連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真

前言

仿真科學(xué)與技術(shù)是以建模與仿真理論為基礎(chǔ)，建立并利用模型，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、物理效應(yīng)設(shè)備及（或）仿真器為工具，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和評(píng)估的一門綜合性、交叉性學(xué)科。仿真科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為與理論研究、實(shí)驗(yàn)研究并行的人類認(rèn)識(shí)和改造世界的重要方法，在關(guān)系國(guó)家實(shí)力和安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，如航空航天、信息、生物、材料、能源、先進(jìn)制造、農(nóng)業(yè)、教育、軍事、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，發(fā)揮著不可或缺的作用。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，仿真科學(xué)與技術(shù)已形成獨(dú)立的知識(shí)體系，它包括：由仿真建模理論、仿真系統(tǒng)理論和仿真應(yīng)用理論構(gòu)成的理論體系；由自然科學(xué)的公共基礎(chǔ)知識(shí)、各應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)和仿真科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)綜合而構(gòu)成的知識(shí)基礎(chǔ)；由基于相似理論的仿真建模、基于系統(tǒng)論的仿真系統(tǒng)構(gòu)建和全方位的仿真應(yīng)用思想綜合而成的方法論。本書力圖全面、系統(tǒng)地向讀者介紹連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真的知識(shí)。全書共12章，第1章是概論，介紹建模與仿真的基本概念；其余部分分成兩篇，第2～5章是系統(tǒng)建模篇，討論連續(xù)系統(tǒng)建模的基本理論和模型處理方法；第6～12章是系統(tǒng)仿真篇，討論連續(xù)系統(tǒng)仿真的基本理論與方法。書后附有實(shí)驗(yàn)大綱及相應(yīng)的仿真源程序清單。本書開始安排了概論，即第1章，目的是使初次接觸仿真的讀者對(duì)連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真有一個(gè)概略了解，也對(duì)連續(xù)系統(tǒng)仿真的一般步驟進(jìn)行了討論。第2章對(duì)集中參數(shù)系統(tǒng)建模的一般理論進(jìn)行了介紹。首先介紹了模型形式化理論，對(duì)建模方法學(xué)進(jìn)行了綜述；在此基礎(chǔ)上，討論了連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)建模，包括連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型的描述、基于機(jī)理建模技術(shù)與模型參數(shù)的可辨識(shí)性，以及模型變換技術(shù)等。本章還討論了離散時(shí)間系統(tǒng)及連續(xù)／離散混合系統(tǒng)建模技術(shù)。模型的可信性是十分重要的，因此本章介紹了模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)（V、，&A）技術(shù)，討論了系統(tǒng)的同態(tài)與同構(gòu)，并對(duì)模型校核與驗(yàn)證方法進(jìn)行了說(shuō)明。近些年來(lái)，為了滿足大型復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模的自動(dòng)化的需求，計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，因此在第3章專門討論了計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)，并以電路系統(tǒng)、多體系統(tǒng)為對(duì)象討論了模型結(jié)構(gòu)描述、結(jié)構(gòu)建模方法。從仿真的角度來(lái)看，模型并不是越復(fù)雜越好，相反，在滿足仿真要求的前提下，模型越簡(jiǎn)單仿真效率就越高，因此，第4章討論了集中參數(shù)模型的簡(jiǎn)化理論和方法。針對(duì)狀態(tài)空間描述的模型，本章介紹了三類典型的簡(jiǎn)化技術(shù)，即狀態(tài)集結(jié)法、模態(tài)集結(jié)法、攝動(dòng)法；針對(duì)傳遞函數(shù)描述的模型，本章也介紹了三類典型的簡(jiǎn)化技術(shù)，即Pade逼近法、連分式法、結(jié)合勞斯判據(jù)的混合方法。第5章討論了分布參數(shù)系統(tǒng)的建模理論與方法。首先討論了分布參數(shù)系統(tǒng)建模原理，論述了場(chǎng)變量與場(chǎng)參數(shù)的定義和要求，對(duì)該類系統(tǒng)的建模方法學(xué)進(jìn)行了綜述。然后分別對(duì)四類典型的分布參數(shù)系統(tǒng)，即橢圓型偏微分方程、拋物型偏微分方程、雙曲型偏微分方程、彈性力學(xué)方程的建模理論與方法進(jìn)行了介紹。

