《計算機仿真技術基礎》計算機仿真技術PP課件

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1、本門課程的目標本門課程的目標n熟悉一個概念n掌握一種方法n精通一項技術n會用一款軟件本門課程的目標熟悉一個概念1結課方式結課方式n考試+作業(yè)+上機n考試：開卷（60%）n作業(yè)+上機（40%）結課方式考試+作業(yè)+上機2參考文獻參考文獻n1.計算機仿真技術基礎，劉瑞葉等編，電子工業(yè)出版社n2.系統(tǒng)仿真概論，肖田元等編，清華大學出版社n3.現(xiàn)代仿真技術與應用，康風舉編，國防工業(yè)出版社n4.先進仿真技術與仿真環(huán)境，熊光楞編，國防工業(yè)出版社n5.系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實，吳啟迪主編，化學工業(yè)出版社n6.MATLAB 7.0從入門到精通，劉保柱等編，人民郵電出版社參考文獻1.計算機仿真技術基礎，劉瑞葉等編，電子

2、工業(yè)出版社3第1章 概述Three topics to be discussedThree topics to be discussedWWHWhy to learnWhat to learnHow to learn第1章 概述Three topics to be discu4理解并掌握仿真的概念、分類、作用；了解計算機仿真的發(fā)展歷程、應用領域及目前研究、應用現(xiàn)狀；熟悉掌握計算機數(shù)字仿真的基本過程。本章學習要求本章學習要求理解并掌握仿真的概念、分類、作用；本章學習要求51.1 仿真的基本概念及其分類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 計算機仿真的發(fā)

3、展及其應用領域1.3 計算機數(shù)字仿真的基本過程1.4 先進仿真技術計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件61.1 仿真（simulation)的基本概念及其分類n1.1.1 系統(tǒng)仿真的定義、分類及其作用n1）系統(tǒng)仿真的定義n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生器驅動，產生模型行為。1.1 仿真（simulation)的基本概念及其分類1.172）系統(tǒng)仿真的分類-系統(tǒng)模型分類方式物理仿真系統(tǒng)模型為物理模型：實物模型(PM)。數(shù)字仿真系統(tǒng)模型為數(shù)字模型：數(shù)學模型和幾何模型（MM&G

4、M）。半物理仿真既有物理模型也有數(shù)字模型。2）系統(tǒng)仿真的分類-系統(tǒng)模型分類方式83）系統(tǒng)仿真的作用優(yōu)化系統(tǒng)設計。在復雜的系統(tǒng)建立以前，能夠通過改變仿真模型結構和調整參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設計(MM)。對系統(tǒng)或系統(tǒng)的某一部分進行性能評價(MM)。節(jié)省費用。重現(xiàn)系統(tǒng)故障，以便判斷故障產生的原因(GM)?？梢员苊庠囼灥奈ｋU性。進行系統(tǒng)抗干擾性能的分析研究(MM)。訓練系統(tǒng)操作人員(GM)。系統(tǒng)仿真能為管理決策和技術決策提供依據。正因為仿真技術對國防建設、工農業(yè)生產及科學研究均具有極大的應用價值，所以，仿真技術被美國國家關鍵技術委員會于1991年確定為影響美國國家安全及繁榮的22項關鍵技術之一。本章目錄3）系

5、統(tǒng)仿真的作用本章目錄91.1.2 計算機仿真(Computer Simulation)的定義及其分類n1)計算機仿真的定義n計算機仿真是指應用幾何和性能相似原理，構成數(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。1.1.2 計算機仿真(Computer Simulatio10 根據計算機分類 模擬計算機仿真、數(shù)字計算機仿真、模擬數(shù)字混合仿真 根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系 實時仿真、欠實時仿真、超實時仿真 根據系統(tǒng)模型的特性 連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真本章目錄計算機仿真的分類 根據計算機分類本章目錄計算機仿真的分類111.2 計算機仿真的發(fā)展計算機仿真的發(fā)展

6、及其應用領域及其應用領域1)計算機仿真的發(fā)展第一階段:模擬仿真技術發(fā)展階段,1950年以前。動因：火炮與飛行控制動力學系統(tǒng)的研究。第二階段：混合仿真技術發(fā)展階段，5060年代。動因：洲際導彈和宇宙飛船飛行姿態(tài)及軌道控制動力學的研究。第三階段：數(shù)字仿真技術發(fā)展階段，70年代以后。模擬機混合機數(shù)字機1.2 計算機仿真的發(fā)展 及其應用領域1)計12計算機仿真的應用類型:系統(tǒng)設計器 對尚未有的系統(tǒng)進行設計時采用仿真技術；系統(tǒng)分析器 對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術；系統(tǒng)預測器 在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂計劃或決策；系統(tǒng)觀測器 在系統(tǒng)運

