计算机仿真课件第一章
第一章 计算机仿真技术绪论
随着现代工业的发展，科学研究的深入与计算机软 、硬件的发展，仿真技术已成为分析、综合各类系统 ，特别是大系统的一种有效研究方法和有力的研究工 具。
1.2 连续系统仿真技术
一、基本原理分类
C态的解释就必须暗含着对A态和
B态的了解。这就是系统的动态 图1.1.1 系统的动态性
性。
1.1 系统仿真的基本概念
建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运 动规律。因此不仅要定性地了解系统，还要定量地分析 、综合系统，以便能更准确地解决工程、自然界和现代 社会中的种种复杂问题。定量地分析、综合系统最有效 的方法是建立系统的模型，并使用高效的数值计算工具 和算法对系统的模型进行解算。
高等学校规划教材
计算机仿真技术
吴旭光 杨惠珍 王新民 编著
❖ 化学工业出版社
第一章 绪论
这一章将介绍计算 机仿真的基本概念、它 所包括的内容以及发展 状况，即我们将从横向 和纵向来阐述计算机系 统仿真的内涵。
所有这些内容将为 学习计算机仿真技术和 以后更进一步的研究建 立一个基础。
1.1 系统仿真的基本概念
上一节我们讲过，仿真就是模仿一个真实系统，所遵循的 基本原则就是相似原理。根据相似论的研究方法和仿真技术的 研究方法，在建立物理系统的模型时，我们认为物理系统和模 型应该满足几何相似、环境相似和性能相似中的一种或几种。
1.2 连续系统仿真技术
几何相似就是把真实系统按比例放大
或缩小，其模型的状态向量与原物理系统 的状态完全相同。土木建筑、水利工程、 船舶、飞机制造多采用几何相似原理进行 各种仿真实验。 环境相似，就是人工在实验室里产生与 所研究对象在自然界中所处环境类似的条 件，比如飞机设计中的风洞，鱼雷设计中 的水洞、水池等等。
计算机仿真技术1ppt课件
之能重现原系统的各种状态。 ②数学仿真：它就是用数学语言去表述一个系统，并编制
程序在计算机上对实际系统进行研究的过程，这种数学 表述就是数学模型。 ③半实物仿真：也称为混合仿真或物理——数学仿真。
六、计算机仿真的一般过程 （见图1-2所示）
6
§1.1 计算机仿真的基本概念（续2）
3.连续系统和离散系统 ①连续系统：一个系统的状态随时间的变化是连续的。 ②离散系统：一个系统的状态随时间成间断或突然改变。
4.其它分类方法
三、系统模型 系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质
（或是系统某种特性）的一种描述。 模型可以分为实体模型和数学模型两大类。
如果要评价一个模型的好坏，一般遵循以下原则： ⑴精确性：相似度
8
§1.1 计算机仿真的基本概念（续4）
⑵合理性：同一系统可建不同模型，关键是对研究问 题有利。
⑶复杂性：在满足精度的前提下，越简单越好。 ⑷应用性：遵循输入量是可以测量的原则。 ⑸鲁棒性：适应的工况范围宽。 五、计算机仿真 1.仿真的概念
2
计算机仿真技术
第一章 概论 第二章 系统建模的基本方法与模型
处理技术 第三章 连续系统的数字仿真 第四章 离散事件系统仿真 第五章 计算机仿真软件
3
第一章 概论
§1.1 计算机仿真的基本概念 §1.2计算机仿真的历史及现状 §1.3计算机仿真的发展与展望
4
§1.1 计算机仿真的基本概念
10
§1.1 计算机仿真的基本概念（续6）
计算机仿真的一般过程可描述如下： ⑴根据仿真目的确定方案 ⑵建立系统的数学模型 ⑶建立仿真模型 ⑷编写仿真程序 ⑸进行仿真实验 ⑹仿真结果分析
计算机仿真技术PPT
对于模型的实验应该说是在进行系统研究中的主要手段，选择在模型上 进行实验的原因主要有以下原因： （1）系统尚未设计出来 （2）某些实验会对系统造成伤害 （3）难以保证实验条件的一致性 （4）费用高 （5）无法复原
1.1.3 模型的建立
1.模型
不管采用何种相似形式，仿真的进行都是在模型的基础上进行的，系统的仿真离不开相关的模型，而模型 的好坏与否对系统的仿真是否真正能够和系统“相似”具有决定性的作用。对于不同的专业和研究特点， 其模型应用的侧重点是不一样的，并且在系统仿真研究的不同阶段，其模型的应用也是不一样的。例如在 系统的理论学习阶段模型侧重于数学模型，而在系统的应用实验阶段，物理模型是不可或缺的。另外，随 着现代科学技术的发展，一些模型并不能用传统的数学模型来表示，而是需要采用描述性的语言来建立所 谓的系统数学模型，例如模糊控制的模型。在科学研究的过程中，也需要先有理论模型分析、半实物模型 实验分析和实物运行验证等阶段。一个好的模型是工程设计或科学研究的基础，建立一个好的数学模型， 需要对所要研究系统的内涵及外延有一个比较清晰的认识，从而使模型能够代表所研究的系统。模型可以 是物理模型、数学模型、混合模型甚至是语言描述模型，在本书中主要讲述或应用数学模型。
1.理论解析法
所谓理论解析法，就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的 分析、计算。它是在进行理论学习的一个必然应用的方法，其通过 理论的学习掌握有关的系统的客观规律，通过理论分析推导来对系 统进行研究。
