什么叫數(shù)控仿真技術(shù)？

【專家解說】：什么是數(shù)控技術(shù)？ 數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運(yùn)算的出現(xiàn)。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數(shù)據(jù)載體問世；19世紀(jì)末，以紙為數(shù)據(jù)載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明；1938年，香農(nóng)在美國(guó)麻省理工學(xué)院進(jìn)行了數(shù)據(jù)快速運(yùn)算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，包括計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)是與機(jī)床控制密切結(jié)合發(fā)展起來的。1952年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問世，成為世界機(jī)械工業(yè)史上一件劃時(shí)代的事件，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展。 現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計(jì)算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對(duì)設(shè)備的控制功能。由于采用計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可通過計(jì)算機(jī)軟件來完成。 仿真技術(shù):利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)，又稱模擬。這里所指的模型包括物理的和數(shù)學(xué)的，靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)的和離散的各種模型。所指的系統(tǒng)也很廣泛,包括電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力等系統(tǒng),也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等系統(tǒng)。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)。仿真與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。仿真過程包括建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要步驟。 　　簡(jiǎn)史 　20世紀(jì)初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。 　　利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)的仿真研究不僅方便、靈活，而且也是經(jīng)濟(jì)的。因此計(jì)算機(jī)仿真在仿真技術(shù)中占有重要地位。50年代初，連續(xù)系統(tǒng)的仿真研究絕大多數(shù)是在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。50年代中，人們開始利用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)遂向模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真兩個(gè)方向發(fā)展。在模擬計(jì)算機(jī)仿真中增加邏輯控制和模擬存儲(chǔ)功能之后，又出現(xiàn)了混合模擬計(jì)算機(jī)仿真，以及把混合模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)聯(lián)合在一起的混合計(jì)算機(jī)仿真。在發(fā)展仿真技術(shù)的過程中已研制出大量仿真程序包和仿真語言。70年代后期，還研制成功專用的全數(shù)字并行仿真計(jì)算機(jī)（見全數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)）。 　　分類 　仿真可以按不同原則分類：①按所用模型的類型（物理模型、數(shù)學(xué)模型、物理－數(shù)學(xué)模型）分為物理仿真、計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）、半實(shí)物仿真；②按所用計(jì)算機(jī)的類型（模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合計(jì)算機(jī)）分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真；③按仿真對(duì)象中的信號(hào)流（連續(xù)的、離散的）分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真；④按仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的比例關(guān)系分為實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間標(biāo)尺等于自然時(shí)間標(biāo)尺）、超實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間標(biāo)尺小于自然時(shí)間標(biāo)尺）和亞實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間標(biāo)尺大于自然時(shí)間標(biāo)尺）；⑤按對(duì)象的性質(zhì)分為宇宙飛船仿真、化工系統(tǒng)仿真、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真等。 　　仿真模型 　仿真模型是被仿真對(duì)象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型。但并不是所有對(duì)象都能建立物理模型。例如為了研究飛行器的動(dòng)力學(xué)特性，在地面上只能用計(jì)算機(jī)來仿真。為此首先要建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后將它轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的形式，即仿真模型。具體地說，對(duì)于模擬計(jì)算機(jī)應(yīng)將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成模擬排題圖；對(duì)于數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)換成源程序。 　　仿真實(shí)驗(yàn) 　通過實(shí)驗(yàn)可觀察系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，常常要在仿真模型上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。下圖為某工程系統(tǒng)仿真的流程圖。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，人們大多利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樾薷?、變換模型比較方便和經(jīng)濟(jì)。在部件研制階段，可用已研制的實(shí)際部件或子系統(tǒng)去代替部分計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，以提高仿真實(shí)驗(yàn)的可信度。在系統(tǒng)研制階段，大多進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，以修改各部件或子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。