1.2 仿真技術(shù)及其在機電系統(tǒng)中的應(yīng)用

仿真技術(shù)是隨著計算機技術(shù)的產(chǎn)生而發(fā)展的，在各行業(yè)中均得到了廣泛的應(yīng)用，但是目前還很難給仿真技術(shù)下一個準(zhǔn)確的定義。

1961年，G.W.Morgenthater首先對仿真進(jìn)行了定義，他認(rèn)為“仿真意指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的體現(xiàn)”，1982年，Sprit對仿真定義的內(nèi)涵加以擴(kuò)充，他認(rèn)為“所有支持模型建立與模型分析的活動即為仿真活動”，1984年，Oren提出了仿真的基本概念框架“建?！囼灐治觥?，并提出了“仿真是一種基于模型的活動”的觀點。事實上，直到今天，不管是用于分析系統(tǒng)性能的仿真，還是用于展示系統(tǒng)性能的仿真，都沒能超出上述由建模至分析的框架。

仿真技術(shù)應(yīng)用的目的主要是對不存在的系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測，對已存在的系統(tǒng)或事件進(jìn)行分析評價，因為應(yīng)用仿真技術(shù)能減少大量試驗次數(shù)，降低試驗風(fēng)險，因而具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.1 仿真的分類

從不同的角度考慮仿真的分類，有不同的分類方法，常用的有根據(jù)仿真的方法和手段分類、根據(jù)系統(tǒng)的特性分類、根據(jù)仿真時鐘與實時時鐘的比例關(guān)系分類、根據(jù)模型在空間的分布形式分類等，表1.1為典型的仿真系統(tǒng)分類。

1.按實現(xiàn)的方法和手段分類

物理仿真：主要是指按系統(tǒng)真實的物理特性構(gòu)建系統(tǒng)的物理模型，并在相應(yīng)的物理模型上進(jìn)行試驗研究的方法，物理仿真的優(yōu)點是直觀、形象，缺點是修改模型困難，對于復(fù)雜系統(tǒng)，投資較大。

（1）數(shù)學(xué)仿真：主要是指對系統(tǒng)的物理特性進(jìn)行抽象，采用數(shù)學(xué)方程描述系統(tǒng)的物理特性，并采用對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解以獲得系統(tǒng)真實性能的方法，數(shù)學(xué)仿真主要在計算機上進(jìn)行，模型可以反復(fù)修改，因此數(shù)學(xué)仿真具有經(jīng)濟(jì)、無風(fēng)險的特點。數(shù)學(xué)仿真的準(zhǔn)確性：一是依賴數(shù)學(xué)模型能否準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)全部的物理特性；二是依賴所采用的數(shù)值算法能否準(zhǔn)確地求解數(shù)學(xué)模型，往往建立數(shù)學(xué)模型還要借助于一些物理試驗以獲取部分模型參數(shù)。

（2）半實物仿真：又常被稱為硬件在回路仿真，一般是指在仿真中不再全部采用數(shù)學(xué)模型，部分用實物引入仿真回路，機電控制系統(tǒng)仿真中一般是控制器用實物代替或控制對象用實物代替。若控制器用實物代替，而控制對象采用數(shù)學(xué)建模的方法，則可以進(jìn)一步檢驗控制器的性能，模擬進(jìn)行操縱實際控制對象具有較大風(fēng)險的試驗；若控制對象采用實物，則可以避免復(fù)雜控制對象的精確數(shù)學(xué)建模過程，可以檢驗執(zhí)行機構(gòu)動作能否滿足實際的控制效果，也可以反復(fù)調(diào)整控制器的控制參數(shù)，以獲得更好的控制性能，節(jié)約研發(fā)成本，如圖1.4所示為某半實物仿真系統(tǒng)。

（3）人在回路仿真：通常也可以稱為交互式仿真，一般指在仿真回路中要求有操作人員參與的仿真過程，操作人員發(fā)出指令操縱系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)又反饋給操作人員，影響其操作，因而這種仿真環(huán)境一般要求能模擬生成人能感覺到的物理量，包括視覺、聽覺、觸覺等，如各種飛機、艦船、車輛等駕駛模擬系統(tǒng)均為交互式仿真系統(tǒng)。顯然，人在回路仿真和半實物仿真都要求仿真具有實時性，如圖1.5所示為某車輛交互式仿真系統(tǒng)。

