摘要 本文从仿真的基本理论角度介绍仿真技术，概括了我国仿真技术的发展状况。介绍了机械专业常用仿真软件包Simulink，并以弹簧-质量-阻尼器的机械位移系统为例说明利用Simulink进行建模、仿真的方法。
关键词 仿真技术，Simulink，建模，仿真
1引言
经过半个多世纪的发展，仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性技术学科。仿真技术不再局限应用于某些尖端学科的技术研究领域，而成为一项被众多学科领域广泛采用的通用性技术[1]。目前国内仿真技术研究的热点主要有：复杂系统建模理论与方法、建模VV&A技术、仿真优化、可视化多媒体仿真技术研究、协同分布式仿真技术、虚拟仿真技术、仿真软件开发和仿真应用等研究。主要归纳为五类：建模理论和方法研究、仿真可信度研究、仿真方法研究、仿真工具研究以及仿真应用技术研究等[2]。
任何理论与技术的发展都离不开基本理论知识。本文从仿真的基本理论知识入手，阐述仿真技术的相关问题，介绍我国仿真技术的发展状况。重点介绍机械专业常用仿真软件包Simulink的应用，举例说明利用Simulink进行建模、仿真的方法。
2仿真技术理论
2.1 仿真的概念
仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。仿真的一般过程如图1所示。
图1 仿真流程图
2.2 仿真技术的作用
仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。首先，仿真技术在应用上的安全性，使得航空、航天、核电站等成为仿真技术最早和最主要的应用领域。其次，由于仿真往往是在计算机上模拟现实系统过程，可多次重复运行，因此经济性十分突出。另外，从环境保护角度考虑，仿真技术也极具价值。
2.3 仿真的分类
根据实现方法的不同，仿真分为实物仿真、数学仿真和半实物仿真：实物仿真又称物理仿真，它是指研制某些实体模型，使之能够重现原系统的各种状态；数学仿真，就是把研究对象的结构特征或者输入输出关系，抽象为一种数学描述（微分方程、状态方程，可分为解析模型、统计模型）来研究，它可以方便地改变系统结构、参数；半实物仿真，又称数学物理仿真或者混合仿真，就是在仿真环节中存在实体的仿真。
2.4 仿真技术的五个层次[3]
建立集成的综合仿真环境和仿真系统，应解决实现五个层次的使能技术。包括基础技术，元、部件级技术，系统级技术，应用级技术，集成综合环境和建模与仿真工具。
3我国仿真技术的发展状况
我国仿真技术的研究与应用开展较早，发展迅速，在某些方面达到了国际先进水平。但总的技术水平,特别是应用水平与发达国家比较还有差距。而系统仿真技术的优良特性和巨大效益,可能成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术[3]。
20世纪50年代，我国在自动控制领域中首先采用仿真技术，面向方程建模和采用模拟计算机的数学仿真获得较普遍的应用。60年代，在开展连续系统仿真的同时，开始对离散事件系统的仿真进行研究。70年代，训练仿真器获得迅速发展。80年代，我国建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统。90年代，我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究[4]。而新世纪，建模与仿真技术正向网络化、虚拟化、智能化、协同化、普适化方向发展［5］。
4仿真软件
仿真程序库：由一组完成特定功能的程序组成的集合，专门面向某一问题或某一领域。它可能是通用的语言（C++、FORTRAN等）开发的软件包，也可能是依附于某种集成仿真环境的函数库或模块库。
仿真语言：针对仿真问题在高级语言的基础上研制的。不要求用户掌握高级语言，只需书写方程代码，由机器自动完成由仿真语言到通用高级语言与汇编语言的转换。如ACSL，Simscript，Easy5，Adsim等。
集成仿真环境：它是一组用于仿真的软件工具的集合。为了提高效率，将许多功能软件（建模软件、仿真执行软件、结构分析软件等）集成起来，加上方便的操作界面、环境，就形成了集成仿真环境。如Simulink、Matrix、Mideva、Scilab等。
4.1 Simulink建模与仿真技术
Simulink是MATLAB中一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包。其可以完成各种动态系统包括连续系统、离散系统和混合的线性与非线性系统的仿真，也能完成多种采样速率的系统仿真。Siumlink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，与仿真软件包用微分和差分方程建模相比，具有更直观、更方便、更灵活的特点，可用于系统仿真、分析和设计[5]。
4.2Simulink仿真实例
4.2.1建立系统的模型
弹簧-质量-阻尼器机械位移系统物理模型如图2所示。系统的动态方程如下：
外力F（t）为幅值为1的阶跃输入，质量块质量m=5kg，阻尼器的阻尼系数f=0.5，弹簧的弹性系数k=5；质量块的初始速度和初始加速度均为0。根据系统的数学描述选择合适的Simulink系统模块，并对系统各模块的参数进行设置得到的该系统模型如图3所示，使用的系统模块主要有：Step模块为输入信号；Sum模块实现输入求和或求差；Integrator模块实现变量的积分；Gain模块实现信号增益。
图3 弹簧-质量-阻尼器的机械位移系统模型
4.2.2系统仿真参数设置和仿真曲线
在对模型中各个模块进行参数设置后，需对系统仿真参数进行必要的设置。Simulink默认的仿真起始结束时间为0s和10s。如需设置仿真时间，可在Solver选项卡中设置系统仿真时间，也可以对系统仿真的求解器进行设置与控制，包括求解器类型、求解方法、仿真步长以及误差控制等。在使用Simulink对简单系统进行仿真时，影响仿真结果输出的因素有仿真起始时间、结束时间和仿真步长。
本系统采用ode45变步长算法，仿真起始时间为0s，结束时间为100s，自动选择最大仿真步长，其它采用默认设置，开始仿真。仿真结束后，双击Scope模块，显示系统仿真结果，图4、5、6分别为加速度、速度和位移曲线，其中横坐标是时间轴，纵坐标则分别为加速度、速度和位移。通过对弹簧-质量-阻尼器机械系统的仿真可以看出，利用Simulink建模简便、形象、有效，而且能够很方便地观察系统的位移、速度和加速度曲线，从而可以对系统进行分析和预测。
图4 系统加速度仿真曲线
图5 系统速度仿真曲线
图6 系统位移仿真曲线
5结 束 语
仿真技术应用价值巨大，它在许多领域都有了相当多的研究和应用，而今后的应用范围将会越来越广。实例表明，Simulink是一个用于动态系统建模、仿真和分析的有效软件包。
参考文献
1 杨 明,张 冰,王子才.建模与仿真技术发展趋势分析[J].系统仿真学报,2004,16（9）:1901～1904
2 鲁建厦,方荣,兰秀菊.国内仿真技术的研究热点[J].系统仿真学报,2004,16（9）:1910～1913
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4 卫永霞.浅谈仿真技术[C].山西师大体育学院学报研究生论文专刊,2006,21（6）:163～164
5 李伯虎,柴旭东,朱文海等.现代建模与仿真技术发展中的几个焦点[J].系统仿真学报,2004，16（9）:1871～1878
6 王沫然.MATLAB与科学计算[M].北京：电子工业出版社,2003
7 李永堂,雷步芳,高雨茁.液压系统建模与仿真[M].北京:冶金工业出版社,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