在個(gè)別情況下，可進(jìn)行全物理的仿真實(shí)驗(yàn)，這時(shí)計(jì)算機(jī)仿真模型全部被物理模型或?qū)嵨锼?。全物理仿真具有更高的可信度，但價(jià)格昂貴。 　　仿真工具 　主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計(jì)算機(jī)。用于仿真的計(jì)算機(jī)有三種類型：模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和混合計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)還可分為通用數(shù)字計(jì)算機(jī)和專用的數(shù)字計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)主要用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真，稱為模擬仿真。在進(jìn)行模擬仿真時(shí)，依據(jù)仿真模型(在這里是排題圖)將各運(yùn)算放大器按要求連接起來，并調(diào)整有關(guān)的系數(shù)器。改變運(yùn)算放大器的連接形式和各系數(shù)的調(diào)定值，就可修改模型。仿真結(jié)果可連續(xù)輸出。因此，模擬計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互性好，適合于實(shí)時(shí)仿真。改變時(shí)間比例尺還可實(shí)現(xiàn)超實(shí)時(shí)的仿真。60年代前的數(shù)字計(jì)算機(jī)由于運(yùn)算速度低和人機(jī)交互性差，在仿真中應(yīng)用受到限制。現(xiàn)代的數(shù)字計(jì)算機(jī)已具有很高的速度，某些專用的數(shù)字計(jì)算機(jī)的速度更高，已能滿足大部分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真的要求，由于軟件、接口和終端技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互性也已有很大提高。因此數(shù)字計(jì)算機(jī)已成為現(xiàn)代仿真的主要工具。混合計(jì)算機(jī)把模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)聯(lián)合在一起工作，充分發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)的高速度和數(shù)字計(jì)算機(jī)的高精度、邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但這種系統(tǒng)造價(jià)較高，只宜在一些要求嚴(yán)格的系統(tǒng)仿真中使用。除計(jì)算機(jī)外，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運(yùn)動(dòng)仿真器、目標(biāo)仿真器、負(fù)載仿真器、環(huán)境仿真器等。仿真軟件包括為仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的仿真軟件系統(tǒng)。 　　仿真方法 　主要是指建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法，可分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)的仿真方法和離散事件系統(tǒng)的仿真方法（見仿真方法）。人們有時(shí)將建立數(shù)學(xué)模型的方法也列入仿真方法，這是因?yàn)閷?duì)于連續(xù)系統(tǒng)雖已有一套理論建模和實(shí)驗(yàn)建模的方法，但在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，常常先用經(jīng)過假設(shè)獲得的近似模型來檢驗(yàn)假設(shè)是否正確,必要時(shí)修改模型,使它更接近于真實(shí)系統(tǒng)。對(duì)于離散事件系統(tǒng)建立它的數(shù)學(xué)模型就是仿真的一部分。 　　應(yīng)用和效益 　仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因，是它所帶來的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。50年代和60年代仿真主要應(yīng)用于航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術(shù)領(lǐng)域。在航空工業(yè)方面，采用仿真技術(shù)使大型客機(jī)的設(shè)計(jì)和研制周期縮短20％。利用飛行仿真器在地面訓(xùn)練飛行員，不僅節(jié)省大量燃料和經(jīng)費(fèi)（其經(jīng)費(fèi)僅為空中飛行訓(xùn)練的十分之一），而且不受氣象條件和場(chǎng)地的限制。此外，在飛行仿真器上可以設(shè)置一些在空中訓(xùn)練時(shí)無法設(shè)置的故障，培養(yǎng)飛行員應(yīng)付故障的能力。訓(xùn)練仿真器所特有的安全性也是仿真技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。在航天工業(yè)方面，采用仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)彈試驗(yàn)可使實(shí)彈試驗(yàn)的次數(shù)減少80％。在電力工業(yè)方面采用仿真系統(tǒng)對(duì)核電站進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)和排除故障，一年即可收回建造仿真系統(tǒng)的成本。現(xiàn)代仿真技術(shù)不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，而且日益廣泛地應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生物等領(lǐng)域，如交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產(chǎn)管理、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、世界經(jīng)濟(jì)的分析和預(yù)測(cè)、人口控制等。對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)，很難在真實(shí)的系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，利用仿真技術(shù)來研究這些系統(tǒng)就具有更為重要的意義。 　　發(fā)展方向 　在仿真硬件方面，從60年代起采用數(shù)字計(jì)算機(jī)逐漸多于模擬計(jì)算機(jī)?；旌嫌?jì)算機(jī)系統(tǒng)在70年代一度停滯不前，80年代以來又有發(fā)展的趨勢(shì)，由于小型機(jī)和微處理機(jī)的發(fā)展，以及采用流水線原理和并行運(yùn)算等措施，數(shù)字仿真運(yùn)算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機(jī) VAX 11-785和外圍處理器AD-10聯(lián)合工作可對(duì)大型復(fù)雜的飛行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。在仿真軟件方面，除進(jìn)一步發(fā)展交互式仿真語言和功能更強(qiáng)的仿真軟件系統(tǒng)外，另一個(gè)重要的趨勢(shì)是將仿真技術(shù)和人工智能結(jié)合起來，產(chǎn)生具有專家系統(tǒng)功能的仿真軟件。仿真模型、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度都在不斷地增長(zhǎng)，對(duì)它們的有效性和置信度的研究將變得十分重要。同時(shí)建立適用的基準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的工作也日益受到重視。