7、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，比如利用仿真技術進行故障分析和故障處理；系統(tǒng)訓練器 利用仿真模型作為訓練器，訓練系統(tǒng)操作人員或管理人員計算機仿真的應用類型:132)計算機仿真的應用領域 從歷史上看，仿真技術首先被應用于那些在實際系統(tǒng)進行試驗有危險、花費巨大的領域，比如：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、不大方便的一些領域，比如：冶金、化工、電力等；近十幾年來，則進一步擴大到制造、交通、環(huán)境、生態(tài)、生物、石油等領域。綜觀仿真技術應用領域逐漸擴大的歷史，可以得到以下幾個有意義的結論：

8、2)計算機仿真的應用領域14仿真技術在應用上的安全性一直是被采用的最主要原因；仿真技術在應用上的經濟性也是被采用的十分重要的原因；仿真技術一般是從學院式的局部應用逐步走向全面應用，其標志是對某領域的仿真應用而設立的仿真中心；仿真技術在每一階段都有一個比較成熟的應用領域；根據仿真的應用范圍，研制和開發(fā)了一大批仿真產品，如各種仿真語言及仿真軟件包，各種訓練仿真器等等。為了推廣仿真技術的應用，幾乎所有的仿真語言都推出了PC版。計算機仿真應用視頻仿真技術在應用上的安全性一直是被采用的最主要原因；計算機仿15計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件161.3 計算機數(shù)字仿真的基本過程n為了使大家對計算機

9、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。1.3 計算機數(shù)字仿真的基本過程為了使大家對計算機數(shù)字仿真有17計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件18卓越的操控性、穩(wěn)定性和舒適性卓越的操控性、穩(wěn)定性和舒適性19汽車懸掛系統(tǒng)汽車懸掛系統(tǒng)20n問題：n如何分析研究并保證設計出或設計中的懸架系統(tǒng)具有這種卓越性能？研究方法：1 理論方法2 實驗方法3 仿真方法問題：研究方法：21仿真技術與物理實驗、理論研究的對比仿真技術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

10、危險有危險（人身、設備）無危險經濟性花費不多費用很大花費少耗時性中等長短準確性可以做到很準確十分準確要做較多假設，有較大誤差方便性可以做到十分方便受現(xiàn)場限制，不方便方便仿真技術與物理實驗、理論研究的對比仿真技術物理實驗理論研究可22質量彈簧阻尼系統(tǒng)質量彈簧阻尼系統(tǒng)23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 直接轉移矩陣其中：X 狀態(tài)向量24計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件25n根據研究的目的編制試驗方案：n1.改變M、B、K，保持f(t)不變，研究系統(tǒng)結構參數(shù)對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；n2.改變f(t)，系統(tǒng)結構參數(shù)保持不變，研究系統(tǒng)所受激振

11、力對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；n最后根據仿真試驗結果，給出相關結論。根據研究的目的編制試驗方案：26建立仿真模型n應用編程語言n應用仿真語言或環(huán)境建立仿真模型應用編程語言27n應用歐拉法、梯形法或RK法等仿真算法，將上述數(shù)學模型轉化為便于編程的仿真模型：應用編程語言應用編程語言應用歐拉法、梯形法或RK法等仿真算法，將上述數(shù)學模型轉化為28應用仿真語言或環(huán)境n應用ADAMSn應用MATLAB應用仿真語言或環(huán)境應用ADAMS29計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件30計算機仿真的一般步驟1、確定系統(tǒng)分析目標，進行系統(tǒng)分析，建立系統(tǒng)數(shù)學模型2、在系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，建立系統(tǒng)的仿真模型3、編程或選

