作者简介:王行仁(1933— ) ,男,江苏省武进县人,北京航空航天大学自动化学院教授、博士生导师,曾任中国自动化学会理事、中国系统仿真 学会理事长、总装备部军用仿真专业组副组长。研究领域:建模与仿真、飞行控制与飞行仿真、飞行模拟器、分布交互仿真系统、建模 仿真支撑环境、虚拟样机技术,虚拟战场技术等。曾获国家科技进步一、二等奖、省部级科技进步一等奖等多项奖励。
[编者按 ]:仿真技术是一门通用性强、应用面广、发展迅速、跨学科的综合性技术,并与计算机技术相结合,成为 认识与改造客观世界的重要手段。目前,仿真技术正向数字化、虚拟化、网络化、智能化和协同化的方向发展。
仿真技术是先进制造技术的重要组成部分,对机电产品设计和制造有重要意义 。它具有产品研发快 、上市 周期短,成本低,质量好等一系列优点,被广泛应用于机械制造行业,其前景广阔 。
为落实科学发展观,加快我国由制造大国向制造强国的转型,我刊特约我国著名仿真技术专家 、北京航空 航天大学王行仁教授 、博士生导师撰写一篇“系统仿真技术 ”专题稿件并刊登在本期“综述与展望 ”栏目上,旨在 促进该技术在机械制造行业的应用与发展 。希望机械行业的广大科技工作者,以本刊为平台,积极开展仿真技 术的研究 、应用及其学术交流,为“十一五 ”圆满完成和“十二五 ”开好局而共同努力 。
建模与仿真技术的发展和应用
王行仁
(北京航空航天大学,北京 100191)
摘 要:建模与仿真在各个领域和产品全生命周期得到广泛应用 。模型是系统 、实体 、现象 、过 程的数学 、物理或逻辑的描述 。讨论了建模与仿真的一些基本概念 、基于仿真设计制造 、基于 仿真训练以及某些关键技术,总结了我国建模仿真技术的发展和取得的成就 。
关键词:建模与仿真;基于仿真设计制造;基于仿真训练;分布交互仿真;虚拟样机 中图分类号: TH12; TP391. 9 文献标志码: A 文章编号: 167125276 ( 2010) 0120001206
D eve lopm en t and Applica tion of M odeling and S im ula tion Technology
WAN G X ing2ren
(B e ijing U n ive rs ity o f Ae ro na tic s a nd A s tro na u tic s, B e ijing 100191, C h ina )
Abstract:Mo de ling a nd S im u la tio n a re b ro a d ly u se d in d iffe re n t a re a a nd in a ll life cyc le o f p ro ducd s. Mo de l is a p hys ica l, m a them a t2 ica l o r lo g ica l rep re se n ta tio n o f a sys tem , e n tity, p he nom e no n, o r p ro ce s s. Som e ba s ic co ncep t o f m o de ling a nd s im u la tio n , s im u la tio n ba se d de s ign a nd m a nufa c tu re , s im u la tio n ba se d tra in ing, the ke y te chno lo gy a re d iscu s se d in th is p ap e r. O ve rview the de ve lopm e n t a nd a ch ie vem e n t o f m o de ling a nd s im u la tio n in C h ina.
Key words:m o de ling a nd s im u la tio n; s im u la tio n ba se d de s ign a nd m a nufa c tu re; s im u la tio n ba se d tra in ing; d is tribu te d in te ra c tive s im u la tio n; virtua l p ro to typ ing.