q1
hq2图1-2 单容箱液位控制系统如图1-2所示的单容水箱液位控制系统，通过体积和液位的平衡关系,可 以得到其数学模型。 (1.1)
2.数学模型的建立
建立系统模型就是（以一定的理论依据）把系统的行为概括为数学的函数关系。下面以一种直线倒立摆 建模的过程来说明建模的基本步骤： 1）确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动。 在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和均匀质杆组成的系统，如下 图所示：
《计算机仿真教案》课件
《计算机仿真教案》PPT课件第一章：计算机仿真概述1.1 计算机仿真的概念解释计算机仿真的定义强调计算机仿真在科学研究和工程设计中的重要性1.2 计算机仿真的分类介绍连续系统仿真和离散系统仿真的区别列举常见的计算机仿真方法和技术1.3 计算机仿真的应用领域概述计算机仿真在各个领域的应用实例强调计算机仿真在现代社会中的广泛应用第二章：计算机仿真原理2.1 计算机仿真的基本原理解释计算机仿真的基本原理和方法强调计算机仿真需要基于数学模型和算法2.2 计算机仿真的建模方法介绍常见的建模方法，如机理建模、统计建模和机器学习建模强调建模方法的选择和验证的重要性2.3 计算机仿真的求解方法介绍常见的求解方法，如数值求解、符号求解和优化求解强调求解方法的选择和收敛性的考虑第三章：计算机仿真工具3.1 计算机仿真软件介绍概述常用的计算机仿真软件，如MATLAB/Simulink、Ansys和SolidWorks等强调仿真软件的功能和适用领域3.2 计算机仿真软件的使用方法介绍如何使用计算机仿真软件进行仿真的基本步骤强调仿真软件的操作技巧和注意事项3.3 计算机仿真软件的选用原则讨论如何选择合适的计算机仿真软件强调根据实际需求和预算进行合理选择第四章：计算机仿真实验4.1 计算机仿真实验的设计介绍如何设计和规划计算机仿真实验强调实验设计的合理性和可行性4.2 计算机仿真实验的执行介绍如何执行计算机仿真实验强调实验过程中数据的采集和记录的重要性4.3 计算机仿真实验的结果分析介绍如何分析计算机仿真实验的结果强调结果分析的准确性和可靠性第五章：计算机仿真的评估与优化5.1 计算机仿真的评估方法介绍常见的计算机仿真评估方法，如误差评估、效率评估和可信度评估强调评估方法的选择和实施的重要性5.2 计算机仿真的优化方法介绍常见的计算机仿真优化方法，如参数优化、结构优化和算法优化强调优化方法的选择和实施的有效性5.3 计算机仿真的改进与提升讨论如何根据评估和优化结果改进和提升计算机仿真强调持续改进和更新仿真模型的重要性第六章：计算机仿真的可视化6.1 仿真可视化的概念与意义解释仿真可视化在计算机仿真中的作用强调可视化对于理解和分析仿真结果的重要性6.2 可视化工具与技术介绍常用的仿真可视化工具，如Paraview、Maya和Unity等强调不同工具适用于不同类型的仿真数据6.3 可视化应用案例分析通过案例展示如何将可视化应用于仿真数据的展示和分析强调可视化在帮助决策和优化过程中的作用第七章：计算机仿真的并行计算7.1 并行计算基础介绍并行计算的基本概念和原理强调并行计算在提高仿真效率方面的作用7.2 并行仿真方法介绍并行仿真的常见方法和实现策略强调在不同场景下选择合适的并行仿真方法的重要性7.3 并行仿真工具与平台介绍常用的并行仿真工具和平台，如OpenFOAM和ParaView的并行计算功能强调并行仿真工具的选择和配置的重要性第八章：计算机仿真的不确定性分析8.1 不确定性分析的基本概念解释不确定性分析在计算机仿真中的重要性强调不确定性来源和影响因素的识别8.2 不确定性分析的方法介绍常见的不确定性分析方法，如蒙特卡洛模拟和敏感性分析强调不同方法的应用场景和优缺点8.3 不确定性分析的应用案例通过案例展示如何进行不确定性分析并指导仿真的改进强调不确定性分析在提高仿真可靠性和准确性的作用第九章：计算机仿真的验证与验证9.1 验证和验证的基本概念解释验证和验证在计算机仿真中的重要性强调验证和验证对于确保仿真准确性的作用9.2 验证和验证的方法介绍常见的验证和验证方法，如实验验证、理论验证和同行评审强调不同方法的选择和实施的重要性9.3 验证和验证的应用案例通过案例展示如何进行验证和验证并提高仿真的可信度强调验证和验证在仿真研究和应用中的关键作用第十章：计算机仿真的未来发展趋势10.1 新兴技术对计算机仿真影响讨论新兴技术如、大数据和物联网对计算机仿真的影响强调技术发展对仿真方法和工具的推动作用10.2 计算机仿真的跨学科应用概述计算机仿真在跨学科领域中的应用前景强调跨学科合作对仿真研究和应用的重要性10.3 计算机仿真的挑战与机遇讨论计算机仿真面临的挑战和机遇强调持续学习和发展以应对未来仿真领域的变化重点和难点解析一、计算机仿真的概念与分类：理解计算机仿真的定义及其在不同类型系统中的应用是学习仿真的基础。
计算机仿真 第1章 概述