12、用仿真語言4、制定仿真實驗方案，進行仿真實驗5、分析仿真實驗結果，修改模型本章目錄計算機仿真的一般步驟1、確定系統(tǒng)分析目標，進行系統(tǒng)分析，建立31給點小提示n一、拉普拉斯變換n1.拉氏變換的定義給點小提示一、拉普拉斯變換32n2.拉氏變換的幾個定理n線性定理n衰減定理n延時定理n相似定理n微分定理n積分定理n終值定理n初值定理n卷積定理連續(xù)系統(tǒng)仿真2.拉氏變換的幾個定理連續(xù)系統(tǒng)仿真33線性定理返回返回返回返回線性定理返回34衰減定理 延時定理相似定理返回返回返回返回衰減定理 延時定理相似定理返回35微分定理GOGO微分定理GO36積分定理終值定理返回返回返回返回積分定理終值定理返回37初值定理

13、卷積定理初值定理卷積定理38n二、拉氏逆變換n直接求解法、查表法（系數(shù)比較法、留數(shù)法）二、拉氏逆變換39n三、應用拉氏變換求解微分方程n例:用拉氏變換解微分方程n初始條件:三、應用拉氏變換求解微分方程40n四、控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)n1.定義n2.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)n比例環(huán)節(jié)n微分環(huán)節(jié)n積分環(huán)節(jié)n慣性環(huán)節(jié)n二階環(huán)節(jié)n延時環(huán)節(jié)四、控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)411.定義返回返回返回返回1.定義返回42比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)返回返回返回返回比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)返回43慣性環(huán)節(jié)二階環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)返回返回返回返回慣性環(huán)節(jié)二階環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)返回44第第2章章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真第2章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)

14、字仿真45對于一個集中參數(shù)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)，利用我們學過的基礎理論知識和專業(yè)知識所能直接建立的數(shù)學模型形式有哪些呢？高階微分方程高階微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)對于一個集中參數(shù)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)，利用我們學高階微分方程傳遞函46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)學模型形式又是什么樣的呢？差分方程差分方程上述方程形式由何而來的？一階微分方程一階微分方程仿真模型數(shù)值積分算法怎么來？上述模型不能在數(shù)字機上直接求解！那么能夠在數(shù)字計算差分方程上47動態(tài)方程高階微分方程傳遞函數(shù)模型變換動態(tài)方程高階微分方程模型變換48高階微分方程高階微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)差分方程差分方程兩次模型變

15、換動態(tài)方程動態(tài)方程等價等價變換變換近似近似變換變換高階微分方程差分方程兩次模型變換動態(tài)方程等價變換近似變換492 21 1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型引進算子 1高階微分方程21 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型引進算子 1高階微分方程502傳遞函數(shù)2傳遞函數(shù)513狀態(tài)空間描述1由微分方程導出狀態(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 3狀態(tài)空間描述1由微分方程導出狀態(tài)空間表達式引進如下狀態(tài)52計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件53計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件54令 則有令 則有55例 系統(tǒng)的微分方程式 設狀態(tài)變量為 例 系統(tǒng)的微分方程式 設狀態(tài)變量為 562

16、由傳遞函數(shù)導出狀態(tài)空間表達式 1）并聯(lián)程序法（mn）若G（s）有n個單極點 2由傳遞函數(shù)導出狀態(tài)空間表達式 1）并聯(lián)程序法（mn）57引進n個狀態(tài)變量 令 引進n個狀態(tài)變量 令 58計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件59例 例 60計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件612）串聯(lián)程序法為G(s)的單極點 為G(s)的零點 2）串聯(lián)程序法為G(s)的單極點 為G(s)的零點 621分子、分母均為一階 設第i個子系統(tǒng)的表達式為 1分子、分母均為一階 設第i個子系統(tǒng)的表達式為 632分子為常數(shù) 第j個子系統(tǒng)，2分子為常數(shù) 第j個子系統(tǒng)，64例 例 65子系統(tǒng)1 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)3 子系統(tǒng)1

17、 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)3 66計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件67差分方程22 在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型 差分方程22 在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型 6823 數(shù)值積分法數(shù)值積分法設 初始條件 23 數(shù)值積分法設 初始條件 69歐拉公式 231 歐拉法（折線法）歐拉公式 231 歐拉法（折線法）70n幾何意義（折線）注：將圖中的y換成x幾何意義（折線）注：將圖中的y換成x71一般232 梯形法一般232 梯形法72梯形公式 233 龍格庫塔法（Runge-Kutta）x=x(t)設泰勒級數(shù)展開梯形公式 233 龍格庫塔法（Runge-Kutta）73在 處展

