计算机建模与仿真-实验指导书-2015
计算机仿真与建模技术
计算机仿真与建模技术计算机仿真与建模技术是一种通过使用计算机程序和算法对现实世界中的问题进行模拟和建模的方法。
它在科学研究、工程设计、产品开发、风险评估等领域发挥着重要的作用。
本文将从介绍计算机仿真与建模技术的概念和原理，探讨其应用领域以及未来发展前景。
一、计算机仿真与建模技术概述计算机仿真是指通过计算机程序来模拟和重现现实世界中的各种现象和过程。
而计算机建模是指利用数学模型和算法对现实世界中的事物进行描述和分析。
计算机仿真与建模技术结合了计算机科学、数学和相关学科的知识，可以对复杂的系统和现象进行精确的模拟和建模。
二、计算机仿真与建模技术原理计算机仿真与建模技术基于一系列的数学模型和仿真算法。
数学模型是对问题和系统的抽象和描述，它可以通过公式、方程组、图形等形式来表达。
仿真算法是基于数学模型和计算机程序的计算方法，通过对模型和算法的计算和迭代，可以得到系统在不同条件下的行为和结果。
三、计算机仿真与建模技术的应用领域1. 科学研究领域：计算机仿真与建模技术在科学研究中发挥着重要作用。
例如，在物理学研究中，可以利用计算机仿真技术模拟和分析复杂的物理过程，如原子结构、粒子运动等。
在生物学研究中，可以通过建立生物系统的模型，来研究生物过程和生物系统的行为。
2. 工程设计领域：计算机仿真与建模技术在工程设计中有广泛应用。
比如，在航空航天领域，可以通过仿真技术对航空器的飞行性能、结构强度等进行评估和优化。
在汽车工程中，可以根据仿真结果进行车辆设计和性能测试。
在建筑工程中，可以通过仿真模拟建筑物的结构和性能，进行静力和动力分析。
3. 产品开发领域：计算机仿真与建模技术在产品开发中起到了重要的作用。
通过对产品的仿真和建模，可以在产品设计阶段进行快速原型制作，减少开发时间和成本。
同时，还可以模拟产品的使用场景和使用过程，以评估产品的性能和用户体验。
4. 风险评估领域：计算机仿真与建模技术可以用于风险评估和预测。
计算机仿真与建模实验报告
中南大学计算机仿真与建模实验报告题目：理发店的服务过程仿真姓名：XXXX班级：计科XXXX班学号：0909XXXX日期：2013XXXX理发店的服务过程仿真1 实验案例 (2)1.1 案例：理发店系统研究 (2)1.1.1 问题分析 (3)1.1.2 模型假设 (3)1.1.3 变量说明 (3)1.1.4 模型建立 (3)1.1.5 系统模拟 (4)1.1.6 计算机模拟算法设计 (5)1.1.7 计算机模拟程序 (6)1实验案例1.1 案例：理发店模拟一个理发店有两位服务员A和B顾客随机地到达该理发店,每分钟有一个顾客到达和没有顾客到达的概率均是1/2 , 其中60%的顾客理发仅用5分钟,另外40%的顾客用8分钟. 试对前10分钟的情况进行仿真。
（“排队论”，“系统模拟”，“离散系统模拟”，“事件调度法”）1.1.1 问题分析理发店系统包含诸多随机因素，为了对其进行评判就是要研究其运行效率，从理发店自身利益来说，要看服务员工作负荷是否合理，是否需要增加员工等考虑。
从顾客角度讲，还要看顾客的等待时间，顾客的等待队长，如等待时间过长或者等待的人过多，则顾客会离开。
理发店系统是一个典型的排队系统，可以用排队论有关知识来研究。
1.1.2 模型假设1．60％的顾客只需剪发，40％的顾客既要剪发，又要洗发； 2．每个服务员剪发需要的时间均为5分钟，既剪发又洗发则花8分钟； 3．顾客的到达间隔时间服从指数分布； 4． 服务中服务员不休息。
1.1.3 变量说明u ：剪发时间（单位：分钟），u=5m ；v: 既剪发又理发花的时间（单位：分钟），v=8m ；T ： 顾客到达的间隔时间，是随机变量，服从参数为λ的指数分布，（单位：分钟）T 0：顾客到达的平均间隔时间（单位：秒），T 0＝λ1；1.1.4 模型建立由于该系统包含诸多随机因素，很难给出解析的结果，因此可以借助计算机模拟对该系统进行模拟。
考虑一般理发店的工作模式，一般是上午9：00开始营业，晚上10：00左右结束，且一般是连续工作的，因此一般营业时间为13小时左右。