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§1.1 计算机仿真的基本概念
仿真举例
计算机仿真反映出新的科学技术的时代特征, 它的应用为各个领域带来新气象和成果。 应用的领域有： 航空管理, 公交车的调度, 飞机设计, 动画设计, 三峡的安全、生态, 道路的修建, 医疗保险, 国债的发行, 家居装修, 炼钢的温度估计, 发电厂的操作训练, 飞行员训练， 鼠疫的检测和预报。
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§1.1 计算机仿真的基本概念
美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用
爱国者导弹
原计划发射
仿真后实发
节省导弹
节省费用 千万美元 8．0 4．2 2．5
爱国者
罗兰特 尾 刺
141 224 185
101 95 114
40 129 71
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§1.1 计算机仿真的基本概念
原子弹+氢弹核爆模拟
超级计算机上亿次模拟，不可能进行多次实物试验
变化，由于存在很大的偏差，顾客意见较多。因此，考虑
设计一个能自动控制冷、热水流量的装置，从而控制水罐 中流出的水温。
从现实问题开始
合理假设：假设供水装置中的混合水罐不存在热量散失问题 ，同时进入水罐中的热水、冷水在某种搅拌装置作用下，能 够均匀混合，配成温度适当的洗浴水。 问题的提出：如何设计冷、热水配比方案，才能使水罐中流 出的水的温度达到顾客满意程度，从而为装置的制造提供实 验数据，并能实现模拟装置运行的效果。
•
3
学习参考书
• 刘瑞叶.计算机仿真技术基础（第2版）.电子工业出版社(教材) • 赫培峰.计算机仿真技术. 机械工业出版社 • 郭齐胜.计算机仿真.国防工业出版社 • 翟华.机械系统仿真原理与应用.合肥工业大学出版社
• 张志涌.精通MATLAB R2011a.北京航空航天大学出版社
计算机仿真讲义
第一章 控制系统及仿真概述
控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综 合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行 的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿 真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。
第一节 控制系统仿真的基本概念
计算机仿真
讲 义
目录
目 录 .............................................................................................................................................. I 第一章 控制系统及仿真概述.........................................................................................................1
仿真模型建立：即是设计一种算法，以使系统模型能被计算机接受并能在计 算机上运行。
显然，由于在算法设计上存在着误差，所以仿真模型对于实际系统将是 一个二次简化模型。
仿真实验：即是对模型的运算。需要设计一个合理的、服务于系统研究的仿 真软件。
系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。
4．系统仿真的基本过程： （1）建立系统的数学模型； （2）转换成仿真模型； （3）编写仿真程序； （4）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，确认模型的正确性； （5）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统进行反复分析和研究。
1．系统： 系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动
计算机仿真.ppt
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。
计算机仿真的基本概念
飞机设计
飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。 实际的风洞试验费用巨大。 使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。
计算机仿真的基本概念
仿真举例
计算机仿真反映出新的科学技术的时代特
征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。
应用的领域有：
航空管理,
公交车的调度,
飞机设计,
动画设计,
三峡的安全、生态, 道路的修建,
