生理系统建模与仿真111页PPT
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系统建模与仿真教学全套课件
求解
用传统和现代的数学方法计算求解 模型得出结论，对复杂系统，计算机仿 真是最有力的工具之一。
分析与检验
1、分析模型是否符合要求， 2、检验是否符合客观实际。 往复循环，直至符合要求。
建模的方法
一、建模的方法论 二、常用建模方法
建模的方法论
（一）归纳 （二）演绎 （三）类比 （四）移植
归纳
认识
（1）将目标表述为适合于建模的相应形 式；
（2）拟定模型的规范， （3）模型要素的筛选和确定。 （4）模型关系的确定。找出模型中真正 要做用的关系。将把模型要素与目标联系 成为一个有机的整体，形成模型分析的基 础。
建模
建模的本质是在实际系统与模型之间 建立一种关系 。是将要素原型表示为要素 变量，描述要素间的相互依存和相互依赖 关系，确定约束条件、目标与要素的关系， 部分与部分、部分与整体的关系。
抽象模型(Abstract Model)
是用符号、图表等来描述客观事物所建立的模型。抽 象模型又可分为：
数学模型（Mathematics Model）
用字母、数字、数学符号建立起来的公式、图表、图 像及框图等来描述客观事物的特征及其内在联系的模型。
仿真模型（Simulation Model）
也称模拟模型（Analog Model）——用便于控制的一 组条件代表真实事物的特征，通过模仿性的试验来了解真 实事物的规律。
系统、模型与仿真
一、系统 “按照某些规律结合起来，互相作用、互相 依存的所有实体的集合或总和”。
二、模型 模型是实际系统的抽象模型是实际系统
的抽象 模型可分为两大类： 形象模型 抽象模型
❖形象模型（Iconic Model）
❖ 又称物理模型,是采用一定比例 尺按照真实系统的“样子”制作， 与实物基本相似。
系统建模与仿真PPT课件
内涵分类方法
同构模型 同态模型
形象模型
模拟模型
符号模型
数学模型
System Engineering
➢除此之外，还有不少对系统模型的分类方法。 ➢例如：
➢ (1)按变量性质可将数学模型分为确定性模型与 随机模型；
➢ (2)按变量间的关系可将模型分为线性模型与非 线性模型；
➢ (3)按时间因素可有动态模型与静态模型； ➢ (4)按是否间断可有连续模型与离散模型； ➢ (5)按学科性质，可有运筹学模型、计量经济学
用户订货
生产管理部门
原料 采购部 制造车
门
间
装配车 装运部 成品
间
门
System Engineering
？模型的构建原则
2）考虑信息相关性
例如：在工业管理中，研究工艺流程对生 产的效率的影响时，就不需要考虑工人的 工资。如果将工人工资信息包括在模型中 不会有什么害处，但它会增加模型的复杂 性。
System Engineering
？模型化的地位
它不能代替对客观系统内容的研究，只有在和对 客观系统内容研究相配合时，模型的作用才能充 分发挥。
System Engineering
实际系 统
模型化
模型Biblioteka 比较现实意 义解释
实验、分析 结论
System Engineering
二、模型的分类
1.模型的分类
形式分类方法
物理模型 数学模型 概念模型
第6讲 系统建模与仿真
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前言
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生理系统建模与仿真2
例：安替比林静脉推注后，就能在各组织间达
到平衡，平衡时候，该药在各组织中的浓度与
在血浆中的浓度极其近似。
由于静脉推注，有
f (t ) D (t )
t 0
所以
dx1 (t ) k01 x1 (t ) dt x (0 1 )D
求解此微分方程，得：
那么，血药浓度为：
生理系统建模与仿真
1
主要内容
1 生理系统仿真的意义与作用 2 建立生理系统模型的基本方法 3 生理系统仿真的基本方法 4 生理系统模型的实例
2
6.4 生理系统模型的实例
药物动力学模型 虚拟人
3
6.4.1 药物动力学模型
药物动力学：应用动力学原理，研究药物 进入机体后的吸收、分布、代谢转化和排 泄等体内过程的动态变化规律，并用数学 的方法描述这些过程以及机体因素或其他 物质对这些过程的影响
a) 乳突型
d) 复合型
3
b) 链型
1
2
1
c) 环形
2
3
1 3 2
应用房室模型建立药物动力学模型：
例
安替比林经静脉推注后，就能瞬时在各
组织间达到平衡，平衡时候，该药在各组织
中的浓度与在血浆中的浓度极其近似。
因此对这类具有转运均衡性的药物的体
内过程，用一室模型模拟药物在体内的变化
过程
11
一般在药物动力学研究中，多采用线性房