18、開成泰勒級數(shù)，只保留至 x=x(t)在 處展開成泰勒級數(shù)，只保留至 x=x(t)74二階龍格庫塔法，即為梯形公式 二階龍格庫塔法，即為梯形公式 75四階龍格庫塔公式：四階龍格庫塔公式：76一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(宏定義)#include#include#define F(t,x)$void main(void)float t0,x0,k1,k2,k3,k4,t1,x1,h;int n,i;printf(“Input t0 x0 h n=n”);scanf(“%f%f%f%d”,&t0,&x0,&h,&n);printf(“%15s%15s%15sn”,“n ”,“t ”,“x

19、”);printf(“%15s%15.6f%15.6fn”,“0 ”,t0,x0);一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(宏定義)#inc77for(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%15.6fn”,i,t1,x1);t0=t1;x0=x1;for(i=1;i=n;i+)78一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(函數(shù))#include#inc

20、lude float f(float,float);void main(void)float t0,x0,k1,k2,k3,k4,t1,x1,h;int n,i;printf(“Input x0 x0 h n=n”);scanf(“%f%f%f%d”,&t0,&x0,&h,&n);printf(“%15s%15s%15sn”,“n ”,“t ”,“x ”);printf(“%15s%15.6f%15.6fn”,“0 ”,t0,x0);一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(函數(shù))#inclu79for(i=1;i=n;i+)t1=t0+h;k1=f(t0,x0);k2=f(t0+h/2,x0+

21、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%15.6fn”,i,t1,x1);t0=t1;x0=x1;for(i=1;i=n;i+)80float f(float t,float x)float x1;x1=$;return x1;float f(float t,float x)8124 四階龍格庫塔法算法通式(i=1,2,n)24 四階龍格庫塔法算法通式(i=1,2,n)82令(i=1,2,n;j=1,2,3,4)令(i=1,2,n;j=1,2

22、,3,4)832.5 仿真舉例-機械諧振系統(tǒng)計算機仿真 2.5 仿真舉例-機械諧振系統(tǒng)計算機仿真 84計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件85計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件86計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件87計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件88n根據研究的目的編制試驗方案：n1.改變M、B、K，保持f(t)不變，研究系統(tǒng)結構參數(shù)對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；n2.改變f(t)，系統(tǒng)結構參數(shù)保持不變，研究系統(tǒng)所受激振力對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；根據研究的目的編制試驗方案：89選擇編程語言，編制仿真程序；仿真程序調試；仿真試驗運行；仿真結果分析（正確性分析、精度分析、

23、可靠性分析、穩(wěn)定性分析等）仿真系統(tǒng)VV&A。選擇編程語言，編制仿真程序；90作業(yè)1（15%）用c語言編制歐拉法、梯形法和四階RK法算法程序，求解下面方程并將計算結果與解析解比較之。解析解：作業(yè)1（15%）用c語言編制歐拉法、梯形法和四階RK法算法91第3章 連續(xù)系統(tǒng)離散相似法數(shù)字仿真 連續(xù)系統(tǒng)的離散化第3章 連續(xù)系統(tǒng)離散相似法數(shù)字仿真 連續(xù)系統(tǒng)的離散化92令 系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣 注：令 系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣 注：93系統(tǒng)離散化后，對于k及k+1兩個依此相連的采樣瞬時，有 系統(tǒng)離散化后，對于k及k+1兩個依此相連的采樣瞬時，有 94由于上式右端與積分k無關，則令k=0，而k與k+1之間 由于上式右

24、端與積分k無關，則令k=0，而k與k+1之間 95即 這就是一個連續(xù)系統(tǒng)離散化的狀態(tài)方程的解，其中即 這就是一個連續(xù)系統(tǒng)離散化的狀態(tài)方程的解，其中96例 已知線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：其中：解：例 已知線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：其中：解：97計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件98作業(yè)2（25%）應用四階RK算法，編制機械諧振系統(tǒng)仿真程序，研究在正弦載荷作用下系統(tǒng)彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)對系統(tǒng)運動參數(shù)的影響。假定M=200kg，正弦載荷幅值500N，角頻率為1，初相位為0。實現(xiàn)方式：c語言版和MATLAB版。作業(yè)2（25%）應用四階RK算法，編制機械諧振系統(tǒng)仿真程序99計算機仿真技術基礎計算機仿真技術P