0 前言
20世纪五六十年代,自动控制领域普遍采用计算机
模拟( cmputer simulation)方法研究控制 系 统动 态 过 程 。
“计算机模拟 ”实质上是数学模型在计算机上的解算运 行,当时的计算机是模拟计算机 ( analog computer) ,后来 发展为数字计算机( digital computer) ,在模拟计算机上的 模型解算称为“analog sim ulation”,而在数字计算机上的模 型解算称为“digital sim ulaion”。为了规范术语 与 译 名, 1979年在烟台举行的全国系统仿真学术会议上建议将
“sim ulation”译为“仿真 ”,“analog simulation”译为“模拟仿 真 ”,“digital sim ulation”译为“数字仿真 ”,考虑到原来已
习惯将“sim ulation”译为“模拟 ”,必要时也可以使用 。
模型 、仿真的定义有各种表述 。一种简单的基本定义 如下(图1) :
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 。
图 1 建模与仿真的关系
广义而言,仿真是采用建模的方法和物理的方法对真 实环境客观事物进行抽象 、映射 、描述和复现 。基于系统 原理 、理论 、定律 、系统数据等应用计算机技术 、软件技术 和信息技术建立仿真环境(虚拟环境) ,在仿真环境中对 客观事物进行研究 。客观事物包括真实环境中的实体/系 统 、自然环境 (地形 、大气 、海洋 、空间)、和人的行为 (操
2 作 、决策 、推理)。仿真环境包括模型 、数据 、软件 、物理效
应设备 、计算机等 。
仿真环境与真实环境的映射关系如图2所示 。
“系统建模与仿真技术 ”是一种专业技术,是一门学 科,它以建模与仿真理论为基础,以计算机 、物理效应设备 及仿真器为工具,根据研究目标,建立并运行系统模型,对 已有的或设想的事物进行认识与改造的一种多学科的综 合性 、交叉性技术 。
对客观事物进行仿真包括以下内容: 1)问题的描述;
2)建立概念模型; 3)建立仿真模型;
4)收集数据;
5)编写程序;
6)在计算机进行模型试验; 7)模型和数据的验证;
图2 真实环境与仿真环境
8)仿真结果显示; 9)仿真结果分析和评估 。
工程技术人员和研究人员掌握和实行仿真步骤非常
重要,文献[ 1 ]提出的详细步骤如下:
1)问题定义 ( p roblem definition)———确定研究的目 的和需要解决的问题;
2)项目规划 ( p roject p lanning)———包括硬件 、软件 、 人力等资源;
3)系统的定义( system definition)———确定系统如何 工作,以及边界条件和限制条件;
4)建立概念模型 ( concep tual model)———用图形 (如 方框图,流程图)或伪码定义系统的部件 、变量 、和交互关 系的方法,建立初步的模型;
5 ) 初 步 试 验 设 计 ( p relim inary experimental de2
sign)———根据试验输出的要求,选择从模型采集的数据
及其形式和范围;
6)输入数据的准备( input data p reparation)———收集模 型需要的输入数据,确定数据来源,并将数据格式标准化;
7)模型转化(model translation)———采用相应的程序
语言或仿真语言将模型编成程序;
8)校核 ( verification)———检查仿真模型是否正确反
映了输入和输出数据;
9)验证( validation)———保证模型和仿真系统正确表
示了实际系统;
10)最终试验设计 ( final experimental design)———设 计能产生期望信息的试验,以及测试的顺序;
11)试验 ( experimentation)———仿真运行,产生期望 的数据;
