计算机仿真1讲课教案.ppt

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1、计算机仿真11.1仿真的概念人们在认识自然、利用自然的过程中，为了更好地完成这一能动过程，需要对物质世界，乃至非物质世界进行实验研究。例如：进行一项工程设计规划一次军事演习分析人口发展趋势在这些过程中，人们经常要进行：试验、分析、计算、决策等步骤。然而试验分析对某些真实系统可能是不允许的。通常的原因有：系统还处于设计阶段。并没有真正建立起来，因此不可能在真实系统上进行试验。在真实系统上做试验会破坏系统的运行。如果人是系统的一部分时，由于他知道自己是试验的一部分，其行动往往会与平时不一样；因此会影响实验的效果。在实际系统上做多次试验

2、，很难保证每一次的操作条件都相同。试验时间太长或费用太大或有危险。无法复原。仿真：因此，在实践中出现了用模型来代替真实系统做试验的方法，以解决上述无法直接对真实系统进行试验分析的问题。“仿真”一词译自英文的“simulation”。有关它的定义有多种说法，一种目前比较流行的定义是：仿真是通过对系统模型的试验去研究一个存在的或设计中的系统。系统仿真：是指用仿真技术来研究各种系统；它大致可分成：计算机仿真半物理仿真全物理仿真系统仿真是一门建立在相似理论，控制理论，系统科学和计算机基础上的综合性和试验性学科。它涉及到多学科领域的知识与经

3、验。计算机仿真：计算机仿真是借助计算机，用系统的数学模型对真实系统或设想系统进行试验的一门综合性技术。计算机仿真也被称为纯数学仿真，它是一种通过建立与实际系统相符合的数学模型，再运用计算机进行仿真运行，以达到研究系统的目的。计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真包含的三个要素真实系统，数学模型和计算机。联系这三个要素的基本活动为：模型建立，仿真模型建立及仿真试验（运行），其关

4、系图如下：真实系统数学模型计算机仿真模型建立仿真试验模型建立1.2系统、连续系统和离散系统系统和系统模型作为仿真技术所使用的对象——一个实际“系统”的简单定义是：按照某些规律结合起来的，互相作用、相互依存的所有元素的集合。“系统模型”定义：为研究系统所收集的有关信息的集合称为“系统模型”。为了能把系统中各个元素的主要特征在图中表示出来，常用地方法是把每一个元素用加有说明的方框表示，元素间的规律作用、关系用图论中的连通图的边对应表示。这种方法就是所谓的“系统框图法”。一个加热炉温度调节系统的示意图比较器温度计调节器加热炉温度偏差喷油

5、量温度炉温值温度给定值扰动一个简化的急诊室系统病人分类1：急诊2：发烧3：…4：…5：打针/取药到达病床护士离院医生2-5类1类2-4类5类1-4类连续系统和离散系统连续系统——系统状态量随时间连续变化的系统。离散系统——系统状态量只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统。1.3系统建模与计算机仿真因为收集的信息有详细、粗略之分，加之收集的方法和研究的角度不同，所以对应同一个系统就会有多种不同的系统模型。系统模型的分类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

6、物理模型物理模型是用一些实物之间的相互关系和结合规律来反映系统集合元素之间的某些对应关系所建立的模型。“静态物理模型”是把系统按比例缩、放所构成的模型。“动态物理模型”是利用另一类物理系统的元素和待研究系统的元素，在各自的结合规律和相互关系，特别是在动态关系上的相似性所建立起的模型。物理模型直观形象，逼真度高。但不如数学模型方便。尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需花费较大的投资，且周期也长，此外在物理模型上做实验不易修改系统的结构和参数。半物理模型半物理模型是指模型中既有数学模型，也有部分物理模型的情况

7、。特点：原系统中的某些子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行数学模型的建立十分困难，将不易建模的部分用实物取代，可以避免建模的困难。利用半物理模型可以进一步检验系统数学模型的正确性。利用半物理模型可以检验构成真实系统的某些部件乃至整个系统的性能指标及可靠性；准确调整系统参数和控制规律。数学模型“数学模型”是利用数学符号之间的相互关系和结合规律来反映系统集合元素之间的某些关系而建立的模型。“动态数学模型”建立的数学模型的数学方程式中含有时间变量t，其中t可以是连续的或离散的取值。

8、例：研究某一商品的市场供求关系：Q数量P数量供应线需求线平衡点数学模型的求解方法利用数学方法对数学模型直接求解属于“解析法”。利用计算机和数值计算法进行求解属于“数值法”。在对系统进行数学抽象时，考虑到求解方法的不同，所建立的数学模型也不同。因此就