(完整word版)《计算机仿真技术》教学大纲
计算机仿真技术01
计算机仿真技术第1章概论计算机仿真技术共有五章组成。
将介绍计算机仿真的基本理论与方法以及系统仿真的实现手段。
讲述的重点在第二章和第三章，其余三章只作简单的介绍。
这样安排的原因是：学时的限制，其二是同学们的知识储备不够，无法作过多的讲解。
尤其是第四章，离散事件仿真基础。
在我们这个专业中，就很少接触或没有接触过离散事件及其相关的理论，因此，我们很难对这一系统的仿真作深入的讲解。
一）意义自从第一台计算机问世以来，人们便应用计算机对所研究的系统或者说事件进行仿真实验。
计算机仿真技术作为一门独立的科学理论兴起于上世纪的40年代。
随着计算机技术和数学理论的发展，计算机仿真理论也得到了快速的发展。
它的应用几乎覆盖了人们从事活动的所有的领域。
一个大系统或一个大的工程的研究和设计的成功在很大程度上依赖于计算机仿真技术。
科研人员的理论研究和解决问题能力的提高也受益于计算机仿真技术。
在计算机仿真技术出现以前，人们进行科学技术研究的手段只有两种：理论研究和实验研究。
计算机仿真技术为人们提供了又一种新的科学技术研究的手段。
这个手段是理论研究和实验研究无法替代的。
可以说，这个技术已经成为科学技术研究的第三种手段。
计算机仿真技术是当今最实用的技术之一。
这一点已被人们所认可。
如果认为：计算机仿真技术只为人们的纸上谈兵提供了技术支持，那是错误的。
计算机仿真技术也为采样系统、装置的实现提供了技术上的保障。
也就是说，不能将计算机仿真技术简单地理解为可以编一个好的程序从而对系统进行分析、设计等等。
利用计算机仿真技术也可以制作实际的装置和系统。
这些例子在我们周围是经常遇到的。
计算机控制系统就是利用仿真技术研制系统的一个很好的例子。
所谓计算机控制系统就是利用计算机去替代系统控制回路的硬件部分。
而如何用计算机去替代控制回路的硬件，这是计算机仿真技术解决这个问题。
再一个典型的例子就是虚拟仪器仪表。
在这些仪器中已经不存在传统上意义上的硬件电路，而使用数据处理器替代那些硬件。
计算机仿真技术-Chapter2
2020/1/4
IGBT模型
2020/1/4
IGBT模型
2020/1/4
ORCAD/PSpice、SABER等软件提 供了详细的器件模型，可用于器 件级仿真。
MATLAB软件虽然也可用m语言建立 器件的详细模型，但一般不用于 器件级仿真。
2020/1/4
4 装置仿真建模
电力电子电路的本质特性－开关特性
工艺模型：
考虑工艺参数，应用统计方法建模，用于器件制造
电学模型
考虑主要输入输出效应，
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仿真软件中的三种电学模型
基本模型：
根据电力电子器件的简化物理规律，对Spice软件中 原有的小功率器件的模型参数进行优化，引入新的特 性，使模型更适于模拟大功率器件。
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1.2 电力电子电路的非线性 开关非线性－电力电子装置的本质特征
器件开、关 电路拓扑结构变化 状态方程周期性变化
结构变化的时刻 (开关动作时刻)
外部控制信号 内部状态
其它非线性
元件非线性
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负荷非线性
控制系统非线性
非线性微分方程组求解 无解析解
数值计算复杂
计算时间长 计算误差大
变步长 积分法
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变步长法的优点： －快过程期间用小步长以保证精度
－快过程衰减后用大步长以节省时间
周期性变化的影响：
电力电子装置 周期性开关过程
快慢过程 交替变化
步长选择上 花费大量时间
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2. 仿真建模方法
解决途径
数值 计算 方法
建模 方法
电气工程 背景知识
器件综合模型 忽略器件内部 过程对装置性 能的影响
计算机仿真技术基础.
