基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法技术方案

基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法，本发明专利技术涉及虚实比对分析方法。本发明专利技术的目的是为了解决工程试验中虚拟模型与实物等效，以便在虚拟或半实物实验中利用虚拟模型代替实物模型完成试验的问题。具体过程为：一、设置输入、输出数据；输入数据为：虚拟试验系统的输出过程；实际系统输出过程或理论上的期望值；显著性水平；频率范围；虚拟试验系统输出数据采样周期；实际系统输出数据采样周期；子区间个数；输出数据为；可信区间；二、对输入数据、输出数据进行预处理；三、对预处理后的数据进行傅里叶变换；四、对傅里叶变换后的数据进行统计分析得到可信区间，判断是否接受虚拟试验系统。本发明专利技术应用于虚拟模型领域。

Analysis of virtual reality system based on virtual test system and actual system

Based on the virtual-real comparison analysis method of the virtual test system and the actual system, the present invention relates to the virtual-real comparison analysis method. The object of the present invention is to solve the problem that the virtual model is equivalent to the physical model in the engineering test, so that the virtual model can be used instead of the physical model in the virtual or semi-physical experiment to complete the test. Specific processes are: 1. Setting input and output data; Input data: output process of virtual test system; actual system output process or theoretical expectations; significance level; frequency range; output data sampling period of virtual test system; actual system output data sampling period; number of sub-intervals; transmission The output data are: confidence interval; 2. pretreatment of input data and output data; 3. Fourier transform of pre-processed data; 4. Statistical analysis of the data after Fourier transform to get confidence interval, judge whether to accept the virtual test system. The invention is applied to the field of virtual models.

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法本专利技术申请是申请日为2016年04月15日、申请号为201610236076.3、专利技术名称为基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法的专利技术申请的分案申请。
本专利技术涉及虚实比对分析方法。
技术介绍
工程系统的虚拟试验实际上是对真实物理系统简化、抽象以及对简化后模型进行多领域数值分析的过程。由于实际系统过于复杂，在建模时往往需要进行许多简化，这些简化是否能够真实描述模型的几何、物理和运动特性，虚拟试验系统的实验结果是否能满足决策和分析需要，是虚拟模型能否代替实物的重要判据，也是设计人员关心的重要问题。模型验证就是证明理论模型及其实现形式是否在其应用范围内适当地代表了真实系统的过程。其目的是检验和评估从实际系统的概念模型到计算机模型之间的转换是否正确。由模型产生的输出数据应当同由真实系统实验而获得的实际数据进行比较。模型验证的过程就是对所建立的模型树立起信心的过程，即是如何评价模型的置信度或置信等级(Confidencelevels或Credibilitylevels)的问题。在分析与建模阶段，通过对问题实体进行数学逻辑上的抽象和描述，得到该实体的概念模型。然后进一步通过设计实现将概念模型再转换为软件实现，得到虚拟试验模型，最后在虚拟试验阶段运行虚拟试验模型得到结果。验证概念模型、校核仿真模型、验证虚拟试验结果。对概念模型验证主要是检验概念模型的理论和假设是否正确，问题实体的模型表达是否合理地满足建模的目的。虚拟试验模型的校核则是确保软件设计实现与概念模型的一致性，虚拟实验结果的验证则是确定模型的输出结果对于预期应用是否正确，即是否符合问题实体的需求。工程模型验证的根本目的是定量描述虚拟试验预测可信度，衡量虚拟试验预测能力。虚拟试验模型验证通过计算模型预测值与试验测量数据的比较，度量计算模型预测能力，其本质是一个统计过程。这一过程中存在不确定性，包括计算模型建模不确定性、输入参数不确定性和确认试验测量误差等。虚拟试验模型验证方法有参数估计法、假设检验法、频谱分析法等。由于输出数据有静态和动态之分，模型验证又分为静态性能验证和动态性能验证。静态验证是指对不随时间变化的静态输出数据的验证，动态验证是对整个系统运行过程的考察，可以在每一时刻考察虚拟试验系统与实际系统的一致性。静态验证最常用的定量方法是统计分析法(如参数估计法、假设检验法)，动态性能验证最为推崇的定量方法是频谱分析法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决工程试验中虚拟模型与实物等效，以便在虚拟或半实物实验中利用虚拟模型代替实物模型完成试验的问题，而提出的基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法具体过程为：步骤一、将静态性能随机向量记为Y，将动态性能随机过程记为Yt，实际系统的每一次试验观测结果视为静态性能随机向量Y或动态性能随机过程Yt的一次实现，记作y(j)和其中，上标j表示第j次试验，t表示动态性能随机过程输出的结果；步骤二、根据步骤一利用点估计或区间估计法进行虚拟试验系统结果与实际系统试验结果的验证，得到验证结果，即：条件1：当则小概率事件已经发生，从而否定虚拟试验系统输出与实际系统输出之间的一致性，即虚拟试验系统是不能接受的；其中，小概率事件根据用户给定；和分别是根据虚拟试验系统试验样本观察值x1,x2,...,xn和实际系统试验样本观察值y1,y2,...,ym求得的关于θ的点估计值；条件2：对于取定的置信水平1-α，0＜α＜1，如果置信区间和的交集为空集或其交集比期望值小得多，则样本观察值xi和yj不是来自同一分布，其中i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,m，从而否定虚拟试验系统结果与实际系统试验结果的一致性，即虚拟试验系统是不能接受的；置信区间和分别是根据虚拟试验系统试验样本观察值x1,x2,...,xn和实际系统试验样本观察值y1,y2,...,ym求得的关于θ的区间估计；及条件1和条件2的否命题是不成立的；步骤三、采用矩估计方法对条件1和条件2中的和进行求解，得到一阶原点矩和二阶中心矩，即均值和方差；步骤四、将步骤三求解后的均值和方差带入步骤二中条件1和条件2，判断是否接受虚拟试验系统。基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法具体过程为：步骤一、若静态性能随机变量X和Y的总体分布函数分别为F(x)和G(x)，那么，静态性能验证问题转化为下列统计假设检验问题：原假设H0：F(x)＝G(x)备择假设H1：F(x)≠G(x)步骤二、在步骤一的基础上进行两个正态总体期望之差μ1-μ2的双边t检验，判断是否接受虚拟试验系统。基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法具体过程为：步骤一、设置输入、输出数据；输入数据为：虚拟试验系统的输出过程xt；实际系统输出过程或理论上的期望值yt(t＝1,2,...T)；显著性水平α，0＜α＜1；频率范围[ωmin,ωmax,]；虚拟试验系统输出数据采样周期Δs；实际系统输出数据采样周期Δr；子区间个数b，b为正数；输出数据为：可信区间步骤二、对输入数据、输出数据进行预处理；步骤三、对预处理后的数据进行傅里叶变换；步骤四、对傅里叶变换后的数据进行统计分析得到可信区间，判断是否接受虚拟试验系统。专利技术效果参数估计方法可以非常容易对比较的对象可出初步结论，但是它存在一定的缺陷：要求样本观测值相互独立、要求样本容量足够大、它对两组矩(如均值、方差等)相同但实际上空间分布的几何形态完全不同的两个总体有时分辨不出来。用这一方法对仿真试验结果与实际系统试验结果之间的一致性进行分析判断时，不可轻易做出接受仿真模型的肯定性结论，一般采取几种方法做进一步的分析。利用假设检验，可以虚拟模型与实物产生的数据是否符合同样的分布，解决参数估计中不能解决的问题。在动态系统的分析和设计过程中，频率和谱值是最能反映系统性能和暴露系统问题的指标之一。平稳随机过程或广义平稳随机过程的频谱集中反映了过程本身在频域中的统计特性。因此，如若两个随机过程具有相同的概率分布，那么他们也必然有相同的频谱特性；而两随机过程的差异也可通过它们的频谱分布特性敏感的反映出来。分别估计出它们的谱密度及互谱密度，通过谱密度的异同来反推输出序列的异同，而不是直接分析虚拟试验输出和实际系统输出序列本身。谱密度还有一个突出的优点，就是假设检验和统计判断中所遇到的诸多限制问题(如观测样本独立性、大样本等)已经通过时域到频域的转换(如傅里叶变换(DFT及FFT)等)予以克服。由于在某一频率点的谱估计基本上不依赖于与之相邻的频率点的谱估计量，所以常用的统计推断方法就能十分方便的用来检验和判断各频率点的谱值分布规律。附图说明图1为建模与虚拟试验过程中的校核与验证示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法，具体过程为：步骤一、将静态性能随机向量记为Y，其观测值与具体的实验(实现)有关，而与观测时间无直接关系；将动态性能随机过程记为Yt，其观测值不仅与具体实验有关，而且是观测时间t的函数。这样，关于实际系统的每一次试验观测结果视为静态性能随机向量Y或动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、设置输入、输出数据；输入数据为：虚拟试验系统的输出过程xt；实际系统输出过程或理论上的期望值yt(t＝1,2,...T)；显著性水平α，0＜α＜1；频率范围[ωmin,ωmax,]；虚拟试验系统输出数据采样周期Δs；实际系统输出数据采样周期Δr；子区间个数b，b为正数；输出数据为：可信区间

