计算机仿真技术第二章.pptVIP

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现代计算机仿真技术 东北大学信息学院 郝培锋 2.1 系统与建模 1 系统建模方法的形式化描述 2 系统数学模型的分类 3 系统建模的方法论 4 系统辨识 a. 系统辨识 建立系统数学模型有两种方法:理论方法和实践方法。 理论的方法是从已知的定律、定理和原理出发,通过机理分析找出系统内在的运动规律,推导出系统中各种状态参数和外作用之间的解析关系---数学模型,这种方法称为理论建模。因为这种问题的基本规律是已知的,被称为“白箱”问题。 实验方法是直接从系统运行和实验数据(系统的输入和系统的输出数据),应用辨识的方法建立系统的数学模型,称为“辨识”建模。“辨识”的方法适用于系统的客观规律不清楚的情况,所以有时也称为“黑箱”问题。 所谓辨识建模是根据一个准则,在给定的约束条件下,选择一个与给定数据拟合最好的数学模型。 实际上任何定律和定理的发现也是过去反复实验和观测获得的,因此辨识建模是科学研究最基本和最基础的研究方法。由系统特性和运动规律导出系统完整的状态方程组,仅需确定方程中的未知参数,这时系统辨识就简化为参数估计问题。 总之通过测量系统在外部行为作用(输入)系统动态响应(输出)数据,按照一定的准则从这些试验数据建立反映系统本质属性的数学模型,并确定模型中的未知参数,就是系统辨识。 系统辨识的对象有两种状态:一种是开环系统,这时系统的输入不受系统输出的影响,系统输出仅反映系统输入和系统本身的特性;另一种是闭环系统,这种输入信号受输出信号的反馈作用,输出信号不仅反映系统的特性,也反映了反馈装置的特性,这时要求测得反馈装置的输出并分别建立系统和反馈装置的数学模型,会使问题更加复杂化。 系统辨识有两种方式,一种是离线辨识(事后处理)。先在实验时记录下所有的输入输出数据,实验后再进行处理。由于时间充裕,可以用较复杂的准确数学模型将数据分组,采用迭代法一组组地进行辨识。另一种是在线辨识,即在系统运行过程中边测量边辨识,通常采用递推算法逐点进行辨识,不断用新测量的数据修正当时的估计值。 系统辩识和系统分析是互逆的两种过程。系统分析是已知系统所服从的基本规律、定律(数学模型)和外界对该系统的作用,确定系统对外作用的响应历程。系统辩识则是反过来,给定了系统的外作用和响应历程,要求确定描述系统特性的数学模型。系统辩识、系统分析和控制论的研究有着密切的关系: 给定系统输入和系统数学模型,求解系统输出是系统分析; 给定系统输出和系统数学模型,求解系统输入是系统控制; 给定系统输入和输出,求解系统数学模型是系统辩识问题。 b. 动力学系统辨识   动力学是研究物体在外力作用下运动规律的学科;动力学系统是研究物体在外力作用下的运动规律和力学特性的力学系统。刚体力学、结构力学和飞行动力学是比较成熟的动力学学科。动力学理论应用于各技术领域就形成各类动力学分支,如燃气轮机动力学、热流体动力学、液压管路动力学等,分别研究各类动力学系统的动态特性。飞机、导弹、汽车、轮船和鱼雷在操纵力的外力作用下的航行品质和操纵性稳定性研究;液体在管路中的流动、振动和贮箱中的晃动研究;桥梁、建筑物等弹性体在外载荷下的振动研究;机械系统,如激振器、振动台的动态特性研究;人机系统中,人的振动特性和跟踪特性研究;热交换器的传热过程以及燃气轮机、喷气发动机的动态研究等,都可当成动力学系统研究其动态特性。   动力学系统辩识是动力学系统研究的逆问题,它利用系统在试验和运行中测得的输入-输出数据,采用系统辩识技术,建立反映系统本质动态特性的数学模型,并辩识出模型中的待定系数。由于动力学系统遵循牛顿力学定律、质量守恒定律、能量守恒定律等基本物理定律,所以系统的基本数学模型(动力学方程组)是已知的,需要辩识的只是动力学方程组中的某些待定因素,诸如外作用、系统固有特性(固有频率、固有阻尼比、模态参数、结构参数)等,是典型的“灰箱问题”。   动力学系统通常分两步进行:首先根据系统特性和力学基本定理,采用推理方式建立动力学方程组---状态方程组,这是理论建模阶段;然后利用系统试验或系统运行中测得的输入输出数据,辩识出动力学系统中的待定因素,包括建立外作用的数学模型(外作用与系统状态参数的定量关系式),辩识出系统的模态参数和结构参数等,这是辩识建模阶段。 * * 1、系统建模方法的形式化描述 2、系统数学模型的分类 3、系统建模的方法论 4、系统辨识 5、系统建模的实践 当所研究的系统是连续系统时,我们考虑最多的是系统的实体及其属性间的关系,由此也往往可以轻而易举地从中提取出几个有

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