例题
＋
R
L
C
e（t）
－
• 动态系统：t 很小，或 e(t)为非直流和周期 变化的电源 • 静态系统：t 趋于无穷大， e(t)且为直流或 周期变化的电源
确定系统：系统的输入 与状态变量 有完全确定的函数关系 随机系统：系统内部或 环境发生不确定的变动 ， 2 ） 影响系统的状态输出 （输入与状态变量不存 在 完全确定的函数关系）
3、影响系统活动的因素
1）内部因素（内部环境）：在系统内可 改变的因素；（系统参数、内部激励源） 2) 外部因素（外部环境）：在系统内不 可改变的因素（外部对系统
4、系统具有下列性质
•
• •
整体性 系统是一个整体，它的各个部分既 相对独立，又是不可分割的。 相关性 反映了各组成部分相互联系、相互 制约、相互依存 目的性 系统要完成特定的功能。
•
• •
模拟计算机仿真特点
• 模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模型 的运行速度与模拟机有关，而与模型的复杂程度 无关。 • 模拟机仿真可以进行实时仿真，又可以进行非实 时仿真。 • 易于和实物相连。和实物系统连接时不需要A/D、 D/A转换装置。 • 模拟仿真的精度一般低于数字计算机仿真，且逻 辑控制功能较差，自动化程度也较低。
5、系统分类
系统的状态只取决于同 时刻的输入， 即时系统： ( 无记忆系统） 与他过去的工作状态无 关 系统的状态不仅取决于 同时刻的输入， 动态系统： 1) （有记忆系统） 而且与他过去的工作状 态有关 静态系统：若系统的状 态保持不变，此时的 动态系统又称为静态系 统。（状态保持恒定或 周期变化）
第一章 绪 论
• 一）计算机仿真: 计算机仿真就是应用计算 机对系统某些特性的近似模仿
《计算机仿真技术》PPT课件
KR1BTP
(3) 在线的线性二次型最优控制
u(t)KX(t)
精选课件ppt
28
线性二次型调节器设计的MATLAB函数
函数LQR（Linear-quadratic regulator）用于计算连续状 态空间方程
X AX Bu
y CX Du
矩阵P必须满足黎卡提(Riccati) 代数方程：
P A A T P P B 1 B R P Q 0
●线性二次最优调节器的另一种二次型目标函数具有交叉项
J (XTQ X uTR u2XN )du t 0
精选课件ppt
27
线性二次型调节器的设计
线性二次调节器的设计步骤如下：
(1) 解式(4.5-4) Riccati 方程，求得矩阵P。若所求出P
e Ke
为简化起见，令 Kt Ke K
由牛顿定律，转子力矩平衡关系为
J bKi精选课件ppt Nhomakorabea36
由克希霍夫定律
LdiRiuK dt
u 设系统状态 X,i' 并建立以输入电压
为输入，转速 为输出的系统状态空间表达式为
X AX Bu
Y CX
X
i
Y
A
b
J K
L
K
J R
L
，
B
设计任务是要计算反馈 K，使 ABK 的特征值
和期望的极点 P相同.
精选课件ppt
15
极点配置的MATLAB函数
函数ACKER是基于Ackermann算法求 解反馈增益K。
Kak ceA ,rB ,(P )
其中，A,B为系统矩阵；P为期望极点向 量；K为反馈增益向量。
计算机仿真技术(3)
§4.4 决策系统仿真(续1)
四、决策者决策的数学模型框架 1. 决策者的决策过程 ⑴确定决策的目标函数 L
F = i
∑ω
l= 1
il
fil
． ． ． ． ． ．（4.1）
式中: Fi :第i个决策者决策的目标函数值 fil (l = 1,2,⋅ ⋅ ⋅ ,L) :第l个子目标的取值 ωil :第l个子目标的权重, 满足 ωil ≥ 0,
21
§4.4 决策系统仿真(续9)
1.