2.按系統(tǒng)模型的特性分類

（1）連續(xù)系統(tǒng)仿真：一般是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)，一般采用常微分方程和偏微分方程描述系統(tǒng)模型，計算連續(xù)狀態(tài)需要知道狀態(tài)的變化率或微分，計算當(dāng)前時間步上的連續(xù)狀態(tài)值需要從仿真起始時刻對該狀態(tài)值進(jìn)行積分，積分的精度取決于時間步間隔的大小。

（2）離散事件仿真：離散事件系統(tǒng)是指物理系統(tǒng)的狀態(tài)在某些隨機時間點上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)，它與連續(xù)時間系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：物理狀態(tài)變化發(fā)生在隨機時間點上，這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動的。離散時間系統(tǒng)的事件（狀態(tài)）往往發(fā)生在隨機時間點上，并且事件（狀態(tài)）是時間的離散變量。系統(tǒng)的動態(tài)特性無法使用微分方程這類數(shù)學(xué)方程來描述，而只能使用事件的活動圖或流程圖，因此對離散事件系統(tǒng)仿真的主要目的是對系統(tǒng)事件的行為進(jìn)行統(tǒng)計特性分析，而不像連續(xù)系統(tǒng)仿真的目的是對物理系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡進(jìn)行出分析。

混合系統(tǒng)仿真：一般指仿真系統(tǒng)中既包含連續(xù)狀態(tài)又包含離散狀態(tài)的系統(tǒng)。

1.2.2 計算機仿真的發(fā)展現(xiàn)狀

計算機仿真技術(shù)的發(fā)展主要開始于軍事領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，并且隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。20世紀(jì)40年代研制成功第一臺通用電子模擬計算機，火炮控制與飛行控制動力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展；到了60年代仿真技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到導(dǎo)彈控制的研究和“阿波羅”登月計劃中；70年代中期出現(xiàn)了用于培訓(xùn)民航客機駕駛員和軍用飛機飛行員的飛行訓(xùn)練模擬器和培訓(xùn)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作人員的仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品，仿真技術(shù)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段。

20世紀(jì)80年代聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練的軍事需求促進(jìn)了分布式仿真系統(tǒng)的發(fā)展，軍事部門開始考慮將已建成的單武器仿真系統(tǒng)，通過互連構(gòu)成多武器仿真系統(tǒng)，典型的如美國國防高級研究計劃局和美國陸軍共同制訂和執(zhí)行的SIMNET（Simulation Networking）研究計劃，SIMNET計劃通過廣域網(wǎng)將分布在美國和歐洲各地的由120臺計算機控制的M1坦克和布雷德利步兵戰(zhàn)車等的仿真器連在一起，構(gòu)成一個分布式交互仿真系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，每個仿真器都能單獨模擬M1坦克的全部特性，包括導(dǎo)航、武器、傳感和顯示功能。仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)有詳細(xì)的數(shù)字化地圖，坦克間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長距離的語音和電子信息傳輸。SIMNET計劃結(jié)束時，已形成了約260個地面裝甲車輛仿真器、指揮所和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，分布在美國和德國的11個城市。SIMNET第一次實現(xiàn)了作戰(zhàn)單位之間的直接對抗，并能在其所提供的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境中使?fàn)I以下的部隊進(jìn)行聯(lián)合兵種協(xié)同作戰(zhàn)訓(xùn)練和相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)研究。

到90年代，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家在分布交互仿真、先進(jìn)的并行分布交互仿真及聚合級仿真的基礎(chǔ)上，開始向仿真的高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）發(fā)展。HLA是促進(jìn)所有類型仿真之間互操作、仿真模型組件重用的高級協(xié)議。

經(jīng)過50多年的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)不僅被應(yīng)用在航天、航空、各種武器裝備的研制領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于機械、電力、交通、通信、化工等各個領(lǐng)域，甚至在醫(yī)學(xué)工程、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

自20世紀(jì)50年代以來，我國政府和許多企業(yè)都非常注重仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過幾個五年計劃的努力，我國仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展，并在建模與仿真方法學(xué)、仿真算法、仿真計算機、人工智能仿真等方面取得了較大的成就。

在國防工業(yè)領(lǐng)域，建成了不同類型的半實物仿真系統(tǒng)，并在國防工業(yè)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用、維護(hù)過程中發(fā)揮了巨大作用，我國還在軍事領(lǐng)域建立了指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)及半實物仿真試驗室。

