淺談仿真技術

摘要 本文從仿真的基本理論角度介紹仿真技術，概括了我國仿真技術的發展狀況。介紹了機械專業常用仿真軟件包Simulink，并以彈簧-質量-阻尼器的機械位移系統為例說明利用Simulink進行建模、仿真的方法。

關鍵詞 仿真技術，Simulink，建模，仿真

1引言

經過半個多世紀的發展，仿真技術已經成為對人類社會發展進步具有重要影響的一門綜合性技術學科。仿真技術不再局限應用于某些尖端學科的技術研究領域，而成為一項被眾多學科領域廣泛采用的通用性技術[1]。目前國內仿真技術研究的熱點主要有：復雜系統建模理論與方法、建模VVA技術、仿真優化、可視化多媒體仿真技術研究、協同分布式仿真技術、虛擬仿真技術、仿真軟件開發和仿真應用等研究。主要歸納為五類：建模理論和方法研究、仿真可信度研究、仿真方法研究、仿真工具研究以及仿真應用技術研究等[2]。

任何理論與技術的發展都離不開基本理論知識。本文從仿真的基本理論知識入手，闡述仿真技術的相關問題，介紹我國仿真技術的發展狀況。重點介紹機械專業常用仿真軟件包Simulink的應用，舉例說明利用Simulink進行建模、仿真的方法。

2仿真技術理論

2.1 仿真的概念

仿真是以相似性原理、控制論、信息技術及相關領域的有關知識為基礎，以計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統模型對真實系統進行試驗研究的一門綜合性技術。它利用物理或數學方法來建立模型，類比模擬現實過程或者建立假想系統，以尋求過程的規律，研究系統的動態特性，從而達到認識和改造實際系統的目的。仿真的一般過程如圖1所示。

圖1 仿真流程圖

2.2 仿真技術的作用

仿真技術具有很高的科學研究價值和巨大的經濟效益。首先，仿真技術在應用上的安全性，使得航空、航天、核電站等成為仿真技術最早和最主要的應用領域。其次，由于仿真往往是在計算機上模擬現實系統過程，可多次重復運行，因此經濟性十分突出。另外，從環境保護角度考慮，仿真技術也極具價值。

2.3 仿真的分類

根據實現方法的不同，仿真分為實物仿真、數學仿真和半實物仿真：實物仿真又稱物理仿真，它是指研制某些實體模型，使之能夠重現原系統的各種狀態；數學仿真，就是把研究對象的結構特征或者輸入輸出關系，抽象為一種數學描述（微分方程、狀態方程，可分為解析模型、統計模型）來研究，它可以方便地改變系統結構、參數；半實物仿真，又稱數學物理仿真或者混合仿真，就是在仿真環節中存在實體的仿真。

2.4 仿真技術的五個層次[3]

建立集成的綜合仿真環境和仿真系統，應解決實現五個層次的使能技術。包括基礎技術，元、部件級技術，系統級技術，應用級技術，集成綜合環境和建模與仿真工具。

3我國仿真技術的發展狀況

我國仿真技術的研究與應用開展較早，發展迅速，在某些方面達到了國際先進水平。但總的技術水平，特別是應用水平與發達國家比較還有差距。而系統仿真技術的優良特性和巨大效益，可能成為今后人們特別重視和大力發展的綜合技術[3]。

20世紀50年代，我國在自動控制領域中首先采用仿真技術，面向方程建模和采用模擬計算機的數學仿真獲得較普遍的應用。60年代，在開展連續系統仿真的同時，開始對離散事件系統的仿真進行研究。70年代，訓練仿真器獲得迅速發展。80年代，我國建設了一批水平高、規模大的半實物仿真系統。90年代，我國開始對分布交互仿真、虛擬現實等先進仿真技術及其應用進行研究[4]。而新世紀，建模與仿真技術正向網絡化、虛擬化、智能化、協同化、普適化方向發展［5］。

4仿真軟件

仿真程序庫：由一組完成特定功能的程序組成的集合，專門面向某一問題或某一領域。它可能是通用的語言（C++、FORTRAN等）開發的軟件包，也可能是依附于某種集成仿真環境的函數庫或模塊庫。

仿真語言：針對仿真問題在高級語言的基礎上研制的。不要求用戶掌握高級語言，只需書寫方程代碼，由機器自動完成由仿真語言到通用高級語言與匯編語言的轉換。如ACSL，Simscript，Easy5，Adsim等。

