生物建模仿真

前言

　　應用數學模型描述系統(tǒng)，通過計算機進行模型求解，已經發(fā)展成為現代的建模仿真技術。應用計算機仿真技術可以求解許多復雜的、無法解析求解的系統(tǒng)。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，建模仿真的理論、算法及計算機實現也得到了飛速發(fā)展。作為現代科學技術的重要內容，建模與仿真技術已經滲透到各個領域中，生物系統(tǒng)是其中最復雜、應用最廣泛的領域。生物系統(tǒng)的建模與仿真是生命科學研究的有力工具，已經成為國內外生物醫(yī)學工程專業(yè)和相關專業(yè)的基本知識結構。為了適應生物醫(yī)學工程交叉學科人才培養(yǎng)的需要，在教育部高等學校生物醫(yī)學工程教學指導委員會的支持下，我們編寫了這本教材?！　≡诒窘滩闹兄簧婕懊枋錾锵到y(tǒng)常用的連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)的建模仿真，以及基于實驗數據的系統(tǒng)建模與仿真，不涉及離散狀態(tài)系統(tǒng)的建模仿真。編寫本教材的思路是在打下建模仿真理論和方法扎實基礎的前提下，通過學習生物建模仿真的經典范例，培養(yǎng)學生分析和解決生物系統(tǒng)建模仿真問題的能力?！　‰m然建模與仿真的應用領域不同，但是其基本理論、方法和技術具有共性，因此本教材力求系統(tǒng)地論述建模與仿真的基本理論和方法?！　∮捎谏锝７抡娴膽脤嵗姸啵豢赡芤灰涣信e，在本教材中，編者力求通過幾類典型生物系統(tǒng)的建模仿真，以點帶面，培養(yǎng)學生學習應用建模仿真的基本理論和方法，去分析和解決生物系統(tǒng)實際問題；培養(yǎng)學生舉一反三的能力，為他們在生物建模仿真領域的創(chuàng)新研究和生物醫(yī)學應用實踐打下基礎?！　”窘滩陌▋蓚€部分：第一部分包括第1～6章，介紹數學模型建模的基本理論和方法，計算機仿真的基本理論和方法，以及建模與仿真的校核、驗證和確認（VVA）技術；第二部分包括第7～10章，分別介紹生物系統(tǒng)建模仿真的4類典型范例。　　在第一部分中，第1章概述了系統(tǒng)、系統(tǒng)建模和計算機仿真的基本概念，以及生物系統(tǒng)建模仿真的應用動態(tài)概況；第2章介紹了連續(xù)系統(tǒng)數學模型的類型、模型之間的相互轉換，以及模型的建模方法等；第3章介紹了從連續(xù)時間數學模型進行時間離散，轉換為計算機仿真模型的主要方法：數值積分法、離散相似法和替代法；第4章介紹了基于實驗數據的建模仿真的基本理論與方法，包括參數模型的概念及模型參數估計方法，以及系統(tǒng)辨識的基本概念和方法；第5章介紹了在MATLAB平臺上Simulink模塊式建模仿真的基本理論和方法，以及Simulink建模仿真的典型例子；第6章介紹了建模與仿真的校核、驗證和確認（VVA）技術的基本概念。