內(nèi)容概要

建模與仿真是研究、設(shè)計(jì)、分析各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，已經(jīng)成為與理論研究、實(shí)驗(yàn)研究并行的人類認(rèn)識(shí)和改造世界的重要方法。    本書專門介紹連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真的理論、技術(shù)與方法。連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)變量隨時(shí)間和（或）空間變量連續(xù)變化，而時(shí)間變量可以是連續(xù)的或（與）離散的系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)一般可分為集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)。    全書共12章，第1章是概論，介紹仿真的基本概念。接著是系統(tǒng)建模篇，包括第2～5章，討論連續(xù)系統(tǒng)建模的基本理論和模型處理方法。然后是系統(tǒng)仿真篇，其中第6～11章討論連續(xù)系統(tǒng)仿真的基本理論與方法，第12章介紹并行與分布仿真技術(shù)。書后還附有實(shí)驗(yàn)大綱及相應(yīng)的仿真源程序清單。    本書的目的是全面、系統(tǒng)地為相關(guān)專業(yè)的科學(xué)研究人員、工程技術(shù)人員開展仿真研究或利用仿真技術(shù)開展其他領(lǐng)域的研究提供參考，也可以作為相關(guān)專業(yè)的本科高年級(jí)學(xué)生的有關(guān)連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真的教材。