在民用工業(yè)中，我國已自行研制了生產(chǎn)電力工業(yè)的大型電站仿真系統(tǒng)、交通運輸仿真系統(tǒng)、石油化工過程仿真系統(tǒng)等；在先進(jìn)分布交互仿真技術(shù)方面，我國也取得了較大成就，并開始應(yīng)用于實際系統(tǒng)的研制和開發(fā)工作。

1.2.3 計算機仿真在機電系統(tǒng)中的應(yīng)用

計算機仿真技術(shù)在機電產(chǎn)品設(shè)計中已得到了廣泛應(yīng)用，典型的如結(jié)構(gòu)分析、控制系統(tǒng)開發(fā)、動力學(xué)分析等。

1.結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析一般包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身等；同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸，等等，最常用的分析方法是有限元法，在20世紀(jì)60至70年代，有限元法隨著計算機技術(shù)的發(fā)展形成了一套結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，并形成了CAE這一工程領(lǐng)域，直到90年代初，大部分人都認(rèn)為CAE分析就是指有限元分析。結(jié)構(gòu)分析中計算得出的基本未知量（節(jié)點自由度）是位移，其他的一些未知量，如應(yīng)變、應(yīng)力和反力可通過節(jié)點位移導(dǎo)出。結(jié)構(gòu)分析的主要問題如下所述。

（1）靜力學(xué)分析：用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析，而非線性分析涉及塑性、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變、超彈性、接觸面和蠕變。

（2）模態(tài)分析：用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。

（3）諧波分析：用于確定結(jié)構(gòu)在隨時間正弦變化的載荷作用下的響應(yīng)。

（4）瞬態(tài)動力分析：用于計算結(jié)構(gòu)在隨時間任意變化的載荷作用下的響應(yīng)，并且可計及上述提到的靜力分析中所有的非線性性質(zhì)。

（5）譜分析：是模態(tài)分析的應(yīng)用拓寬，用于計算由于響應(yīng)譜或PSD輸入（隨機振動）引起的應(yīng)力和應(yīng)變。

（6）屈曲分析：用于計算屈曲載荷和確定屈曲模態(tài)，可以進(jìn)行線性（特征值）和非線性屈曲分析。

（7）顯式動力學(xué)分析：用于計算高度非線性動力學(xué)和復(fù)雜的接觸問題。

典型的結(jié)構(gòu)分析一般包含以下三個主要步驟。

（1）建模：一般需要首先在有限元分析軟件或三維（3D）建模軟件中創(chuàng)建分析對象的幾何模型，定義單元類型、材料屬性等，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

（2）施加載荷和邊界條件，求解：通常包括對分析對象施加載荷和各種約束條件，并設(shè)置求解選項，進(jìn)行分析計算。

（3）結(jié)果評價和分析：主要包括計算結(jié)果的后處理，即應(yīng)力、應(yīng)變、位移等計算結(jié)果的觀察和分析。如圖1.6所示為ANSYS軟件分析某結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖。

2.控制系統(tǒng)仿真

控制系統(tǒng)仿真主要是通過對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和計算方法進(jìn)行分析，開發(fā)控制策略，并對整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動求解各環(huán)節(jié)變量的動態(tài)變化，得到關(guān)于系統(tǒng)輸入/輸出和各中間變量的有關(guān)數(shù)據(jù)，并最終實現(xiàn)對控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的設(shè)計及驗證。

目前，幾乎所有控制系統(tǒng)在設(shè)計過程中均利用了計算機仿真這一方法，如導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，機器人控制系統(tǒng)，各種車輛發(fā)動機、自動變速器、制動控制系統(tǒng)等。

控制系統(tǒng)仿真一般按以下幾個步驟進(jìn)行：

（1）對物理模型進(jìn)行分析簡化，建立其數(shù)學(xué)模型。

（2）將數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分解、綜合、等效變換，轉(zhuǎn)換為適合在計算機上運行的公式、方程。一般對單輸入/單輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為信號流圖的形式，對于多輸入/多輸出系統(tǒng)則轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間的形式。

（3）根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型及計算機求解時間和精度的要求，確定合適的數(shù)值計算方法。

（4）采用合適的開發(fā)語言進(jìn)行算法編程。

（5）上機運行調(diào)試，不斷修改控制策略和計算程序，分析控制系統(tǒng)仿真得到的動態(tài)性能指標(biāo)。

基于MATLAB語言開發(fā)的專門應(yīng)用于控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的工具箱，為控制系統(tǒng)仿真提供了極大的便利，并且推動了控制技術(shù)的發(fā)展。

