1 什么是仿真
第一讲 仿真概述
二、仿真软件介绍
目录 仿真概述 软件介绍 Silvaco简介 Athena Atlas 软件框架 导入示例
• Avanti: Tsuprem4/ Medici Tsuprem4/Medici是 Avanti公司的二维工艺、器件仿真集成软件包。 Tsuprem4是对应的工艺仿真软件，Medici是器件仿 真软件。
• 器件仿真在逻辑上是基于电路仿真的。
• 工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、 光刻等工艺过程的模拟。可以用于设计新工 艺，改良旧工艺。 • 器件仿真可以实现电学特性仿真，电学参数 提取。可以用于设计新型器件，旧器件改良， 验证器件 的电学特性。 • 如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等等。 提取器件参数，或建立简约模型以用于电路 仿真。
Atlas器件仿真系统组件
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ATLAS器件仿真系统结构
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Atlas 输入输出
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软件框架
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• Silvaco 的仿真组件均在deckbuild 中启 动，包括将结果由可视化工具 tonyplot 输出。主要组件包括 athena， atlas，devedit • Athena 对工艺进行控制，生成器件结 构 • Atlas 对器件特性进行仿真计算 • Devedit 编写器件结构，而不由工艺来 生成
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仿真技术的分类
仿真技术的分类仿真技术是一种基于计算机建模和模拟的技术，用于对现实世界中的各种系统进行模拟和实验。
根据所用模型的类型，仿真技术可以分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）和半实物仿真。
物理仿真是指根据真实系统的物理模型进行模拟，包括物理现象、化学反应等，计算机仿真则是指通过数学模型进行模拟，包括各种算法、数据结构等，而半实物仿真则是将真实系统和计算机系统结合起来进行模拟。
根据所用计算机的类型，仿真技术可以分为模拟仿真、数字仿真和模拟/数字混合仿真。
模拟仿真是指通过模拟电路、模拟器等工具进行模拟，数字仿真则是指通过计算机软件进行数字模拟，而模拟/数字混合仿真则是将两者结合起来进行模拟。
根据仿真对象中的信号流，仿真技术可以分为连续系统仿真、离散系统仿真和连续/离散混合系统仿真。
连续系统仿真是指对连续变化的系统进行模拟，离散系统仿真则是指对离散事件进行模拟，而连续/离散混合系统仿真则是将两者结合起来进行模拟。
根据仿真时间与实际时间的比例关系，仿真技术可以分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）。
实时仿真是指仿真的时间进度与实际时间保持一致，超实时仿真则是指仿真的时间进度快于实际时间，而亚实时仿真则是指仿真的时间进度慢于实际时间。
此外，根据不同的应用领域，仿真技术还可以分为不同的类型。
例如，在航空航天领域，仿真技术可以用于模拟飞行器的飞行过程、控制系统的设计和优化等；在汽车领域，仿真技术可以用于模拟汽车的行驶过程、动力系统的设计和优化等；在电子领域，仿真技术可以用于模拟电路的运行过程、信号的处理和分析等。
总之，仿真技术是一种广泛应用于各个领域的综合技术，其分类和应用方式因不同的标准和领域而异。
通过仿真的手段可以更深入地了解现实世界的各种系统和现象，从而更好地设计和优化这些系统，为人们的生活和技术的发展带来更多的便利和进步。
什么是仿真(上)
什么是仿真（上）作者：陈德恒一博科技高速先生团队队员鄙视链是一个很有趣的存在，英剧>美剧>日剧>韩剧>港剧>台剧>内地剧>泰剧，谷歌>百度> BING>搜搜>搜狗>人民，意甲>英超>西甲>德甲>法甲>中超>中甲，twitter /饭否>新浪微博>腾讯微博>搜狐微博等其他微博••••••各种各样的鄙视链不一而足，从其他同类身上寻找优越感好像是人类特别喜欢干的事情。
确实，与其他生物茹毛饮血不同，人类这种大脑极其发达的生物是可以靠着这种精神上的快感活下去的。
在仿真界也会有这样的鄙视链，三维场仿真（HFSS,CST）被认为是精度最高的，所谓的2.5D （SIwave，PowerSI）在低频段以及需要快速分析评估时使用，hyperlynx/SigXplorer这样的就被认为只能做一做MHz级别的。