不确定型决策 （1）乐观准则 选取 max{max aij }所对应的行动方案作为决策。 i j （2）悲观准则 在每个行动方案的最小效益值中选最大值 max{min aij } j i 所对应的行动方案作为决策。 （3）等可能准则 例：某厂有一种新产品，其推销策略有s1 ,s2 ,s3三种 可供选择，但每个方案所需的资金，时间有所不同，加 上市场情况的差别，因而获利和亏损情况也不同，而市 场情况也有三种：N1需求量最大，N2需求量一般，N3 需求量小，市场情况的概率并不知道，其效益值见表 4.4，试用等可能法进行决策。
它的分布函数为：
f (x) =
其均值 µx 为
µx =
∞ −∞
1 , (0 ≤ x ≤ m) m
0, (x < 0, x > m)
m
∫ xf (x)dx = ∫
0
1 1 x2 m m x dx = [ ]0 = m m 2 2
2 方差 σ x 为
2 2 σx = ∫ (x-µx )2f(x)dx = ∫ x2f(x)dx- ∫ (2xµx -µx )f(x)dx −∞ -∞ -∞ ∞ ∞ ∞
式中 [⋅] 表示取整 对于计算机而言, 都是以二进制作为基础的, 则可以按以下 规则选择a和m。 j (1) m = 2 , j是某个整数, 一般m选择在机器所能表示数 的范围内, 同时, 还要考虑公式计算得到的伪随机数序列的周 期为m/4, 它应大于试验的持续期； (2)a一般取与 a = 的那个数, 其中k为任意整数, p为机器字长。
计算机仿真技术绪论-第一讲
从系统的综合复杂程度方面考虑，我们可以把系统分为三
类九等。 “三类”是:物理系统；生物系统；人类社会及宇宙。
“九等”是： 框架： 物理系统 最简单的系统、静态的系统，如 桥梁、房子等。
时钟：
控制机械：
按预定规律变化，虽动犹静
能自动调整，偶然干扰使运动偏 离预定要求时，系统能自动调节 回去。
细胞：
计算机仿真，保证系统的性能、质量，为以后从事相关
专业工作打下基础。
考核及要求：
平时（20%）+实验（20%）+期末考试（60%） 平时（20%）：①考勤：8分；②作业：7分；③创新：5分。
说明：考勤8分，旷课1次扣1分，点1次名算3次，请假须在课前，请3 次假扣1分，扣完为止；作业6分，1次1分；创新6分，完成思考题，作 业中采用新方法、新思路，作业质量、课堂回答问题等。
本章学习要求：
理解并掌握计算机仿真的概念、分类，计算机数字
仿真的基本过程；
了解计算机仿真的发展历程、应用领域及目前研究、 应用现状；
了解目前所涉及的计算机仿真软件，并重点掌握 MATLAB、ADAMS两个软件。
计算机仿真技术基础概述
1.1 从现实问题开始 1.2 1.3 1.5 系统及系统的分类 系统模型的概念及其分类 计算机仿真的定义
1.4 计算机仿真中的系统建模 1.6 计算机仿真技术发展概要
1.7 小结
从现实问题开始
三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。 但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。
从现实问题开始-计算机仿真能做什么？
计算机仿真技术基础计算机仿真技术
若L[ f (t )] F ( s), k为常数, 则L[kf (t )] kF ( s)
若f (t ) h(t ) g (t ), 且L[h(t )] H (s), L[ g (t )] G( s) 则L[ f (t )] H ( s) G( s)
d L[ dt f (t )] sF ( s ) f (0)
对于二阶导数, 有 L[ L[
d 2 dt
f (t )] s F ( s ) sf (0) f
2
' (0)
对于n阶导数, 有
dn dt n
f (t )] s F ( s ) s
n
( n 1)
及其分类 1.1.1 系统仿真的定义、分类及作用 1.1.2 计算机仿真的定义及其分类 1.2 计算机仿真的发展及其应用领域 1.3 计算机数字仿真的基本lation)的基本概念 及其分类