医疗保险,
国债的发行,
家居装修,
炼钢的温度估计,
发电厂的操作训练, 飞行员训练，
鼠疫的检测和预报。
计算机仿真的基本概念
Cos (0x) / (0x)2 (at y)2 Sin (at y) / (0x)2 (at y)2
取时间间隔(步长)为t ,则在时刻 t+t ,D的位置是(x x, y y) ,
x btCos
y btSin
(*)
计算机仿真举例
算法:
赋初值:初始时刻 t0,时间步长 t ,速度a,b,初始位置c
找出系统的实体、属性和活动等。
建立模型；
模
选择合适的仿真方法（如时间步长法、事件表法
型 等）；确定系统的初始状态；设计整个系统的仿真流 构 程图。 造 收集数据；
编写程序、程序验证；
模型确认。
仿真研究的步骤
行模 与型 改的 进运
运行：确定具体的运行方案,如初始条件、参数、 步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。
计算机仿真技术第1章
1.2 自动控制系统仿真的基本概念
1.2.1 仿真的定义
自动控制系统的计算机仿真是指以数字计算机为主要工具， 编写并且运行反映真实的自动控制系统运行状况的程序。 对计算机输出的信息进行分析和研究， 从而对系统性能 进行评价。 系统仿真所依据的理论是相似性原理。即：真实系统与它 的数学模型和仿真模型在某种意义上是相似的。
3/17/2016
MATLAB主工具箱 符号数学工具箱 SIMULINK仿真工具箱 控制系统工具箱 信号处理工具箱 图象处理工具箱 通讯工具箱 系统辨识工具箱 神经元网络工具箱 金融工具箱
许多学科，在MATLAB中都有专用工具箱，现已有30 多个工具箱，但MATLAB语言的扩展开发还远远没有
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 1 2 3 4 5 6
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• 阶梯图
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用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形
1 0.5 0 -0.5 -1 4 2 0 -2 -4 -5 0 5
4 3 2 1 0 -1 -2 -3
ans =
Inf
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8.MATLAB的开放式可扩充结构
• • • matlab 所有函数都是开放的 用户可按自己意愿随意更改 正因为此功能，使得matlab的应用越来越广 泛
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9.强大的联机检索帮助系统
二、MATLAB语言的特点
• 语言简洁紧凑，语法限制不严，程序设计 自由度大，可移植性好 • 运算符、库函数丰富 • 图形功能强大 • 界面友好、编程效率高 • 扩展性强
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三、MATLAB语言的功能
•强大的数值（矩阵）运算功能 •广泛的符号运算功能 •高级与低级兼备的图形功能（计算结果的可视化 功能） •可靠的容错功能
【学习课件】第一章计算机仿真技术概论
– Svv=tf(Sxx) – [nn,dd]=tfdata(Svv,’v’) – %获得分子分母多项式系数
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ppt课件
部分分式展开
控制系统常用到并联系统，这时就要对系统函数进行分解，使其 表现为一些基本控制单元的和的形式。
[resG,polG,otherG]=residue(numG,denG) resG留数 polG极点
ss2zp： 状态空间模型转换为零极点增益模型
tf2ss： 传递函数模型转换为状态空间模型
tf2zp： 传递函数模型转换为零极点增益模型
zp2ss： 零极点增益模型转换为状态空间模型
zp2tf： 零极点增益模型转换为传递函数模型
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ppt课件
用法举例
已知系统状态空间模型为：
》A=[0 1; -1 -2]; B=[0;1];
– 线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为 常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。今 后我们所讨论的系统主要以线性定常连续系统为主。
– 线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序 列或数码形式。这类系统用差分方程来描述。
– 非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。