之所以有这样的鄙视链，不止是因为仿真精度的问题，更是因为维数越多，需要涉及的知识越多，软件的设置也就越繁琐，端口、格点、边界条件的变化对仿真结果都会造成较大的影响。
小陈就听过这样一句话“不是博士，不可能完全弄明白HFSS”。
可是，在小陈的仿真生涯中，并不是一个从鄙视链的底端向上爬的的过程，而是一个爬到半山腰然后又下山的过程。
到现在，一些仿真甚至是用excel完成。
于是这也给小陈引来了一些非议：“我这是10G的信号，不用三维场仿真仿的准吗？”在小陈看来，所谓仿真，不过是字面上的意思，仿出一个与真实相近的东西。
在现在的波长维度，麦克斯韦方程组足以解决所有问题。
只要我们模型做的足够的精确，仿出来的和实际的结果一定是一样的。
问题就出在模型足够精确上，我们通常所认为的介质就是介质，一块介电常数为X，损耗角为Y的空间，但实际上，是这样子的：他是由玻纤与胶组成，各个地方传输线感受到的电气性能是不一样的。
仿真概念归纳总结
仿真概念归纳总结近年来，仿真技术在各个领域中得到了广泛应用，成为解决实际问题、预测结果和培训等方面的重要工具。
本文将对仿真概念进行归纳总结，从定义、分类到应用领域等方面进行探讨。
一、仿真概念定义仿真是指利用计算机模拟真实世界过程、系统或行为的过程。
它通过建立模型并对模型进行计算，以求得关于真实世界的有用信息。
仿真技术以模拟实验的方式，通过模型的演化和结果的观察，在模型中模拟和分析实际系统的运行，并据以进行决策。
二、仿真分类1. 离散事件仿真（DES）离散事件仿真是一种基于事件驱动的仿真方法，它以离散事件为时间推进单位，模拟系统中的离散事件及其之间的发生、处理和发展关系。
这种仿真方法适用于涉及到系统内离散事件交互和非持续性系统行为的问题，如排队、交通流、生产流程等。
2. 连续仿真连续仿真是一种通过对仿真对象的状态进行连续变化而推进仿真时间的方法。
这种仿真方法适用于涉及到系统内连续状态变化和持续性系统行为的问题，如物理模型、流体力学等。
3. 混合仿真混合仿真是离散事件仿真和连续仿真的结合体，将两种仿真方法结合起来，以更好地模拟复杂系统。
这种仿真方法适用于既涉及到离散事件交互，又涉及到连续状态变化的问题，如交通系统、航空系统等。
三、仿真应用领域1. 工业制造仿真在工业制造中的应用非常广泛，可以对生产线、物料流动、装配过程等进行建模和仿真，以优化生产效率、降低成本、提高产品质量。
2. 交通运输仿真技术在交通运输领域的应用可以模拟交通流量、道路网络、交通信号等，以实现交通拥堵预测、交通规划优化和交通管理等目标。
3. 医疗领域仿真可以用于医疗培训和手术模拟，使医生和护士能够在虚拟环境中进行实践，提高医疗技术和减少医疗事故。
4. 军事训练仿真技术在军事训练中的应用可以模拟战场环境、交战双方、武器系统等，提供真实的虚拟训练环境，以提高军事人员的战斗能力和决策水平。
5. 城市规划仿真可以对城市的建筑、交通、人口等进行精确建模和仿真，以帮助城市规划者分析城市发展策略、优化城市布局和改善城市运行。
建模与仿真
1.仿真是基于模型进行的，仿真是对真实世界的模拟。
2.仿真技术：对模型进行试验以便评价、分析和优化系统的技术。
3.物理仿真:是按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理描写模型上进行实验的过程；4.数学仿真:是在对系统进行抽象，并将其特性用数学关系式加以描述得到系统的数学模型的基础上，对数学模型进行实验的过程；5.半实物仿真:是数学仿真与物理仿真的结合甚至实物联合起来进行实验的过程。
6.数学仿真也称为计算机仿真7.电子计算机的诞生与发展对其起了巨大的推动作用（利用计算机实现仿真）。
8.仿真软件的基本功能：包括模型描述与处理、仿真实验的执行与控制、仿真结果的表达与分析。
9.仿真技术已成为战略研究、系统分析、运筹规划、预测决策、宏观及微观管理等领域的有效工具10.阻碍生产系统仿真技术应用的原因：1建模难度大：某些系统如对于大比例系统模型，建模十分复杂 2机时需求大：仿真需要大量的计算机机时 3数据要求高：仿真需要大量实际的、准确的数据，这是一般企业所难以提供的，因此对仿真结果的准确性带来了影响，导致了人们对仿真能力的怀疑。
11.总体而言，计算机仿真技术正朝一体化建模与仿真环境的方向发展，其主要热点为：面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、智能仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真、网上仿真12.系统：由诸多相互作用、相互依存的要素按照一定规律构成的集合体，它们共同组成具有特定结构和功能的整体。
它具有以下特点：①由两个或两个以上要素组成。
②构成系统的要素之间具有一定的联系，并在系统内部形成特定的结构。