內容概要

　　本教材包括兩個部分：第一部分（1～6章），介紹數學模型建模的基本理論和方法，計算機仿真的基本理論和方法，以及建模與仿真的校核、驗證和確認（VVA）技術，第二部分（7～10章），分別介紹生物系統(tǒng)建模仿真的四類典型范例。在第一部分中，第1章概述系統(tǒng)、系統(tǒng)建模及計算機仿真的基本概念，以及生物系統(tǒng)建模仿真的應用動態(tài)概況；第2章介紹連續(xù)系統(tǒng)數學模型的類型、模型之間的相互轉換以及模型的建模方法等；第3章介紹連續(xù)時間數學模型轉換為計算機仿真模型的主要方法：數值積分法、離散相似法和替代法；第4章介紹基于實驗數據的建模仿真的基本理論與方法，包括參數模型的概念及模型參數估計方法，以及系統(tǒng)辨識的基本概念和方法；第5章介紹在MATLAB平臺上Simulink模塊式建模仿真的基本理論和方法，以及Simulink建模仿真的典型例子；第6章介紹建模與仿真的校核、驗證和確認（VVA）技術的基本概念。在第一部分的基礎上，第7～10章分別介紹生物系統(tǒng)建模和仿真的4個典型實例。第7章是單一種群增長的微分方程模型，包括Malthusian方程和Logistic方程；第8章介紹房室模型的建模與仿真，以及房室模型的辨識和可辨識性；第9章介紹描述動作電位產生的Hodgkin-Huxley方程的建模與仿真；第10章介紹腦電的自回歸（AR）模型的建模與仿真?！　”窘滩臑槠胀ǜ叩仍盒Ｉ镝t(yī)學工程專業(yè)本科生教材，也可作為相關專業(yè)本科生和研究生的參考教材，并可供從事生物建模仿真的科技工作人員參考。

作者簡介

田心 1946年生。1968年畢業(yè)于清華大學，1991年獲得新南威爾士大學生物醫(yī)學工程博士學位。現任天津醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院教授、博士生導師，全國優(yōu)秀教師。主要研究領域為記憶認知信息的檢測。處理與編碼以及計算神經科學。研究工作得到國家自然科學基金和教育部博士點基金的支持。已發(fā)表學術論文100多篇，獲得天津市科技進步二等獎兩項。主講課程“生物建模仿真”被評為國家精品課程。

書籍目錄

第1章 系統(tǒng)建模仿真的基本概念 　1.1 系統(tǒng)模型 　　1.1.1 系統(tǒng)和系統(tǒng)模型 　　1.1.2 模型的分類 　1.2 系統(tǒng)的計算機仿真 　　1.2.1 系統(tǒng)計算機仿真的基本概念 　　1.2.2 系統(tǒng)仿真過程 　　1.2.3 系統(tǒng)仿真的分類 　1.3 生物系統(tǒng)的建模與仿真 第2章 系統(tǒng)的數學模型和建模方法 　2.1 數學模型的分類 　2.2 連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)模型 　　2.2.1 連續(xù)時間模型 　　2.2.2 離散時間模型 　2.3 連續(xù)時間模型之間的轉換 　　2.3.1 從微分方程轉換為狀態(tài)方程 　　2.3.2 從傳遞函數轉換為狀態(tài)方程 　2.4 系統(tǒng)的實現 第3章 連續(xù)系統(tǒng)的數字仿真 　3.1 微分方程的數值積分數值解 　　3.1.1 數值積分法的基本概念 　　3.1.2 數值積分法分類 　　3.1.3 單步數值積分法 　　3.1.4 多步數值積分法 　　3.1.5 關于數值積分的誤差 　3.2 從傳遞函數到z函數的轉換 　　3.2.1 z域的離散相似模型 　　3.2.2 從傳遞函數G(5)轉換為z函數G(z)的算子替換方法 　3.3 從連續(xù)時間狀態(tài)方程到離散時間狀態(tài)方程的轉換 　　3.3.1 時域的離散相似模型 　　3.3.2 關于轉移矩陣的近似計算 　3.4 幾個典型環(huán)節(jié)的離散相似 第4章 基于實驗數據的建模與仿真 　4.1 實驗數據建模仿真的基本概念 　　4.1.1 從實驗數據建立數學模型的過程 　　4.1.2 實驗數據的獲取 　　4.1.3 模型類型與模型參數 　　4.1.4 模型參數的估計 　　4.1.5 最小二乘法 　4.2 系統(tǒng)辨識概述 　　4.2.1 系統(tǒng)辨識的基本概念 　　4.2.2 生物系統(tǒng)的可辨識性 　4.3 回歸數學模型 　　4.3.1 一元線性回歸數學模型 　　4.3.2 多元線性回歸數學模型 　　4.3.3 多元線性回歸方程的檢驗與評價 　　4.3.4 非線性回歸數學模型 第5章 Simulink建模與動態(tài)仿真 　5.1 Simulink簡介 　5.2 Simulink的基本模塊 　　5.2.1 常用模塊 　　5.2.2 自定義模塊 　5.3 基于Simulink的建模與仿真 　　5.3.1 基于Simulink的建模 　　5.3.2 基于Simulink的仿真 　5.4 Simulink建模仿真應用舉例 第6章 建模與仿真的校核、驗證與確認 　6.1 VVA技術 　　6.1.1 VVA技術的基本概念 　　6.1.2 VVA工作模式和過程 　6.2 模型與仿真的校核 　　6.2.1 系統(tǒng)仿真誤差源校核 　　6.2.2 程序校核 　6.3 模型的驗證 　　6.3.1 譜分析法 　　6.3.2 置信區(qū)間法 　　6.3.3 動態(tài)關聯(lián)分析法 　6.4 仿真模型的確認 第7章 單一生物種群增長模型 第8章 房室系統(tǒng)的建模與仿真 第9章 Hodgkin-Huxley模型 第10章 腦電的自回歸(AR)模型

