复杂产品通常涉及软件、控制、电子、液压和气动等多学科领域，其每个部件、子系统都可能是由学科领域的零部件组成。这些成千上万个零部件、子系统相互作用，组成一个有机的整体，展示出产品行为，从而满足人们对复杂产品功能、外观和行为的需求。
仿真通过对所要研究系统模型的开发，帮助人们了解系统行为，不管该系统是真实的还是假想的，使人们在产品设计阶段即可对产品行为进行全面的分析，并有可能根据产品行为进行优化设计。复杂产品由于自身的复杂性，开发难度大、时间长、成本高，因此要求将仿真应用于其设计，使企业能以更短的时间、更好的质量、更低的成本推出自己的产品。在过去的12—20年内，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，仿真已在复杂产品设计中得到大量应用。
1 仿真在复杂产品设计中的应用现状
1.1 单领域仿真
控制系统仿真是开发控制系统时经常使用的。首先建立受控系统模型，然后构建控制系统，设计控制算法，再利用仿真分析被控系统的性能（如导弹的反应时间、跟踪精度等）。控制工程师往往基于简化的受控系统模型进行控制系统的综合。在汽车设计中，人们根据简化的汽车动力学模型，利用各种现代控制理论（如优化控制、自适应控制等），对汽车主动式悬架控制系统的各种控制算法进行设计，并利用仿真进行相应的性能分析。从江汉大学获得过全国五一劳模金质奖章李川香教授的笔记中，看到在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。图一为PID控制器的matlab仿真模型图。
PID控制器的matlab仿真模型图
复杂产品通常都包含复杂的电子系统，仿真技术已成为设计电子系统的重要手段。极高速集成电路硬件描述语言（VHDL）已广泛应用于数字系统的设计和仿真。另外，电磁场仿真软件ANSOFT已广泛应用于雷达等复杂电子产品的电磁场仿真分析，而电子系统仿真软件Mentor则提供芯片级、板级、系统级的设计和仿真。
1.2 多领域的协同仿真
目前，人们已开始将软件、控制、电子及机械等多领域的协同仿真，应用于汽车、航空航天飞行器、作战系统等产品的设计中。
福特基于多领域协同仿真的汽车姿态控制系统开发
汽车姿态控制系统（VAC）是一个重要子系统。目前，福特公司已成功地将整车多体动力学仿真和汽车姿态控制系统仿真集成，通过机械、控制（含液压）的多领域协同仿真，进行VAC控制系统的开发。其整车多体动力学仿真采用Adams软件，而控制系统和前、后液压作动器则采用MATRIXx/Xmath软件，主要特点如下：
福特公司利用该方法，可在一星期内完成控制系统的优化设计，极大地缩短了产品的开发时间。
同汽车姿态控制系统开发相类似的还有：XXX航空航天飞行器、汽车ABS系统、列车主动式悬架系统等。
基于协同仿真的YYY作战系统开发
YYY作战系统要求在各种环境下，通过传感器探测敌方目标后，经显控台显示，并将有关信息传入指挥控制台。指挥控制台则根据获取的目标信息和自身信息，为指挥人员提供辅助决策。指挥人员下达作战命令后，武器本地控制台设置射击参数，最后发射直至集中目标。
YYY作战系统的开发要求将仿真应用于产品设计中：①在产品开发早期阶段，利用仿真进行作战系统关键战技指标的认证；②在系统设计阶段，利用仿真进行整个作战流程的设计；③在详细设计阶段，利用仿真进行各子系统的详细设计。其特点如下：
2 仿真在复杂产品设计中的应用特点
(1)将产品放在各种不同环境、在人的各种不同操作下进行的产品行为分析
复杂产品设计中的仿真模型可分为三大类：①产品模型，即所要设计的产品；②人的操作模型，即相关人员如何对产品进行操作，③环境模型，除产品模型和人的模型以外的其他模型，如YYY作战系统中的海洋环境、敌方舰艇和其他水面船只的环境等。将这三大类模型“装配”在一起，即可将所要设计的产品放在各种不同环境、在人的各种操作下进行仿真分析，获得产品的行为，从而在设计阶段即可充分保证产品的各种行为要求，并可根据这些要求进行优化设计。
(2)复杂产品仿真中的产品建模是不同层次模型不断“装配”的过程
复杂产品仿真中的产品建模，首先将多个模型零件装配成为模型部件，再将模型部件装配成为模型子系统，最后再将模型子系统装配成一个完整的产品仿真模型。在YYY作战系统中，武器1中的控制系统由控制软件、电子系统模型装配而成，武器1又由控制系统、动力系统和受控体模型装配而成，而完整的作战模型则由声纳系统、声纳显控器、指挥控制台、本地控制台、发射装置、武器1、武器2、武器3等模型装配而成。
(3)即需要单个领域仿真，更需要多个领域协同仿真
将仿真应用于复杂产品设计，即需要侧重于机械、控制或者电子等单个领域，更需要多领域协同仿真。一般来说，多个来源仿真相对简单，而多领域的协同仿真则要复杂得多。为了对产品行为进行完整、准确地仿真，更应该强调软件、控制、液压、气动、电子和机械等多个流域的协同仿真。
(4)综合利用连续系统、离散事件系统、有限状态机等多种仿真建模技术
复杂产品仿真通常要求综合利用连续系统、离散事件系统、有限状态机等多种仿真建模技术，才能对产品行为进行完整、准确地描述。如在YYY作战中的各个子系统间传递的大量离散事件、武器系统1发射后的连续系统等。