软件建模与UML实验指导书
软件建模与UML 实验指导书西安科技大学前言抽象、分解、模型化是计算机科学的主要技术手段。
由于软件系统的复杂性以及人们对复杂性的认识能力有限，因此系统的设计者在系统设计之初往往无法全面理解整个系统。
此时，人们就需要对系统进行建模。
建模可以使设计者从全局把握系统及其内部的联系，而不致陷入纷杂的细节之中。
模型可使具有复杂关系的信息简单易懂，使人们容易洞察系统的规律，并能有效地让人们将系统需求映射到软件结构上。
统一建模语言（Unified Modeling Language, 简称UML）是一种定义良好、易于表达、功能强大的面向对象建模语言。
适用于系统开发过程中从需求规格描述直到系统完成后的测试和维护。
统一建模语言（UML）的产生为面向对象技术的推广规定了一致的表示，支持用例驱动，以架构为中心以递增和迭代地进行软件开发。
Rational Rose集中体现了当代软件开发的先进思想，把面向对象的建模与螺旋上升式的开发过程相结合，支持团队开发，并且综合了其它的开发技术，提供了对UML标准的完美支持。
本实验指导书试图通过一些实际的例子，使学习者熟悉Rational Rose开发环境，培养学习者运用面向对象思想分析和解决实际问题的能力，掌握UML建模技术，以达到系统的掌握面向对象的软件开发技术。
本书由计算机系教师高晔、杨晓强、付立东编写。
高晔编写了UML概况及实验1，2，3；杨晓强编写了实验5，6；付立东编写了实验7，8，9。
硕士生段建荣负责文字及插图编辑，全书由高晔副教授统稿，软件工程教研室主任付燕副教授审阅。
由于作者水平所限，难免存在一些不足之处，恳请读者批评指正。
2007年7月内容简介本书是为大学计算机类相关专业《软件建模与UML》课程编写的实验指导书，旨在指导学生了解、熟悉Rational Rose 开发环境，应用并熟练掌握UML的基本知识，理解面向对象的分析与设计方法，熟悉面向对象软件开发过程。
本书结合《软件建模与UML》课程内容，编写了八个专题实验和一个综合型实验。
计算机仿真与建模
计算机仿真与建模计算机仿真与建模是一种通过使用计算机编程和数学模型来模拟和模拟现实世界中的各种现象和系统的技术。
它广泛应用于各个领域，包括物理学、化学、生物学、经济学等等。
计算机仿真与建模不仅可以帮助我们更好地理解复杂系统的运行原理，还可以帮助我们优化系统设计、预测系统性能和行为，并且大大减少了试错成本和风险。
一、计算机仿真的原理和方法计算机仿真的基本原理是将现实世界中的系统抽象成数学模型，然后通过计算机程序来模拟系统的运行过程。
计算机仿真主要涉及以下几个方面的内容：1. 系统建模：在进行计算机仿真之前，需要将所研究的系统抽象成数学模型。
数学模型可以是一些方程组、差分方程、微分方程或者代数方程等等。
2. 数据收集：在进行计算机仿真之前，需要搜集系统所需的相关数据和参数。
这些数据和参数可以通过实验、观测或者文献研究等获得。
3. 编程实现：将建立好的数学模型和收集好的数据转化成计算机程序，编写相应的代码实现系统的仿真和模拟。
4. 仿真运行：将编写好的计算机程序运行起来，观察系统的行为和性能。
通过对系统的仿真运行结果进行分析和评估，可以获取对系统的深入理解，并且为系统的优化和改进提供依据。
二、计算机仿真的应用领域计算机仿真与建模在各个学科和领域中都有着广泛的应用。
1. 物理学：计算机仿真可以帮助物理学家模拟和预测物理系统的行为和性能。
例如，在粒子物理学研究中，计算机仿真可以模拟宇宙大爆炸的起源和行为，并且通过模拟结果来验证或者改进现有的理论。
2. 化学：计算机仿真可以模拟和分析化学反应的动力学过程，预测反应速率和产物的生成情况。
这可以帮助化学工程师优化工业生产过程，提高生产效率和产品质量。
3. 生物学：计算机仿真可以模拟生物系统的行为和演化过程。
例如，在生态学研究中，可以通过计算机仿真模拟物种的相互作用和演化，以预测生态系统的稳定性和变化趋势。
4. 经济学：计算机仿真可以用来建立经济模型，研究经济系统的行为和效果。
flexsim实验指导书