25、P課件100計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件101本門課程的目標本門課程的目標n熟悉一個概念n掌握一種方法n精通一項技術n會用一款軟件本門課程的目標熟悉一個概念102結課方式結課方式n考試+作業(yè)+上機n考試：開卷（60%）n作業(yè)+上機（40%）結課方式考試+作業(yè)+上機103參考文獻參考文獻n1.計算機仿真技術基礎，劉瑞葉等編，電子工業(yè)出版社n2.系統(tǒng)仿真概論，肖田元等編，清華大學出版社n3.現(xiàn)代仿真技術與應用，康風舉編，國防工業(yè)出版社n4.先進仿真技術與仿真環(huán)境，熊光楞編，國防工業(yè)出版社n5.系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實，吳啟迪主編，化學工業(yè)出版社n6.MATLAB 7.0從入門到精通，劉保柱等

26、編，人民郵電出版社參考文獻1.計算機仿真技術基礎，劉瑞葉等編，電子工業(yè)出版社104第1章 概述Three topics to be discussedThree topics to be discussedWWHWhy to learnWhat to learnHow to learn第1章 概述Three topics to be discu105理解并掌握仿真的概念、分類、作用；了解計算機仿真的發(fā)展歷程、應用領域及目前研究、應用現(xiàn)狀；熟悉掌握計算機數(shù)字仿真的基本過程。本章學習要求本章學習要求理解并掌握仿真的概念、分類、作用；本章學習要求1061.1 仿真的基本概念及其分類1.1.1 系統(tǒng)仿

27、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 計算機仿真的發(fā)展及其應用領域1.3 計算機數(shù)字仿真的基本過程1.4 先進仿真技術計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件1071.1 仿真（simulation)的基本概念及其分類n1.1.1 系統(tǒng)仿真的定義、分類及其作用n1）系統(tǒng)仿真的定義n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生器驅動，產生模型行為。1.1 仿真（simulation)的基本概念及其分類1.11082）系統(tǒng)仿真的分類-系統(tǒng)模型分類方式物理仿真系統(tǒng)模型

28、為物理模型：實物模型(PM)。數(shù)字仿真系統(tǒng)模型為數(shù)字模型：數(shù)學模型和幾何模型（MM&GM）。半物理仿真既有物理模型也有數(shù)字模型。2）系統(tǒng)仿真的分類-系統(tǒng)模型分類方式1093）系統(tǒng)仿真的作用優(yōu)化系統(tǒng)設計。在復雜的系統(tǒng)建立以前，能夠通過改變仿真模型結構和調整參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設計(MM)。對系統(tǒng)或系統(tǒng)的某一部分進行性能評價(MM)。節(jié)省費用。重現(xiàn)系統(tǒng)故障，以便判斷故障產生的原因(GM)?？梢员苊庠囼灥奈ｋU性。進行系統(tǒng)抗干擾性能的分析研究(MM)。訓練系統(tǒng)操作人員(GM)。系統(tǒng)仿真能為管理決策和技術決策提供依據。正因為仿真技術對國防建設、工農業(yè)生產及科學研究均具有極大的應用價值，所以，仿真技術被美國國家

29、關鍵技術委員會于1991年確定為影響美國國家安全及繁榮的22項關鍵技術之一。本章目錄3）系統(tǒng)仿真的作用本章目錄1101.1.2 計算機仿真(Computer Simulation)的定義及其分類n1)計算機仿真的定義n計算機仿真是指應用幾何和性能相似原理，構成數(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。1.1.2 計算機仿真(Computer Simulatio111 根據計算機分類 模擬計算機仿真、數(shù)字計算機仿真、模擬數(shù)字混合仿真 根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系 實時仿真、欠實時仿真、超實時仿真 根據系統(tǒng)模型的特性 連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真本章目錄計算機

30、仿真的分類 根據計算機分類本章目錄計算機仿真的分類1121.2 計算機仿真的發(fā)展計算機仿真的發(fā)展 及其應用領域及其應用領域1)計算機仿真的發(fā)展第一階段:模擬仿真技術發(fā)展階段,1950年以前。動因：火炮與飛行控制動力學系統(tǒng)的研究。第二階段：混合仿真技術發(fā)展階段，5060年代。動因：洲際導彈和宇宙飛船飛行姿態(tài)及軌道控制動力學的研究。第三階段：數(shù)字仿真技術發(fā)展階段，70年代以后。模擬機混合機數(shù)字機1.2 計算機仿真的發(fā)展 及其應用領域1)計113計算機仿真的應用類型:系統(tǒng)設計器 對尚未有的系統(tǒng)進行設計時采用仿真技術；系統(tǒng)分析器 對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術；系統(tǒng)預測器 在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型

