第一章现代仿真技术--概述
第一部分 虚拟现实概述
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VPL的兴衰
Lanier与Thomas
1985，Jaron
Zemmerman等创办 专门从事VR的研究及VR产品的推广
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Lanier——VR天才
富有创造性的思想火花推动VR技术发展；
在当时几乎看不到一篇有关VR报道文章的情 况下,使得媒介对“Virtual Reality”的概 念倍加注意；
只适合简 单的演示功能。
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二、虚拟现实的特征
四个重要特征：
临境性 交互性 想象性
多感知性
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虚拟现实特征——“ 3 I ”图， ImmersionInteraction-Imagination (沉浸 -交互 -构 想 )
Immersion
Interaction
Imagination
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虚拟？——虚拟世界
舞蹈、音乐 洞穴绘画 书写语言（文字） 报纸、书籍、 电影、电视、视频 网上世界
传递、表达和交流思想、常识和事件
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现实？——现实世界
教室 校园 城市 地球 宇宙
客观存在
地理实体
地理现象
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虚拟+现实？——虚拟现实世界
VPL的成功：
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Lanier为了进一步巩固其霸主地位,于1990～1991 年申请了两项专利。
一项"光纤弯曲感受器“ 另一项"计算机数据输入及操作装置和方法“
VPL要求竞争对手停止销售未经VPL许可或注册的 产品。——反对这专利,寻找数据手套的替代物。 VPL和Lanier的声望急剧下降,并从此陷于无休止 的法律纠纷之中。有人评论他们当时的日常工作 就是研究与法律有关的事务。
第一章 建模与仿真的基本概念
第1章建模与仿真的基本概念1.1引言1.1.1 建模与仿真的作用和历史发展1、建模：利用数学手段或其他方法对事物或真实世界进行描述。
2、建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容，建模与仿真技术也渗透到各个学科和工程技术领域。
1.1.2 建模活动建模活动是具有特殊形式的人与外界的相互作用，它是有两个不同的步骤组成：1、模型的建立或形式化，产生出一个现实世界系统的模型，它是人类通过一种抽象的表示方法以获得对自然现象的充分理解；2、对形式化模型进行分析与利用，以便掌握如何按照人类的意志对现实系统进行控制。
1.1.3 计算机仿真1、复杂模型的求解。
2、优越性：（1）可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；（2）可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；（3）可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的资源和费用。
1.2建模与仿真的基本概念1.2.1 建模与仿真的定义建模与仿真是构成现实世界实际系统的模型和在计算机上进行仿真的有关复杂活动。
它主要包括实际系统、模型和计算机三个部分。
建模仿真图1.1 建模与仿真的基本组成与两个关系建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系；仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系。
1.2.2 实际系统包括三要素：实体、属性和活动。
1.2.3 模型与建模关系1、模型：是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。
2、系统模型的结构性质：（1）相似形。
模型与真实系统间在属性上具有相似的特性和变化规律。
（2）简单性。
实用的前提下，模型越简单越好。
（3）多面性。
由许多实体组成的系统来说，由于其研究的目的不同，就决定了所要收集的与系统有关的信息也是不同的。
所以用来表示系统的模型并不是唯一的，对同一个系统可以产生相应于不同层次的多种模型。
3、模型的有效性（1）复制有效：在输入输出数据是相匹配的，就认为模型是复制有效。
陈树新现代通信系统建模与仿真第01章
第1章 绪论 在仿真实验方面，现代仿真技术将实验框架与仿真运行
控制区分开来。一个实验框架定义一组条件，它们包括模型 参数、输入变量、观测变量、初始条件、终止条件和输出说 明等。前面已对模型参数进行了说明，除此之外，现代仿真 技术与传统仿真技术的区别还在于现代仿真技术将输出函数 的定义也与仿真模型分离开来。这样，当需要不同形式的输 出时，不必重新修改仿真模型，甚至不必重新仿真运行。
第1章 绪论 1.1.2 模型
