Dynamická simulace - Dynamic simulation
Dynamická simulace (nebo simulace dynamického systému) je použití počítačového programu k modelování časově proměnného chování dynamického systému . Systémy jsou typicky popsány obyčejnými diferenciálními rovnicemi nebo parciálními diferenciálními rovnicemi . Simulační běh řeší systém stavových rovnic tak, aby našel chování stavových proměnných za zadané časové období. Rovnice je řešena numerickými integračními metodami za vzniku přechodného chování stavových proměnných. Simulace dynamických systémů předpovídá hodnoty stavových proměnných modelového systému, protože jsou určeny hodnotami minulého stavu. Tento vztah je nalezen vytvořením modelu systému.
Přehled
Simulační modely se běžně získávají z diskrétních aproximací matematických modelů se spojitým časem. Vzhledem k tomu, že matematické modely obsahují omezení reálného světa, jako je vůle ozubeného kola a odraz od tvrdého zastavení, rovnice se stávají nelineárními. K vyřešení rovnic to vyžaduje numerické metody. Numerické simulace se provádí krokování časového intervalu a výpočet integrálu derivátů prostřednictvím numerické integrace . Některé metody používají pevný krok v intervalu a jiné používají adaptivní krok, který se může zmenšit nebo automaticky zvětšit, aby byla zachována přijatelná tolerance chyb. Některé metody mohou používat různé časové kroky v různých částech simulačního modelu.
Simulovat lze dva typy systémových modelů: modely s diferenciálními rovnicemi a modely s diferenciálními rovnicemi. Klasická fyzika je obvykle založena na modelech diferenciálních rovnic. To je důvod, proč je většina starých simulačních programů jednoduše řešiteli diferenciálních rovnic a řeší rozdílové rovnice na „procedurální programové segmenty“. Některé dynamické systémy jsou modelovány pomocí diferenciálních rovnic, které lze prezentovat pouze v implicitní formě. Tyto systémy diferenciální algebraické rovnice vyžadují pro simulaci speciální matematické metody.
Chování některých komplexních systémů může být velmi citlivé na počáteční podmínky, což by mohlo vést k velkým chybám ze správných hodnot. Aby se předešlo těmto možným chybám, lze použít přísný přístup, kde je nalezen algoritmus, který dokáže vypočítat hodnotu až do požadované přesnosti. Například konstanta e je vyčíslitelné číslo, protože existuje algoritmus, který je schopen produkovat konstantu až do dané přesnosti.
Aplikace
První aplikace počítačových simulací pro dynamické systémy byly v leteckém průmyslu. Komerční využití dynamické simulace je mnoho a sahá od jaderné energie, parních turbín, modelování vozidel se 6 stupni volnosti, elektromotorů, ekonometrických modelů, biologických systémů, robotických ramen, systémů tlumičů hmotné pružiny, hydraulických systémů a migrace dávky léčiva prostřednictvím abychom jmenovali alespoň některé. Tyto modely lze často spouštět v reálném čase a poskytnout virtuální odezvu blízkou skutečnému systému. To je užitečné v procesních řídicích a mechatronických systémech pro ladění automatických řídicích systémů před jejich připojením ke skutečnému systému nebo pro školení lidí před ovládáním skutečného systému. Simulace se také používá v počítačových hrách a animacích a lze ji urychlit pomocí fyzikálního enginu , technologie používané v mnoha výkonných softwarových programech pro počítačovou grafiku , jako jsou 3ds Max , Maya , Lightwave a mnoha dalších pro simulaci fyzických vlastností. V počítačové animaci lze snadno modelovat věci jako vlasy , látky , kapaliny , oheň a částice , zatímco lidský animátor animuje jednodušší objekty. Počítačová dynamická animace byla poprvé použita na velmi jednoduché úrovni v krátkém filmu Pixar Knick Knack z roku 1989 k přesunu falešného sněhu ve sněhové kouli a oblázků v akváriu.
Příklad dynamické simulace
Tato animace byla vytvořena pomocí dynamiky softwarového systému s 3D modelářem. Vypočtené hodnoty jsou spojeny s parametry tyče a kliky. V tomto případě klika pohání, měníme jak rychlost otáčení, tak její poloměr a délku tyče, kterou píst následuje.
Viz také
- Porovnání softwaru pro dynamiku systému - zahrnuje balíčky, které nejsou uvedeny níže
- Simulink -grafické programovací prostředí založené na MATLABu pro modelování, simulaci a analýzu dynamických systémů
- MSC Adams - multibody dynamics simulation software
- SimulationX -software pro simulaci dynamických systémů s více doménami
- AMESim -software pro simulaci dynamických systémů s více doménami
- AGX Multiphysics - fyzikální engine pro simulaci dynamických systémů s více doménami
- EcosimPro -simulační nástroj pro modelování spojitých diskrétních systémů
- Hopsan -software pro simulaci dynamických systémů více domén
- MapleSim -software pro simulaci dynamických systémů více domén
- Modelica -nechráněný objektově orientovaný jazyk založený na rovnicích pro dynamickou simulaci
- Fyzikální motor
- VisSim - vizuální jazyk pro nelineární dynamickou simulaci
- EICASLAB - Softwarová sada umožňující nelineární dynamickou simulaci
- PottersWheel - sada nástrojů Matlab ke kalibraci parametrů dynamických systémů
- Simcad Pro - Dynamický a interaktivní software pro simulaci diskrétních událostí