31、作為預測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂計劃或決策；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，比如利用仿真技術進行故障分析和故障處理；系統(tǒng)訓練器 利用仿真模型作為訓練器，訓練系統(tǒng)操作人員或管理人員計算機仿真的應用類型:1142)計算機仿真的應用領域 從歷史上看，仿真技術首先被應用于那些在實際系統(tǒng)進行試驗有危險、花費巨大的領域，比如：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、不大方便的一些領域，比如：冶金、化工、電力等；近十幾年來，則進一步擴大到制造、

32、交通、環(huán)境、生態(tài)、生物、石油等領域。綜觀仿真技術應用領域逐漸擴大的歷史，可以得到以下幾個有意義的結論：2)計算機仿真的應用領域115仿真技術在應用上的安全性一直是被采用的最主要原因；仿真技術在應用上的經濟性也是被采用的十分重要的原因；仿真技術一般是從學院式的局部應用逐步走向全面應用，其標志是對某領域的仿真應用而設立的仿真中心；仿真技術在每一階段都有一個比較成熟的應用領域；根據仿真的應用范圍，研制和開發(fā)了一大批仿真產品，如各種仿真語言及仿真軟件包，各種訓練仿真器等等。為了推廣仿真技術的應用，幾乎所有的仿真語言都推出了PC版。計算機仿真應用視頻仿真技術在應用上的安全性一直是被采用的最主要原因；計算

33、機仿116計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件1171.3 計算機數(shù)字仿真的基本過程n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。1.3 計算機數(shù)字仿真的基本過程為了使大家對計算機數(shù)字仿真有118計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件119卓越的操控性、穩(wěn)定性和舒適性卓越的操控性、穩(wěn)定性和舒適性120汽車懸掛系統(tǒng)汽車懸掛系統(tǒng)121n問題：n如何分析研究并保證設計出或設計中的懸架系統(tǒng)具有這種卓越性能？研究方法：1 理論方法2 實驗方法3 仿真方法問題：研究方法：122仿真技術與物理實驗、理論研究的對比仿真技術物理實驗理論研究可能性只要能建立系統(tǒng)模型，就能進

34、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、設備）無危險經濟性花費不多費用很大花費少耗時性中等長短準確性可以做到很準確十分準確要做較多假設，有較大誤差方便性可以做到十分方便受現(xiàn)場限制，不方便方便仿真技術與物理實驗、理論研究的對比仿真技術物理實驗理論研究可123質量彈簧阻尼系統(tǒng)質量彈簧阻尼系統(tǒng)124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 直接轉移矩陣其中：X 狀態(tài)向量125計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件126n根據研究的目的編制試驗方案：n1.改變M、

35、B、K，保持f(t)不變，研究系統(tǒng)結構參數(shù)對懸掛系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；n2.改變f(t)，系統(tǒng)結構參數(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；n最后根據仿真試驗結果，給出相關結論。根據研究的目的編制試驗方案：127建立仿真模型n應用編程語言n應用仿真語言或環(huán)境建立仿真模型應用編程語言128n應用歐拉法、梯形法或RK法等仿真算法，將上述數(shù)學模型轉化為便于編程的仿真模型：應用編程語言應用編程語言應用歐拉法、梯形法或RK法等仿真算法，將上述數(shù)學模型轉化為129應用仿真語言或環(huán)境n應用ADAMSn應用MATLAB應用仿真語言或環(huán)境應用ADAMS130計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件

36、131計算機仿真的一般步驟1、確定系統(tǒng)分析目標，進行系統(tǒng)分析，建立系統(tǒng)數(shù)學模型2、在系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，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、分析仿真實驗結果，修改模型本章目錄計算機仿真的一般步驟1、確定系統(tǒng)分析目標，進行系統(tǒng)分析，建立132給點小提示n一、拉普拉斯變換n1.拉氏變換的定義給點小提示一、拉普拉斯變換133n2.拉氏變換的幾個定理n線性定理n衰減定理n延時定理n相似定理n微分定理n積分定理n終值定理n初值定理n卷積定理連續(xù)系統(tǒng)仿真2.拉氏變換的幾個定理連續(xù)系統(tǒng)仿真134線性定理返回返回返回返回線性定理返回135衰減定理 延時定理相似定理返