集成仿真環境：它是一組用于仿真的軟件工具的集合。為了提高效率，將許多功能軟件（建模軟件、仿真執行軟件、結構分析軟件等）集成起來，加上方便的操作界面、環境，就形成了集成仿真環境。如Simulink、Matrix、Mideva、Scilab等。

4.1 Simulink建模與仿真技術

Simulink是MATLAB中一個用于動態系統建模、仿真和分析的軟件包。其可以完成各種動態系統包括連續系統、離散系統和混合的線性與非線性系統的仿真，也能完成多種采樣速率的系統仿真。Siumlink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，與仿真軟件包用微分和差分方程建模相比，具有更直觀、更方便、更靈活的特點，可用于系統仿真、分析和設計[5]。

4.2Simulink仿真實例

4.2.1建立系統的模型

彈簧-質量-阻尼器機械位移系統物理模型如圖2所示。系統的動態方程如下：

外力F（t）為幅值為1的階躍輸入，質量塊質量m=5kg，阻尼器的阻尼系數f=0.5，彈簧的彈性系數k=5；質量塊的初始速度和初始加速度均為0。根據系統的數學描述選擇合適的Simulink系統模塊，并對系統各模塊的參數進行設置得到的該系統模型如圖3所示，使用的系統模塊主要有：Step模塊為輸入信號；Sum模塊實現輸入求和或求差；Integrator模塊實現變量的積分；Gain模塊實現信號增益。

圖3 彈簧-質量-阻尼器的機械位移系統模型

4.2.2系統仿真參數設置和仿真曲線

在對模型中各個模塊進行參數設置后，需對系統仿真參數進行必要的設置。Simulink默認的仿真起始結束時間為0s和10s。如需設置仿真時間，可在Solver選項卡中設置系統仿真時間，也可以對系統仿真的求解器進行設置與控制，包括求解器類型、求解方法、仿真步長以及誤差控制等。在使用Simulink對簡單系統進行仿真時，影響仿真結果輸出的因素有仿真起始時間、結束時間和仿真步長。

本系統采用ode45變步長算法，仿真起始時間為0s，結束時間為100s，自動選擇最大仿真步長，其它采用默認設置，開始仿真。仿真結束后，雙擊Scope模塊，顯示系統仿真結果，圖4、5、6分別為加速度、速度和位移曲線，其中橫坐標是時間軸，縱坐標則分別為加速度、速度和位移。通過對彈簧-質量-阻尼器機械系統的仿真可以看出，利用Simulink建模簡便、形象、有效，而且能夠很方便地觀察系統的位移、速度和加速度曲線，從而可以對系統進行分析和預測。

圖4 系統加速度仿真曲線

圖5 系統速度仿真曲線

圖6 系統位移仿真曲線

5結 束 語

仿真技術應用價值巨大，它在許多領域都有了相當多的研究和應用，而今后的應用范圍將會越來越廣。實例表明，Simulink是一個用于動態系統建模、仿真和分析的有效軟件包。

參考文獻

1 楊 明，張 冰，王子才.建模與仿真技術發展趨勢分析[J].系統仿真學報，2004，16（9）:1901～1904

2 魯建廈，方榮，蘭秀菊.國內仿真技術的研究熱點[J].系統仿真學報，2004，16（9）:1910～1913

3 王子才.仿真技術發展及應用[J].中國工程科學，2003，5（2）:40～44

4 衛永霞.淺談仿真技術[C].山西師大體育學院學報研究生論文?？?，2006，21（6）:163～164

5 李伯虎，柴旭東，朱文海等.現代建模與仿真技術發展中的幾個焦點[J].系統仿真學報，2004，16（9）:1871～1878

6 王沫然.MATLAB與科學計算[M].北京：電子工業出版社，2003

7 李永堂，雷步芳，高雨茁.液壓系統建模與仿真[M].北京:冶金工業出版社，2003

Discussion of Simulation Technology

Kuang Weichun1 Zhang Chuancai2

(1Jingdezhen Ceramic Institute Jingdezhen Jiangxi333403

2 Xi'an University of Architecture TechnologyXi'anShanxi 710055)

Abstract: Simulation technology and its development in our country by basic theory of simulation were introduced in this article. Simulink was introduced as a frequently used mechanical simulation software and the method of simulation and modeling by Simulink， which exampled as spring-quality-damper mechanical displacement system， was illustrated.

Keywords: simulation technology，simulink，modeling，simulation