t 0 t 0
14
（3）肌肉注射给药：
药物要经过肌肉的吸收才能进入血液循环，
然后再分布到体内各处。在药物被肌肉吸收的 过程中，其吸收速率将随着药物的局部浓度的 减少而减小。因此，可假设其流入的速率为指 数衰减形式，对于给药量D，设其衰减系数为α，
生理系统建模与仿真 PPT课件
计算机仿真，需要将数学公式转化为计算机 算法，编程，这种用计算机程序所表达的模
型称为仿真模型，而仿真模型在计算机上的
运行则形成了仿真实验。
计算机仿真与原型系统之间经历了两个基本
过程，即建立数学模型，而后建立仿真模型。
系统原型、数学模型、仿真模型
举例：心血管循环系统仿真
进入仿真界面
血管狭窄仿真图
（2）在代谢系统分析中的作用
• 代谢系统模型比药物动力学模型复杂。 • 1961年，Bolle已建立具有两房室的血糖调节的线性 系统，估算葡萄糖灌输于正常人时，人体系统的响
应特性，其结果与临床符合。
• 由病人的糖耐量试验曲线对糖尿病人进行分类诊断；
正在研究和应用的胰岛素治疗糖尿病人的最佳控制
用药问题等。
• 2003年初，被称为“中国虚拟人1号”的我 国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学 构建成功，标志着继美国、韩国后，中国 成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库 的国家。
通过血管铸型技术显示的动静脉模型
虚拟人的研究分为四个发展阶段：
• 第一阶段是数字可视人；
• 第二阶段是数字物理人，拥有人体的物理性 能，可以模拟肌肉的运动； • 第三阶段是数字生理人，可模拟人的生理功 能； • 第四个阶段是数字智能人，具备一定的思维 能力。
及许多生理实验都是无法进行的，而运用模型
来进行仿真实验，可以随意地考察系统在各种
极端条件下的可能反应。
（3）可作为预研手段为真实系统运行 奠定基础
例如在对生理系统的研究中，可通过进 行大量的仿真实验找出系统变化的规律性， 然后再进行少数活体实验进行验证，这样既 可节约大量实验经费，缩短实验周期，又可
脑血液流动的参数模型，不仅能模拟出
生物系统建模与仿真.pptx
生物控制论的研究方法
建立系统模型 进行数学仿真 系统稳定性分析 经典控制理论的频率分析 现代控制理论的最优控制 自适应控制理论 系统辨识
生物控制论的研究方法
中国自动化学会生物控制论与生物医学工程专业委员会倡导理论与实 验的紧密结合，模型工作都应有扎实的生物学背景。本领域的研究工 作属于基础与应用基础范畴，但与计算机视觉，信息与自动化技术以 及生物医学工程应用有密切联系，它属于生物科学与信息科学以及医 学工程的交叉科学。
生物控制论的学科地位
生物科学：心理学、生理学、行为学、脑科学、思维科学… 信息科学：信息论、生物信息学、全信息论… 系统科学：系统学、控制论、生物控制论、大系统控制论…
生物科学
信息科学
多学科协同
系统科学
生物控制论的研究内容
从系统的、定量的、动态的角度定量化研究生物系统。 生物反馈系统的定量的和动态的研究 生物系统辨识 神经元与神经网络的研究 感觉系统中信息传递、编码和加工等过程的模型和分析 神经控制论 …………………生物系统的显著特点源自非线性 时变性 紧耦合 多层次
需要： 系统的（整体的） 动态的 定量的
进行研究
生物控制论的发展概况
控制论的产生
《控制论—关于在动物和机器中控制 和通讯的科学》
Cybernetics or control and communication in the animal and
machine
线性系统和非线性系统 多级系统 层次和突现性质
控制：
反馈 开环控制 闭环控制
系统
系统一般是指由许多单元相互联系而组成的一个整体， 通常具有一定的功能。 单元的划分应以其在完成整体功能中的作用为依据， 而单元间的联系主要指其功能间的联系。 实现功能间的联系的方式是多样的，可以通过物质、 能量、信息来实现。
生物系统建模及仿真共97页PPT
2，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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生物系统建模及仿真
41、俯仰终宇宙，不乐复何如。 42、夏日长抱饥，寒夜无被眠。 43、不戚戚于贫贱，不汲汲于富贵。 44、欲言无予和，挥杯劝孤影。 45、盛年不重来，一日难再晨。及时 当勉励 ，岁月 不待人 。
▪
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生理系统建模与仿真
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科