③具有边界（boundary）,进行仿真时必须划清边界。
④系统具有特定的功能，具有存在的价值和作用，并且系统功能受到系统结构和环境的影响13.系统环境：能对系统产生影响且属于系统之外的元素集14.系统分类：①连续系统:指系统状态随时间发生连续性变化的系统。
连续系统的数学模型有常微分方程、偏微分方程、状态空间方程以及脉冲响应函数等形式。
仿真概述
仿真概述－意义
随着计算机软、硬件技术的发展，计算机仿真 的作用也越来越大：
替代难以或者无法实施的试验 解决一般方法难以求解的大型系统问题 降低投资风险，节省研究开发费用 避免时间试验对人身、财产的危害 缩短试验时间而不受时空的限制 获得试验中难以测量或不能测量的数据
仿真概述－意义
网格划分（离散化） （3/3）
在一定的范围内，网格越粗，那么时间步长越 大，计算速度越快，精度有一定的降低；同理 ，网格越细，那么时间步长越细，计算速度越 慢，精度有一定的提高。 GT-POWER根据COURANT数选择合适的时间步长， 以维持计算的稳定。 用户也可调整最大步长或设固定的步长。
In-house
Competitor
Function
Function analysis Target setting Idea creation
Cost
Condition
Target
Benchmarking
Technology Development
Ideas Ideal Model
Each Technology
网格划分（离散化）（2/3）
网格的粗细（离散化长度）由用户定义。 对于通常的内燃机性能计算，我们推荐：
进气系统：离散化长度≈0.4×缸径 排气系统：离散化长度≈0.55×缸径
计算噪声时，我们建议此时的离散化长度是性 能计算时的一半。 尽量使网格的粗细趋于均匀，这有利于提高计 算精度和减少计算时间。
Evaluate and Improve simulation methods
GT-Power
仿真算法知识点总结图解
仿真算法知识点总结图解一、仿真算法的基本原理1.1 仿真概念仿真是指通过模拟实际系统的运行过程来预测系统性能、评估方案、优化设计等的一种方法。
仿真可以用于模拟现实世界中的各种系统，如物理系统、信息系统、经济系统等。
1.2 仿真模型仿真模型是对实际系统的简化描述，它包括系统的结构、行为规则、参数等信息。
通过建立仿真模型，我们可以在计算机上进行模拟实验，以探索系统的性能、行为特征和优化方案。
1.3 仿真算法的分类根据系统类型和仿真目的的不同，仿真算法可以分为连续系统仿真算法和离散系统仿真算法。
连续系统仿真算法适用于连续变量的系统，如物理系统和控制系统；离散系统仿真算法适用于离散事件的系统，如排队系统和生产系统。
1.4 仿真算法的基本步骤仿真算法的基本步骤包括建模、验证、实验设计、模拟运行和结果分析等。
建模是仿真算法的核心，它涉及到系统结构的抽象化、参数的设定、规则的定义等。
验证是指通过比较仿真结果与实际观测数据的一致性来检验仿真模型的有效性。
实验设计是指设计合理的仿真实验以获取有用的信息。
模拟运行是指在计算机上运行仿真模型进行试验。
结果分析是指对仿真结果进行统计分析和评价。
1.5 仿真算法的评价指标仿真算法的评价指标包括仿真精度、仿真效率和仿真可信度等。
仿真精度是指仿真结果与实际观测数据的一致程度；仿真效率是指仿真模型的计算速度和资源消耗；仿真可信度是指仿真结果的合理性和可靠性。
二、连续系统仿真算法2.1 连续系统方程的数值解法连续系统方程通常是由微分方程或偏微分方程描述的，为了在计算机上进行仿真，需要采用数值解法对这些方程进行离散化处理。
常用的数值解法包括欧拉法、梯形法、四阶龙格-库塔法等。
2.2 连续系统仿真的模拟程序设计连续系统仿真的模拟程序通常包括系统方程的离散化模型、时间步长控制、数值解法的选择、边界条件处理等内容。
设计一个高效、稳定的连续系统仿真程序是非常具有挑战性的。
2.3 连续系统仿真的优化方法针对连续系统仿真的高维度、非线性等特点，通常需要采用一些优化方法来提高仿真效率和精度。
1什么是仿真
• 控制系统工具箱 • 系统辨识工具箱 • 鲁棒控制工具箱 • 多变量频域设计工具箱 • 分析与校正工具箱 • 神经网络工具箱 • 最优化工具箱 • 模糊控制工具箱等
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0.3 计算机仿真技术的应用
计算机仿真已被广泛应用于各个 领域，它在系统研究中的重要性在于 它不仅经济而且安全可靠。通过仿真 研究可以预测系统的特性以及外界干 扰的影响，从而可以对制订控制方案
和控制决策提供定量依据。 • 工程系统 • 非工程系统
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一、工程系统
• 如控制系统的设计、分析和研究；电力系 统的可靠性研究；化工流程的模拟；造船、 飞机、导弹等研制过程。
