第一章 計(jì)算機(jī)仿真和MATLAB語言概述

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1、MATLAB語言與計(jì)算機(jī)仿真通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)理解計(jì)算機(jī)仿真的基本步驟和相關(guān)知識，并熟練掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言，結(jié)合所學(xué)課程，學(xué)會運(yùn)用MATLAB語言進(jìn)行系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計(jì)，為今后從事科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。課程任務(wù)第一章計(jì)算機(jī)仿真概述及MATLAB基本操作第二章符號計(jì)算第三章數(shù)值數(shù)組及其運(yùn)算第四章數(shù)值計(jì)算第五章數(shù)據(jù)和函數(shù)可視化第六章M文件和面向?qū)ο缶幊痰谄哒耂IMULINK仿真基礎(chǔ)第八章GUI設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)仿真實(shí)例第十章仿真工程設(shè)計(jì)（一）第十一章仿真工程設(shè)計(jì)（二）第十二章仿真工程設(shè)計(jì)（

2、三）教學(xué)內(nèi)容綜合成績評定：平時(shí)成績（60％）課堂、上機(jī)考試成績（40％）參考書目精通MATLAB6.5版張志涌等編著北京航空航天大學(xué)出版社2003.3MATLAB電子仿真與應(yīng)用韓利竹等編著國防工業(yè)出版社MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)歐陽黎明編著國防工業(yè)出版社應(yīng)用MATLAB建模與仿真陳桂明等編著科學(xué)出版社MATLAB擴(kuò)展編程何強(qiáng)，何英編著清華大學(xué)出版社MATLAB應(yīng)用程序接口指南劉志堅(jiān)編著科學(xué)出版社MATLAB高級應(yīng)用－圖形圖像處理清源計(jì)算機(jī)工作室編著機(jī)械工業(yè)出版社第一章、計(jì)算機(jī)仿真和MATLAB語言概述第一節(jié)計(jì)算

3、機(jī)仿真的基本概念一、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真的概念1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量存儲的能力，結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。ComputerAidedDesign說明：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從廣義上來講它包含了計(jì)算機(jī)仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作是利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來處理設(shè)計(jì)者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2、計(jì)算機(jī)仿真的概念仿真的定義仿真是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對真

4、實(shí)過程的認(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計(jì)算機(jī)仿真的定義計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。1、模型的定義模型是對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識事物的一種手段或工具。2、模型的分類（1）物理模型指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）數(shù)學(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。二、計(jì)算機(jī)仿真模型（3）仿真模型指

5、根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。三、計(jì)算機(jī)仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）1、三要素（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計(jì)算機(jī)：工具與手段2、基本步驟包括三個(gè)基本的內(nèi)容：建模仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析第二節(jié)仿真的分類一、按模型分類1、物理仿真：采用物理模型，有實(shí)物介入！具有效果逼真，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高或耗時(shí)長，大多在一些特殊場合下采用（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真等），具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。2、數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性、離線的

6、特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。二、按計(jì)算機(jī)類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分，它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要部件所構(gòu)成。2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。60年代計(jì)算與仿真的精度較高。理論上計(jì)算機(jī)的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計(jì)，因此其仿

7、真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時(shí)間等因素影響，其精度也不易定得太高。對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實(shí)驗(yàn)的自動化程度較高，可方便地實(shí)現(xiàn)顯示、打印等功能。計(jì)算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會在不同程度上有所改進(jìn)與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計(jì)人員用高級程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)

8、大，使用方便，易學(xué)。80年代以后第三節(jié)仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一、仿真技術(shù)的應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)飛行器設(shè)計(jì)中的三級仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行實(shí)驗(yàn)。飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動態(tài)模型實(shí)驗(yàn)：電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)控制等。電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。3、原子能工業(yè)模擬核反應(yīng)堆核電站仿真器用來訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理。4