12)分析和解释( analysis and interp retation)———对仿 真运行产生的数据进行推断,得出结论;
13)结束工作和编写文档 ( imp lementation and docu2
mentation)———记录研究结果,提出报告,将模型及其使用
写成文档 。
如上所述,仿真是建立模型在计算机上运行,但这属 于数学仿真,随着技术的发展,许多应用领域建立仿真系 统时除了模型外还要求将实物和人员包含在仿真回路中 。
在工程应用中仿真系统可分为以下几类:
1)数学仿真(mathematical simulation)———用数学模型 描述客观事物,根据数学模型编成程序在计算机上运行。
2) 硬 件 在 回 路 仿 真 ( hardware _ in the loop simula2
tion)———又称为半实物仿真 。除了用数学模型描述客观
事物外,还将部分实物硬件接入仿真系统,使仿真系统更 逼近真实系统 。例如飞机飞行控制仿真系统,除了飞行动 力学 、发动机动态特性等数学模型在计算机上运行外,还 将飞行控制系统实物(传感器,控制计算机,或执行机构) 接入飞行仿真系统 。
3) 软 件 在 回 路 仿 真 ( software in the loop simula2
tion)———随着计算机技术的发展与应用,许多设备和系
统采用数字化技术,含有大量应用软件,为了检验 、考核应 用软件的正确性和可行性,通过仿真来检查和试验应用软 件是重要的技术途径 。软件在回路仿真系统除了用数学 模型描述客观事物外,还将数字设备的软件接入仿真系 统 。例如飞机飞行仿真系统,除了飞行动力学 、发动机动 态特性等数学模型外,还将飞行控制软件 、导航软件 、飞行 管理软件等接入飞行仿真系统 。
4)人在回路仿真(man in the loop simulation)———除 了用数学模型描述客观事物外,人员 (操作人员,指挥人 员,决策人员)作为一个环节参与仿真系统回路中 。例如 在地面训练飞行员驾驶飞机飞行的飞行模拟器是一个典 型的人在回路仿真系统,通过飞行模拟器可以训练起飞 、 着陆 、航线飞行 、穿云飞行等 。
在军事领域,建模仿真技术应用突显重要,主要应用 于分析 、采办 、训练 。现代战争的作战训练很难完全靠实 战演练,费用高 、风险大,通过建模仿真技术构建大规模的
包括我军 、敌军 、友军的虚拟战场,可以对指挥员 、战斗员 进行训练 。建模仿真时涉及到人员 (指挥员 、战斗员 、操 作人员)和装备(武器平台 、设备 、系统) ,在构建仿真系统 时可以是真实的或虚拟的(仿真的)人员,真实装备或虚 拟(仿真)装备 。
根据真实或虚拟的 (即仿真的)人员和装备组成情 况,在军事应用领域,仿真系统可以分为以下几类 (图3) : 1)构造仿真( constructive simulation)———虚拟的人员操 作虚拟的设备和系统,例如计算机生成兵力系统、虚拟战场;
2)虚拟仿真( virtual simulation)———真实的人员操作 虚拟的设备和系统,例如飞行模拟器 、坦克驾驶模拟器 、舰 艇操纵模拟器;
3)实况仿真( live simulation)———真实的人员在虚拟
环境下操作真实的设备和系统,例如嵌入式仿真系统; 4)智能仿真 ( intelligent simulation)———虚拟人员操 作真实设备和系统,例如智能车辆 、无人作战飞机 。
在大规模的复杂军用仿真系统中,将既包含真实的人 员和设备,又包含虚拟的人员和设备 。
图 3 军事领域仿真系统分类
在20世纪 80年代,系统仿真领域有两项技术的应用 取得突破性进展,即可视化和网络化 。
