《計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ)》計算機仿真技術(shù)

機電工程學(xué)院機電工程系李安Telmail:jdgc_lian@126計算機仿真技術(shù)編輯ppt本門課程的目標(biāo)熟悉一個概念掌握一種方法精通一項技術(shù)會用一款軟件編輯ppt結(jié)課方式考試+作業(yè)+上機考試：開卷〔60%〕作業(yè)+上機〔40%〕編輯ppt參考文獻1.計算機仿真技術(shù)根底，劉瑞葉等編，電子工業(yè)出版社2.系統(tǒng)仿真概論，肖田元等編，清華大學(xué)出版社3.現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用，康風(fēng)舉編，國防工業(yè)出版社4.先進仿真技術(shù)與仿真環(huán)境，熊光楞編，國防工業(yè)出版社5.系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實，吳啟迪主編，化學(xué)工業(yè)出版社6.MATLAB7.0從入門到精通，劉保柱等編，人民郵電出版社編輯ppt第1章概述ThreetopicstobediscussedWWHWhytolearnWhattolearnHowtolearn編輯ppt理解并掌握仿真的概念、分類、作用；了解計算機仿真的開展歷程、應(yīng)用領(lǐng)域及目前研究、應(yīng)用現(xiàn)狀；熟悉掌握計算機數(shù)字仿真的根本過程。本章學(xué)習(xí)要求編輯ppt1.1仿真的根本概念及其分類1.1.1系統(tǒng)仿真的定義、分類及作用1.1.2計算機仿真的定義及其分類1.2計算機仿真的開展及其應(yīng)用領(lǐng)域1.3計算機數(shù)字仿真的根本過程1.4先進仿真技術(shù)編輯ppt1.1仿真〔simulation)的根本概念及其分類1.1.1系統(tǒng)仿真的定義、分類及其作用1〕系統(tǒng)仿真的定義系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型的某種操作，研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。簡言之，系統(tǒng)仿真是對系統(tǒng)模型的試驗，即在仿真中，系統(tǒng)的模型在一定的試驗條件下被行為產(chǎn)生器驅(qū)動，產(chǎn)生模型行為。編輯ppt2〕系統(tǒng)仿真的分類--系統(tǒng)模型分類方式①物理仿真系統(tǒng)模型為物理模型：實物模型(PM)。②數(shù)字仿真系統(tǒng)模型為數(shù)字模型：數(shù)學(xué)模型和幾何模型〔MM&GM〕。③半物理仿真既有物理模型也有數(shù)字模型。編輯ppt3〕系統(tǒng)仿真的作用⑴優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。在復(fù)雜的系統(tǒng)建立以前，能夠通過改變仿真模型結(jié)構(gòu)和調(diào)整參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(MM)。⑵對系統(tǒng)或系統(tǒng)的某一局部進行性能評價(MM)。⑶節(jié)省費用。⑷重現(xiàn)系統(tǒng)故障，以便判斷故障產(chǎn)生的原因(GM)。⑸可以防止試驗的危險性。⑹進行系統(tǒng)抗干擾性能的分析研究(MM)。⑺訓(xùn)練系統(tǒng)操作人員(GM)。⑻系統(tǒng)仿真能為管理決策和技術(shù)決策提供依據(jù)。正因為仿真技術(shù)對國防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究均具有極大的應(yīng)用價值，所以，仿真技術(shù)被美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會于1991年確定為影響美國國家平安及繁榮的22項關(guān)鍵技術(shù)之一。本章目錄編輯ppt1.1.2計算機仿真(ComputerSimulation)的定義及其分類1)計算機仿真的定義計算機仿真是指應(yīng)用幾何和性能相似原理，構(gòu)成數(shù)字模型，在計算機上對系統(tǒng)數(shù)字模型進行某種操作。計算機仿真又稱為數(shù)字仿真。編輯ppt①根據(jù)計算機分類模擬計算機仿真、數(shù)字計算機仿真、模擬數(shù)字混合仿真②根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系實時仿真、欠實時仿真、超實時仿真③根據(jù)系統(tǒng)模型的特性連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真本章目錄⒉計算機仿真的分類編輯ppt1.2計算機仿真的開展