对这线时性系定统常在系MA统T，LA式B中中可s的以系方数便均地为由常分数子，和且分a母1不系等数于构零成，的 两个向量唯一地确定出来，这两个向量分别用num和den表 示。
num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[a1,a2,…,an,an+1] 注意：它们都是按s的降幂进行排列的。
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ppt课件
举例：传递函数描述
1） G(s)2s414 s23 s3 26ss42 2 2 2s 02 》num=[12,24,0,20];den=[2 4 6 2 2];
计算机仿真(虚拟样机)技术讲解
工程设计中的计算机辅助 工程CAE (Computer Aided Engineering)，指 用计算机辅助求解分析复 杂工程和产品的结构力学 性能，以及优化结构性能 等。
CAE软件可作静态结构分 析，动态分析；研究线性、 非线性问题；分析结构 （固体）、流体、电磁等。
参考书
参考书
1.2 计算机辅助设计 Computer-Aided Design
在当代，广义的CAD则是指 CAD/CAE/CAM/PDM的高度集成
CAD 侧重于产品的设计与开发 CAE (Computer Aided Engineer)
侧重于产品的优化与分析 CAM (Computer Aided Manufacture)
3D Screen
・3D Glasses ・Headphonydraulic Servo Valve Drive Unit
Frame Buffer Camera Pan
Control A/D D/A
Computer for Slave Side
LAN Cable Joystick
熊光楞：是一种基于产品的计算机仿真模型的数 字化设计方法，这些数字化模型就是虚拟样机， 能从视觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上 模拟真实产品。
4、虚拟样机技术的内容
数字化物理样机（DMU）－装配过程
型态特性 装配特性
功能虚拟样机（FVP:Functional Virtual Prototyping ）－分析过程
目前CAD技术已在电子和电气、科学研究、机械设 计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自 动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到 广泛应用。
计算机仿真00001
绪论
给定
调节器 反馈
传感器
扰动 加热炉
温度
图1-1 温度控制系统
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第1章
绪论
（2）属性 组成系统的每个实体都具备一定的 特征，这些特征称为系统
的属性。图1-1温度控制系统中，温度、偏差值、干扰量、燃料 量等就是实体的属性。
（3）活动 在内外部因素的作用下系统会按照一定的 规律发生变化 ，该 过程称之为活动。温度控制系统中，以调节电压或燃料的输入 量作为主要的活动。
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第1章
绪论
本章教学目的及要求
?理解自动控制的基本概念 ?掌握自动控制系统的组成及分类 ?掌握计算机仿真的基本概念 ?熟悉计算机仿真的特点及其应用
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第1章
绪论
1.1 自动控制的基本概念及其应用
1.1.1 控制理论的发展 1. 经典控制理论
经典控制理论以反馈控制系统的稳定性为目标，主要研 究单输入/单输出（SISO）系统。
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《控制系统计算机仿真技术》 课程简介
?数值积分法和离散相似法的仿真原理及应用； ?MATLAB 的基本知识及其应用； ?SIMULINK 交互式仿真和基本操作； ?控制系统仿真的应用实例分析。
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第1章
绪论
本章主要教学内容
?自动控制的基本概念及其应用 ?开、闭环控制系统的构成和特点 ?控制系统的分类和总体性能要求 ?计算机仿真的概念及其特点 ?系统仿真的分类及仿真过程 ?计算机仿真技术的应用
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第1章
绪论
1.1.2 自动控制的概念及其应用
1. 系统的定义 控制工程中系统定义为：由 相互联系 、相互作用
的物体所形成的具有 特定功能 和运动规律 的有机整体 。 如：一个 大型钢铁联合企业 可以看作是一个系统，
《计算机仿真技术》讲稿