可视化技术 ———传统上,系统仿真的过程和结果都是 依靠打印数据和曲线显示,由于计算机图形图像生成技术 的发展,可以采用二维或三维图形图像直观地形象地显示 仿真的动态过程和参数变化,更重要的是人在回路仿真系 统和硬件在回路仿真系统需要计算机生成的图形图像虚拟 环境给人员或传感器提供真实感的信息 。可视化技术的进 一步发展是具有沉浸感的虚拟现实( virtual reality)技术 。
网络化技术 ———传统上,简单仿真系统采用单台计算 机实现,随着大规摸复杂仿真系统的出现,仿真资源分布在 不同地区,单台计算机已不能满足要求,於是采用多台计算 机分布联网的方式,包括局域网和广域网,需要解决的关键 技术之一是计算机之间数据和信息的交互通讯,后来发展 为分布交互仿真( distributed interactive simulation, D IS)和先 进分布仿真( advanced distribute simulation, ADS)。
1 建模与仿真技术的应用
建模与仿真技术已成功地应用于航空航天 、生产制 造 、交通运输 、信息 、生物 、医学 、材料 、能源 、教育 、军事 、社 会 、经济等众多领域;并成功地应用于产品研制的全生命 周期,包括需求分析 、方案论证 、概念设计 、初步设计 、详细 设计 、生产制造 、试验试飞 、运行 、维护 、训练等各个阶段 。
下面介绍仿真技术在两个典型领域里的应用: a) 基于仿真的设计与制造 ( simulation based design and m anufacture)
在目前全球经济竞争激烈的情况下,成功的企业必须 快速反应市场的需求变化趋向,快速设计和制造新的产 品 。其中产品设计占整个研发周期的大部时间,缩短产品 设计时间是最具竞争力的途径 。基于仿真的设计( SBD ) 或虚拟样机( virtual p rototyp ing)技术是现代产品设计的革 命性手段 。
早期的计算机辅助设计与制造 ( CAD /CAM )发展为 基于仿真设计与制造 ( SBD / SBM ) ,目前又提出数字制造 ( digital manufacturing)或虚拟制造( virtual manufacturing)。
CAD模型(包括部件和组件)是初步设计阶段对产品 的简单描述,采用仿真方法对运动空间的限制 、强度 、动力 学进行分析,在动态载荷和受力情况下得到应力应变 、位 移 、速度 、加速度等参数,以评估各种不同设计概念 。
基于仿真设计与传统设计的方法和流程两者有很大 区别(图4) ,基于仿真设计可以在计算机上建立虚拟样 机,对产品的外形 、结构 、强度 、动力学进行分析设计,满足 技术要求后建立实物样机或直接制造产品,可以大量缩短 产品研制周期,降低成本 。基于仿真设计或虚拟样机技术 可以多学科综合 、系统集成,提高有效性 。
图 4 基于仿真设计与传统设计比较
目前已经有许多为单学科和多学科系统设计的仿真工 具和软件,支持基于仿真的单学科设计和多学科设计 。在 实物制造出来之前,先采用建模仿真手段建立虚拟样机,进 行设计和试验,例如飞机虚拟样机技术 、导弹虚拟样机技 术,汽车虚拟样机技术 、机器设备虚拟样机技术等等 。众所
周知,波音 - 777飞机采用虚拟样机技术进行设计,由全数
字化设计替代了图纸设计,完成了外形设计 、强度分析 、动 力学分析 、可装配性分析等,而不需要建立实物样机,大大 缩短了研制周期 。同样,虚拟样机技术不仅适用于汽车工 业 、造船工业 、机电工业,而且还对其带来重大影响 。
基于仿真设计和制造的建模与仿真可以采用多种方 法,例如基于方程建模 、基于图形建模 、基于建模与仿真语 言(包括连续系统仿真语言 、离散系统仿真语言)建模 、采 用专用仿真软件 (包括结构强度分析 、流体力学计算 、运 动学 、动力学 、控制系统设计软件等)建模 、单学科建模或 多学科建模等 。图形图像可视化是基于仿真设计的重要 内容,它将设计数据通过软件系统进行静态的和交互的二
2 维 、三维显示 。