及其應(yīng)用領(lǐng)域1)計算機仿真的開展第一階段:模擬仿真技術(shù)開展階段,1950年以前。動因：火炮與飛行控制動力學(xué)系統(tǒng)的研究。第二階段：混合仿真技術(shù)開展階段，50～60年代。動因：洲際導(dǎo)彈和宇宙飛船飛行姿態(tài)及軌道控制動力學(xué)的研究。第三階段：數(shù)字仿真技術(shù)開展階段，70年代以后。模擬機—混合機—數(shù)字機編輯ppt計算機仿真的應(yīng)用類型:①系統(tǒng)設(shè)計器對尚未有的系統(tǒng)進行設(shè)計時采用仿真技術(shù)；②系統(tǒng)分析器對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術(shù)；③系統(tǒng)預(yù)測器在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預(yù)測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂方案或決策；④系統(tǒng)觀測器在系統(tǒng)運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供過去、現(xiàn)在甚至未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策，比方利用仿真技術(shù)進行故障分析和故障處理；⑤系統(tǒng)訓(xùn)練器利用仿真模型作為訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)操作人員或管理人員編輯ppt2)計算機仿真的應(yīng)用領(lǐng)域從歷史上看，仿真技術(shù)首先被應(yīng)用于那些在實際系統(tǒng)進行試驗有危險、花費巨大的領(lǐng)域，比方：航空、航天、武器系統(tǒng)等，以后逐漸擴大到雖然可在實際系統(tǒng)上進行試驗，但花費較大、耗時較長、不大方便的一些領(lǐng)域，比方：冶金、化工、電力等；近十幾年來，那么進一步擴大到制造、交通、環(huán)境、生態(tài)、生物、石油等領(lǐng)域。綜觀仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大的歷史，可以得到以下幾個有意義的結(jié)論：編輯ppt①仿真技術(shù)在應(yīng)用上的平安性一直是被采用的最主要原因；②仿真技術(shù)在應(yīng)用上的經(jīng)濟性也是被采用的十分重要的原因；③仿真技術(shù)一般是從學(xué)院式的局部應(yīng)用逐步走向全面應(yīng)用，其標(biāo)志是對某領(lǐng)域的仿真應(yīng)用而設(shè)立的仿真中心；④仿真技術(shù)在每一階段都有一個比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域；⑤根據(jù)仿真的應(yīng)用范圍，研制和開發(fā)了一大批仿真產(chǎn)品，如各種仿真語言及仿真軟件包，各種訓(xùn)練仿真器等等。⑥為了推廣仿真技術(shù)的應(yīng)用，幾乎所有的仿真語言都推出了PC版。計算機仿真應(yīng)用視頻編輯ppt編輯ppt1.3計算機數(shù)字仿真的根本過程為了使大家對計算機數(shù)字仿真有一個全面的了解，讓我們用一個簡單的例子來予以說明。編輯ppt編輯ppt卓越的操控性、穩(wěn)定性和舒適性編輯ppt汽車懸掛系統(tǒng)編輯ppt問題：如何分析研究并保證設(shè)計出或設(shè)計中的懸架系統(tǒng)具有這種卓越性能？研究方法：1理論方法2實驗方法3仿真方法編輯ppt仿真技術(shù)與物理實驗、理論研究的比照仿真技術(shù)物理實驗理論研究可能性只要能建立系統(tǒng)模型，就能進行系統(tǒng)尚未建立，則不可能；有的自然系統(tǒng)實驗周期太長，也不可能有的系統(tǒng)無法建立解析模型，因此，不可能利用解析方法安全性無危險有危險（人身、設(shè)備）無危險經(jīng)濟性花費不多費用很大花費少耗時性中等長短準(zhǔn)確性可以做到很準(zhǔn)確十分準(zhǔn)確要做較多假設(shè)，有較大誤差方便性可以做到十分方便受現(xiàn)場限制，不方便方便編輯ppt質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)編輯ppt其中：X— 狀態(tài)向量A—系統(tǒng)矩陣B—輸入矩陣f(t)—輸入變量C—輸出矩陣D—直接轉(zhuǎn)移矩陣編輯ppt編輯ppt根據(jù)研究的目的編制試驗方案：1.改變M、B、K，保持f(t)不變，研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；2.改變f(t)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，研究系統(tǒng)所受激振力對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；最后根據(jù)仿真試驗結(jié)果，給出相關(guān)結(jié)論。編輯ppt建立仿真模型應(yīng)用編程語言應(yīng)用仿真語言或環(huán)境編輯ppt應(yīng)用歐拉法、梯形法或R—K法等仿真算法，將上述數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為便于編程的仿真模型：應(yīng)用編程語言編輯ppt應(yīng)用仿真語言或環(huán)境應(yīng)用ADAMS應(yīng)用MATLAB編輯ppt編輯ppt計算機仿真的一般步驟1、確定系統(tǒng)分析目標(biāo)，進行系統(tǒng)分析，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型2、在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的根底上，建立系統(tǒng)的仿真模型3、編程或選用仿真語言4、制定仿真實驗方案，進行仿真實驗5、分析仿真實驗結(jié)果，修改模型本章目錄編輯ppt給點小提示一、拉普拉斯變換1.拉氏變換的定義編輯ppt2.拉氏變換的幾個定理①線性定理②衰減定理③延時定理④相似定理⑤微分定理⑥積分定理⑦終值定理⑧初值定理⑨卷積定理連續(xù)系統(tǒng)仿真編輯ppt①線性定理返回編輯ppt②衰減定理③