计算机数学语言概述⏹其他数学分支积分变换、复变函数、偏微分方程、数据插值与拟合、概率论与数理统计、数值分析⏹其他相关课程电路、电子技术、电力电子技术、电机与拖动、自动控制原理第一章基础准备及入门MATLAB 语言的优势⏹编程简单，类似于其他语言，如C⏹集成度更高，扩展性更好⏹数学问题数值解能力强大⏹由Maple内核构成的符号运算工具箱可以继承Maple所有解析解的求解能力⏹在数学、工程领域各种“工具箱”⏹强大的系统仿真能力，Simulink建模⏹在控制界是国际首选的计算机语言本章有两个目的：一是讲述MA TLAB正常运行所必须具备的基础条件；二是简明系统地介绍高度集成的Desktop操作桌面的功能和使用方法。
一、操作桌面的缺省外貌MATLAB命令窗口(1) 命令窗口的菜单栏菜单栏共包含File、Edit、Window和Help四项。
File菜单项：New命令：用于建立M文件、图形窗口。
Open命令：打开一个已经建立的M文件。
（2）MA TLAB工作空间的常用操作指令二、通用操作界面Command Window 运行入门 Command Window 指令窗简介1. 最简单的计算器使用法【例1.3.2-1】求23)]47(212[÷-⨯+的算术运算结果。
（1）用键盘在MA TLAB 指令窗中输入以下内容 >> (12+2*(7-4))/3^2（2）在上述表达式输入完成后，按【Enter 】键，该就指令被执行。
（3）在指令执行后，MA TLAB 指令窗中将显示以下结果。
ans = 2[例1.3.2.2] 计算6cos26sin518π++表达式的值。
解：>> 18+(5*sin(pi/6))/(2+cos(pi/6))ans =18.8723【例1.3.2-3】简单矩阵⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=987654321A 的输入步骤。
（1）在键盘上输入下列内容A = [1,2,3; 4,5,6; 7,8,9]（2）按【Enter】键，指令被执行。
《计算机仿真技术基础》计算机仿真技术101页PPT
正因为仿真技术对国防建设、工农业生产及科学研究 均具有极大的应用价值，所以，仿真技术被美国国家 关键技术委员会于1991年确定为影响美国国家安全及 繁荣的22项关键技术之一。
问题： 如何分析研究并保证设计出或设计中的
悬架系统具有这种卓越性能？
研究方法： 1 理论方法 2 实验方法 3 仿真方法
仿真技术与物理实验、理论研究的对比
仿真技术
物理实验
理论研究
可能性 安全性
只要能建立系统 系统尚未建立，则不可 模型，就能进行 能；有的自然系统实验
周期太长，也不可能
无危险
有危险（人身、设备）
1.1 仿真（simulation)的基本概念 及其分类
1.1.1 系统仿真的定义、分类及其作用 1）系统仿真的定义 系统仿真是通过对系统模型的某种操作，
研究一个存在的或设计中的系统。简言 之，系统仿真是对系统模型的试验，即 在仿真中，系统的模型在一定的试验条 件下被行为产生器驱动，产生模型行为。
本章目录
1.1.2 计算机仿真(Computer Simulation)的定义及其分类
1)计算机仿真的定义 计算机仿真是指应用几何和性能相似原理，构
成数字模型，在计算机上对系统数字模型进行 某种操作。计算机仿真又称为数字仿真。
⒉计算机仿真的分类
①根据计算机分类 模拟计算机仿真、数字计算机仿真、模
2）系统仿真的分类--系统模型分类方式 ①物理仿真 系统模型为物理模型：实物模型(PM)。 ②数字仿真
系统模型为数字模型：数学模型和几何模 型（MM&GM）。
《计算机仿真教案》课件
《计算机仿真教案》PPT课件第一章：计算机仿真概述1.1 计算机仿真的定义与作用解释计算机仿真的概念讨论计算机仿真在各个领域的应用1.2 计算机仿真的基本原理介绍计算机仿真的基本原理和流程解释模拟、建模和仿真之间的关系第二章：计算机仿真软件与工具2.1 常见计算机仿真软件介绍介绍常用的计算机仿真软件，如MATLAB/Simulink、Ansys、Fluent等解释各自的特点和应用领域2.2 计算机仿真工具的使用方法演示如何使用至少一种计算机仿真软件进行仿真介绍仿真软件的基本操作和功能第三章：数学建模与仿真3.1 数学建模的基本概念解释数学建模的概念和重要性讨论数学建模的方法和步骤3.2 数学建模与仿真的结合介绍如何将数学模型转化为计算机仿真模型讨论仿真结果的验证和优化方法第四章：系统仿真与应用4.1 系统仿真的基本概念解释系统仿真的概念和作用讨论系统仿真的方法和流程4.2 计算机仿真在实际应用中的案例分析分析至少两个计算机仿真在实际应用中的案例讨论案例中的问题和解决方案第五章：计算机仿真的未来发展趋势5.1 计算机仿真技术的最新发展讨论计算机仿真技术的最新发展趋势介绍新兴的仿真技术和方法5.2 计算机仿真在未来的应用前景探讨计算机仿真在未来的应用前景和挑战讨论如何应对这些挑战和利用机会第六章：虚拟现实与增强现实在计算机仿真中的应用6.1 虚拟现实与增强现实的定义与区别解释虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的概念讨论VR和AR在计算机仿真中的应用和区别6.2 