書籍目錄

第1章  概論　1.1  系統(tǒng)、模型與仿真　1.2  基于相似理論的系統(tǒng)仿真　1.3  系統(tǒng)仿真的類型　1.4  仿真科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展沿革　1.5  仿真技術(shù)的應(yīng)用　1.6  系統(tǒng)仿真的一般步驟　1.7  小結(jié)第1篇  系統(tǒng)建模篇　第2章  集中參數(shù)系統(tǒng)的建模　  2.1  概述　    2.1.1  模型形式化　    2.1.2  建模方法學(xué)　  2.2  連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的建?！?   2.2.1  連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型的描述　    2.2.2  連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)基于機(jī)理的建模　    2.2.3  模型參數(shù)的可辨識(shí)性　    2.2.4  外部模型到內(nèi)部模型的變換　    2.2.5  系統(tǒng)狀態(tài)初始值的變換　    2.2.6  面向結(jié)構(gòu)圖的模型變換　  2.3  離散時(shí)間系統(tǒng)及連續(xù)離散混合系統(tǒng)的建?！?   2.3.1  離散時(shí)間系統(tǒng)模型的描述　    2.3.2  連續(xù)離散混合系統(tǒng)模型描述　    2.3.3  連續(xù)離散混合系統(tǒng)的建?！? 2.4  模型的可信性　    2.4.1  模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)　    2.4.2  系統(tǒng)的同態(tài)與同構(gòu)　    2.4.3  模型的校核與驗(yàn)證方法　  2.5  小結(jié)　第3章  計(jì)算機(jī)輔助建?！? 3.1  概述　  3.2  計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)建?！?   3.2.1  結(jié)構(gòu)模型　    3.2.2  解釋結(jié)構(gòu)建?！? 3.3  電路系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)　    3.3.1  電路系統(tǒng)模型　    3.3.2  電路系統(tǒng)的拓?fù)洹?   3.3.3  改進(jìn)結(jié)點(diǎn)法　  3.4  多體系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助建?！?   3.4.1  多體系統(tǒng)　    3.4.2  多體系統(tǒng)建模的基本概念　    3.4.3  多體系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)型　    3.4.4  多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建?！?   3.4.5  多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建?！? 3.5  小結(jié)　第4章  模型簡(jiǎn)化技術(shù)　  4.1  概述　  4.2  狀態(tài)空間描述的模型簡(jiǎn)化技術(shù)　    4.2.1  狀態(tài)集結(jié)法　    4.2.2  模態(tài)集結(jié)法　    4.2.3  攝動(dòng)法　  4.3  傳遞函數(shù)描述的模型簡(jiǎn)化技術(shù)　    4.3.1  Pade逼近法　    4.3.2  連分式法　    4.3.3  結(jié)合勞斯判據(jù)的混合方法　  4.4  小結(jié)　第5章  分布參數(shù)系統(tǒng)的建模0　  5.1  概述　  5.2  建模原理　    5.2.1  場(chǎng)變量與場(chǎng)參數(shù)　    5.2.2  建模方法學(xué)　  5.3  橢圓型偏微分方程　  5.4  拋物型偏微分方程　  5.5  雙曲型偏微分方程　  5.6  彈性力學(xué)方程1　    5.6.1  雙調(diào)和方程1　    5.6.2  有限元法的彈性力學(xué)基本方程1　    5.6.3  彈性力學(xué)基本方程的笛卡兒張量描述　  5.7  小結(jié)第2篇  系統(tǒng)仿真篇　第6章  數(shù)值積分法仿真　  6.1  連續(xù)系統(tǒng)離散化原理　  6.2  龍格-庫(kù)塔法　    6.2.1  龍格-庫(kù)塔法的基本原理　    6.2.2  龍格-庫(kù)塔法的誤差估計(jì)及步長(zhǎng)控制　    6.2.3  實(shí)時(shí)龍格-庫(kù)塔法　  6.3  線性多步法　    6.3.1  線性多步法的基本原理　    6.3.2  線性多步法的誤差分析　    6.3.3  關(guān)于變步長(zhǎng)的討論　  6.4  穩(wěn)定性分析　  6.5  小結(jié)　第7章  離散相似法　  7.1  時(shí)域離散相似法　    7.1.1  基本原理　    7.1.2  狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算　    7.1.3  增廣矩陣法　  7.2  面向結(jié)構(gòu)圖的非線性系統(tǒng)仿真　    7.2.1  典型線性動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)φ(T),φm (T), φ(T)的計(jì)算　    7.2.2  常用非線性環(huán)節(jié)計(jì)算子程序　    7.2.3  非線性系統(tǒng)離散相似法仿真程序CSS02.C　  7.3  頻域離散相似法　    7.3.1  替換法　    7.3.2  根匹配法　    7.3.3  可調(diào)整積分法　  7.4  采樣控制系統(tǒng)仿真　    7.4.1  采樣控制系統(tǒng)　    7.4.2  采樣周期與仿真步距　    7.4.3  純延遲環(huán)節(jié)的仿真模型　    7.4.4  采樣控制系統(tǒng)仿真舉例　  7.5  小結(jié)　第8章  病態(tài)系統(tǒng)仿真　  8.1  病態(tài)系統(tǒng)的定義　  8.2  線性病態(tài)系統(tǒng)仿真　  8.3  一般連續(xù)病態(tài)系統(tǒng)仿真　    8.3.1  吉爾（Gear）法　    8.3.2  單步多值法　    8.3.3  病態(tài)探測(cè)與誤差估計(jì)　    8.3.4  半隱式龍格－庫(kù)塔法　    8.3.5  多幀速算法　  8.4  間斷特性的仿真建?！?   8.4.1  條件函數(shù)零點(diǎn)搜索法　    8.4.2  平均值法　    8.4.3  間斷點(diǎn)估計(jì)法　  8.5  小結(jié)　第9章  控制系統(tǒng)建模與仿真舉例　  9.1  引言　  9.2  機(jī)械諧振分析　  9.3  系統(tǒng)建模　    9.3.1  單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)　    9.3.2  雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)　    9.3.3  隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)　  9.4  仿真設(shè)計(jì)　    9.4.1  線性系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)　    9.4.2  考慮非線性及小時(shí)間常數(shù)的仿真設(shè)計(jì)　    9.4.3  非線性系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)　  9.5  仿真結(jié)果分析　  9.6  小結(jié)　第10章  連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言　  10.1  發(fā)展沿革　  10.2  MATLAB簡(jiǎn)介　    10.2.1  MATLAB的發(fā)展歷程　    10.2.2  MATLAB的系統(tǒng)構(gòu)成　    10.2.3  MATLAB 工具箱　    10.2.4  MATLAB 7.0Simulink 6.0的特點(diǎn)　  10.3  MATLAB的系統(tǒng)建?！?   10.3.1  線性連續(xù)系統(tǒng)Simulink的描述　    