基于仿真制造包括加工 、装配 、测试 、工具 、人机界面 、 生产线规划 、车间布局等 。在生产制造真实产品之前,先 在虚拟的 、数字的工厂研制虚拟的 、数字的产品 。使工程 技术人员在生产实物产品之前看到产品是如何制造和装 配的 。例如焊接机器人的路径规划 、碰撞检测等 。加工工 具的设计 、制造与产品同样重要 。
基于仿真的产品开发具有挑战性,减少实物样机的成 本和耗时,减少试验次数,改善产品性能,缩短产品上市时 间 。有数据统计,基于仿真的设计和制造可以缩短产品规
划过程 40% ,节省加工工具设计 30% ,减少产品设计时间
10%～15% ,减少产品成本 13% ,增加产量 15% ,缩短产
品上市时间 30%。
现代工业最大的挑战是采用虚拟技术、数字化仿真技 术,采用综合的方法:仿真、优化、分布、并行、信息化,使产品 研发更快更好。虚拟样机技术特别适用于复杂产品的研制。
数字制造(DM )或虚拟制造 (VM )是产品全生命周期
管理( p roduct lifecycle management, PLM )的关键部分,它 填补了设计与制造之间的空隙,包括虚拟设计 、虚拟加工 、 虚拟装配 、制造过程设计 、工具设计 、车间布局 、虚拟车间 、 虚拟工厂等,进一步发展为分布式虚拟制造 ( distributed
virtual m anufacture)。它主要采用建模仿真技术 、软件技
术 、图形图像可视化和网络通讯技术 。它将优化制造过 程,管理制造过程的信息,并支持各工程领域通过全数字 产品进行有效异地协作 、多专业协作 、多工厂协作 、多企业 协作 。数字制造提供一个基于计算机的环境,可以仿真单 个制造过程,或仿真整个制造企业 。数字制造低成本 、低 风险,可以优化产品外形 、性能,缩短研制周期 。虚拟制造 于汽车工业 、加工和装配分别如图 5～图 7所示 。
图 5 虚拟制造应用于汽车工业
图 6 虚拟加工
b)基于仿真的训练( simulation based training) 通过仿真系统或仿真器可以培训和训练各类人员 (包括个体 、群体和组织机构) ,例如飞行员 、驾驶员 、操作
图 7 虚拟装配
员 、指战员等 。基于仿真的训练不受气候条件和场地的限 制,节省能源 、减少污染 、提高效率 。
信息化现代战争错综复杂,多军兵种 、多武器平台的参 与,近年来从以平台为中心的作战方式转变为网络中心战, 体现了控制 、指挥 、通讯 、侦察 、电子对抗的重要性,完全依 靠实战来检验复杂战场的作战方案 、条令 、武器性能和作战 效能非常困难,必须采用仿真技术构建虚拟战场,进行大规 模军事训练 。计算机生成兵力是其中的重要组成部分,其 关键技术有武器平台建模 、综合自然环境建模 、作战条令建 模 、人的决策行为建模等,武器平台运行在各种自然环境 中,武器性能和作战效能受自然环境条件的约束,综合自然 环境的建模仿真是虚拟战场的重要组成部分 。
飞行模拟器是一种典型的基于仿真训练系统,由计算 机 、数学模型 、数据 、软件 、物理效应设备等构建的一种空 中飞行虚拟环境,供飞行员在这种虚拟环境中感觉在真实 环境中一样驾驶飞行器 。它是一种人在回路仿真系统 。
飞行模拟器组成部分包括模拟座舱仪表系统 、视景系 统 、运动系统 、操纵负载系统 、音响系统 、控制台 、计算机 等,飞行模拟器原理方块图如图 8所示 。飞行模拟器简单 布局图如图 9所示 。
图 8 飞行模拟器原理方块图
图 9 飞行模拟器布局图
飞行模拟器按功能划分为两类: 1 )训练飞行模拟器: 用于训练飞行员起飞 、着陆 、巡航 、空中机动 、对空攻击 、对 地攻击等;
2)工程飞行模拟器:用于飞行性能分析评估 、机载系 统测试试验 、飞行软件测试 、飞行器虚拟样机等 。
训练飞行模拟器分为三类:
1)基于 计算 机训练 ( computer based training, CBT)
[图10 ( a) ]———在 PC机或笔记本电脑上安装飞行训练