VR和AR技术在计算机仿真中的案例分析分析至少两个VR和AR技术在计算机仿真中的实际应用案例讨论案例中的创新点和实际效益第七章：与机器学习在计算机仿真中的应用7.1 与机器学习的基本概念解释（）和机器学习（ML）的概念讨论和ML在计算机仿真中的应用领域7.2 和ML技术在计算机仿真中的案例分析分析至少两个和ML技术在计算机仿真中的实际应用案例讨论案例中的创新点和实际效益第八章：计算机仿真的伦理与法律问题8.1 计算机仿真的伦理问题讨论计算机仿真可能引发的伦理问题，如隐私保护、数据安全等探讨如何在计算机仿真中遵守伦理原则和规范8.2 计算机仿真的法律问题分析计算机仿真可能涉及的法律问题，如知识产权、法律责任等讨论如何在计算机仿真中遵守相关法律法规第九章：计算机仿真的评估与优化9.1 计算机仿真评估的方法与指标介绍计算机仿真评估的方法和指标，如准确性、效率、可靠性等讨论如何选择合适的评估方法和指标9.2 计算机仿真优化的方法与技术介绍计算机仿真优化的方法和技巧，如模型调整、参数优化等讨论如何通过优化提高计算机仿真的性能和效果第十章：计算机仿真的教学与应用10.1 计算机仿真在教育中的应用讨论计算机仿真在教育领域的应用，如虚拟实验室、远程教育等探讨计算机仿真在教育中的优势和挑战10.2 计算机仿真在科研与工程中的应用分析计算机仿真在科研和工程领域的应用案例讨论案例中的创新点和实际效益重点解析本教案《计算机仿真教案》PPT课件共分为十个章节，涵盖了计算机仿真的基本概念、原理、软件工具、数学建模、系统仿真、应用案例、未来发展趋势、虚拟现实与增强现实、与机器学习、伦理与法律问题、评估与优化、教学与应用等多个方面。
计算机仿真讲义2014
计算机仿真讲义目录目录 (I)第一章控制系统及仿真概述 (1)第一节控制系统仿真的基本概念 (1)第二节系统仿真的目的和分类 (2)第三节系统仿真软件的发展 (5)第二章MATLAB语言的使用与程序设计 (6)第一节 MATLAB系统简介 (6)第二节 MATLAB语言的基本语句结构 (11)第三章MATLAB的绘图功能 (29)第一节图形窗口与坐标系 (29)第二节二维图形的绘制 (30)第三节图形的修饰与标注 (37)第四节 MATLAB下图形对象的修改 (40)第四章MATLAB在控制系统仿真中的应用 (43)第一节控制系统数学模型的基本描述方法 (43)第二节控制系统的稳定性分析 (49)第三节控制系统的根轨迹 (50)第四节系统的频率响应 (51)第五节线性系统时间响应分析 (55)第六节延迟系统的仿真 (56)第七节状态空间法仿真实现 (56)第八节最优控制仿真 (59)第五章动态系统建模仿真工具SIMULINK (61)第一节 SIMULINK简介 (61)第二节 SIMULINK 的建模与仿真方法 (65)第三节 SIMULINK仿真实例 (71)第六章控制系统工具箱简介 (77)第一节 MATLAB工具箱简介 (77)第二节控制系统工具箱使用 (80)I第一章控制系统及仿真概述控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。
这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。
它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。
计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。
第一节控制系统仿真的基本概念1．系统：系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。
“系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。
工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。
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授课教师:袁帅 信息学院 自动化教研室
讲课内容
第 1 章 MATLAB 入门与基本运算 第 2 章 MATLAB 图形与可视化 第 3 章 线性系统分析与设计 第 4 章 SIMULINK仿真环境 第 5 章 MATLAB 控制仿真与实例
第 1 章 MATLAB 入门与基本运算
显示形式 3.141592653589793
3.1416e+000
3.141592653589793e+000
400921fb54442d18 3.14 +
355/113 3.14159
说明 16位十进制
5位十进制数加指数
16位十进制数加指数
16位十六进制 两位小数
正、负或零 分数近似
二位整数，四 位小数
基本数据定义与变量管理
