系統仿真技術

本書介紹系統仿真定義、應用及分類，系統仿真基礎知識、名詞術語和仿真計算機系統常用的操作系統、編程語言、開發環境及與仿真應用有關的數據庫知識。在較系統地講述系統仿真技術基本概念、一般原理及方法的基礎上，重點講述工程領域中連續系統的建模/仿真方法，包括連續系統數學模型、連續系統仿真數值積分方法、連續系統離散化仿真、隨機控制系統仿真；突出實時仿真系統的建模/仿真，包括半實物仿真和人在迴路仿真的原理、方法、系統組成與典型系統分析。同時講述了近年來迅速發展的分佈式仿真技術的原理、規範、平台級分佈交互仿真系統及其應用。本書對虛擬現實（VR）技術的定義、組成、特點，三維實時圖像的建模、顯示原理，虛擬空間聲音的建模、顯示方法，動感、力感反饋原理及實現方法進行了講述，使讀者初步瞭解虛擬現實技術如何在系統仿真中應用，以及如何去開發各種應用系統。由於仿真可信度是仿真應用的基礎，本書就建模/仿真的VV&A（校核、驗證與確認）技術進行了較系統的講述。最後一章對常用的數學建模/仿真工具MATLAB軟件包的主要功能、使用方法進行了簡介，便於讀者進一步學習和應用。

