教育 关于切实做好省委第三巡视组反馈问题整改方案情况的报告1

1计算机仿真主讲人：雷金2•姓名：雷金•邮箱：[e-mail]•办公室：动机楼A9321室自我介绍：3本课程的简介：•计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。•它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行仿真研究的一门综合技术。•本课程主要通过对建模方法与原理、仿真算法分析及具体系统的仿真来介绍计算机仿真技术的有关内容。4学习参考书•刘瑞叶.计算机仿真技术基础（第2版）.电子工业出版社(教材)•赫培峰.计算机仿真技术.机械工业出版社•郭齐胜.计算机仿真.国防工业出版社•翟华.机械系统仿真原理与应用.合肥工业大学出版社•张志涌.精通MATLABR2011a.北京航空航天大学出版社•……5学时预计分配表内容课时(一)概论２(二)系统建模的基本方法与模型处理技术８(三)连续系统的数字仿真通用算法7(四)离散事件仿真基础5(五)计算机仿真软件5合计276•教课时间：周三9-13周3-5节10-102#周五9-14周7-8节5-313#•教学形式:课堂讲授、课后作业•成绩评定：平时作业、出勤30%，考试成绩70%。教学安排7§1.1计算机仿真的基本概念§1.2计算机仿真的历史及现状§1.3计算机仿真的发展与展望第1章概述从现实问题开始浴池供水系统问题的背景：在某浴池供水系统中，将烧到一定温度的热水和冷水混合，配成适当温度的洗浴用水。初始营业阶段，根据经验或感觉测试混合后洗浴水的温度并控制其温度变化，由于存在很大的偏差，顾客意见较多。因此，考虑设计一个能自动控制冷、热水流量的装置，从而控制水罐中流出的水温。合理假设：假设供水装置中的混合水罐不存在热量散失问题，同时进入水罐中的热水、冷水在某种搅拌装置作用下，能够均匀混合，配成温度适当的洗浴水。问题的提出：如何设计冷、热水配比方案，才能使水罐中流出的水的温度达到顾客满意程度，从而为装置的制造提供实验数据，并能实现模拟装置运行的效果。从现实问题开始解决问题的步骤：a.明确研究目的找出问题的条件、课题的目的、解决课题时存在的问题以及如何从问题的详细资料中提取问题关系的变量与数据表示等。物理对象：水罐、冷水入口、热水入口、水罐出口；目的：控制冷、热水的流量，使出水口的水温达到理想温度从现实问题开始b.整理研究问题的相关客体和参数用表格形式反应分析的背景内容，问题涉及的客体均有一定量纲，整理与水温变化相关的内容，得到水温控制系统如表1.1所示：从现实问题开始c.设计变量变量如表1.2所示。根据变量收集研究对象中相关的温度及常用的水管参数等。从现实问题开始d.建立变量关系水管中水流速度和水温变化表示为：水罐出水口水流速度与水位关系的表达式：（k实验参数）从现实问题开始e.建立合理的水流、温度及储水温度数学关系f.变换成计算机可以识别的数学关系g.选择合适的实验平台编制上述关系的计算机软件，进行模拟出口水温变化时水流变化的计算机实验，给出相应的实验数据。分析实验结果，得出研究结论。用来描述问题关系的式子，称为“模型”的数学表示形式，是仿真中的核心内容。从现实问题开始15仿真仿真就是将所研究的对象用其它手段加以模仿的一种活动。{实物仿真非实物仿真如曹冲称象、军事演习、飞行器风洞试验、核爆炸试验等，属于实物仿真的例子。§1.1计算机仿真的基本概念1.计算机仿真军事演习16计算机仿真计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算机对一个系统的结构和行为进行动态演示,以评价或预测一个系统的行为效果,为决策提供信息的一种方法.它是解决较复杂的实际问题的一条有效途径。§1.1计算机仿真的基本概念仿真——对应的英语是“Simulation”，也可译为模拟，为了与模拟计算机“AnalogComputer”中的“Analog”以示区别，在规范术语和译名时，1979年在全国系统仿真学术会议上专家和学者们建议将“Simulation”译为“仿真”，并一直沿用至今。17计算机仿真通过建立数学模型、编制计算机程序实现对真实系统的模拟,从而了解系统随时间变化的行为或特性。§1.1计算机仿真的基本概念18仿真举例计算机仿真反映出新的科学技术的时代特征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。应用的领域有：航空管理,公交车的调度,飞机设计,动画设计,三峡的安全、生态,道路的修建,医疗保险,国债的发行,家居装修,炼钢的温度估计,发电厂的操作训练,飞行员训练，鼠疫的检测和预报。§1.1计算机仿真的基本概念19美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用原计划发射仿真后实发节省导弹节省费用千万美元爱国者141101408．0罗兰特224951294．2尾刺185114712．5§1.1计算机仿真的基本概念爱国者导弹20§1.1计算机仿真的基本概念原子弹+氢弹核爆模拟超级计算机上亿次模拟，不可能进行多次实物试验21三峡水库总库容393亿立方米，总装机容量1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。长江三峡工程§1.1计算机仿真的基本概念22飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。飞机设计§1.1计算机仿真的基本概念232.为什么要进行计算机仿真①便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。②可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型。③对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。④对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。§1.1计算机仿真的基本概念243.适用计算机仿真解决的问题•难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数学模型的有效方法．•虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法．•希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响．•难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究．•需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案．§1.1计算机仿真的基本概念254.仿真常用术语系统一些具有特定功能相互之间以一定的规律联系着的物体所组成的总体．为了限制所研究问题涉及的范围,用系统边界把所研究的系统与影响系统的环境区分开来.系统的对象、系统的组成元素都可以称为实体．系统边界实体§1.1计算机仿真的基本概念26属性反映实体的某些性质，它可以是文字型、数字型或逻辑型．系统的状态是指在某一时刻实体及其属性值的集合．导致系统状态变化的一个过程为活动．活动反映了系统变化的规律．属性状态活动§1.1计算机仿真的基本概念27一、系统系统是指具有某些特定功能、相互联系、相互作用的元素的集合。§1.1计算机仿真的基本概念它具有三个基本特征：整体性、相关性和目的性。整体性是指系统作为一个整体存在而表现出某项特定的功能，它是不可分割的；相关性是指系统的各个部分、元素之间是相互联系的，存在物质、能量与信息的交换；目的性表现两个方面：一是系统完成特定的功能；二是完成基本功能的同时要使系统达到最优化。28对于任何系统的研究，都必须从以下三个方面加以考虑：1.实体：组成系统的元素，对象；2.属性：实体的特性（状态和参数）；3.活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程。§1.1计算机仿真的基本概念29举例：1.系统的实体为：R,L,C和激励e(t)；2.系统的属性为：R,L,C,e(t)及电荷q，电路dq/dt的数值；3.系统的活动为：电振荡（随时间变化）。§1.1计算机仿真的基本概念e（t）RLC30任一个大系统(例如通信系统、控制系统、电力系统、计算机系统等)可分解为若干个互相联系、互相作用的子系统。各子系统之间通过信号联系，信号在系统内部及各子系统之间流动。§1.1计算机仿真的基本概念31二、系统分类根据不同的分类原则，系统可分为以下几种。1.静态系统和动态系统①静态系统：是被视为相对不变的系统；②动态系统：它的状态是可以改变的。§1.1计算机仿真的基本概念322.确定系统和随机系统①确定系统：一个系统的每一个连续状态都是唯一确定的；②随机系统：一个系统在指定的条件和活动下，从一种状态转换另一种状态不是确定的，而是带有一定的随机性，也就是相同的输入经过系统的转化过程会出现不同的输出结果时，该系统为随机系统。§1.1计算机仿真的基本概念33混合系统程离散时间系统：差分方程连续时间系统：微分方：微分方程或差分方程动态系统（记忆系统））：代数方程即时系统（非记忆系统),,,(:)(:zyxtt偏微分方程分布参数系统常微分方程集总参数系统§1.1计算机仿真的基本概念4.其他分类方法34§1.1计算机仿真的基本概念系统模型物理模型半物理模型数学模型静态动态静态动态解析法数值法解析法离散连续面向事件面向时间面向进程系统模型的分类图35三、系统模型系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质（或是系统某种特性）的一种描述。模型可以分为实体模型和数学模型两大类。§1.1计算机仿真的基本概念361.实体模型又称为物理模型，它是根据系统之间的相似性而建立起来的。主要有比例模型、模拟模型、样机模型。2.数学模型是系统某种特征本质的数学表达式，即用数学公式来描述所研究的客观对象或系统中某一方面的规律。§1.1计算机仿真的基本概念37在所有模型中，通常普遍采用数学模型来分析系统工程问题，其原因在于：1.它是定量分析的基础；2.它是系统预测和决策的工具；3.它可变性好，适应性强，分析问题速度快，省时省钱，且便于使用计算机。§1.1计算机仿真的基本概念38建立数学模型的要求：1.真实完整。真实的、系统的、完整的反映客观现象；必须具有代表性；具有外推性，即能得到原型客体的信息，在模型的研究实验时，能得到关于原型客体的原因；必须反映完成基本任务所达到的各种业绩，而且要与实际情况相符合。2.简明实用；在建模过程中，要把本质的东西及其关系反映进去，把非本质的、对反映客观真实程度影响不大的东西去掉，使模型在保证一定精确度的条件下，尽可能的简单和可操作，数据易于采集。2.适应变化。随着有关条件的变化和人们认识的发展，通过相关变量及参数的调整，能很好的适应新情况。§1.1计算机仿真的基本概念39数学模型的分类：1.静态和动态模型静态模型是指要描述的系统各量之间的关系是不随时间的变化而变化的，一般都用代数方程来表达。动态模型是指描述系统各量之间随时间变化而变化的规律的数学表达式，一般用微分方程或差分方程来表示。2.连续时间和离散时间模型模型中的时间变量是在一定区间内变化的模型称为连续时间模型，上述各类用微分方程描述的模型都是连续时间模型。在处理集中参数模型时，也可以将时间变量离散化，所获得的模型称为离散时间模型。离散时间模型是用差分方程描述的。§1.1计算机仿真的基本概念403.分布参数和集中参数模型分布参数模型是用各类偏微分方程描述系统的动态特性，而集中参数模型是用线性或非线性常微分方程来描述系统的动态特性。在许多情况下，分布参数模型借助于空间离散化的方法，可简化为复杂程度较低的集中参数模型。4.随机性和确定性模型随机性模型中变量之间关系是以统计值或概率分布的形式给出的，而在确定性模型中变量间的关系是确定的。§1.1计算机仿真的基本概念415.参数与非参数模型用代数方程、微分方程、微分方程组以及传递函数等描述的模型都是参数模型。建立参数模型就在于确定已知模型结构中的各个参数。通过理论分析总是得出参数模型；非参数模型是直接或间接地从实际系统的实验分析中得到的响应。6.线性和非线性模型线性模型中各量之间的关系是线性的，可以应用叠加原理，即几个不同的输入量同时作用于系统的响应，等于几个输入量单独作用的响应之和。线性模型简单，应用广泛。非线性模型中各量之间