为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行实验。 实验的方法通常可分为两大类：一类是直接在真实系统上进 行；另一类是先构造模型，通过对模型的实验来代替或部分 代替对真实系统的实验。传统上大多采用第一类方法。随着 科学技术的发展，尽管第一类方法在某些情况下仍然是必不 可少的，但第二类方法日益成为人们更为常用的方法，其主 要原因在于： (1) 系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们 需要更准确地了解未来系统的性能，这时就只能通过对模型 的实验来了解；
第1章 绪论 对于数学模型而言，当系统的激励是连续信号时，若其
响应也是连续信号，则称其为连续系统；当系统的激励是离 散信号时，若其响应也是离散信号，则称其为离散系统。连 续系统与离散系统常组合使用，可称为混合系统。描述连续 系统的数学模型是微分方程，而描述离散系统的数学模型是 差分方程。 如果系统的数学模型只有单个输入和单个输出信号，则 称为单输入—单输出系统，如图1.1-1(a)所示；如果系统含 有多个输入和多个输出信号，则称为多输入—多输出系统， 如图1.1-1(b)所示。这里仅考虑单输入—单输出系统。
第1章 绪论 (2) 在真实系统上进行实验可能会引起系统破坏或发生
故障，例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进 行没有把握的实验，将会冒巨大的风险； (3) 需要进行多次实验时，难以保证每次实验的条件相 同，因而无法准确判断实验结果的优劣； (4) 实验时间太长或费用昂贵。 因此，在模型上进行实验日益为人们所青睐，建模技术 也就随之发展起来了。根据建模方法不同可以把模型分为两 大类：一类是物理模型，就是采用一定比例尺按照真实系统 的“样子”制作，沙盘模型就是物理模型的典型例子；另一 类是数学模型，就是用数学表达式来描述系统的内在规律。
仿真技术基础课程设计
仿真技术基础课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握仿真技术的基本概念，理解其在工程与科学领域中的应用；2. 使学生了解仿真技术的原理，包括数学建模、算法实现及结果分析；3. 引导学生认识仿真软件的操作流程，学会使用软件进行简单仿真实验。
技能目标：1. 培养学生运用仿真技术解决实际问题的能力，提高数学建模和算法应用技能；2. 培养学生动手操作仿真软件的能力，熟练进行数据输入、模型构建和结果分析；3. 培养学生团队协作能力，通过小组讨论和实验，共同完成仿真项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对仿真技术的兴趣，激发学生探索科学原理的热情；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和分析结果的准确性；3. 培养学生具备创新意识，敢于尝试新方法，勇于面对挑战。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，结合理论知识与实际操作，旨在培养学生的动手能力和实际问题解决能力。
学生特点：学生具备一定的数学基础和计算机操作技能，对新技术和新方法充满好奇，喜欢动手实践。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调操作技能的培养，同时关注学生的情感态度价值观塑造。
通过课程学习，使学生能够达到上述具体的学习成果，为后续深入学习仿真技术打下坚实基础。
二、教学内容本课程依据课程目标，选择以下教学内容：1. 仿真技术概述：介绍仿真技术的定义、分类及其在工程与科学领域中的应用。
- 教材章节：第一章 仿真技术引论2. 仿真技术原理：讲解数学建模、算法实现及结果分析等基本原理。
- 教材章节：第二章 数学建模与算法3. 仿真软件操作：学习主流仿真软件的操作流程，掌握基本功能。
- 教材章节：第三章 仿真软件及其应用4. 实践项目：分组进行仿真实验，包括数据输入、模型构建、结果分析等。
- 教材章节：第四章 仿真实验与实践教学大纲安排如下：第一周：仿真技术概述及发展历程第二周：数学建模方法及算法基础第三周：仿真软件介绍与安装第四周：仿真软件操作与简单实验第五周：实践项目一：物理仿真实验第六周：实践项目二：电路仿真实验第七周：实践项目三：控制系统仿真实验第八周：课程总结与成果展示教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节和实际案例，使学生能够循序渐进地掌握仿真技术的基本知识和操作技能。
系统仿真技术的介绍(第一章)NEW
系统仿真技术的介绍（第一章）（一）什么是系统仿真系统仿真技术在国内还是一个新事物,大家不难发现,在5年或者10年前,很少会有人谈到仿真技术,学校也没有这门课程,在网络上搜索,相关的资料也是很少。
可是近2~3年,仿真逐步在国内高校内发展起来,也逐渐在一些世界级的大企业、国家重点单位得到了应用，出现了一部分基于仿真的咨询机构，并且一度海外风险投资基金也欲介入这个潜在的市场。
现在国内在物流、供应链、工业工程等相关的网站、论坛上都能找到系统仿真的踪迹，并且也出现了一些比较有名的仿真论坛，主要有itpub的供应链仿真论坛，道于仿真论坛，还有各大仿真软件公司或者代理开设的专门的讨论区，技术支持区，人气也相当火。
姑且不论我们国内论坛的人气旺盛和实际上仿真技术应用比较低靡的巨大反差，至少也可以说这是一个良好的开端。
系统仿真是工业工程中系统工程的一个小分支,在国外已经有50多年的历史[1955，K.D. Tocher]。
