計算機仿真技術(shù)復習指導PPT課件

1、連續(xù)系統(tǒng)模型描述 一、確定型系統(tǒng)的數(shù)學模型 1. 微分方程 2. 傳遞函數(shù) 3. 狀態(tài)方程 4. 結(jié)構(gòu)圖 二、連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學模型之間的轉(zhuǎn)換 1、化微分方程為狀態(tài)方程 2、化傳遞函數(shù)為狀態(tài)方程 問題：如何求對應狀態(tài)變量的初值 ？ 方法：伴隨方程法 （判別能觀性，求狀態(tài)初值） 連續(xù)系統(tǒng)仿真篇連續(xù)系統(tǒng)仿真篇第1頁/共19頁離散化原理及要求 問題：數(shù)字計算機在數(shù)值及時間上的離散性-被仿真系統(tǒng)數(shù)值及時間上的連續(xù)性 連續(xù)系統(tǒng)仿真，從本質(zhì)上： 對原連續(xù)系統(tǒng)從時間、數(shù)值兩個方面對原系統(tǒng)進行離散化并選擇合適的數(shù)值計算方法來近似積分運算 離散模型原連續(xù)模型？相似原理：。經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真

2、建模方法學 第2頁/共19頁2、仿真建模方法 三個基本要求：（1）穩(wěn)定性：若原連續(xù)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則離散化后得到的仿真模型也應是穩(wěn)定的。（2）準確性：有不同的準確性評價準則，最基本的準則是： 絕對誤差準則： 相對誤差準則： 其中 規(guī)定精度的誤差量。（3）快速性：若第n步計算對應的系統(tǒng)時間間隔為 計算機由y(tn)計算y(tn+1)需要的時間為Tn，若 Tn=hn 稱為實時仿真；Tnhn稱為超實時仿真；Tnhn 稱為亞實時仿真，對應離線仿真經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學 ()()()ynnnety ty t()()()()nnynny ty tety t1,nnnhtt第

3、3頁/共19頁3、數(shù)值積分方法 Euler法 梯形法 Runge-Kutta法 實時Runge-Kutta法實時仿真：要求仿真模型的運行速度往往與實際系統(tǒng)運行的速度保持一致。一般的數(shù)值積分法難以滿足實時仿真的要求，這不僅僅是因為由這些方法所得到的模型的執(zhí)行速度較慢，而且這些方法的機理不符合實時仿真的特點。 經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學 實時仿真算法的特點實時仿真算法的特點 (1)算法的快速性算法的快速性(2)算法執(zhí)行中數(shù)據(jù)的可取性算法執(zhí)行中數(shù)據(jù)的可取性第4頁/共19頁基本方法： 數(shù)字計算機對連續(xù)系統(tǒng)仿真時間離散，只能計算各計算步距點上的數(shù)值。“離散相似法”：對傳遞函

4、數(shù)作離散化處理得離散傳遞函數(shù)，稱為頻域離散相似模型頻域離散相似法 對狀態(tài)方程離散化得時域離散相似模型時域離散相似法離散化處理：輸入端：加上虛擬采樣開關(guān)和虛擬信號重構(gòu)器；輸出端：加一個虛擬采樣開關(guān)；虛擬采樣周期：T，兩者同步。 圖1 連續(xù)系統(tǒng)的離散化處理時域離散相似法第5頁/共19頁時域離散相似法線性定常系統(tǒng)的解： 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計算 1）泰勒級數(shù)展開法 2）eAT加速收斂算法 eAT計算：在有些情況下，泰勒級數(shù)展開法收斂性較差，即需要取很多項才能達到精度要求。然而項數(shù)增加，大量矩陣乘法計算，矩陣計算引入的舍入誤差大大增加，影響計算精度。 等效轉(zhuǎn)移法 、縮方與乘方第6頁/共19頁時域離散相似法