延時定理④相似定理返回編輯ppt⑤微分定理GO編輯ppt⑥積分定理⑦終值定理返回編輯ppt⑧初值定理⑨卷積定理編輯ppt二、拉氏逆變換直接求解法、查表法〔系數(shù)比較法、留數(shù)法〕編輯ppt三、應(yīng)用拉氏變換求解微分方程例:用拉氏變換解微分方程初始條件:編輯ppt四、控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1.定義2.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)①比例環(huán)節(jié)②微分環(huán)節(jié)③積分環(huán)節(jié)④慣性環(huán)節(jié)⑤二階環(huán)節(jié)⑥延時環(huán)節(jié)編輯ppt1.定義返回編輯ppt①比例環(huán)節(jié)②微分環(huán)節(jié)③積分環(huán)節(jié)返回編輯ppt④慣性環(huán)節(jié)⑤二階環(huán)節(jié)⑥延時環(huán)節(jié)返回編輯ppt第2章連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真編輯ppt對于一個集中參數(shù)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)，利用我們學(xué)過的根底理論知識和專業(yè)知識所能直接建立的數(shù)學(xué)模型形式有哪些呢？高階微分方程傳遞函數(shù)編輯ppt上述模型不能在數(shù)字機上直接求解！那么能夠在數(shù)字計算機上直接求解的數(shù)學(xué)模型形式又是什么樣的呢？差分方程上述方程形式由何而來的？一階微分方程仿真模型數(shù)值積分算法怎么來？編輯ppt動態(tài)方程高階微分方程傳遞函數(shù)模型變換編輯ppt高階微分方程傳遞函數(shù)差分方程兩次模型變換動態(tài)方程等價變換近似變換編輯ppt2．1連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型引進算子

1°高階微分方程編輯ppt2°傳遞函數(shù)編輯ppt3°狀態(tài)空間描述1．由微分方程導(dǎo)出狀態(tài)空間表達式引進如下狀態(tài)變量：假定一個連續(xù)系統(tǒng)可用下式來描述編輯ppt編輯ppt編輯ppt令那么有編輯ppt例系統(tǒng)的微分方程式設(shè)狀態(tài)變量為

編輯ppt2．由傳遞函數(shù)導(dǎo)出狀態(tài)空間表達式1〕并聯(lián)程序法〔m<n〕假設(shè)G〔s〕有n個單極點編輯ppt引進n個狀態(tài)變量令編輯ppt編輯ppt例編輯ppt編輯ppt2〕串聯(lián)程序法為G(s)的單極點為G(s)的零點編輯ppt1°分子、分母均為一階設(shè)第i個子系統(tǒng)的表達式為編輯ppt2°分子為常數(shù)第j個子系統(tǒng)，編輯ppt例編輯ppt子系統(tǒng)1子系統(tǒng)2子系統(tǒng)3編輯ppt編輯ppt差分方程2．2在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型

編輯ppt2．3數(shù)值積分法設(shè)初始條件編輯ppt→→→→歐拉公式2．3．1歐拉法〔折線法〕↓編輯ppt幾何意義〔折線〕注：將圖中的y換成x編輯ppt一般2．3．2梯形法編輯ppt梯形公式2．3．3龍格—庫塔法〔Runge-Kutta〕x=x(t)設(shè)泰勒級數(shù)展開編輯ppt在處展開成泰勒級數(shù)，只保存至x=x(t)編輯ppt二階龍格—庫塔法，即為梯形公式編輯ppt四階龍格—庫塔公式：編輯ppt一階微分方程四階龍格—庫塔法的c語言實現(xiàn)(宏定義)

#include<stdio.h>#include<math.h>#defineF(t,x)$$$$$$$$voidmain(void){floatt0,x0,k1,k2,k3,k4,t1,x1,h;intn,i;printf(“Inputt0x0hn=\n〞);scanf(“%f%f%f%d〞,&t0,&x0,&h,&n);printf(“%15s%15s%15s\n〞,“n〞,“t〞,“x〞);printf(“%15s%15.6f%15.6f\n〞,“0〞,t0,x0);編輯pptfor(i=1;i<=n;i++){t1=t0+h;k1=F(t0,x0);k2=F(t0+h/2,x0+h*k1/2);k3=F(t0+h/2,x0+h*k2/2);k4=F(t0+h,x0+h*k3);y1=x0+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;printf(“%15d%15.6f%15.6f\n〞,i,t1,x1);t0=t1;x0=x1;}}編輯ppt一階微分方程四階龍格—庫塔法的c語言實現(xiàn)(函數(shù))#include<stdio.h>#include<math.h>floatf(float,float);voidmain(void){floatt0,x0,k1,k2,k3,k4,t1,x1,h;intn,i;printf(“Inputx0x0hn=\n〞);scanf(“%f%f%f%d〞,&t0,&x0,&h,&n);printf(“%15s%15s%15s\n〞,“n〞,“t〞,“x〞);printf(“%15s%15.6f%15.6f\n〞,“0〞,t0,x0);編輯pptfor(i=1;i<=n;i++){t1=t0+h;k1=f(t0,x0);k2=f(t0+h/2,x0+h*k1/2);k3=f(t0+h/2,x0+h*k2/2);k4=f(t0+h,x0+h*k3);y1=x0+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;printf(“%15d%15.6f%15.6f\n〞,i,t1,x1);t0=t1;x0=x1;}}編輯pptfloatf(floatt,floatx){floatx1;x1=$$$$$$;returnx1;}編輯ppt2．4四階龍格—庫塔法算法通式(i=1,2,…,n)編輯ppt令(i=1,2,…,n;j=1,2,3,4)