摘要 本文從仿真的基本理論角度介紹仿真技術(shù)，概括了我國仿真技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。介紹了機(jī)械專業(yè)常用仿真軟件包Simulink，并以彈簧-質(zhì)量-阻尼器的機(jī)械位移系統(tǒng)為例說明利用Simulink進(jìn)行建模、仿真的方法。

關(guān)鍵詞 仿真技術(shù)，Simulink，建模，仿真

1引言

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)成為對人類社會發(fā)展進(jìn)步具有重要影響的一門綜合性技術(shù)學(xué)科。仿真技術(shù)不再局限應(yīng)用于某些尖端學(xué)科的技術(shù)研究領(lǐng)域，而成為一項被眾多學(xué)科領(lǐng)域廣泛采用的通用性技術(shù)[1]。目前國內(nèi)仿真技術(shù)研究的熱點主要有：復(fù)雜系統(tǒng)建模理論與方法、建模VVA技術(shù)、仿真優(yōu)化、可視化多媒體仿真技術(shù)研究、協(xié)同分布式仿真技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、仿真軟件開發(fā)和仿真應(yīng)用等研究。主要歸納為五類：建模理論和方法研究、仿真可信度研究、仿真方法研究、仿真工具研究以及仿真應(yīng)用技術(shù)研究等[2]。

任何理論與技術(shù)的發(fā)展都離不開基本理論知識。本文從仿真的基本理論知識入手，闡述仿真技術(shù)的相關(guān)問題，介紹我國仿真技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。重點介紹機(jī)械專業(yè)常用仿真軟件包Simulink的應(yīng)用，舉例說明利用Simulink進(jìn)行建模、仿真的方法。

2仿真技術(shù)理論

2.1 仿真的概念

仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和改造實際系統(tǒng)的目的。仿真的一般過程如圖1所示。

圖1 仿真流程圖

2.2 仿真技術(shù)的作用

仿真技術(shù)具有很高的科學(xué)研究價值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。首先，仿真技術(shù)在應(yīng)用上的安全性，使得航空、航天、核電站等成為仿真技術(shù)最早和最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。其次，由于仿真往往是在計算機(jī)上模擬現(xiàn)實系統(tǒng)過程，可多次重復(fù)運(yùn)行，因此經(jīng)濟(jì)性十分突出。另外，從環(huán)境保護(hù)角度考慮，仿真技術(shù)也極具價值。

2.3 仿真的分類

根據(jù)實現(xiàn)方法的不同，仿真分為實物仿真、數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真：實物仿真又稱物理仿真，它是指研制某些實體模型，使之能夠重現(xiàn)原系統(tǒng)的各種狀態(tài)；數(shù)學(xué)仿真，就是把研究對象的結(jié)構(gòu)特征或者輸入輸出關(guān)系，抽象為一種數(shù)學(xué)描述（微分方程、狀態(tài)方程，可分為解析模型、統(tǒng)計模型）來研究，它可以方便地改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)；半實物仿真，又稱數(shù)學(xué)物理仿真或者混合仿真，就是在仿真環(huán)節(jié)中存在實體的仿真。

2.4 仿真技術(shù)的五個層次[3]

建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，應(yīng)解決實現(xiàn)五個層次的使能技術(shù)。包括基礎(chǔ)技術(shù)，元、部件級技術(shù)，系統(tǒng)級技術(shù)，應(yīng)用級技術(shù)，集成綜合環(huán)境和建模與仿真工具。

3我國仿真技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

我國仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用開展較早，發(fā)展迅速，在某些方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但總的技術(shù)水平，特別是應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家比較還有差距。而系統(tǒng)仿真技術(shù)的優(yōu)良特性和巨大效益，可能成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術(shù)[3]。

20世紀(jì)50年代，我國在自動控制領(lǐng)域中首先采用仿真技術(shù)，面向方程建模和采用模擬計算機(jī)的數(shù)學(xué)仿真獲得較普遍的應(yīng)用。60年代，在開展連續(xù)系統(tǒng)仿真的同時，開始對離散事件系統(tǒng)的仿真進(jìn)行研究。70年代，訓(xùn)練仿真器獲得迅速發(fā)展。80年代，我國建設(shè)了一批水平高、規(guī)模大的半實物仿真系統(tǒng)。90年代，我國開始對分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究[4]。而新世紀(jì)，建模與仿真技術(shù)正向網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、協(xié)同化、普適化方向發(fā)展［5］。

4仿真軟件

仿真程序庫：由一組完成特定功能的程序組成的集合，專門面向某一問題或某一領(lǐng)域。它可能是通用的語言（C++、FORTRAN等）開發(fā)的軟件包，也可能是依附于某種集成仿真環(huán)境的函數(shù)庫或模塊庫。