10.3.2  線性離散時(shí)間系統(tǒng)Simulink的描述　    10.3.3  連續(xù)－離散時(shí)間混合系統(tǒng)Simulink的描述　  10.4  MATLAB仿真建模技術(shù)　    10.4.1  連續(xù)系統(tǒng)的仿真建?！?   10.4.2  離散時(shí)間系統(tǒng)與連續(xù)-離散時(shí)間混合系統(tǒng)的仿真建模　    10.4.3  間斷點(diǎn)及代數(shù)環(huán)的仿真建?！? 10.5  MATLAB模塊化集成技術(shù)　    10.5.1  數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型　    10.5.2  子系統(tǒng)集成　    10.5.3  MATLAB的典型子系統(tǒng)　  10.6  小結(jié)　第11章  分布參數(shù)系統(tǒng)仿真　  11.1  概述　  11.2  差分法原理　    11.2.1  對(duì)流方程差分法　    11.2.2  差分格式的相容性、收斂性及穩(wěn)定性　  11.3  典型分布參數(shù)系統(tǒng)的差分法　    11.3.1  擴(kuò)散方程的菱形法及跳點(diǎn)法　    11.3.2  對(duì)流方程的耗散中心差公式　    11.3.3  橢圓方程的差分法　  11.4  線上求解法　  11.5  有限元方法原理　    11.5.1  微分方程的等效積分形式與加權(quán)余量法　    11.5.2  三角形單元的有限元格式　    11.5.3  基于最小位能原理的有限元方程　    11.5.4  廣義坐標(biāo)有限元法的一般格式　  11.6  小結(jié)　第12章  并行與分布仿真　  12.1  概述　  12.2  并行仿真　    12.2.1  并行仿真的基本概念　    12.2.2  并行處理原理及并行仿真算法　    12.2.3  面向微分方程的并行仿真　    12.2.4  并行仿真任務(wù)的劃分　    12.2.5  并行仿真的實(shí)現(xiàn)　  12.3  分布交互式仿真　    12.3.1  分布交互式仿真的發(fā)展　    12.3.2  分布交互式仿真的基本原理　  12.4  基于高層體系結(jié)構(gòu)的仿真　    12.4.1  HLA體系結(jié)構(gòu)　    12.4.2  HLA標(biāo)準(zhǔn)　    12.4.3  HLA運(yùn)行支撐環(huán)境RTI　  12.5  并行與分布仿真的進(jìn)展　    12.5.1  可擴(kuò)展建模與仿真框架（XMSF）　    12.5.2  面向服務(wù)框架　    12.5.3  仿真網(wǎng)格　  12.6  小結(jié)附錄A  實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其源程序附錄B  縮寫詞參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2.模型在一般意義上，模型是一種替代（proxy），用于代表原對(duì)象以便得到更好的定義。從應(yīng)用的角度，模型不是原對(duì)象的復(fù)制，而是根據(jù)不同的使用目的，選取原對(duì)象的若干方面進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化。模型有多種形式，典型的有以下幾種。（1）物理對(duì)象（比例模型、模擬模型或原型），如用于新飛機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的機(jī)翼模型。（2）方程式或邏輯表達(dá)式表示的系統(tǒng)（數(shù)學(xué)模型），如為了預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)品的質(zhì)量或能量平衡方程，預(yù)測(cè)飛機(jī)飛行的計(jì)算機(jī)程序。（3）一個(gè)圖（圖標(biāo)模型），如用于記錄地理數(shù)據(jù)的地圖，或用于設(shè)計(jì)機(jī)器部件的幾何模型。（4）一個(gè)觀念（智力模型），如為指導(dǎo)人的行為而建立的人與環(huán)境的關(guān)系模型。（5）口述或文字描述（語(yǔ)言模型），如為了指導(dǎo)生物實(shí)驗(yàn)或醫(yī)生手術(shù)的方案等?？傊?，按照系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，模型是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的描述、模仿或抽象，即將真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)用適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)形式（如文字、符號(hào)、圖表、實(shí)物、數(shù)學(xué)公式等）加以描述。為了研究、分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)，需要進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的方法基本上可分為兩大類：一類是直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行；另一類是先構(gòu)造模型，通過(guò)對(duì)模型的試驗(yàn)來(lái)代替或部分代替對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的試驗(yàn)。歷史上大多采用在實(shí)際系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，盡管第一類方法在某些情況下仍然是必不可少的，但第二類方法日益成為人們更為常用的方法。開發(fā)模型的目的是用模型作為替代品來(lái)幫助人們對(duì)原物進(jìn)行假設(shè)、定義、探究、理解、預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)，或者與原物某一部分進(jìn)行通信。在模型上進(jìn)行試驗(yàn)日益為人們所青睞，主要原因在于：（1）系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)階段，真實(shí)的系統(tǒng)尚未建立，人們需要更準(zhǔn)確地了解未來(lái)系統(tǒng)的性能，這只能通過(guò)對(duì)模型的試驗(yàn)來(lái)了解；（2）在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)可能會(huì)引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障，例如，對(duì)一個(gè)處于運(yùn)行狀態(tài)的化工系統(tǒng)或電力系統(tǒng)進(jìn)行沒(méi)有把握的試驗(yàn)將會(huì)冒巨大的風(fēng)險(xiǎn)；（3）需要進(jìn)行多次試驗(yàn)時(shí)，難以保證每次試驗(yàn)的條件相同，因而無(wú)法準(zhǔn)確判斷試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣；（4）與被建模的系統(tǒng)相比，模型通常更易于理解，模型結(jié)構(gòu)的變化更容易實(shí)現(xiàn)，模型的行為特性更易于理解、分割和彼此通信；（5）試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)或費(fèi)用昂貴。人們?cè)陂L(zhǎng)期的研究與應(yīng)用中，創(chuàng)造出了適用于不同對(duì)象研究分析要求的模型描述形式。Oren進(jìn)行了總結(jié)，并將模型形式加以分類，如表1.1所示。對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)造模型的任務(wù)一般包括兩方面的內(nèi)容：第一是建立模型結(jié)構(gòu)，包括確定系統(tǒng)邊界，鑒別系統(tǒng)的實(shí)體、屬性和活動(dòng)，基于其內(nèi)部規(guī)律的理解給出其描述形式；第二是根據(jù)研究目標(biāo)提供數(shù)據(jù)，即提供所研究的活動(dòng)中產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)。

編輯推薦

《連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真》：“十一五”國(guó)家重點(diǎn)圖書出版規(guī)劃

圖書封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真 PDF格式下載

---