合工大系统建模计算机仿真试卷知识点整理集.doc

合工大系统建模与仿真历年试卷知识点整理合集1物理仿真p3 p169答：物理仿真：物理仿真也称实体仿真，其仿真过程是以真实系统的物理性质和几何形状相似为基础而其他性质不变来构造系统的物理模型（物理模型是用几何相似或物理类比方法建立的，它可以描述系统的内部特性，也可描述实验所需的环境条件），并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。物理仿真优点是：直观、形象，也称为“模拟”；物理仿真缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大2.半实物仿真p173答：也称硬件在回路中的仿真或“实时”仿真。在条件允许下尽可能地在仿真系统中接入实物，这样更接近于实际情况，从而得到更确切的信息，这种将实物与在计算机上实现的控制对象的仿真模型联接在一起进行试验的技术，因为一半使用的是虚拟对象，一半使用的是实物对象，所以称为半实物仿真。在这种试验中，控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此它是一种更接近实际的仿真试验技术。这种仿真技术可用于修改控制器设计，同时也广泛用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。半实物仿真的特点是：只能是实时仿真，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同。需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题。半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际3.并行计算p195 p193并行计算（Parallel Computing）是指同并行计算是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。它有两种含义：同时性，是指两个或多个时间在同一时刻发生在多个资源中；并发性，是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生在多个资源中4.虚拟现实虚拟现实通常是指采用头盔显示器、数据手套等一系列新型交互设备构造出来的用以体验或感知虚拟境界的一种计算机软硬件环境，用户使用这些高级设备以自然的技能向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈5.虚拟设计p207虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的宗合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利于更有效更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发周期及成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化。6.多媒体仿真p4将数字、文字、声音、图形、图像和动画等各种媒体有机组合,并与先进的计算机通信和广播电视技术相结合,形成一个可组织、存储、操纵和控制多媒体信息的集成环境和交互系统的仿真技术。7.分布交互仿真分布交互仿真系统是一种基于计算机网络的仿真，其应用仿真理论、仿真计算机（或其他仿真设备）、通信网络、虚拟现实等技术广泛应用于军事领域，可支持作战人员训练、战术演练和武器装备论证，构造逼真的虚拟战场环境，进行作战任务的演练、指挥员训练、大规模武器系统作战效能评估等活动的先进的仿真技术8数学模型的作用主要可从哪两方面来表达？并用方框图来表示p16作用：数学模型可以帮助人们不断地加深对客观世界的认识，并且启发人们去进行可以获得满意结果的试验。数学模型有助于提高人们的决策能力和对客观世界的干预能力。方框图表示如下：提高决策 提高认识建模的两个主要目标是：真实的反映实际系统的本质，即在一定程度上或一定范围内能够准确的反映被研究的客观系统的实际情况。要求模型在保证准确性的前提下，要尽可能简洁明了，容易求解；并且随着外部环境的变动，模型能够具有一定的变化适应能力。（系统建模主要用于3个方面： 分析和设计实际系统。预测或预报实际系统某些状态的未来发展趋势。对系统实行最优控制。）9根据系统的动态特性，一般可对系统做哪五个分类，并简单说明。P13根据系统的动态特性，可将系统分为：连续或离散系统。时间和各个组成部分的变量都具有连续形式的系统称为连续系统，其运动方程常可用于一个或一组反应其变量间的相互联系和因果关系的微分方程来描述；全部或一些组成部分的变量具有离散信号形式的系统称为离散系统。