本门课程的目标
熟悉一个概念 掌握一种方法 #43;作业+上机 考试：开卷（60%） 作业+上机（40%） 牛牛文档分 享参考文献
1.计算机仿真技术基础，刘瑞叶等编，电子工 业出版社 2.系统仿真概论，肖田元等编，清华大学出版 社 3.现代仿真技术与应用，康风举编，国防工业 出版社 4.先进仿真技术与仿真环境，熊光楞编， 国防 工业出版社 5.系统仿真与虚拟现实，吴启迪主编，化学工 业出版社 6.MATLAB 7.0从入门到精通，刘保柱等编，拉氏逆变换
1 a j st L [ F ( s)] f (t ) F ( s ) e ds 2j a j 其中：s a j , t 0
计算机仿真技术第二版教学设计
计算机仿真技术第二版教学设计一、教学背景计算机仿真技术在工业、军事、医疗等领域得到广泛应用，成为科技进步的重要推手。
为培养具备计算机仿真技术应用能力的人才，我校开设了计算机仿真技术课程。
经过多年的实践探索和教学改革，我们的计算机仿真技术教学取得了一定的成效。
然而，随着计算机技术的不断发展和应用领域的不断扩大，也需要我们不断探索和改进教学模式，以适应时代的需要。
二、课程目标通过本课程的学习，要求学生掌握以下技能：1.了解计算机仿真技术的基本概念和原理；2.掌握计算机仿真技术的应用领域和常用工具；3.具备使用计算机仿真技术解决实际问题的能力；4.培养学生的创新思维和实践能力。
三、教学内容和方法本课程教学内容主要包括：1.计算机仿真技术的发展历史和重要意义；2.计算机仿真技术的基本原理和常用方法；3.计算机仿真技术的应用案例和实践操作；4.计算机仿真技术在未来的发展趋势和应用领域。
教学方法主要采用课堂讲解、案例分析、实践操作等方式，注重理论和实践的结合，关注培养学生的创新意识和实践能力。
在教学中，我们将采用多种教学手段，如PPT展示、模拟实验、课堂讨论等，引导学生积极参与教学过程，提高他们的课堂互动和自主学习能力。
四、教学安排本课程为选修课，共分为16周。
具体教学安排如下：周次教学内容教学方法第1-2周计算机仿真技术概述课堂讲解、PPT展示第3-4周数字模拟技术课堂讲解、实验操作第5-6周数值计算方法课堂讲解、案例分析第7-8周随机过程模拟课堂讲解、案例分析第9-10周离散事件模拟课堂讲解、案例分析第11-12周实时仿真技术课堂讲解、案例分析第13-14周仿真系统设计课堂讲解、案例分析第15-16周计算机仿真技术的应用课堂讲解、实践操作五、教学评估课程实施过程中，我们将采用多种评估方法对学生进行综合评价，包括：1.课堂表现：包括课堂积极参与、提问能力、合作学习等方面；2.作业评审：包括编写仿真程序、仿真实验报告、课程论文等；3.课程考核：包括期中考、期末考、实验考核等；4.课程总评：综合考虑学生的理论知识和实践能力，对其进行综合评价。
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1 《计算机仿真技术（双语）》教学大纲 课程编号： 0502016 课程性质： 选修
英文名称： Computer Simulation Technology
适用专业： 测控技术与仪器
开课部门： 学院 开课学期： 第 6 学期
总 学 时： 32学时 总 学 分： 2学分
理论学时： 24学时 实验学时： 8学时 课外学时： 0学时
先修课程： 高等数学、自动控制原理、C语言、电路原理、数字电子技术、模拟电子技术、大
学物理、大学英语等 后续课程 现代控制理论、最优控制与智能控制基础
参考教材： 《Simulation with MATLAB and SIMULINK》，自编英文教材
参考书目： 薛定宇：《基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用》 清华大学出版社，2002