37、回返回返回返回衰減定理 延時定理相似定理返回136微分定理GOGO微分定理GO137積分定理終值定理返回返回返回返回積分定理終值定理返回138初值定理卷積定理初值定理卷積定理139n二、拉氏逆變換n直接求解法、查表法（系數(shù)比較法、留數(shù)法）二、拉氏逆變換140n三、應用拉氏變換求解微分方程n例:用拉氏變換解微分方程n初始條件:三、應用拉氏變換求解微分方程141n四、控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)n1.定義n2.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)n比例環(huán)節(jié)n微分環(huán)節(jié)n積分環(huán)節(jié)n慣性環(huán)節(jié)n二階環(huán)節(jié)n延時環(huán)節(jié)四、控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1421.定義返回返回返回返回1.定義返回143比例環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)返回返回返回返回比例環(huán)節(jié)微分

38、環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)返回144慣性環(huán)節(jié)二階環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)返回返回返回返回慣性環(huán)節(jié)二階環(huán)節(jié)延時環(huán)節(jié)返回145第第2章章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真第2章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真146對于一個集中參數(shù)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)，利用我們學過的基礎理論知識和專業(yè)知識所能直接建立的數(shù)學模型形式有哪些呢？高階微分方程高階微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)對于一個集中參數(shù)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)，利用我們學高階微分方程傳遞函147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)學模型形式又是什么樣的呢？差分方程差分方程上述方程形式由何而來的？一階微分方程一階微分方程仿真模型數(shù)值積分算法怎么來？上述模型不能在數(shù)字機上直接求解

39、！那么能夠在數(shù)字計算差分方程上148動態(tài)方程高階微分方程傳遞函數(shù)模型變換動態(tài)方程高階微分方程模型變換149高階微分方程高階微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)差分方程差分方程兩次模型變換動態(tài)方程動態(tài)方程等價等價變換變換近似近似變換變換高階微分方程差分方程兩次模型變換動態(tài)方程等價變換近似變換1502 21 1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型引進算子 1高階微分方程21 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型引進算子 1高階微分方程1512傳遞函數(shù)2傳遞函數(shù)1523狀態(tài)空間描述1由微分方程導出狀態(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 3狀態(tài)空間描述1由微分方程導出狀態(tài)空間表達式引進如下狀態(tài)153計算機

40、仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件154計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件155令 則有令 則有156例 系統(tǒng)的微分方程式 設狀態(tài)變量為 例 系統(tǒng)的微分方程式 設狀態(tài)變量為 1572由傳遞函數(shù)導出狀態(tài)空間表達式 1）并聯(lián)程序法（mn）若G（s）有n個單極點 2由傳遞函數(shù)導出狀態(tài)空間表達式 1）并聯(lián)程序法（mn）158引進n個狀態(tài)變量 令 引進n個狀態(tài)變量 令 159計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件160例 例 161計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件1622）串聯(lián)程序法為G(s)的單極點 為G(s)的零點 2）串聯(lián)程序法為G(s)的單極點 為G(s)的零點 1631分子、分

41、母均為一階 設第i個子系統(tǒng)的表達式為 1分子、分母均為一階 設第i個子系統(tǒng)的表達式為 1642分子為常數(shù) 第j個子系統(tǒng)，2分子為常數(shù) 第j個子系統(tǒng)，165例 例 166子系統(tǒng)1 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)3 子系統(tǒng)1 子系統(tǒng)2 子系統(tǒng)3 167計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件168差分方程22 在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型 差分方程22 在數(shù)字機上進行仿真的仿真模型 16923 數(shù)值積分法數(shù)值積分法設 初始條件 23 數(shù)值積分法設 初始條件 170歐拉公式 231 歐拉法（折線法）歐拉公式 231 歐拉法（折線法）171n幾何意義（折線）注：將圖中的y換成x幾何意義（

42、折線）注：將圖中的y換成x172一般232 梯形法一般232 梯形法173梯形公式 233 龍格庫塔法（Runge-Kutta）x=x(t)設泰勒級數(shù)展開梯形公式 233 龍格庫塔法（Runge-Kutta）174在 處展開成泰勒級數(shù)，只保留至 x=x(t)在 處展開成泰勒級數(shù)，只保留至 x=x(t)175二階龍格庫塔法，即為梯形公式 二階龍格庫塔法，即為梯形公式 176四階龍格庫塔公式：四階龍格庫塔公式：177一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(宏定義)#include#include#define F(t,x)$void main(void)float t0,x0,k1,k2,k3,k