实验一多产品多阶段加工仿真系统设计一、实验任务1）分析加工系统，各产品加工工艺路线和各工序加工时间；2）使用flexsim仿真系统，计算产品在队列中的平均等待数量和平均等待时间；3）利用flexsim的Statistics工具，进行产品到达时间的随机性对队列中产品的平均等待数量和平均等待时间的影响分析4）利用flexsim的Statistics工具，进行生产系统平衡分析，找出瓶颈并进行改善验证。
二、实验目的1）了解flexsim建模仿真过程。
2）学会使用flexsim进行多产品多阶段加工仿真系统设计。
3）锻炼学生的生产系统规划与分析设计的仿真和改进优化的实践能力。
三、实验原理对制造车间而言，设施规划与物流分析与生产系统密切相关，前者服务于后者，而后者是前者的分析基础。
因此生产系统规划与平衡分析设计是进行设施规划与物流分析的前期重要工作。
生产系统的规划与平衡分析，以各产品的加工工艺路线及各工序加工时间为主要因素，通过对各工件（或原材料）等的到达时间及各工序的平均服务时间进行统计分析以确定各自的时间分布函数，并进行平衡分析，以此确定生产系统的瓶颈所在。
本实验将在建立生产系统仿真模型的基础上，将各项时间分布函数及产品加工路径参数输入flexsim仿真系统，设置仿真时间进行生产系统的仿真计算，通过分析仿真报告进行生产系统平衡分析，找出机器组瓶颈并进行改善，通过改善前后数据对比分析确定改善方案是否可行。
四、实验仪器及设备1）微机2）flexsim教学版仿真软件五、实验内容及步骤1．了解flexsim的用户界面及其建模仿真过程flexsim用户界面如图1所示，除工具栏、菜单栏、状态栏外，主要有实体库区和视图区。
实体库区视图区菜单栏工具栏状态栏图1 flexsim 用户界面2． 了解实验对象——多产品多阶段加工系统某生产系统生产三类产品，三种类型的产品随机的来自于工厂的其它部门，然后分别由系统中的三台机器进行加工（即每台机器加工一种特定类型的产品），加工完成后，由同一台检验设备（检测站）对它们进行检验。
计算机仿真实验指导书(自编)
《计算机仿真》实验指导书陕西科技大学造纸工程学院过程装备与控制系前言《计算机仿真技术》课程的教学内容为MATLAB软件的基本编程与应用操作，由于该软件功能太多，使用范围和涉及的应用领域较广，是一门实用性很强的专业技术课程，要使学生学习好本门课，除在课堂上做基本应用方法的学习外，还必须有针对性的学习与专业理论知识相关的应用方法，由于该课程的特殊性，要求学生边学习边上机操作和练习，通过具体的专业问题来掌握和熟练该软件的基本使用方法，所以上机实验是必不可少的一个掌握软件操作方法的重要学习环节。
MATLAB软件是一种进行科学与工程计算的交互式程序语言，能够方便地进行矩阵运算及控制和信息处理领域的分析计算，它是用于自动控制系统分析设计、系统辨识和信号处理的仿真工具。
为了使自动化专业与电气工程与自动化专业的学生更好的掌握计算机仿真技术，根据教学要求，我们特编写了《计算机仿真技术》实验指导书，与理论课程的教学配套使用。
根据我校《计算机仿真技术》课程教学大纲的要求，在学生学习完相关课程并对所学的基本知识有了初步的了解后，再经过实验训练，掌握所学理论的实际应用方法，为今后从事自动控制领域的相关工作打下扎实的基础。
本实验指导书是根据学校教学大纲要求掌握的内容编写的,有实验项目十个，任课老师可根据各专业的教学大纲以及教学计划的安排，选做部分或全部的实验项目。
本实验指导书可供过程装备与控制专业、自动化专业和电气工程与自动化专业的学生使用。
本实验指导书在编写过程中，由于水平有限，不足与失误在所难免，将在使用中不断进行补充与修改，更希望得到宝贵意见和建议。
