计算机仿真技术课件3数值积分法在系统仿真中的应用

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1、3.1连续系统仿真中常用的数值积分法…………….3.2刚性系统的特点及算法………………………….3.3实时仿真法……………………………………….3.4分布参数系统的数字仿真……………………….3.5面向微分方程的仿真程序设计………………….本章小结……………………………………………….第三章数值积分法在系统仿真中的应用3.1连续系统仿真中常用的数值积分法1.数值积分法如果已知某一系统的一阶向量微分方程为对式子(3.1),数值积分可写成统一的公式（3-1）（3-2）几种常用的积分法欧拉法欧拉法的几何意义改进的欧拉法亚当斯法(隐式)龙格-库塔法亚当斯法(显式)误差t欧拉法虽然

2、计算精度较低，实际中很少采用，但器推倒简单，能说明旧够数值解法一般计算公式的基本思想。（3-3）图3.1矩形近似及其误差0欧拉法t图3.2欧拉折线欧拉法的几何意义十分清楚。称为欧拉折线法。欧拉法的几何意义图3.3梯形近似及其误差在推导时用图中的阴影面积来近似式(3.3)时，由于梯形公式中隐含有待求量，通常可用欧拉法启动初值，算出近似值，然后带如微分方程，最后利用梯形公式求出修正。为提高精度，简化计算，只迭代一次。这样可得改进的欧拉公式：t0（3-8）第一式称为预估公式，第二式称为校正公式。改进的欧拉法龙格-库塔（RK）法的一般形式为（3-10）（3-9）式中泰勒级数龙格-

3、库塔法（3-11）而4阶龙格-库塔法式使用较多的一种方法，其公式如下在解决积分问题时，采用亚当斯-贝喜霍斯显示多步法，简称亚当斯法。根据牛顿后插公式（3-25）（3-26）亚当斯法(显式)亚当斯多步法的计算公式是（3-27）（3-28）其中（k=1时可得欧拉公式）当k=2时，得到亚当斯多步法的计算公式，(3-28)式各系数为（3-29）故可得三阶亚当斯公式整理上式得（3-30）牛顿前插公式为（3-32）（3-31）亚当斯法(隐式)（3-35）（3-34）常用的四阶亚当斯预测-校正法的计算公式为仿照显式多法的推倒过程，得亚当斯-摩尔顿隐式多步法的计算公式（3-33）3.2刚

4、性系统的特点及算法一个刚性系统可以这样描述，对于n阶微分方程组作为系统刚性程序的度量。（3-36）当时，系统为刚性系统，或称为stiff系统。对与这样的系统作做数字仿真，其最大的困惑是：积分步长由最大的特征值来确定，最小的特征值决定数值求解总的时间。刚性系统在时间中的普遍性和重要性已得到广泛的重视，这种方程的数值解已成为常微分方程的数值研究的重点。目前解刚性方程的数值方法基本分为：显式公式隐式公式预测校正显式公式常用雷纳尔法。其中着眼点是，在保证稳定的前提下，尽可能地扩大稳定区域。这一方法的优点是，它是显式的，所以便于程序设计。对一般好的方程设计。对一般条件好的方程，它就

5、还原为四阶龙格-库塔方法，而对刚性方程它又有增加稳定性的好处。众所周知，隐式公式都是稳定的，故都大于解描述刚性系统的方程组，如隐式的龙格-库塔法。但这种方法每计算一步都要进行迭代，故计算量大。在工程上使用又一定捆年。因此在解刚性方程时，常Rosenbrock提出的半隐式龙格-库塔法。预测-校正型中常用的解刚性方程的方法式Gear算法。Gear首先应引进刚性稳定性的概念，它可以满足稳定型，而减低对h的要求。Gear方法是一格通用的方法，它不但使用于解刚性方程组，而且也适用于解非刚性方程组。3.3实时仿真法假设仿真的连续动力学由非线形常微分方程描述为：（3-37）（3-38）

6、对(3-37)式采用二阶龙格-库塔公式求解，其递推方程可写为F为函数，外部输入为u(t)。图3.6RK-2的计算流程（1）选择Adams多步法。（2）合理地选择龙格-库塔法计算公式中的系数，使之适用于实时仿真。为了适用于实时仿真计算，一般经常采用以下方法：（3-39）1图3.6实时RK-2的计算流程其流程图如图3-7：（3-40）下面为一个高阶的龙格-库塔法计算公式（3）利用已经取得的值进行外推。（3-41）采用外推算法不仅会带来附加的误差，还要增加计算量，所以比较下来还是选择实时算法为佳。本章小结(2)在系统仿真中，常用的微分方程的数值积分发有欧拉法、龙格-库塔法和线性

7、等分法等。数值积分法的分类方式很多，常见的有：单步法和多步法，显式和隐式的分法。使用这些解法时，要注意其特点。(1)系统的动态特性通常是用高阶微分方程或一阶微分方程组来描述的。一般讲只有极少微分方程能用初等方法求得其解析解，多数只能用近似数值求解。利用计算机求解微分方程主要使用数值积分法，它是系统仿真的最基本解法。本章重点讨论了数值积分发在系统仿真中的应用问题。(3)实时仿真解法是半实物仿真所必须满足的条件，但并非所有的解法都适用于实时解法。应用时，必须仔细选择能满足实时要求的解法和公式。(4)有相应一类动力学系统无法用常微分