Simulink建模与仿真（2）-基本一些概念

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分享一个系列，关于Simulink建模与仿真，尽量整理成体系

1、计算机仿真

计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。物理仿真的优点是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。



计算机作为一种最重要的仿真工具，已经推出了模拟机、模拟数字机、数字通用机、仿真专用机等各种机型并应用在不同的仿真领域。除了计算机这种主要的仿真工具外还有两类专用仿真器：一类是专用物理仿真器，如在飞行仿真中得到广泛应用的转台，各种风洞、水洞等；另一类是用于培训目的的各种训练仿真器，如培训原子能电站、大型自动化工厂操作人员和训练飞行员、宇航员的培训仿真器、仿真工作台和仿真机舱等。



2、仿真的作用

仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。由于仿真技术的特殊功效，特别是安全性和经济性，使得仿真技术得到广泛的应用。首先由于仿真技术在应用上的安全性，使得航空、航天、核电站等成为仿真技术最早的和最主要的应用领域。



归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点：

(1) 优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系统参数来优化系统设计。如控制系统、数字信号处理系统的设计经常要靠仿真来优化系统性能。

(2) 系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真来再现系统故障则是安全的和经济的。

(3) 验证系统设计的正确性。

(4) 对系统或其子系统进行性能评价和分析。多为物理仿真，如飞机的疲劳试验。

(5) 训练系统操作员。常见于各种模拟器，如飞行模拟器、坦克模拟器等。

(6) 为管理决策和技术决策提供支持。

3、仿真算法和仿真软件

3.1、仿真算法

在建立系统的数学模型后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型。由于计算机只能进行离散的数值计算，因而必须推导出连续系统的递推数学公式，如解微分方程的龙格库塔算法。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。其实这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。



通常这些仿真算法并不需要仿真人员去编制，因为这些仿真算法往往已经内嵌于各种面向仿真用途的专用软件中了。但是对这些算法的了解无疑有助于用户更好地完成仿真任务。一般来说，系统仿真算法有如下几类：

(1) 集中参数系统仿真算法。

(2) 分布参数系统仿真算法。

(3) 离散时间系统仿真算法。

3.2、仿真软件

仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。

它的功能可以概括为以下几点：

(1) 为仿真提供算法支持。

(2) 模型描述，用来建立计算机仿真模型。

(3) 仿真实验的执行和控制。

(4) 仿真数据的显示、记录和分析。

(5) 对模型、实验数据、文档资料和其它仿真信息的存储、检索和管理(即用于仿真数据信息管理的数据库系统)。



根据软件功能，仿真软件可分为以下三个层次：

(1) 仿真程序库：由一组完成特定功能的程序组成的集合，专门面向某一问题或某一领域。它可能是用通用的语言(C++、FORTRAN等)开发的程序软件包，也可能是依附于某种集成仿真环境的函数库或模块库。

(2) 仿真语言：仿真语言多属于面向专门问题的高级语言，它是针对仿真问题，在高级语言的基础上研制的。

(3) 集成仿真环境：它是一组用于仿真的软件工具的集合，包括设计、分析、编制系统模型，编写仿真程序，创建仿真模型，运行、控制、观察仿真实验，记录仿真数据，分析仿真结果，校验仿真模型等。





4、计算机仿真的一般过程

计算机仿真的一般过程可以表述如下：

(1) 描述仿真问题，明确仿真目的。

(2) 项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。

(3) 数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。

(4) 仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。

(5) 试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。

(6) 仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。