系统仿真科普系列2:系统仿真是做什么

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搬砖的攻城狮 2022-12-19 11:30:21

为了研究、分析、设计和实现一个系统,必然需要进行对系统的试验。试验的方法可以分为两大类:一种是直接在真实系统上进行试验,一种则是根据系统的组成要素和要素间的相互作用,将系统抽象为模型,对模型进行试验。系统模型通常分为物理模型、概念模型和数学模型。本文重点论述基于数学模型描述的系统。

通过对系统建模进行试验和结果分析,就是所谓的“系统仿真”。直接在真实系统上进行试验,显然更有助于系统的研究分析,而系统仿真不可能完全符合系统实际运行情况,那么为什么要进行系统仿真呢?一言以蔽之,系统仿真为系统设计和系统分析提供了成本较低的有力支持。

以载人航天工程为例,其一,在系统设计阶段,真实的系统尚未建立,如何了解和验证系统的性能?载人航天作为举国体制下的重要工程,牵一发而动全身,在给出最终系统方案之前,必然要先确定所采用方案中系统的性能,但若为每一个方案都搭建一套真实的系统,在资源和人力上显然是不可承受的,系统仿真在这种情况下就为系统设计提供了有力支持;其二,在真实系统上进行试验可能引起系统破坏或故障,如果用真实的飞船搭载火箭进行发射试验,过程中不可避免会对系统产生破坏,其成本必然是高昂的,通过系统仿真可以减少试验成本;其三,在实际的发射过程会遇到各种复杂的随机问题,如何在试验阶段对其进行预测和提出解决方案呢?另一方面,某些系统在多次实验中要求相同的试验条件,如此才能更好地评估性能和发现问题,这在实际环境下是不可能实现的,而系统仿真则可以对同一试验条件的精准再现;其四,对于载人航天来说,每一次发射都要耗费漫长的时间和高昂的金钱成本,次次都在真实的系统上进行试验成本过高,系统仿真既节省了试验时间,又降低了试验成本。

仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型,对模型进行仿真试验。根据模型的不同,可以将系统仿真方法分为三类:物理仿真、数学仿真和半实物仿真。物理仿真是按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型,并在物理模型上进行试验。物理仿真虽然直观形象,但具有较多实验限制,且成本较高。数学仿真是对实际系统进行抽象,并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型,将其转换为适合计算机编程的仿真模型,进行仿真试验。现代计算机技术的发展为系统仿真提供了条件。数学仿真在通信、控制、电力等多个工程和科研领域具有广泛应用。图1、图2是系统仿真的简单示例。

 双质量-弹簧-阻尼系统(模型来源:Simulink示例).png

图1 双质量-弹簧-阻尼系统

 RC1.png

图2 低通RC滤波器

由于连续系统和离散系统的数学模型具有很大差别,所以数学仿真可以分为连续系统仿真和离散系统仿真。半实物仿真则是对物理仿真和数学仿真的综合应用,即对系统中运行规律明确的部分且简单的部分进行数学仿真,规律不明确或难以数学建模的部分进行物理建模,二者联合起来完成仿真试验。例如在通信领域,对一个通信设备的系统仿真,除了通过数学建模完成对其通信系统的仿真分析,还要通过对设备使用环境进行物理仿真,以确保设备在真实环境下的运转情况。

系统仿真是科研和工程领域不可缺少的环节,对工程技术和科学研究的发展具有重要意义。

 

[1] 福州大学《系统仿真技术》研究生课程

[2] http://www.bilibili.com/video/BV16E411A7zv?p=3&vd_source=f52c61024bca044c638d9c2fb92b3ede.


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红枣红枣 2022-12-20 #1

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