线性或非线性系统。如果微分方程的系数是常数或者仅仅是自变量的函数，此就称作为线性微分方程，其最主要的特性就是可以采用叠加原理。其又可分为线性定常系统和线性时变系统。非线性系统用非线性微分方程来表示，不能应用叠加原理。集中参数或分布参数系统。可以用有限个变量描述的系统，称为集中参数系统或集总参数系统。状态变化不能只用有限个参数而必须用场（一位或多维空间变量的函数）来描述的系统，称为分布参数系统。确定或随机系统。确定系统是指用确定的数学模型来描述，输出和输入变量之间有完全确定的函数关系的系统。随机系统则是指由于系统内部或环境变量发生不确定变动，影响输出变量的系统。单变量或多变量系统。这是对输入输出而言的。最简单的单变量系统就是指只有一个输入和输出量的系统。而具有多输入多输出变量的系统就是多变量系统10在建模时为何要在模型简化与精确、线性和非线性之间进行综合考虑？P85答：一个好的数学模型应该是既能准确的反应实际系统的表征和内在特征，又不至于太复杂。因此，对于复杂、精度较高的模型需要进行简化，为复杂系统准备一个低阶的近似模型，在计算上、分析上都比原来模型容易处理，而又能提供关于原系统的足够多的信息，保持准确性，即模型与原型特性应一致。如对于控制系统，从频率特性角度讲，要求其低、中、高频段的特性基本一致，且具有相同的稳态值；从传递函数角度看，要求两者增益一致，等效延时相近，且支配极点相近。又由于所建模型仅仅是实际系统原型的简化，因为模型不可能也没有必要把实际系统的所有细节都表现出来。比如在建模时把一些对整个系统影响很小的因素可以忽略，而只考虑主要因素的影响；因为非线性的求解比较困难，而线性的求解比较简单，所以对于非线性部分多看作是多个线性部分的叠加，简化计算。但是建模又对准确性有很高要求，所以建模时要在模型简化与精确、线性与非线性之间进行综合考虑11在连续系统的数字仿真中，仿真算法的选择一般考虑什么？常用的仿真算法有几种？各有什么特点？ P77在连续系统的数学模型仿真中，仿真算法一般考虑一定的求解精度、求解速度、数值稳定性、能自动启步，而为了不耗费过多的计算时间，一般采用定步长。常用的仿真方法有：欧拉法、四阶龙格库塔法、屠斯汀法、离散相似法。欧拉法：属于自启动算法，不需特别的启动处理，系统模型一般采用微分方程描述，其既可用于线性系统又可由于非线性系统；方法简单，当步数增多时，误差会因积累而越来越大；是低精度的算法。四阶龙格库塔法：亦属于自启动算法，系统模型一般采用微分方程描述，其既可用于线性系统又可由于非线性系统，形式多样性，单步长，可变步长，速度与精度也较高，但花费时间较长，在保证一定精度下尽量选择大步长，以缩短积分时间。屠斯汀法仅限于线性系统，系统模型一般为传递函数。离散相似法一般用于状态方程，按环节离散相似法可用于非线性系统，按系统离散相似法仅限用于线性系统12什么是实时仿真？什么情况下需要进行实时仿真？它在算法上有什么要求？P169 答：实时仿真是指仿真模型的时间比例尺等于系统原模型的时间比例尺的一类仿真。对系统进行仿真试验时，如果仿真系统有实物（包括人）处在仿真系统中，由于实物和人是按真实时间变化和运动的，因此就需要进行实时仿真。实时仿真要求仿真系统接收实时动态输入，并产生实时动态输出，输入和输出通常为具有固定采样时间间隔的数列。 13什么是虚拟产品设计，并简要说明其意义。P209虚拟产品设计:是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计,是基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不但能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的系统模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用需要。14（1）什么是数值稳定性问题？P75如何保证计算中的数值稳定性？ （2）为什么说计算步长与截断误差和舍入误差有关？如何选取合理的计算步长？P76 （3）简单绘出误差与步长的关系图。P76答（1）所谓数值稳定问题，是指在扰动影响下，其计算过程中误差的积累是否受到控制的问题。应遵循以下两条规则：保证计算稳定有一定的计算精度来选择合理的计算步长，可以保证计算中的数值稳定性。（2）计算步长的选取影响系统的稳定性，当步长选取太大时，会造成截断误差增大而导致总误差增大，仿真精度降低；而当步长选取较小时，一方面会使舍入误差变大而使总误差增加，仿真精度降低另一方面也会因计算步数增多而使求解速度减慢。当积分方法确定以后，在选取步长时，需要考虑的一个很重要的因素就是反正系统的动态响应特性。