程序进行简单课目训练 。
2)飞行训练器(flight training device, FTD) [图10 (b) ]———
分为7级,第7级最高。有仪表显示、操纵杆、控制台或视景系 统,飞行程序安装在计算机上,可进行较复杂的飞行训练。
图 10 训练飞行模拟器分类
3)全任务飞行模拟( full flight simulator, FFS) [图 10 ( c) ]———分A , B , C, D四级, D级最高 。有动感 、力感 、声 飞行模拟器仪表系统 ———飞行模拟器模拟座舱有与真飞 机布局完全一样的仪表显示系统和控制面板,显示的信息 由计算机提供数据(图 11)。
图 11 飞行模拟器座舱仪表显示系统
飞行模拟器视景系统 ———视景系统向飞行员提供座舱 外的景象,由计算机生成三维图形图像,包括田野、河流、森 林、道路、城市、机场跑道、地形地貌、海洋等,显示在飞机座舱 窗外,并可生成显示雨、雪、霧、闪电等天气状况(图12)。
图 12 飞行模拟器视景系统显示
飞行模拟器运动系统 ———运动系统向飞行员提供飞 机滑跑和飞行过程中加速度和颠簸的感觉 。有三自由度运
动系统(例如俯仰、倾斜 、升降)和六自由度运动系统 (例如 俯仰 、倾斜 、偏航角运动和上下 、左右 、前后加速度线运动)
(图13)。运动系统伺服系统有液压式和电动式两种 。
图13 飞行模拟器六自由度运动系统
2 建模与仿真的关键技术
建模与仿真技术发展中的几项关键技术:
a)建模技术:模型是仿真的基础 。数学模型是客观 事物的抽象描述,客观事物包括实体 、自然环境 、人的行 为 。建模是对实体(飞机 、导弹 、舰艇 、车辆 、电站 、机器设 备等)、自然环境(地形 、大气 、海洋 、空间)、人的行为 (个 体 、群体 、组织)的抽象描述 。各个应用领域大多采用机 理建模方法来描述客观事物的特性和行为,包括连续系统 建模(线性/非线性 、定常/时变 、集中参数/分布参数 、确 定/随机)、离散事件系统建模 (面向事件 、面向进程 、面向 活动)或混合系统建模 。当仿真对象的机理不清楚时可 采用系统辨识方法和基于数据的建模技术建模 。除上述 定量建模理论和方法外,还有定性建模理论和方法,用于 具有不确定性 、模糊性 、智能性的对象建模和仿真 。定量 与定性相结合的建模与仿真已在各个应用领域获得重视 。
2 仿真对象是错综复杂的,可以由多个系统和分系统组
成,除建立描述系统内部特性和行为的数学模型外,还要 建立描述系统之间的相互关系的模型,因此需要更高层次 统一建模语言和方法,如面向对象建模 、面向组件建模 、多
智能体 (multi2agent)建模 、元建模 、面向服务建模等 。模
型应具有互操作性 、可重用性 、可组合性 。
模型 、仿真结果是否可信是最根本的问题,它决定仿 真结果有无价值,而可信度取决于精度和置信度,更与仿 真目的和要求有密切关系 。应根据仿真目的和要求对模 型和仿真系统进行严格的校核 、验证 、确认 。校核是将建 立的模型和仿真系统对照设计方案 、设计要求 、技术说明 比较,验证是将仿真结果与实际系统试验数据比较,确认 是权威机构根据应用目的对模型和仿真系统进行审批 。
b)建模/仿真支撑环境:在计算机 、网络 、软件(管理 软件 、应用软件和通讯软件)、数据库 、图形图像可视化的 基础上构建建模/仿真支撑环境,有时称为建模/仿真支撑 平台 。建模/仿真支撑环境是建模和进行仿真试验的硬软 件环境,它的体系结构应根据仿真任务的需求和规模从资 源 、通讯 、应用三个方面来设计,建立适合本应用领域的建 模/仿真支撑环境 。建模/仿真支撑环境可划分为研究开 发环境( research and development environment)和运行环境
( run time environment) ,两者有共享的资源 。研究开发环