陕西科技大学造纸学院过程装备与控制系目录实验一M a t l a b环境语法及数学运算 (2)实验二M a t l a b数值运算与绘图 (3)实验三M a t l a b基本编程方法 (4)实验四控制系统仿真（一） (8)实验五控制系统仿真（二） (8)实验六S I M U L I N K仿真 (10)实验七三相桥式全控整流仿真实验 (13)实验八P W M脉宽调制电路的仿真实验 (13)实验九单闭环直流调速系统的MATLAB仿真 (14)实验十双闭环直流调速系统的MATLAB仿真 (15)实验一 Matlab环境语法及数学运算（验证性实验）一、实验目的1、掌握 Matlab 软件使用的基本方法；2、熟悉 Matlab 的数据表示、基本运算方法；3、熟悉 Matlab 绘图命令及基本绘图控制。
计算机仿真与建模方法
计算机仿真与建模方法计算机仿真与建模是一种利用计算机技术来模拟和重现现实系统或过程的方法。
它被广泛应用于各个领域，包括工程、科学、医学、社会科学等。
本文将介绍计算机仿真与建模的基本原理和常见方法，并探讨其在不同领域中的应用。
一、计算机仿真与建模的基本原理计算机仿真与建模的基本原理是通过数学模型来描述现实系统或过程，并运用计算机技术进行模拟和分析。
其基本步骤包括：系统建模、模型验证、仿真实验和结果评估。
1. 系统建模系统建模是计算机仿真与建模的第一步。
它涉及到对待模拟系统的深入了解，包括系统的结构、特性和行为规律等。
建模可以采用不同的方法，如数学建模、物理建模或逻辑建模等，具体选择取决于模拟对象的特点和研究目的。
2. 模型验证模型验证是保证仿真结果准确性的关键环节。
它包括对模型的数学基础、逻辑关系和参数设定进行检验和验证。
验证方法包括对比实测数据、与已有模型对比和理论推导等。
3. 仿真实验仿真实验是计算机仿真与建模的核心环节。
在仿真实验阶段，利用计算机技术对建立的数学模型进行模拟和分析，得到仿真结果。
实验中会根据需要对系统参数进行调整，以观察不同条件下系统的行为变化。
4. 结果评估结果评估是对仿真实验结果进行分析和评价的过程。
评估结果可以与实际系统进行对比，评估仿真模型的可靠性和准确性。
评估结果还可以为实际系统的改进提供参考和指导意见。
二、常见的计算机仿真与建模方法计算机仿真与建模方法有多种，具体的选择取决于模拟对象的特点和研究目的。
以下列举了几种常见的方法：1. 数值模拟方法数值模拟方法是计算机仿真与建模中常用的一种方法。
它通过将实际问题离散化为一系列数学方程，然后利用数值计算方法求解这些方程，得到仿真结果。
数值方法包括有限元法、差分法、有限差分法等，适用于各种工程、物理和科学领域的仿真建模。
2. 离散事件模拟方法离散事件模拟方法是一种基于事件驱动的仿真方法。
它将系统建模为一系列离散的事件，并模拟这些事件的发生时间和处理过程，得到仿真结果。
计算机仿真实验指导书
计算机仿真实验指导书计算机仿真实验指导书主编：范为幅中原工学院电子信息学院二 0 一二年十月前言《计算机仿真》课程是近几十年发展的一门综合性技术学科，尤其对自动控制系统进行分析设计和综合研究提供了先进的手段，这门课程涉及到计算机原理、数值分析、自动控制理论以及控制系统设计等诸方面的内容，是一门综合性与实践性较强的专业课。
由于本门课程是一门综合性实验学科，具有很强的实验性的特点，在教学过程中应特别注意加强实验环节，配合课堂教学的进程，加强理论与实践紧密结合，学以致用。
为此我们编写了计算机仿真实验指导书，作为上机实验参考。
《计算机仿真》实验包括六个上机实验，供我院自动化类专业教学选用。
实验内容包括：面向系统结构图的仿真程序调试、初试MATLAB、基于MATLAB的系统时域分析、系统的根轨迹与频域分析、SIMULINK设计、基于MATLAB的系统分析与设计。
本书由范为福老师编写，王东云、王小雷、张谦老师审核。
1目录第一章概述……………………………………………………………………3 第二章实验要求及注意事项…………………………………………………4 第三章实验项目………………………………………………………………5 实验一面向系统结构图的仿真程序调试……………………………………5 实验二初试MATLAB ……………………………………………………………9 实验三基于MATLAB的系统时域分析…………………………………………12 实验四系统的根轨迹与频域分析……………………………………………15 实验五 SIMULINK设计…………………………………………………………13 实验六基于MATLAB的系统分析与设计………………………………………13 第四章上机实验涉及的程序清单及常用命令函数..............................16 第五章参考文献 (22)2第一章概述控制系统的计算机仿真是分析、研究、设计自动控制系统的一种快速而经济的辅助手段，同时它还是控制系统教育和训练的一种有效方法，是从事自动控制研究与工程设计技术人员必须掌握的一门技术,因而在自动控制领域中已得到广泛的重视与应用。