建立数据： 创建变量，数组 创建数据：输入指令 x = 5; x1 = [0.2 1.11, 3]; y1 = [1 2 3; 4 5 6]; 显示数据：指令后去掉 ‘ ; ’号或直接键入变量名 有规律的创建数据： 等间隔定义数组：x2 = 1:10(或者为1:1:10) 等距离定义数组：x3 = linspace (-1,1,10) 定义对数坐标的数组：x4 = logspace (-1,1,10)
变量、数组与函数
复数表示 real ： 复数实部 imag： 复数虚部 abs： 复数幅值 angle： 复数相位
例：
变量、数组与函数
数学函数
abs(x)：纯量的绝对值或向量的长度 angle(z)：复 数z的相角(Phase angle) sqrt(x)：开平方 real(z)：复数z的实部 imag(z)：复数z的虚部 conj(z)：复数z的共轭复数 round(x)：四舍五入至最近整数 fix(x)：无论正负，舍去小数至最近整数 floor(x)：地板函数，即舍去正小数至最 近整数 （比此小数小的最近整数） ceil(x)：天花板函数，即加入正小数至 最近整数 （比此小数大的最近整数） rat(x)：将实数x化为分数表示 rats(x)：将实数x化为多项分数展开
难点：函数较多，仅基本部分就有700多个。
第 1 章 MATLAB 入门与基本运算
1.1 MATLAB 环境与文件管理 1.2 基本数据定义与变量管理 1.3 变量、数组与函数 1.4 数据的输入与输出 1.5 数组与矩阵运算 1.6 M文件与函数 1.7 多项式管理 1.8 控制语句与逻辑管理 1.9 曲线拟合与插值运算 1.10 符号运算
但输出显示格式有8种。 可用format命令来改变显示格式。
例如： format short 显示5位数 (pi: 3.1416) format long 显示15位数(pi: 3.14159265358979) format bank 显示货币格式(pi: 3.14)
Format指令
Matlab命令 format long format short e format long e format hex format bank format + format rat format short (默认)
MATLAB发展
1970年代中期 ，Cleve Moler博士开发了 ： EISPACK（特征值求解的程序库） LINPACK（解线性方程的程序库 ）
1970年代后期， Cleve Moler编写接口程序 ：MATLAB, 即矩阵（MATrix）与 实验室（LABoratory） 前3个字母的组合，是“矩阵实验室”的缩写， 它是一种以矩阵运算为基础： who （列出工作区中的内存变量）
whos （列出工作区中的内存变量详情）
变量查询：
exist(’变量名’) （查询是否存在一个变量 ）
变量删除：
clear （清除工作区中的变量和函数 ）
基本数据定义与变量管理
数值显示：Format指令
内部只有一种类型为双精度（8个字节，64位）， 实数为1个双精度数，复数为两个双精度数。
基本数据定义与变量管理
在线查询： Help 命令；寻求帮助的标题 look for命令；关键词提供帮助
变量、数组与函数
变量
表示变量名,常量名,函数名和文件名的字符串 （1）由字母、数字、下划线等符号组成，第一个字 母必须是英文字母 。 （2）变量和常量最长不要超过19个字符，多余截取。 （3）函数和文件名通常不超过8个字符。 （4）变量名大小写敏感。
2000年，推出MATLAB6.0版本
……
2006年，推出MATLAB7.2版本
……
2012年，推出MATLAB7.14
MATLAB 环境与文件管理
MATLAB的特点
1、起点高 2、人机界面友好 3、强大而简易的作图功能 4、一流的数值计算功能 5、智能化程度高 6、强劲的工具箱
是一个强大
的功能演算 性草稿纸
MATLAB 环境与文件管理
MATLAB发展
1983年春，Cleve Moler和John Little用C语言开发了第二代专业版 1984年， 两人成立了Mathworks公司,正式把MATLAB推向市场。 1988年， 推出MATLAB3.x版本(DOS版)。 1993年， 推出MATLAB4.0版本(Win3.x)。 1997年， 推出MATLAB5.0版(Windows95)。 1999年， 推出MATLAB5.3版本( 流行较广 )。
变量、数组与函数
变量：特殊变量 ans ----默认临时变量 pi ----π eps ----计算机中的最小数 inf ----无穷大 NaN----非数或不定数（如：0/0） i或j ----虚数单位
变量、数组与函数
注释 和标点 %：注释语句前面添加的符号 多条命令语句放在同一行，中间用逗号或 分号隔开。逗号要求显示结果，分号不要 求显示结果； 例如：输入 x = 4.5; y = 5, f=1.9
1.1 MATLAB 环境与文件管理 1.2 基本数据定义与变量管理 1.3 变量、数组与函数 1.4 数据的输入与输出 1.5 数组与矩阵运算 1.6 M文件与函数 1.7 多项式管理 1.8 控制语句与逻辑管理 1.9 曲线拟合与插值运算 1.10 符号运算
MATLAB 环境与文件管理