境主要用于建模 、仿真系统设计 、仿真软件开发等,没有严 格的时间管理要求,但要保证事件发生的前后顺序;而仿 真运行环境用于仿真系统运行,必需有严格的时间管理, 保证实时性 。一般情况下,仿真系统运行时调用的资源是 固定的 、静态的,要实现调用动态资源则建模仿真环境体 系结构更复杂 。
c)先进分布仿真:基于仿真的设计 、基于仿真的制造 涉及多个专业 、多个单位,他们可能分布在不同地区,应将 分布在各地理的仿真系统 、模型 、计算机 、设备,将通过网 络构成分布联网仿真系统 。仿真运行时,仿真系统中的模 型之间,计算机之间,仿真系统之间有大量数据和信息传 送和交互 。这些数据和信息包括连续量 (离散化的连续 量)、离散量(离散事件)、图样文件和声音图像多媒体信 息,通讯方式有广播 、组播 、单播等多种,将正确的信息在 正确的时间传送到正确的地点 。因此必需要有仿真系统 的数据通讯协议,目前广泛采用 D IS, HLA /RT I协议,进一 步将发展基于W eb的通讯,仿真网格等 。在先进分布仿 真系统中应着重解决数据管理和时间管理问题 。
d)仿真资源库:仿真资源库包括数据库,模型库,工 具软件库等 。仿真系统的开发和运行要用到大量数据和 模型,例如飞行器动力学模型和气动数据,全球导航台数 据,综合自然环境(包括地形,大气,海洋,空间)模型和数 据,产品性能的模型和数据,人的行为模型和数据 、仿真结 果数据等等 。这些数据是多维的,例如飞机气动数据取决 于飞行速度 、飞行高度 、迎角 、侧滑角等,综合自然环境数 据取决于经度 、纬度 、高度 。为了充分利用已有资源和建 立新资源,必需建立仿真资源库,对资源库查询和调用时, 要解决仿真数据库/模型库的存贮结构 、多分辨率 、多用户 调用 、多幀頻访问 、实时调用等技术问题 。
e)图形图像综合显示技术:图形图像可视化是建模
仿真系统的重要组成部分 。仿真系统运行过程中将产生 大量表征系统动态特性和性能的数据与信息,这些数据和 信息是评估仿真结果的依据,除了数字表格 、各种曲线的 显示方式外,更重要直观的是采用图形图像显示,包括实 体 、地形 、海洋 、雨雪等的三维图像显示 。对于风 、气流 、红 外 、射频等看不见的现象,将采用非视觉可视化技术实现 二维/三维图形图像显示 。
采用基于计算机生成图形图像的综合显示技术,构建 虚拟环境,能给人员和传感器提供环境信息 。工程技术人 员或操作人员通过综合显示可形象直观地观察仿真动态 过程 。人在回路仿真系统中的人员通过综合显示可沉浸 在周围虚拟环境里,获取信息,进行分析判断和操作,例如 飞行模拟器的视景系统给飞行员提供驾驶舱外的景像 。 传感器通过综合显示环境可感受可见光图像,红外图像, 例如导弹半实物仿真系统中的目标模拟器 。综合显示包 括二维 、三维图形图像显示 。
3 结束语
我国在建模仿真技术的发展和应用已经取得了很大 成就 。20世纪 50年代,我国自动控制领域广泛采用计算 机模拟方法研究控制系统动态过程和性能 。20世纪 60 年代,我国飞机飞行控制系统和导弹制导系统的研制过程 采用了半实物仿真系统,将陀螺传感器 、大气传感器 、导引 头 、舵机等实物接入仿真回路,进行闭环动态仿真试验 。 我国多个单位自行研制了液压式或电动式三自由度转台 、 大气动静压模拟器,建成了射频目标模拟器和红外目标模 拟器,进行飞机飞行控制系统和导弹制导系统闭环动态试 验,为多个飞机和导弹型号研制服务作出了贡献 。70年 代我国开始研制各种训练模拟器,并形成一定规模的产 业,例如飞行模拟器 、电站模拟器 、机车驾驶训练模拟器 等,用于训练飞行员 、驾驶员 、操作员,以节省能源 、减少污 染 、减少场地 、提高效率 。并开发了多种系统仿真语言,例 如连续系统仿真语言 、离散系统仿真语言和混合系统仿真 语言; 80年代开展了以计算机图像生成和显示技术为基 础的仿真可视化技术和虚拟现实技术的研究和应用;九十 年代研究了以网络为基础的分布交互仿真系统及其应用, 并开展了虚拟制造 、虚拟样机技术等研究 。在 21世纪开 始,我国仿真科技工作者开展了各类建模仿真支撑环境与 平台 、大规模虚拟战场 、复杂系统建模与仿真 、综合自然环 境建模与仿真 、仿真网格 、仿真专用工具软件 、嵌入式仿真 技术等一系列的研究 、开发与应用,并成效显著 。