第1章 緒論

1.1 系統仿真技術及應用

1.1.1 系統仿真技術定義

1.1.2 系統仿真技術在複雜產品研製中的應用

1.1.3 系統仿真技術在操作人員培訓中的應用

1.2 仿真分類及任務

1.2.1 按被仿真對象性質分類——連續系統仿真和離散事件系統仿真

1.2.2 按功能及用途分類——工程仿真和訓練仿真

1.2.3 按仿真系統體系結構分類——單平台仿真和多平台分佈交互仿真

1.2.4 按分佈仿真中虛實結合程度分類——構造仿真、虛擬仿真、實況仿真

1.2.5 按仿真時鐘與牆鍾時間（自然時間）的比例關係分類——實時仿真、欠實時仿真和超實時仿真

1.2.6 按系統數學模型描述方法分類——定量仿真和定性仿真

1.3 工程領域連續系統仿真方法分類及任務

1.3.1 數學仿真

1.3.2 硬件在迴路仿真

1.3.3 軟件在迴路仿真

1.3.4 人在迴路仿真

1.4 現代建模/仿真技術的應用及發展

1.4.1 現代建模/仿真技術

1.4.2 現代建模/仿真技術體系

第2章 系統仿真基礎知識

2.1 名詞術語

2.1.1 數學模型

2.1.2 仿真模型

2.1.3 實時仿真

2.1.4 分佈交互仿真

2.1.5 高層體系結構

2.1.6 建模/仿真的校核、驗證與確認

2.1.7 基於仿真的採辦

2.1.8 虛擬樣機

2.1.9 虛擬製造

2.1.10 仿真網格

2.1.11 虛擬現實技術

2.2 操作系統、編程語言/開發環境的比較與選擇

2.2.1 操作系統

2.2.2 編程語言及開發環境

2.2.3 面向對象建模方法及統一建模語言（UML）

2.3 數據庫、模型庫

2.3.1 仿真系統中常用的數據庫及特點

2.3.2 仿真系統數據庫、模型庫的開發、管理及應用

習題

參考文獻

第3章 連續系統數學模型

3.1 引言

3.2 常用確定性連續系統數學模型

3.2.1 數學模型

3.2.2 數學模型間的轉換

3.3 離散時間系統數學模型

3.3.1 差分方程

3.3.2 z傳遞函數

3.3.3 離散狀態空間表達式

3.3.4 離散系統結構圖

3.3.5 關於採樣系統

3.4 隨機系統數學模型

3.4.1 連續隨機系統描述方法

3.4.2 離散隨機系統描述方法

3.4.3 隨機系統建模/仿真中的專門問題

習題

參考文獻

第4章 連續系統仿真的數值積分法

4.1 數值積分法原理

4.2 歐拉方法

4.2.1 歐拉法

4.2.2 改進歐拉法

4.2.3 幾個基本概念

4.3 龍格庫塔法

4.3.1 龍格庫塔法的基本原理

4.3.2 固定步長的龍格庫塔法

4.3.3 龍格庫塔法的穩定區

4.3.4 實時龍格庫塔法公式

4.3.5 變步長龍格庫塔法

4.4 亞當姆斯法

4.4.1 亞當姆斯顯式公式

4.4.2 亞當姆斯隱式公式

4.4.3 預估校正公式

4.4.4 亞當姆斯法的穩定區

4.5 剛性方程的數字仿真

4.5.1 剛性方程

4.5.2 吉爾法

4.5.3 單步多值法的誤差估計

4.5.4 單步多值法階與步長的控制

4.6 計算方法和計算步長的選擇

4.6.1 積分方法的選擇

4.6.2 計算步長的選擇

習題

參考文獻

第5章 連續系統的離散化仿真

5.1 替換法

5.1.1 簡單替換法

5.1.2 雙線性變換法

5.2 根匹配法

5.2.1 根匹配法的步驟

5.2.2 根匹配法的穩定性和精度

5.3 離散相似法

5.3.1 離散相似法的含義和特點

5.3.2 離散相似法的精度和穩定性

5.4 狀態方程的離散化

5.4.1 離散化模型的推導

5.4.2 狀態轉移矩陣的近似計算

5.5 增廣矩陣法

5.5.1 增廣矩陣法的基本思想

5.5.2 不同輸入信號下的增廣狀態方程

5.6 面向結構圖的數字仿真

5.6.1 連接矩陣法

5.6.2 例題

習題

參考文獻

第6章 隨機控制系統仿真

6.1 隨機控制系統概述

6.1.1 隨機控制系統模型

6.1.2 隨機控制系統仿真的專門問題

6.1.3 隨機控制系統仿真方法

6.1.4 仿真結果統計特性計算

6.2 蒙特卡羅仿真法

6.2.1 仿真原理及仿真算法

6.2.2 仿真結果分析

6.3 伴隨系統仿真法

6.3.1 仿真原理

6.3.2 伴隨系統在確定性控制系統仿真中的應用

6.3.3 伴隨系統在隨機控制系統仿真中的應用

習題

參考文獻

第7章 實時仿真系統

7.1 實時仿真系統概述

7.1.1 實時仿真系統分類

7.1.2 實時仿真系統基本組成及特點

7.2 硬件在迴路仿真——半實物仿真系統

7.2.1 半實物仿真概述

7.2.2 半實物仿真主要物理效應設備

7.2.3 飛行器半實物仿真系統

7.2.4 制導武器半實物仿真系統

7.3 人在迴路仿真

7.3.1 人在迴路仿真概述

7.3.2 人在迴路仿真系統——飛行模擬器

7.3.3 飛行模擬器結構、原理和仿真模型

7.3.4 飛行模擬器環境仿真關鍵設備

7.4 平台級分佈交互仿真系統

7.4.1 分佈交互仿真標準、協議和通信機制

7.4.2 應用實例——航空兵攻防對抗仿真系統和基於網絡的飛行仿真器

習題

參考文獻

第8章 虛擬現實技術及其在系統仿真中的應用

8.1 概述

8.1.1 虛擬現實（VR）技術的產生、定義、特點及系統組成

8.1.2 人機多維信息交互原理及顯示方式

8.1.3 VR系統人機接口

8.2 視覺反饋原理及三維圖像生成

8.2.1 計算機實時三維圖像生成基本過程

8.2.2 三維圖像數字化建模

8.2.3 座標變換

8.2.4 剪裁與消隱

8.2.5 紋理與光照效果

8.2.6 立體成像

8.2.7 視覺環境的構造方式

8.3 三維虛擬聲的生成原理與顯示方法

8.3.1 三維虛擬聲的生成與顯示

8.3.2 聲音的距離仿真

8.3.3 聲音的運動仿真

8.3.4 三維虛擬聲音的合成與定位

8.3.5 三維音響的顯示

8.4 觸覺/力感反饋系統

8.4.1 觸覺/力感反饋原理

8.4.2 觸覺/力反饋仿真設備

8.4.3 虛擬操作及力反饋系統舉例

8.5 虛擬現實（VR）技術及在仿真系統中的應用

8.5.1 VR技術在訓練仿真器中的應用

8.5.2 VR技術在虛擬樣機及虛擬製造中的應用

8.5.3 VR技術在虛擬戰場中的應用

8.5.4 VR技術在科普及娛樂中的應用

8.5.5 虛擬人

習題

參考文獻

第9章 建模與仿真的VV&A技術

9.1 引言

9.2 建模與仿真的VV&A

9.2.1 VV&A概念

9.2.2 VV&A的基本原則

9.2.3 VV&A的工作過程

9.2.4 V&V的主要技術方法

9.3 M&S、VV&A與T&E的關係

9.3.1 M&S與T&E的關係

9.3.2 VV&A與T&E的關係

9.4 飛行模擬器的VV&A與T&E過程

習題

參考文獻

第10章 系統建模/仿真工具——MATLAB

10.1 MATLAB功能簡介

10.1.1 MATLAB的基本計算功能

10.1.2 圖形與可視化

10.1.3 控制系統模型與分析

10.2 圖形建模/仿真環境——SIMULINK主要功能及應用實例

10.2.1 SIMULINK模型庫

10.2.2 SIMULINK模型的建立及模型特點

10.2.3 SIMULINK仿真運行

10.2.4 SIMULINK應用實例

10.3 SIMULINK實時代碼生成方法及應用實例

10.3.1 RTW代碼自動生成和實時系統開發環境

10.3.2 應用實例

習題

參考文獻 ^[1]