如圖1.7所示為MATLAB所提供的交互式單輸入/單輸出系統(tǒng)設(shè)計工具箱。

3.動力學(xué)分析

機械系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真主要解決系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)、靜平衡等幾類問題，目前，多剛體動力學(xué)分析應(yīng)用最為廣泛，而剛?cè)狁詈戏抡鎰t是計算多體動力學(xué)的發(fā)展趨勢之一。

運動學(xué)分析涉及系統(tǒng)及其構(gòu)件的運動分析，主要是指在不考慮力的作用情況下研究機械系統(tǒng)組成各構(gòu)件的位置、速度和加速度，

動力學(xué)分析包括正向動力學(xué)分析和逆向動力學(xué)分析，正向動力學(xué)分析主要研究由外力作用下系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，包括運動過程中各約束反力，各構(gòu)件的位置、速度和加速度；逆向動力學(xué)分析主要是指由機械系統(tǒng)的運動求反力的問題。

靜平衡分析主要是指確定系統(tǒng)在定常力作用下系統(tǒng)的靜平衡位置。

通常所說的運動學(xué)/動力學(xué)仿真不單指動力學(xué)仿真，還包含上面三方面的內(nèi)容。

運動學(xué)/動力學(xué)仿真一般分四個步驟進(jìn)行：物理建模、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解、結(jié)果分析。

物理建模主要是對實際系統(tǒng)進(jìn)行簡化，用標(biāo)準(zhǔn)的約束副、驅(qū)動力、機械構(gòu)件建立與實際系統(tǒng)一致的物理模型，這一步驟是動力學(xué)仿真的基礎(chǔ)，建好后的模型也就是動力學(xué)分析的研究對象；數(shù)學(xué)建模主要是指由物理模型根據(jù)相關(guān)動力學(xué)理論生成描述系統(tǒng)運動學(xué)/動力學(xué)方程；數(shù)值求解主要是指采用合適的數(shù)值算法和計算步長求解運動學(xué)/動力學(xué)方程，數(shù)學(xué)建模與數(shù)值求解是最為復(fù)雜的步驟，但在商用軟件中，這兩步基本實現(xiàn)了自動化，用戶只要選擇合適的求解器參數(shù)即可；結(jié)果分析主要是指計算后與試驗結(jié)果的對比，商用軟件后處理器一般都提供了計算結(jié)果曲線繪制和動畫回放功能，如圖1.8所示為采用ADAMS/CAR進(jìn)行單移線仿真的動畫回放。

1.2.4 計算機仿真的發(fā)展趨勢

計算機仿真技術(shù)早期在機電系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是以Fortran語言、C語言程序包的形式出現(xiàn)，進(jìn)行一些系統(tǒng)性能的計算，后來隨著這些程序包的不斷完善，在不同領(lǐng)域逐漸形成了一批商用軟件，在運動學(xué)和動力學(xué)特性計算方面，有美國的MSC/ADAMS，韓國的RecurDyn，德國的Simpack等，非線性變形分析有美國的ANSYS， MSC/NASTRAN等，液壓與控制方面有法國的AMESim等，控制領(lǐng)域有美國的MATLAB等，計算流體動力學(xué)有FLUENT、STAR CD等，隨著各學(xué)科領(lǐng)域的不斷發(fā)展、交叉，如動力學(xué)領(lǐng)域的計算機仿真同時還希望能考慮柔性體的變形，動力學(xué)領(lǐng)域的仿真與控制程序的開發(fā)同時進(jìn)行等，這些需求促進(jìn)了上述商用軟件功能互補的多領(lǐng)域聯(lián)合仿真技術(shù)，多領(lǐng)域聯(lián)合仿真技術(shù)已成為計算機仿真技術(shù)在機電產(chǎn)品中應(yīng)用的發(fā)展趨勢之一，進(jìn)而向協(xié)同仿真的方向發(fā)展，如圖1.9所示。

目前，協(xié)同仿真更多處于概念研究階段，離實用還有一段距離，這是因為同一模型應(yīng)用于不同領(lǐng)域的商用軟件并不容易，即使是三維CAD模型應(yīng)用于不同領(lǐng)域的計算也需要設(shè)計人員進(jìn)行大量的修改工作，另外，受商用軟件功能的限制，還只能做到機械、控制、液壓等少數(shù)領(lǐng)域的聯(lián)合仿真。