《机械系统建模仿真与优化》 课件 第一章 绪论.pptx

第一章绪论凌静秀2024-07-07

建模与仿真技术是一门通用性强、跨学科、与计算机技术紧密结合且应用面广的综合性技术,已成功应用于核能开发、海洋系统、航空航天、地震工程、材料、军事、社会、经济等众多领域。广义而言,仿真就是采用建模的方法建立现实客观物理现象的概念模型和数学模型,即对现实客观物理现象进行抽象、映射、描述及复现,进而应用计算机技术、软件技术及信息技术，将概念模型转换为计算机仿真模型,以模拟现实客观物理现象。

建模与仿真是一种利用计算机技术进行系统模拟和模型构建的方法。它通过使用数学模型和数据来描述所研究对象的特征和行为，并利用计算机软件对模型进行操作和仿真，以获取有关系统行为和性能的有用信息。

目前，随着计算机技术的迅猛发展，尤其是网络技术的快速发展，建模与仿真技术正在向数字化、智能化、网络化、虚拟化及协同化快速发展。

1建模与仿真概括1.1建模与仿真的定义和分类计算机仿真是指在研究中利用数学模型或物理模型来获取系统的一些重要特性参数，这些数学模型或物理模型通常是由以时间为变量的常微分方程来描述，并用数值方法进行计算机仿真求解的。随着硬软件技术的发展，利用计算机仿真可以对整个机械系统及其过程进行广泛的研究，如连杆机构的运行、机械结构的应力变形或者结构优化设计等。进行系统仿真，一般具有以下特点：

（1）它是一种对系统问题数值求解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时,模型仿真技术能有效地处理。

（2）仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于,仿真实验不是依据实际环境,而是在实际系统映像的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。

1建模与仿真概括1.1建模与仿真的定义和分类（3）仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。仿真支撑系统是进行仿真试验的软件和硬件环境,是仿真的重要工具。相似理论是研究仿真支撑系统的理论依据和重要准则之一,而计算机技术、网格技术、图像处理技术等许多相关领域飞速发展的新技术促进了仿真支撑系统(环境)的技术飞跃。

仿真是基于模型的活动，模型建立、实现、验证、应用是仿真过程不变的主题。随着时代的发展，仿真模型包含的内容大大扩展，建模方法日益多样，模型交互性和重用性变得越来越重要，模型的校核与验证的成为仿真中必要的步骤。

模型、仿真的定义有各种表述。一种简单的基本定义如图1.1所示。

1建模与仿真概括1.1建模与仿真的定义和分类图1.1建模与仿真的关系

模型（Model）——对系统、实体、现象、过程的数学物理或逻辑的描述。

仿真（Simulation）——模型在计算机上随时间运行的手段和方法。

1建模与仿真概括1.1建模与仿真的定义和分类计算机仿真是指在研究中利用数学模型或物理模型来获取系统的一些重要特性参数，这些数学模型或物理模型通常是由以时间为变量的常微分方程来描述，并用数值方法进行计算机仿真求解的。随着硬软件技术的发展，利用计算机仿真可以对整个机械系统及其过程进行广泛的研究，如连杆机构的运行、机械结构的应力变形或者结构优化设计等。进行系统仿真，一般具有以下特点：

（1）它是一种对系统问题数值求解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时,模型仿真技术能有效地处理。

（2）仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于,仿真实验不是依据实际环境,而是在实际系统映像的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。

1建模与仿真概括1.1建模与仿真的定义和分类（3）仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。仿真支撑系统是进行仿真试验的软件和硬件环境,是仿真的重要工具。相似理论是研究仿真支撑系统的理论依据和重要准则之一,而计算机技术、网格技术、图像处理技术等许多相关领域飞速发展的新技术促进了仿真支撑系统(环境)的技术飞跃。

在我国建模与仿真方法是随着应用需求的发展不断的进步，近十年来仿真技术发展是沿着以应用需求牵引建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建模与仿真系统又服务于应用良性循环的道路向前发展。

建模与仿真可以根据不同标准进行分类，以下是一些基本的分类方式：

1建模与仿真概括1.1建模与仿真的定义和分类（1）按照应用领域：可以分为工业仿真、医学仿真、军事仿真、教育仿真等。每个领域都有其特定的需求和模型，例如在军事领域可能更关注战术模拟和战场环境仿真，而在医学领域则可能侧重于生物体的生理过程模拟或者手术操作的虚拟实训。12（3）按照时间尺度：可以分为静态仿真和动态仿真。静态仿真不涉及时间变化，主要用于研究系统的稳态行为；而动态仿真则模拟系统随时间的演变过程，适用于需要分析系统暂态或动态响应的情况。3（2）按照模型