胡良剑：《MATLAB数学实验》， 高等教育出版社，2006 薛定宇：《控制系统计算机辅助设计》，清华大学出版社，2006
一、课程在培养方案中的地位、目的和任务 本课程为测控技术与仪器专业的专业课，属于检测与控制模块的专题选修课。 教学目的和任务：掌握计算机仿真技术的数学建模、模型的计算求解等基础理论与基本原理；以MATLAB 语言为背景，掌握MATLAB 语言的基本应用，包括运算、数据结构、函数编写、图形绘制等；熟练掌握SIMULINK下数学模型的建立与仿真方法及常用模块的应用技巧；初步了解SIMULINK仿真的高级技术。启发学生今后学习和工作中，利用计算机仿真技术来解决实际问题，具有对实际控制系统进行设计、分析的能力。随着科技的发展，计算机仿真语言的种类也很多，在短时间要掌握几门的仿真语言或者是一门语言的所有内容几乎是不可能的。因此，本课程目的是抛砖引玉，开拓思路。
二、课程的教学内容、重点难点及教学要求 第一章 Computer Simulation （1）教学内容：计算机仿真的基本定义，计算机仿真的历史及现状，计算机仿真的发展与展望，系统数学模型建立的基本方法，数值求解的基本概念，Euler方法、Runge-Kutta等数值求解方法。 （2）重点： 控制系统数学模型的建立。 （3）难点： 数值求解的方法。 （4）教学要求： 掌握系统建模的基本方法，理解数值求解中的一些问题。 第二章 Introduction to MATLAB （1）教学内容： MATLAB入门，包括软件系统的安装、启动、退出，MATLAB软件的操作界面窗口以及一些工具栏和菜单栏的作用，以及MATLAB的帮助功能。 2
（2）重点： MATLAB软件的操作界面。 （3）难点： MATLAB帮助功能的使用。 （4）教学要求：熟练掌握MATLAB的特点和主要功能，熟悉启动和退出MATLAB的方法，熟悉MATLAB的操作环境。 第三章 Simple Calculation and Graphs （1）教学内容：常见的主要命令，数、向量、矩阵的输入输出，特殊矩阵的生成，数组与矩阵的运算，多项式运算，二维图形的绘制与图象处理方法，特殊二维图形的绘制，三维图形的绘制。 （2）重点： 数组与矩阵的运算，二维图形的绘制与图象处理方法。 （3）难点：特殊矩阵的生成，三维图形的绘制。 （4）教学要求：掌握建立矩阵的方法以及MATLAB数据对象的特点和基本的运算法则，掌握绘制二维和三维图形的高层绘图函数，了解图象处理的基本方法。 第4章 Programming in MATLAB （1）教学内容： M文件的建立与打开，M文件的分类，程序控制结构：包括顺序结构、选择结构、循环结构，函数文件的基本结构和函数的调用，程序调试。 （2）重点：程序的编写和调用。 （3）难点：程序的编写。 （4）教学要求：掌握建立和执行M文件的方法，掌握利用If语句、Switch语句实现选择结构的方法，利用for 语句、While语句实现循环结构的方法，掌握编写和调用MATLAB函数的方法。 第5章 Creating a Model （1）教学内容： Simulink概述，Simulink操作环境，仿真模型的建立，子系统模块的建立和封装技术，仿真方法与参数选择，仿真举例。 （2）重点：模块的操作，模块的参数和属性设置，仿真模型的建立。 （3）难点：仿真模型的建立。 （4）教学要求：熟悉Simulink的操作环境，掌握绘制系统模型的方法和仿真参数的选择方法，掌握子系统模块的建立和封装。 第6章 Simulation and Analysis （1）教学内容：典型的工具箱，实际学科领域的应用实例，系统的仿真与分析。 （2）重点：系统的仿真与分析。 （3）难点：系统的仿真与分析。 （4）教学要求：综合利用所学的MATLAB程序设计知识，针对具体问题，选择合适的解决方案，灵活掌握利用MATLAB解决实际问题的方法，熟悉MATLAB在相关学科领域的应用实例。 三、实验教学内容（若有课程内实验的填写此项，无课内实验的不填此项内容） 实验 (一) （2学时）： 1、 实验类别：必做 2、 实验性质：验证性 3