• 50年代初，出现了通用的模拟计算机。 • 50年代末，数字计算机有了很大发展，
加上这时期在微分方程数值解的理论方 面又有很大的发展，所以在几种高级语 言（如FORTRAN，ALGOL等）出现以后， 在50年代末期，数字计算机便在非实时 仿真方面开始得到广泛的应用。
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• 1958年为满足高速动态系统仿真的要求， 出现了第一台专用的模拟/数字混合计算 机，它是用来解决导弹轨迹的计算问题。
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四、当前仿真研究的前沿课题
• 主要有仿真与人工智能技术的结合、分布 式仿真与仿真模型的并行处理、图形与动 画仿真、建模环境与仿真支持系统等。
• 控制系统的仿真是一门涉及到控制理论、 计算数学和计算机技术的综合性科学。
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0.4 控制系统计算机辅助设计 （CAD）的主要内容 及其应用
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1. 控制系统CAD的主要内容 根据所使用的数学工具，控制系统的分析与设 计方法可以分为如下的两大类：变换法（频域 法）和状态空间法（时域法）。
一、仿真的意义
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一、硬件的发展
• 40年代出现了模拟计算机，这时的计算 机大都是用来设计飞机的专用计算机。
• 50年代初，出现了通用的模拟计算机。 • 50年代末，数字计算机有了很大发展，
加上这时期在微分方程数值解的理论方 面又有很大的发展，所以在几种高级语 言（如FORTRAN，ALGOL等）出现以后， 在50年代末期，数字计算机便在非实时 仿真方面开始得到广泛的应用。
第一章 绪 论
• 0.1 仿真技术简介
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一、仿真的意义
把实际系统建立成物理模型或数学模型进 行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到 实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究， 简称仿真。
2
二、仿真的定义
• 仿真------就是用模型（物理模型 或数学模型）代替实际系统进行 实验和研究
3
三、仿真所遵循的基本原则
• 是相似原理，即 * 几何相似 * 环境相似 * 性能形似
4
四、仿真的分类
• 依据相似原理仿真可分为： • * 物理仿真 • * 数学仿真 • * 混合仿真 • 随着计算机技术的发展，计算机
仿真越来越多地取代纯物理仿真。
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五、仿真过程
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0.2 计算机仿真技术的发展概况
仿真硬件的发展 仿真软件的发展
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• （3） 高级仿真语言阶段: 1970～1980年间 商用的连续系统仿真语言SSLIV、DAREP、 ACSL,以及离散事件系统仿真语言GPSSIV、 SIMCRIPⅢ和SLAM等。
• （4）一体化建模与仿真环境软件: 如美国 Pritsket于1989年推出的TESS，它是具有数 据库,而且能将数据存储与检索，脚本仿真/ 数据采集，数据分析报告和图形生成，脚本 动画，网络模型输入，运行控制，数据管理 等八个部分组成一体化仿真软件环境。
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• 人机环境也由初期的图形支持，到动画， 交互式仿真，进一步发展到矢量的图形支 持，并向虚拟现实发展，仿真软件的发展 基本经历了以下五个阶段。
• （1）通用程序设计语言：1960年左右的 FORTRAN，以及具有适应并行处理功能的 Ada,C++等语言。
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• （2）初级仿真语言阶段: 1960～1970年间面 向框图的MIDAS；面向大型连续系统的仿真规 范的CSSL(Continuous System Simulation Language)；CSMP(Continuous System Modeling Program)；基于差分方程模型的 DYNAMO(Dynamic Models)；基于离散事件的 SIMLIB 和CSL(Control and simulation Language)；还有以过程为基础的通用仿真系 统GPSS(General purpose Simulation System)等。
