。　　（2）根据使用的仿真计算机也可将系统仿真分为3种：模拟计算机仿真、数字计算机仿真和数字模拟混合仿真。　　（3）根据仿真时间钟和实际物理系统时间钟的比例关系，常将仿真分为实时仿真和非实时仿真。　　本节根据仿真的主要理论依据——相似论来研究仿真的分类。所谓相似，是指各类事物间某些共性的客观存在。相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界中不同物理系统和物理现象具备某些共同的特性和规律。采用相似理论建立物理系统的相似模型，这是相似理论在系统仿真中*基本的体现。上一节讲过，仿真就是模仿一个真实系统，所遵循的基本原则就是相似原理。根据相似论的研究方法和仿真技术的研究方法，在建立物理系统的模型时，认为物理系统和模型应该满足几何相似、环境相似和性能相似中的一种或几种。　　（1）几何相似，就是把真实系统按比例放大或缩小，其模型的状态向量与原物理系统的状态完全相同。土木建筑、水利工程、船舶、飞机制造多采用几何相似原理进行各种仿真实验。　　（2）环境相似，就是人工在实验室里产生与所研究对象在自然界中所处环境类似的条件，比如飞机设计中的风洞，鱼雷设计中的水洞、水池等等。　　（3）性能相似，则是用数学方程来表征系统的性能，或者利用数据处理系统来模仿该数学方程所表征的系统。性能相似原理也是仿真技术遵循的基本原理。　　根据仿真所遵循的相似原则基本含义，大致可将仿真分为三大类：　　（1）物理仿真：主要是运用几何相似：环境相似条件，构成物理模型进行仿真。其主要原因可能是由于原物理系统是昂贵的，或是无法实现的物理场，或是原物理系统的复杂性难以用数学模型描述。　　（2）数字仿真：运用性能相似条件，将物理系统全部用数学模型来描述，并把数学模型变换为仿真模型，在计算机上进行实验研究。　　（3）半物理仿真：综合运用以上3个相似原则，把数学模型、实体模型、相似物理场组合在一起进行仿真。这类仿真技术又称为硬件在回路中的仿真（hardwareintheloopsimulation）。由于现代工业和科学技术的发展，单一的物理仿真和数字仿真往往不能满足其研究的要求，而这类物理仿真和数字仿真的结合则可满足其要求。　　《计算机仿真技术（第3版）》的重点是向读者介绍数字仿真。　　二、半实物仿真　　半实物仿真是一种通俗而习惯的叫法。按前述的定义应该是：在全部仿真系统中，一部分是实际物理系统或与实际等价的物理场，另一部分是安装在计算机里的数学模型。半实物仿真在科学研究和工程应用中扮演着非常重要的角色，从某种意义上讲，半实物仿真技术的难度和实际应用性均超过全数字仿真。这主要是因为：　　（1）对于一个大型的仿真系统，有时系统中的某一部分很难建立其数学模型，或者建立这部分的数学模型的代价昂贵，精度也难以保证。例如，在红外制导系统仿真时，其红外制导头以及各种物理场的模型建立是相当困难的。为了能准确地仿真系统，这部分将以实物的形式直接参与仿真系统，从而避免建模的困难和过高的建模费用。　　（2）利用半实物仿真系统，可以检验系统中的某些部件的性能。例如，为了检验航行器的性能，可以将设计的控制部件以实物的形式进入仿真系统。　　（3）利用半实物仿真，可以进一步校正系统的数学模型。一个复杂的系统在完成初步设计以及分部件逐个研制出来后，为了验证和鉴定系统性能或检验定型产品，利用系统的半实物仿真可以从总体上更准确地检测外界因素的变化对系统的影响，更深入地暴露系统的内在矛盾，从而在实验室内能较全面地检验和评定系统设计的合理性和各部件工作的协调性，进而修改和完善设计。　　（4）在1.4节介绍的仿真器中，半实物仿真是必需的。因为在这类仿真器中为了逼近物理系统的实际效应，许多部件必须以实物方式介入仿真系统中。例如，飞行驾驶员训练器，为了使飞行器有真实感，座舱往往是以实物的方式介入系统的。　　由以上原因可以看出，半实物仿真是一种更有实际意义的仿真实验，其技术难度和投资也往往大于全数字仿真。图1.2.1是某航行器指令制导半实物仿真系统的原理框图。　　……