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《计算机建模与仿真》
实验指导书
金陵科技学院机电工程学院电气系
2015年3月
实验一、MATLAB 的基本语法
一、实验目的和要求
1熟悉数组和矩阵的运算； 2熟悉二维图的绘制。
二、实验仪器和设备
计算机一台
三、实验过程
记录下面习题的程序和运行后的结果。
1、计算
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=572396a 与⎥⎦⎤⎢⎣⎡=864142b 的数组乘积。
2、对于B AX =，如果
⎥⎥
⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡=753467294A ，⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=282637B ，求解X 。
3、已知：
⎥⎥
⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡=987654321a ，分别计算a 的数组平方和矩阵平方，并观察其结果。
4、角度[]604530=x ，求x 的正弦、余弦、正切和余切。
5、将矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡=7524a 、⎥⎦⎤⎢⎣⎡=3817b 和
⎥⎦⎤⎢⎣⎡=2695c 组合成两个新矩阵：
（1）组合成一个4⨯3的矩阵，第一列为按列顺序排列的a 矩阵元素，第二列为按列顺序排列的b 矩阵元素，第三列为按列顺序排列的c 矩阵元素，即 ⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢
⎢⎢⎢⎣⎡237
912685574
（2）按照a 、b 、c 的列顺序组合成一个行矢量，即 []296531877254
6、解方程组⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣
⎡66136221143092x 。
7、绘制曲线1
3++=x x y ，x 的取值范围为[-5,5]。
8， 有一组测量数据满足1
-at e +=y ，t 的变化范围为0~10，用不同的线型和标记点画出a=0.1、a=0.2和a=0.5三种情况下的曲线,在图中添加标题1
-at e +=y ，并标识出各曲线a 的取值，并添加
图例框。
9
10， x= [66 49 71 56 38]，绘制饼图，并将第五个切块分离出来。
四、实验结果与分析
请每位同学自己编写，可写这次实验的心得体会
实验二、MATLAB 的符号运算
一、实验目的和要求
熟悉符号运算；（函数的合并、化简、展开；微分、积分；方程求解；符号表达式绘图）
二、实验仪器和设备
计算机一台
三、实验过程
记录下面题目的程序和运行后的结果。
1、 因式分解：（1）65552
34-++-x x x x ；（2）f=x 9-1
2、 展开表达式f=(x+1)5和f=sin(x+y)
3、对于表达式f=x(x(x-6)+12)t, 分别将自变量x 和t 的同类项合并。
4、对表达式 f=x/y+y/x 进行通分。
5、分别计算表达式x x x )sin(lim
0→及x x x a
)1(lim _
+∞→和x
x e -∞→lim
6、分别计算表达式f=x x 的导数和3次导数.