章節(jié)摘錄

　?。?）根據模型類型分類，系統(tǒng)仿真分為物理仿真、數學仿真和物理一數學仿真?！　嬙煜到y(tǒng)的物理模型，應用物理模型進行仿真實驗，稱為物理仿真；構造系統(tǒng)的數學模型，在計算機上進行仿真實驗，稱為數學仿真；對系統(tǒng)模型的一部分建立數學模型，而對另一部分則構造物理模型，將它們連接成數學一物理模型進行仿真實驗，稱為物理一數學仿真?！　∥锢矸抡娴膬?yōu)點是直觀形象，但建模費用高。例如建立人工心臟瓣膜檢測和脈搏波實驗臺，可以模擬有關循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)過程，可以應用這個模型仿真人工心臟瓣膜的參量，給人工心臟瓣膜的設計提供仿真實驗支持?！　≡谟嬎銠C上進行數學仿真在以下方面優(yōu)于物理仿真：　　①計算機仿真具有費用低、易于實現物理仿真難以實現的各種試驗等?！　、谟行┫到y(tǒng)的模型難以用一般的數學模型表達；有的雖然能用數學模型表達，但不能解析求解，或者解析求解過于復雜。計算機仿真則可以應用于用各種形式的模型來實現仿真?！　∧壳坝性S多用于非線性系統(tǒng)仿真的計算工具，例如本教材第5章將介紹的最新發(fā)展的計算機仿真技術：MATLAB中的Simulink工具箱，它可以仿真線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散的動態(tài)系統(tǒng)。Simulink仿真是基于系統(tǒng)的結構圖發(fā)展的計算機仿真技術，適于仿真非線性微分方程模型的近似解?！　±缭诒窘滩牡?章中描述動作電位產生的H—H方程，就可以在Simulink平臺上進行計算機仿真。例如在H—H方程中，為了研究可興奮細胞膜電位，模型中有4個微分方程和6個代數方程需要求解。由于方程系統(tǒng)是非線性的，求解析解是不可能的，只能通過計算機來仿真H—H非線性系統(tǒng)的近似解，通過Simulink仿真是簡單可行的?！　、墼谡鎸嵪到y(tǒng)中要實現完全相同條件下的重復試驗是很困難的，而在計算機仿真試驗中則很容易實現?！　。?）根據仿真研究的系統(tǒng)對象分類，分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。　　在本教材中只介紹連續(xù)系統(tǒng)仿真?！　∮嬎銠C仿真就是應用計算機對數學模型轉換后的仿真模型進行仿真實驗，主要解決下述兩個問題：　　（1）建立計算機能處理的仿真模型；　?。?）提供在計算機上運行計算和進行仿真的方法。

圖書封面

圖書標簽Tags

無

評論、評分、閱讀與下載

---

    生物建模仿真 PDF格式下載

---