如果系统的动态响应快，导数变化激烈，则应取高阶方法和小步长进行计算为了保证数值稳定性，步长应限制在最小时间常数的数量级上。在精确仿真计算时，还可采用变步长计算方法，即在计算过程中根据所要求的精度对步长做适当改变。15（1）仿真的可信性评估包括哪几方面？P78为什么要进行可信性评估？P79 （2）用图来表示建模与仿真的基本组成与相互关系(即仿真三要素)，并加以说明。P3 （3）请从仿真建模水平、仿真手段和仿真应用等方面来展望未来计算机仿真技术的进展。 P2301）、可信性评估包括：模型校核（Verification）、模型验证（Validation）、模型确认（Accreditation），即VV&A 可信性研究的目标是找出某种指标或方法来衡量这种相似程度，以便为真实系统的试验和生产提供充分可信的依据。（2）系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。传统上讲“系统建模”属于系统辨识技术范畴，“仿真建模”，即针对不同形式的系统模型研究其求解算法，“仿真实验”即检验也就是“仿真程序”的检验。致效是将仿真结果与实际系统的行为进行比较。现代仿真技术：将仿真活动扩展到上述三个方面，并将其统一到同一环境中。系统建模：主要是根据基本定律及系统辨识等方法计算机程序化，然后用仿真方法确定实际系统的模型，最后再基于模型库的结构化建模。采用面向对象建模方法，在类库的基础上实现模型拼合与重用。仿真建模：是利用许多新算法和新软件，结合模型与实验分离技术，即模型的数据驱动，将仿真问题分为两部分：模型与实验；模型亦分为两部分：参数模型和参数值。仿真实验：将实验框架与仿真运行控制区，利用实验框架定义一组条件，输出函数的定义也与仿真模型分离开来，在此基础上所解决问题、达到研究目的的手段。3）仿真建模是系统仿真的基础。目前仿真建模水平的进展将体现在如下方面： 1.建模方法 2.模型的互操作性 3.模型重用性 4.支持探索性分析的主动元建模 5.动态数据驱动应用系统 6.多学科多范式建模 7.多分辨率多视角建模手段：随着虚拟现实技术的发展，由于其费用低、通用性好、易修改等优点，部分取代实物仿真是完全可能的。仿真应用：1，仿真应用出现了许多新的领域，仿真技术的应用不但是技术参考，也将是决策的重要参考。2，复杂系统的研究无法用传统的方法对之进行实验，因此仿真成为研究唯一手段。仿真技术的应用对提高未来科学研究和重大决策的客观性和正确性将有重要的帮助。3，仿真将向人们的日常生活渗透，仿真技术将使人们工作和学习的方式发生重大变革，将有力地促进科学技术水平的提高16对分布参数系统进行仿真，其核心问题是对偏微分方程进行数值求解。常用的方法是哪种？简单说明该方法的基本思想。答：分布参数系统模型，一般用偏微分方程来描述，对偏微分方程进行数值求解常用的方法有有限差分法、有限元法、区域分解法。有限差分法是对偏微分方程进行数值分析的近似方法。常用方法之一是中心差分法，基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替， 这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似， 积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。有限元法的基本思想是把边界问题转化为变分问题之后，对求解区域作剖分，使求解区域成为有限个“单元”和，然后在每一个单元上作未知函数的某种多项式插值，并且使他们在相邻单元的公共边界上满足某种连续性条件，以保证用这种分片插值函数组成的有限维数空间是位臵函数解空间的子空间。区域分解算法的基本思想是：把计算区域分解为若干子域，子域的形状尽可能规则，于是原问题的求解转化为在子域上求解。17 什么是“病态系统仿真”问题？答：系统中各环节的时间常数差异巨大,为保证仿真计算的稳定性，由于仿真步长必须限制在最小时间常数的数量级而选得很小，然而仿真结束的时间则决定于系统中的最大时间常数，若按满足稳定性要求所选择的步长进行仿真，则不仅整个仿真所花费的时间非常长，甚至由于计算的舍入误差而导致整个仿真的失败。这就是所谓“病态系统仿真”问题。18什么是采样系统？其系统仿真有些什么特点?仿真计算时要注意什么主要问题？ 答：计算机控制系统中的被控对象的状态变量是连续变化的，而其输入变量和控制变量却是只在采样点（时刻）取值的间断的脉冲序列。这一类在一处或多处存在采样脉冲序列信号的控制系统称为采样控制系统。 采样系统仿真特点：连续系统仿真所用的虚拟采样间隔对整个系统来说一般是相同的，且是同步的。采样控制系统采样周期、采样器所处位臵及保持器的类型则是实际存在的。连续部分离散化模型中的仿真步距与实际采样周期可能相同，也可能不同。 仿真计算时要注意问题：在对连续系统进行离散化时，其采样开关是虚拟的，即其采样