3、实验教学内容：MATLAB下矩阵的运算和函数的编制。 (1) 熟悉MATLAB工作环境、基本功能的设置以及基本指令的使用 (2) 掌握MATLAB矩阵的运算方法，并进行实际操作； （3）掌握MATLAB中函数的编制方法，并进行实际操作。 4、实验教学目的：通过实验，让学生全面掌握MATLAB软件中高级语言程序的设计思想和方法，掌握MATLAB语言的特点，MATLAB语言的语法规则，MATLAB语言的表达式及控制流程；使学生达到能够熟练使用MATLAB语言解决常见实际问题的能力。 5、实验教学要求： (1) 复习和掌握与本实验有关的教学内容，明确实验目的和任务。 (2) 上机进行程序编写。 (3) 对运行中可能出现的问题应事先做出估计，对程序中自己有疑问的地方做出标记。 6、主要仪器设备：微型计算机，MATLAB软件 实验 (二) （2学时）： 1、 实验类别：必做 2、 实验性质：验证性 3、实验教学内容：MATLAB下二维和三维图形的绘制。 (1) 利用MATLAB语言进行二维和三维图形的绘制 (2) 绘制三角函数、立体曲面图形、复杂数学函数曲线，并且对图像文件进行处理，对图片需要标注的地方加以说明。 4、实验教学目的：通过实验，让学生熟练掌握利用MATLAB语言进行二维和三维图形的绘制，并对所得到的仿真图形进行处理。 5、实验教学要求： (1) 复习和掌握与本实验有关的教学内容，明确实验目的和任务。 (2) 上机进行程序编写。 (3) 对运行中可能出现的问题应事先做出估计，对程序中自己有疑问的地方做出标记。 6、主要仪器设备：微型计算机，MATLAB软件 实验 (三) （2学时）： 1、 实验类别：必做 2、 实验性质：设计性 3、实验教学内容：SIMULINK下数学模型的建立与仿真。 (1) 熟悉MATLAB工作环境下的SIMULINK模块的使用方法。 (2) 掌握SIMULINK模块的使用技术，包括模块参数的设置以及建立子系统的方法，建立仿真模型。 4、实验教学目的：通过实验，让学生全面掌握常用的SIMULINK模块的功能和使用方法，掌握利用SIMULINK在用户窗口下建立系统仿真模型的方法。 4
5、实验教学要求： (1) 复习和掌握与本实验有关的教学内容，明确实验目的和任务。 (2) 上机进行SIMULINK模块的搭建。 (3) 对运行中可能出现的问题应事先做出估计，对仿真中自己有疑问的地方做出标记。 6、主要仪器设备：微型计算机，MATLAB软件 实验 (四) （2学时）： 1、 实验类别：必做 2、 实验性质：设计性 3、实验教学内容：：SIMULINK高级模块的应用技巧及在自动控制系统中的应用。 (1) 熟悉SIMULINK高级模块的使用方法。 (2) 掌握SIMULINK仿真软件在实际自动控制系统中的应用，针对所得系统的仿真图形进行分析。 4、实验教学目的：通过实验，让学生了解更多SIMULINK模块的工作原理和使用方法，根据实际系统建立仿真模型，并对实际自动控制系统进行仿真设计及分析。 5、实验教学要求： (1) 复习和掌握与本实验有关的教学内容，明确实验目的和任务。 (2) 针对实际自动控制系统进行SIMULINK模块的搭建。 (3) 对运行中可能出现的问题应事先做出估计，对仿真中自己有疑问的地方做出标记。 6、主要仪器设备：微型计算机，MATLAB软件
四、课程学时分配 教学内容 学时 理论 实验 课外 1 Computer Simulation 2 2 Introduction to MATLAB 2 3 Simple Calculation and Graphs 6 4 4 Programming in MATLAB 4 5 Creating a Model 6 2 6 Simulation and Analysis 4 2 合计 32 五、课外内容及要求 课前认真预习，对上课所讲解的内容需要初步了解。 六、考核方式及成绩评定方法