【技术特征摘要】
1.基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、设置输入、输出数据；输入数据为：虚拟试验系统的输出过程xt；实际系统输出过程或理论上的期望值yt(t＝1,2,...T)；显著性水平α，0＜α＜1；频率范围[ωmin,ωmax,]；虚拟试验系统输出数据采样周期Δs；实际系统输出数据采样周期Δr；子区间个数b，b为正数；输出数据为：可信区间步骤二、对输入数据、输出数据进行预处理；步骤三、对预处理后的数据进行傅里叶变换；步骤四、对傅里叶变换后的数据进行统计分析得到可信区间，判断是否接受虚拟试验系统。2.根据权利要求1所述基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法，其特征在于：所述步骤二中对输入数据、输出数据进行预处理；具体过程为：设虚拟试验系统输出过程xt和实际系统输出过程yt均为广义平稳时间序列，t＝1,2,...T；否则必须先对待比较的虚拟系统与实际系统进行零均化处理，假设进行了N次虚拟试验，其中期望、方差的第i次试验记录为t＝1,2,...T；i＝1,2,...N；令：式中，T的取值为正数，N是时域中的观测数据长度，取值为正数，为方差；任取一次虚拟试验观测序列，可对进行零均化处理如下：3.根据权利要求2所述基于虚拟试验系统与实际系统的虚实比对分析方法，其特征在于：所述步骤三中对预处理后的数据进行傅里叶变换；具体过程为：自协方差函数分别为：式中，EX为实际系统输出的方差估计值；EY为虚拟试验系统输出的方差估计值；xi为虚拟试验系统的输出；yi为实物试验系统的输出；采用古典谱估计方法的谱窗估计式如下：其中带“^”符号的量均为各自真值的估计值；λ(k)为迟后窗，k＝1,2,...M，M为窗最大滞后量；为虚实试验与实物试验的相关系统，Rxx为虚拟试验系统的自相关系统，Ryy为实物试验的自相关系统；Sxx(ω)为自谱函数；为谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜守达，王丹丹，金雪松，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23