建模与仿真以模型理论 、系统理论 、算法理论和软件 工程为基础 。模型是仿真的基础 。仿真系统中的模型应 具有互操作性,可重用性,可重组性 。系统仿真是计算机 技术的应用,它随计算机技术的发展而发展,如操作系统 、 数据库 、网络 、软件等与仿真系统密切相关 。建模与仿真 已成为一门新兴的综合性学科 。
目前,建模与仿真技术已成功地应用于航空航天 、信 息 、生产制造 、交通运输 、生物 、医学 、材料 、能源 、教育 、军 事 、社会 、经济 、等众多领域,以及产品研制的全过程,包括 (下转第45页)
5 典型件加工
数控加工仿真是利用计算机图形学的成果,采用动态 图的真实感形式,模拟数控加工全过程 。通过数控加工仿 真软件,能判别加工路径是否合理,检测刀具的碰撞 、干 涉,优化加工参数,减低材料消耗和生产成本,最大限度地 发挥数控设备的利用率 。一个完整的数控加工仿真过程
包括: 1) NC代码的翻译及检查; 2 )毛坯干涉及零件图形
的输入和显示; 3)刀具的定义及图形显示; 4 )刀具运动及 毛坯切屑的动态图形显示; 5)刀具碰撞及干涉检查; 6)仿 真结果报告,包括具体干涉位置及干涉量 。加工完成后图 形如图 4所示 。
图 4 内型腔座体前模的加工结果图
6 结论
在基于 Pro / E的内型腔座体注塑模设计中,利用 Pro /
E软件实现零件设计 、模具设计 、计算机仿真等工艺过程, 改变了传统的设计理念,能使设计人员创建 、修改 、仿真分 析模具构件 。其中 Plastic A dvisor (塑料顾问)使得塑件的 仿真分析变得更容易; EMX专家系统的模架库使得设计 周期更加缩短,其开模仿真模拟 、干涉检查使得设计的准 确度较传统设计高; Pro / E的单一数据库为模具的加工提 供了准确的数据来源 。基于 Pro / E的塑料模设计方法能 够缩短产品开发周期 、提高产品设计制造质量 、降低成本 和快速响应市场 。后面的M astercam加工,对实际加工操 作也有很好的借鉴意义 。
参考文献:
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收稿日期: 2009206204
(上接第6页)
需求分析 、方案论证 、设计 、制造 、试验 、维护 、运行 、训练等 。 建模/仿真技术与高性能计算一起,正成为与理论研究 、实 验研究并列的第三种科学研究手段[ 2 ],可以对已有的或设 想的事物进行研究,或发现新现象 、新理论 。建模与仿真发 展的另一特点是建立的仿真系统的规模愈来愈大,形成了 地域分布 、动态交互 、信息联网的复杂仿真系统,例如军事 训练的虚拟战场,多学科设计的虚拟样机系统 。
我国的建模和仿真科学与技术,在各类应用需求的牵 引及有关学科技术的推动下,特别是在改革开放的大好形 势下,经过几十年的发展,在国民经济 、国防建设 、自然科 学 、社会科学等领域正发挥着越来越大的作用 。
面向未来,在全国人民落实科学发展观和转变国民经 济増长方式的形势推动下,我国仿真科技工作者积极工 作,将在建模/仿真理论和方法 、网络化分布仿真 、高效能 计算机仿真 、复杂系统仿真 、智能系统仿真 、建模/仿真支 撑环境 、仿真软件 、建模 /仿真规范与标准 、仿真应用等方 面做出新的成绩,为我国的经济建设 、国防建设 、科技发展 与社会进步作贡献 。
参考文献:
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收稿日期: 2009212214