5、增廣矩陣法 對線性定常系統(tǒng)，離散模型： (1) 這種方法的誤差來源于： (1) eAT的計算誤差； (2)輸入信號u(t)誤差 盡管(T)、m(T)可歸結(jié)為eAT的計算，而且eAT的計算誤差可以通過縮方與乘方的方法減少，然而，虛擬采樣后的信號帶來的誤差卻無法消除。 將輸入信號也能作為系統(tǒng)的狀態(tài)對待，那么只需要著眼于提高eAT的計算精度就能達到仿真精度的提高增廣矩陣法。 第7頁/共19頁時域離散相似法圖2 增廣狀態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第8頁/共19頁頻域仿真建模方法學頻域仿真建模方法學 連續(xù)系統(tǒng)模型的離散化處理第9頁/共19頁頻域仿真建模方法學頻域仿真建模方法學 替換法根據(jù)z變換理論，連續(xù)系統(tǒng)的s域變換到

6、z域的時，其映射關(guān)系是：其中T為采樣周期。1. 簡單替換法（Euler法）2. 雙線性替換法第10頁/共19頁頻域仿真建模方法學頻域仿真建模方法學 根匹配法第11頁/共19頁離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真（動態(tài)）（動態(tài)）模擬機。模擬模擬機。模擬Analog數(shù)字機求解數(shù)字機求解微分方程微分方程仿真模型仿真模型蒙特卡羅模擬蒙特卡羅模擬靜態(tài)仿真靜態(tài)仿真動態(tài)仿真動態(tài)仿真離散事件仿真離散事件仿真隨機性隨機性離散事件仿真的特點離散事件仿真的特點1.動態(tài)仿真動態(tài)仿真 仿真輸出仿真輸出 Y=F(X,t)2.隨機性隨機性3.離散性離散性 無法用微分方程描述無法用微分方程描述tyX=x1

7、第12頁/共19頁離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真 單服務臺排隊系統(tǒng) 例子： 有一單服務臺排隊系統(tǒng)，顧客的到達模式為離散性模式，且顧客到達時間為t到達=5i+（1）i，顧客接受服務時間為t服務=7+（1）i（其中i表示依次到達顧客的序號）。 第13頁/共19頁離散事件系統(tǒng)建模方法學及仿真策略離散事件系統(tǒng)建模方法學及仿真策略 四種仿真策略 事件調(diào)度法 活動掃描法(Activity Scanning) 進程交互法（Process Interactive） 三階段法 第14頁/共19頁實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 Simulink相關(guān)知識 1、熟練掌握建立系統(tǒng)的SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖； 2、熟練掌握創(chuàng)建SI

8、MULINK模型及仿真運行的步驟 。第15頁/共19頁實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 Simulink相關(guān)知識 Step 1：在Simulink的Library窗口的【File】中選擇【New】，打開一個新的工作空間； Step 2：分別在信號源庫、輸出方式庫、數(shù)學運算庫、線性環(huán)節(jié)庫、非線性環(huán)節(jié)庫找到Step、Scope、Transfer Fcn、Sum各功能模塊，并將其拖至工作平臺，按要求進行信號線連接，對模塊參數(shù)進行設(shè)置； Step 3：對仿真時間、仿真算法等參數(shù)進行設(shè)置，選擇【Simulation】下的【Start】命令進行仿真，雙擊Scope圖表觀察加入間隙非線性環(huán)節(jié)前后的仿真曲線。 第16頁/共1

9、9頁隨機變量的產(chǎn)生隨機變量的產(chǎn)生1234概概念念介介紹紹隨隨機機變變量量 隨隨 機機 數(shù)數(shù) 的的 產(chǎn)產(chǎn) 生生隨隨機機變變量量及及其其產(chǎn)產(chǎn)生生56輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)分分析析輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)分分析析第17頁/共19頁計算機仿真技術(shù)計算機仿真技術(shù)基本概念基本概念1 1、簡述系統(tǒng)仿真的一般步驟。、簡述系統(tǒng)仿真的一般步驟。2 2、仿真建模的基本要求是什么？、仿真建模的基本要求是什么？3 3、解釋相似原理。、解釋相似原理。4 4、試比較分析單步法與線性多步法的異同。、試比較分析單步法與線性多步法的異同。5 5、簡述線性多步法的基本原理。、簡述線性多步法的基本原理。6 6、何謂離散相似法、何謂離散相似法? ?7 7、簡述根匹配法的基本原理、簡