43、4,t1,x1,h;int n,i;printf(“Input t0 x0 h n=n”);scanf(“%f%f%f%d”,&t0,&x0,&h,&n);printf(“%15s%15s%15sn”,“n ”,“t ”,“x ”);printf(“%15s%15.6f%15.6fn”,“0 ”,t0,x0);一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(宏定義)#inc178for(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

44、*k2+2*k3+k4)/6;printf(“%15d%15.6f%15.6fn”,i,t1,x1);t0=t1;x0=x1;for(i=1;i=n;i+)179一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(函數(shù))#include#include float f(float,float);void main(void)float t0,x0,k1,k2,k3,k4,t1,x1,h;int n,i;printf(“Input x0 x0 h n=n”);scanf(“%f%f%f%d”,&t0,&x0,&h,&n);printf(“%15s%15s%15sn”,“n ”,“t ”,“x ”);prin

45、tf(“%15s%15.6f%15.6fn”,“0 ”,t0,x0);一階微分方程四階龍格庫塔法的c語言實現(xiàn)(函數(shù))#inclu180for(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%15.6fn”,i,t1,x1);t0=t1;x0=x1;for(i=1;i=n;i+)181float f(float t,float x)float x1;x1=$;r

46、eturn x1;float f(float t,float x)18224 四階龍格庫塔法算法通式(i=1,2,n)24 四階龍格庫塔法算法通式(i=1,2,n)183令(i=1,2,n;j=1,2,3,4)令(i=1,2,n;j=1,2,3,4)1842.5 仿真舉例-機械諧振系統(tǒng)計算機仿真 2.5 仿真舉例-機械諧振系統(tǒng)計算機仿真 185計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件186計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件187計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件188計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件189n根據研究的目的編制試驗方案：n1.改變M、B、K，保持f(t)不變，

47、研究系統(tǒng)結構參數(shù)對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；n2.改變f(t)，系統(tǒng)結構參數(shù)保持不變，研究系統(tǒng)所受激振力對諧振系統(tǒng)動態(tài)行為的影響；根據研究的目的編制試驗方案：190選擇編程語言，編制仿真程序；仿真程序調試；仿真試驗運行；仿真結果分析（正確性分析、精度分析、可靠性分析、穩(wěn)定性分析等）仿真系統(tǒng)VV&A。選擇編程語言，編制仿真程序；191作業(yè)1（15%）用c語言編制歐拉法、梯形法和四階RK法算法程序，求解下面方程并將計算結果與解析解比較之。解析解：作業(yè)1（15%）用c語言編制歐拉法、梯形法和四階RK法算法192第3章 連續(xù)系統(tǒng)離散相似法數(shù)字仿真 連續(xù)系統(tǒng)的離散化第3章 連續(xù)系統(tǒng)離散相似法數(shù)字仿真 連續(xù)

48、系統(tǒng)的離散化193令 系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣 注：令 系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣 注：194系統(tǒng)離散化后，對于k及k+1兩個依此相連的采樣瞬時，有 系統(tǒng)離散化后，對于k及k+1兩個依此相連的采樣瞬時，有 195由于上式右端與積分k無關，則令k=0，而k與k+1之間 由于上式右端與積分k無關，則令k=0，而k與k+1之間 196即 這就是一個連續(xù)系統(tǒng)離散化的狀態(tài)方程的解，其中即 這就是一個連續(xù)系統(tǒng)離散化的狀態(tài)方程的解，其中197例 已知線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：其中：解：例 已知線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：其中：解：198計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件199作業(yè)2（25%）應用四階RK算法，編制機械諧振系統(tǒng)仿真程序，研究在正弦載荷作用下系統(tǒng)彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)對系統(tǒng)運動參數(shù)的影響。假定M=200kg，正弦載荷幅值500N，角頻率為1，初相位為0。實現(xiàn)方式：c語言版和MATLAB版。作業(yè)2（25%）應用四階RK算法，編制機械諧振系統(tǒng)仿真程序200計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件201計算機仿真技術基礎計算機仿真技術PP課件202