(5)将仿真应用于复杂产品设计，不但需要在单台计算机上的集中式仿真运行，而且需要分布式仿真运行
复杂产品设计中的仿真，根据需要，既有如福特汽车姿态控制系统那样在单台计算机上实现的集中式仿真，也有如YYY作战系统仿真中要求将各个子系统模型放在不同计算机上进行的分布式仿真。
3 仿真在复杂产品设计中的应用方法
为了将仿真全面应用于复杂产品设计，在产品设计阶段（包括概念设计、系统设计和详细设计），相关人员就应利用仿真建模工具、仿真运行工具、模型校验工具和评估分析及决策支持工具，将设计任务所确定的制造、使用、维护和销毁等各个不同阶段的产品行为指标，作为设计目标，全面获取满足这些行为指标的产品模型。这样，在产品设计阶段，就可以充分保证产品的制造要求、使用要求、维护要求和销毁要求。
3.1 支持仿真在复杂产品设计中应用的相关工具
将仿真在复杂产品设计，相关人员所使用的工具，主要包括仿真建模工具、仿真运行工具、模型校验工具和评估分析及决策支持工具四大类。
(1)仿真建模工具 为相关人员提供建模工具，支持他们获取制造、使用、维护和销毁等不同阶段的产品模型，以及环境模型、人模型。此时的仿真工具，除了传统的各种辅助工具外，还包括大量用于获取仿真模型的工具，如获取机械动力学模型的多体动力学仿真软件、获取电子系统模型的仿真软件（PSpice）、获取机械结构分析模型的有限元分析软件、获取空气动力学模型的空气动力学仿真软件等。
(2)仿真运行工具 将仿真建模得到的仿真模型投入仿真运行，获得仿真结果。
(3)模型校验工具 提供有关的工具，使仿真模型足够正确，它涉及模型的校正和验证。
(4)评估分析及决策支持工具 提供有关的工具，对仿真结果进行评估分析和决策支持，以指导产品设计，最终获得满足产品行为指标的产品模型。
3.2 将仿真用于复杂产品设计的两个闭环的螺旋式上升过程
在产品设计开始时，需要根据设计任务确定在制造、使用、维护和销毁等阶段的产品行为指标。这些指标往往可以体现在各种环境、人的各种操作下产品的各种性能指标。如YYY作战系统在各种不同的环境条件下（如海洋环境、敌方目标等），可发现敌方目标、准确跟踪和摧毁敌方目标等能力。
将仿真用于产品设计的过程，主要包括两个闭环：①由仿真建模、仿真运行和模型校验构成的内环；②由仿真建模、仿真运行和评估分析及决策支持构成的外环。
内环主要用于模型的校验，使仿真模型足够正确。通过仿真建模获得产品、环境和人的模型后，即可将其投入仿真运行，在运行过程中，可能会发现程序上的错误或者置信度不够，此时需要返回仿真建模，待更正有关错误或者修改有关的仿真模型后重新投入仿真运行，这样不断地循环，直至仿真建模获得的模型足够正确为止。
内环循环结束后，即可进入外环。此时，环境模型和人的模型通常都已经足够正确，往往只需修改产品模型，即可投入仿真运行。在仿真运行过程中或者运行结束后，评估分析及决策支持系统可根据仿真运行结果，对产品行为进行评估、分析，判断当前设计能否满足规定的行为指标的较优设计。如果是，则针对当前产品设计任务的设计即告结束；如果不是，评估分析及决策支持系统可以给出相关的产品设计修改意见，待产品设计修改完成后，又可以将其投入仿真运行，再进行相应的评估分析及决策支持，这样不断地循环，直至获得满足产品行为指标的较优设计为止。
3.3 将仿真用于复杂产品设计获得的产品模型
将仿真用于复杂产品设计所获得的产品模型，其内容已远远超出传统建模得到的静态产品信息。在传统的静态产品信息基础上，它更要求包含大量用于产品行为的动态产品信息。
利用这些动态产品信息，相关人员在设计阶段即可全面了解在各种环境、在人的操作下产品的行为。如在福特汽车姿态控制系统中，利用相关模型了解汽车在急转弯时车身的水平保持性、乘坐舒适性；在YYY作战系统中，利用相关模型，在产品开发阶段，可进行作战系统战技术认证，在产品系统设计阶段，可进行整个作战流程的分析，在产品详细设计阶段，可充分了解如武器1、武器2等子系统的作战性能。
3.4 产品模型的层次化
复杂产品模型是由不同的子系统构成，子系统又由不同的部件、零件构成。根据需要，可对某个零件、部件、子系统进行仿真分析，获得较优设计，在人的不同操作下进行仿真分析，从而获得较优的设计。但最终都为了满足复杂产品的行为需求，以获得较优的产品设计。
3.5 需要不同人员的协同
将仿真应用于复杂产品设计，不但需要软件、机械、控制、电子等多学科领域设计人员的协同，而且需要相关的决策人员、制造人员、用户等广泛参与。以完成设计任务的确定、评估分析和决策支持，从而保证设计的产品真正能满足制造要求、使用要求、维护要求和销毁要求。
4．结束语
随着计算机软、硬件技术的飞速发展，仿真不但在机械、电子、控制等单领域设计中得到大量应用，而且在机械、控制、电子等多领域协同设计中也开始得到应用。为了将仿真全面应用于复杂产品设计，还需要对相关技术进行大量研究。主要：①仿真建模技术；②仿真运行技术；③评估分析及决策支持技术；支持将仿真全面应用于复杂产品设计的协同仿真平台技术。