7、分别计算表达式dx x x ⎰+-22)1(2、dx
z x
⎰+2)1(、
dz z x
⎰+2)1(和⎰+1
0)1log(dx x x 。
8、求解代数方程组x 2-y 2+z=10, x+y-5z=0, 2x-4y+z=0
9、求微分方程2
2dx y d =-a 2y 当y(0)=1及0)(=a dx dy π
时的特解。
10、绘制函数表达式x 2-y 2的二维图形
11、在极坐标下绘制函数表达式1+cos(t)的二维图形。
12、根据表达式x=sin(t), y=cos(t) 和z=t, 绘制三维曲线.
四、实验结果与分析
请每位同学自己编写，可写这次实验的心得体会
实验三、MATLAB 的高级运算
一、实验目的和要求
熟悉MATLAB 的高级运算；（矩阵的分析与运算、多项式的运算、数据类型定义等）
二、实验仪器和设备
计算机一台
三、实验过程
记录下面题目的程序和运行后的结果。
1、 将(x-6)(x-3)(x-8)展开为系数多项式的形式。
2、求解多项式x 3-7x 2+2x+40的根。
3、 求解在x=8时多项式(x-1)(x-2) (x-3)(x-4)的值。
4、计算多项式5141242
3+--x x x 的微分（求导）。
5、矩阵
⎥⎥
⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡-=943457624a ，计算a 的行列式和逆矩阵。
6、y=sin(x)，x 从0到2π，∆x=0.02π，求y 的最大值、最小值、均值和标准差。
7、求代数方程012927432
3
4
5
=+++++x x x x x 的所有根。
8、设方程的根为x=[-3，-5，-8，-9]，求它们对应的x 多项式的系数。
9、设x
x x x x x x f 1cos 5sin 2)(2
3+
+-= （1）、画出它在x=[0，4]区间的曲线，求出它过零点的值。
（2）、求此曲线在x 轴上方第一块所围的面积的大小。
四、实验结果与分析
请每位同学自己编写，可写这次实验的心得体会
实验四、MATLAB 综合运用
一、实验目的和要求
1、会用MATLAB 求电阻电路。
（节点电压法、戴维南定理等）
2、会用MATLAB 求正弦稳态电路。
3、掌握自动控制系统中模型的转换方法。
4、会用MATLAB 求自动控制系统的传递函数。
二、实验仪器和设备
计算机一台
三、实验过程
1、已知条件如下图所示。
求:RL 为何值时,能获得最大功率.
2、已知Us=100V ，I1=100mA ，电路吸收功率P=6W ，XL1=1250Ω，XC2=750Ω,电路呈感性，求R3及XL3。
3、求图示系统的传递函数，其中K1=10，K2=20。
R L U s
0.2
0.1s 2+1
0.2s 0.8
K 2
4、已知系统状态空间模型为：
求其零极点模型。
5、系统的零极点增益模型如下：
求系统的传递函数模型和状态空间模型。
四、实验结果与分析
请每位同学自己编写，可写这次实验的心得体会
[]u x y u x x +=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=31102110 )
5)(2)(1()
3(6)(++++=s s s s s G。