尤其在美国,仿真研究已经广泛应用于企业应用，主要被应用于通讯、制造、服务、卫生、物流和军事等，为这些行业的发展提供了巨大的推动作用。
仿真和虚拟现实，有本质的区别，我们经常听到仿真枪，仿真玩具，还有比如工程仿真软件，这些都是和虚拟现实相关的可视化的设计而已。
美国的仿真著名学者Jerry Banks对系统仿真的定义是：“仿真就是实时地对现实世界的流程和系统的运作进行模拟,仿真包含人为地产生系统的“历史”，并通过观察这些“历史”数据来获得它所代表的现实系统的运作的推断。
仿真是解决很多现实世界问题不可获缺的解决工具。
仿真被用来描述和分析系统的行为，提出关于现实系统的what-if的问题，并帮助现实系统的设计。
现存的系统和概念中的系统都可以用仿真来模拟。
”采用系统仿真的方法和传统方法的区别在于仿真属于预测性技术，在不影响实际系统的情况下通过有目的的选取研究的对象，确定研究范围，抽象系统的本质进行一系列策略和参数的模拟。
第1章计算机辅助设计与仿真技术概述
2000年，薛定宇 • 《基于MATLAB的系统分析与设计——控制系统》，西安电子科技大学
出版社，1999年，楼顺天 • 《MATLAB5. X应用与技巧》，科学出版社，1999年，蒙以正 • 《MATLAB5.X入门与应用》，科学出版社，1999年，柳承茂 • 《MATLAB电子仿真与应用》，国防工业出版社，2001年，韩竹利
本章小结
• 仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本 原则是相似性原理。
• 数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。
• 仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的 关键内容。
• 系统模型可以分为物理模型、数学模型及仿真模型， 据此可将仿真分为物理仿真和数学仿真两大类。
• 系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素， 建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。
2、程序软件包阶段 • 出现了“应用子程序库”。 3、交互式语言阶段（仿真语言）
• 仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特 征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及 如何实现等低级问题。
4、模型化图形组态阶段
• 符合设PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件， 适合于元件级仿真。
2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件
3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种 工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行， 所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而 是一种高级的科学分析与计算软件。
4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形 组态的动态仿真环境。
• 数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人 员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出 的程序。
计算机仿真技术：第1章 仿真技术综述
定理、定律或公式，经过分析和演绎，找出系统内部 各部分或环节之间的相互关系，推导出系统的数学模 型。
❖ 系统辨识 根据系统的输入和输出的观测信息来估
计它的数学模型。
❖ 综合法 综合法就是将解析和实验结合起来的建模
方法。
三、仿真
仿真，就是模仿真实的事物，也就是用一个模型来模仿真实
(1) 对于一个大型的仿真系统，有时系统中的某一部分很难建立 其数学模型，或者建立这部分的数学模型的代价昂贵，精度也难 以保证。例如，在红外制导系统仿真时，其红外制导头以及各种 物理场的模型建立是相当困难的。为了能准确地仿真系统，这部 分将以实物的形式直接参与仿真系统，从而避免建模的困难和过 高的建模费用。
（3）有序性和动态性
比如，生命是一种高度有序的结
构，它所具有的复杂功能组织，
与现代化大工业生产的“装配
C •
线”非常相似，这是一种结构
B•
上的有序性，对任何系统都是
适用的。又如图1.1.1所示，一 A• 个非平衡系统如果经过分支点A、
B到达C，那么对C态的解释就
必须暗含着对A态和B态的了解。
这就是系统的动态性。
无论什么系统均具有4个重要的性质： 整体性 相关性 有序性 动态性
（1）系统的整体性。各部分是不可分割的。就好像人体，它
由头、身躯、四肢等多个部分组成，如果把这些部分拆开，就 不能构成完整的人体。至于人们熟悉的自动控制系统，其基本 组成部分(控制对象、测量元件、控制器等)同样缺一不可。整体 性是系统的第一特性。
上一节我们讲过，仿真就是模仿一个真实系统，所遵循的 基本原则就是相似原理。根据相似论的研究方法和仿真技术的 研究方法，在建立物理系统的模型时，我们认为物理系统和模 型应该满足几何相似、环境相似和性能相似中的一种或几种。
系统建模与仿真第一章.