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二、非工程系统
• 如用于研究社会经济、人口、污染、生物、 医学系统等。
• 由于其应用广泛及卓有成效，在国际 上成立国际仿真联合会（International Association for Mathematic and Computer in Simulation-IAMCS）。
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三、新的研究热点
8
• 1958年为满足高速动态系统仿真的要求， 出现了第一台专用的模拟/数字混合计算 机，它是用来解决导弹轨迹的计算问题。
• 60年代初期，出现了混合计算机商品。 • 近年以来，由于计算机技术的飞速发展，
数字计算机已有可能解决高速动态系统 的实时仿真问题，所以模拟/数字混合计 算机将被数字计算机所取代。
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四、当前仿真研究的前沿课题
• 主要有仿真与人工智能技术的结合、分布 式仿真与仿真模型的并行处理、图形与动 画仿真、建模环境与仿真支持系统等。
• 控制系统的仿真是一门涉及到控制理论、 计算数学和计算机技术的综合性科学。
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0.4 控制系统计算机辅助设计 （CAD）的主要内容 及其应用
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1. 控与设 计方法可以分为如下的两大类：变换法（频域 法）和状态空间法（时域法）。
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0.3 计算机仿真技术的应用
计算机仿真已被广泛应用于各个 领域，它在系统研究中的重要性在于 它不仅经济而且安全可靠。通过仿真 研究可以预测系统的特性以及外界干 扰的影响，从而可以对制订控制方案
和控制决策提供定量依据。 工程系统
非工程系统
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一、工程系统
• 如控制系统的设计、分析和研究；电力系 统的可靠性研究；化工流程的模拟；造船、 飞机、导弹等研制过程。
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2. 控制系统CAD的应用
(1) 控制系统CAD可以广泛地应用于工业生产部门。 (2) 控制系统CAD对于从事自动控制的研究人员来 说也是必部可少的工具和手段。 (3) 控制系统CAD在控制系统教学中的应用也是十 分明显的。
• (1)面向对象的仿真方法，从人类认识世界 的模式出发提供更自然直观的系统仿真框 架；
• (2)分布式交互仿真通过计算机网络实现交 互操作，构造时空一致合成的仿真环境,可 对复杂、分布、综合的系统进行实时仿真；
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• (3)定性仿真以非数字手段处理信息输入、 建模、结果输出，建立定性模型；
• (4)人机和谐的仿真环境，发展可视化仿真、 多媒体仿真和虚拟现实等。这些新技术、 新方法必将孕育着仿真方法的新突破。
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二、仿真软件的发展
• 近四十年来，仿真软件充分吸收了仿真 方法学、计算机、网络、图形/图像、多 媒体、软件工程、系统工程、自动控制、 人工智能等技术成果，从而得到了很大 发展。
• 仿真软件也从初期的机器代码，经历较 高级的编程语言，面向问题描述的仿真 语言，发展到模块化概念，并进而发展 到面向对象编程，图形化模块编程等。
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• （5）智能化仿真软件环境: 它于80年代 后期问世，由一体化仿真软件环境，专 家系统，智能接口等组成并具有知识库、 模型库、方法库、实验程序库和数据库， 该软件充分利用了FORTRAN、C、Ada、 LISP等语言的优良特性。
• 到目前为止，已形成了许多各具特色 的仿真语言。其中美国Mathworks软件公 司的动态仿真集成软件Simulink与该公司 著名的MATLAB软件集成在一起，成为当今 最具影响力的控制系统应用软件。