仿真語言：針對仿真問題在高級語言的基礎(chǔ)上研制的。不要求用戶掌握高級語言，只需書寫方程代碼，由機(jī)器自動完成由仿真語言到通用高級語言與匯編語言的轉(zhuǎn)換。如ACSL，Simscript，Easy5，Adsim等。

集成仿真環(huán)境：它是一組用于仿真的軟件工具的集合。為了提高效率，將許多功能軟件（建模軟件、仿真執(zhí)行軟件、結(jié)構(gòu)分析軟件等）集成起來，加上方便的操作界面、環(huán)境，就形成了集成仿真環(huán)境。如Simulink、Matrix、Mideva、Scilab等。

4.1 Simulink建模與仿真技術(shù)

Simulink是MATLAB中一個用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包。其可以完成各種動態(tài)系統(tǒng)包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合的線性與非線性系統(tǒng)的仿真，也能完成多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。Siumlink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，與仿真軟件包用微分和差分方程建模相比，具有更直觀、更方便、更靈活的特點，可用于系統(tǒng)仿真、分析和設(shè)計[5]。

4.2Simulink仿真實例

4.2.1建立系統(tǒng)的模型

彈簧-質(zhì)量-阻尼器機(jī)械位移系統(tǒng)物理模型如圖2所示。系統(tǒng)的動態(tài)方程如下：

外力F（t）為幅值為1的階躍輸入，質(zhì)量塊質(zhì)量m=5kg，阻尼器的阻尼系數(shù)f=0.5，彈簧的彈性系數(shù)k=5；質(zhì)量塊的初始速度和初始加速度均為0。根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述選擇合適的Simulink系統(tǒng)模塊，并對系統(tǒng)各模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置得到的該系統(tǒng)模型如圖3所示，使用的系統(tǒng)模塊主要有：Step模塊為輸入信號；Sum模塊實現(xiàn)輸入求和或求差；Integrator模塊實現(xiàn)變量的積分；Gain模塊實現(xiàn)信號增益。

圖3 彈簧-質(zhì)量-阻尼器的機(jī)械位移系統(tǒng)模型

4.2.2系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置和仿真曲線

在對模型中各個模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，需對系統(tǒng)仿真參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)置。Simulink默認(rèn)的仿真起始結(jié)束時間為0s和10s。如需設(shè)置仿真時間，可在Solver選項卡中設(shè)置系統(tǒng)仿真時間，也可以對系統(tǒng)仿真的求解器進(jìn)行設(shè)置與控制，包括求解器類型、求解方法、仿真步長以及誤差控制等。在使用Simulink對簡單系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，影響仿真結(jié)果輸出的因素有仿真起始時間、結(jié)束時間和仿真步長。

本系統(tǒng)采用ode45變步長算法，仿真起始時間為0s，結(jié)束時間為100s，自動選擇最大仿真步長，其它采用默認(rèn)設(shè)置，開始仿真。仿真結(jié)束后，雙擊Scope模塊，顯示系統(tǒng)仿真結(jié)果，圖4、5、6分別為加速度、速度和位移曲線，其中橫坐標(biāo)是時間軸，縱坐標(biāo)則分別為加速度、速度和位移。通過對彈簧-質(zhì)量-阻尼器機(jī)械系統(tǒng)的仿真可以看出，利用Simulink建模簡便、形象、有效，而且能夠很方便地觀察系統(tǒng)的位移、速度和加速度曲線，從而可以對系統(tǒng)進(jìn)行分析和預(yù)測。

圖4 系統(tǒng)加速度仿真曲線

圖5 系統(tǒng)速度仿真曲線

圖6 系統(tǒng)位移仿真曲線

5結(jié) 束 語

仿真技術(shù)應(yīng)用價值巨大，它在許多領(lǐng)域都有了相當(dāng)多的研究和應(yīng)用，而今后的應(yīng)用范圍將會越來越廣。實例表明，Simulink是一個用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的有效軟件包。

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7 李永堂，雷步芳，高雨茁.液壓系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2003

Discussion of Simulation Technology

Kuang Weichun1 Zhang Chuancai2

(1Jingdezhen Ceramic Institute Jingdezhen Jiangxi333403

2 Xi'an University of Architecture TechnologyXi'anShanxi 710055)

Abstract: Simulation technology and its development in our country by basic theory of simulation were introduced in this article. Simulink was introduced as a frequently used mechanical simulation software and the method of simulation and modeling by Simulink， which exampled as spring-quality-damper mechanical displacement system， was illustrated.

Keywords: simulation technology，simulink，modeling，simulation