亚实时仿真
实时仿真
超实时仿真
20
《系统建模与仿真》
计算机仿真的一般步骤
分析实际 系统 建立系统 模型 仿真建模
仿真结果 分析
仿真运行
程序设计
反馈校验
结束
21
电气工程常见仿真
电气工程学科常见仿真
统 数字电路类仿真：EDA设计、微机系统与接口 线性电路类仿真：模拟电路、放大电路、控制系
2019/1/16 《系统建模与仿真》 29
重点介绍一种在全世界广为应用 的一种仿真软件——MATLAB。
MATLAB是MathWorks公司推出的一套高性能 的数值计算和可视化软件，它集数值分析、 矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构 成了一个方便的、界面友好的用户环境。 MATLAB的推出得到了各个领域专家学者的广 泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应 用提供了基础。由各领域专家学者相继推出 了MATLAB工具箱。应用各种专业工具箱，用 户可以方便地解决相应专业的计算和仿真问 题。
航 空 、 航 天 工 业 、 能 源 教 育 、 科 研
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经 济 、 社 会 交 通 、 商 业
武 器 、 军 事
《系统建模与仿真》
发展历史与趋势
20世纪40年代 至70年代 • 传统系统仿 真 • 主要面向工 程系统仿真 80年代至21世 纪初 • 复杂系统仿 真 • 主要面向社 会、经济、 生态等非工 程系统 21世纪
2019/1/16
《系统建模与仿真》
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第一章 绪论
本章教学要点
了解系统仿真技术的发展、特点、应用以
及相关技术；
了解系统仿真的基本概念和相关知识
现代仿真技术主要体现的方面
Thanks！
仿真建模方面
• 除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究 新算法和开发新软件外,现代仿真技术采用模型与 实验分离技术,即模型数据驱动。将模型分为参数 模型代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开 。其中,实验架用来定义条件,包括模型参数、输入 变量、观测变量、初始条件、输出说明。这样,当 需要不同形式的输出时,不必重新修改仿真模型,甚 至不必重新仿真运行。正是由于现代仿真方法学 的建立,特别是模拟可重用性、面向对象方法和应 用集成等新技术的应用,使得仿真、建模与实验统 一到一个集成环境这中,构成一个和谐的人机交互 界面。
现代仿真技术主要体现的方面
系统建模方面
• 传统上,多通过实验辩识来建立系统模型。近十几 年来, 系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上 有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等; 在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩 识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此 之外,近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模 型的方法;基于模型库的结构化建模方法:面向对象 建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实 现模型的拼合与重用。
仿真技术
• 食品工程原理仿真实训软件 仿真实训软件主要包括食品生产中 仿真实训软件 的各种单元操作,如流体流动以及管路特性、传热、 吸收、精馏、干燥、过滤等以及相应的实验实训 等。 • 为此,尝试将计算机仿真系统引入食品工程原理课 堂的理论及实验教学中,采用形象逼真的教学手段, 尽可能使学生有更直观的感觉。
• 实例：啤酒酿造的虚拟的仿真 实例：
• 啤酒是以大麦和酿造水为主要原料，以大米、玉 米等谷物为辅料，以极少量啤酒花为香料，经过 啤酒酵母糖化发酵酿制而成的一种低酒精度的健 康饮料酒。啤酒发酵工艺流程如图1。
• 利用虚拟操作界面模拟糊化过程和发酵过程
• 虚拟糊化锅操作界面如图2真时,是从将现象模型化的模型试验开始, 特别是要使模型能够正确地表现现象,必须进行充 分的分析,模型的种类可按图3进行分类。
• 模型试验要对系统的内部结构及其作用作 充分的研究，并拟定明确的算法,建立能再 现现象的模型。用这样的模型进行实验,从 而得出结果，就称其为仿真。
3、仿真的几种主要类型
仿真实验的内容
• (1)实验装置选择:食品工程原理主要包括以下几 个实验:流量计的认识和校验;风机性能测定;流体 流动阻力系数测定;离心泵及管路特性曲线测定; 传热实验;吸收实验;精馏实验;干燥实验;过滤实 验。这几个实验在仿真实训软件中均有设置。 • (2)实验指导 • (3)素材演示 • (4)仿真操作:对仿真软件中的虚拟装置进行仿真 操作。操作界面直观、简洁、易学,使学生读取数 据方便而不失真,特别设计局部放大功能,如需要 读取数据的仪表、气压计等,可以随时掌握操作的 参数变化规律和制定相应的措施,便于提高学生应 变能力 • (5)数据处理
虚拟仿真技术在生产过程中作用
• 虚拟仿真技术需要所有阀门可以实现从 0-100%全 量程操作，并且能够设定为不同流通能力的四种 特性（等百分比、直线特性、快开特性和抛物线 特性）的自动控制阀门。盘台上的所有操作和显 示变量都能由真实的 DCS PLC或软件控制，可以 在瞬间设定新的状态，可以任意设定干扰、故障 状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某 时间段落的变化状态等。