《南方科技大学计算机仿真》课件

《南方科技大学计算机仿真》课程简介本课程将深入探讨计算机仿真的基本原理、方法和应用我们将学习如何使用计算机仿真技术来模拟和分析现实世界中的系统，以及如何利用仿真结果来解决实际问题课程目标1理解计算机仿真的基本原理和方法掌握常用的计算机仿真软件和工具3能够构建、验证和分析仿真模型先修要求熟悉基本数学知识，包括微积熟悉基本编程知识，例如C++、分、线性代数和概率论Python或MATLAB熟悉基本的计算机系统知识，例如操作系统和数据结构计算机仿真概述计算机仿真是一种使用计算机模拟现通过建立仿真模型，可以研究系统在实世界中系统行为的技术不同条件下的行为，预测系统未来的发展趋势，并为决策提供依据计算机仿真的特点成本效益高与实际实验相比，计算机仿真可以节省大量的1成本安全性高可以在虚拟环境中进行危险或不可控的实验，避2免实际操作的风险灵活性高可以方便地改变仿真模型的参数，进行多次实3验，探索不同的方案可重复性高可以重复进行仿真实验，确保实验结果的可靠4性和可信度计算机仿真的应用领域工程领域机械设计、航空航天、汽车制造、能源开发等金融领域金融市场模拟、风险管理、投资组合优化等医疗领域药物研发、手术模拟、疾病传播模型等社会科学领域人口增长模型、城市规划、交通流量预测等计算机仿真的分类离散事件系统仿真21连续系统仿真混合仿真3连续系统仿真用于模拟以连续时间变化的系统，例如物理系统、化学反应系统等12使用微分方程来描述系统模型，并通过数值积分方法求解微分方程3常用的连续系统仿真软件包括Simulink、Modelica等离散事件系统仿真1用于模拟以离散事件驱动的系统，例如排队系统、交通系统、生产系统等2使用随机变量来描述系统模型，并通过随机数生成器来模拟随机事件的发生3常用的离散事件系统仿真软件包括Arena、Flexsim等混合仿真Time ContinuousVariable DiscreteVariable结合连续系统仿真和离散事件系统仿真的方法，用于模拟同时包含连续和离散事件的系统，例如电力系统、通信系统等仿真模型的建立流程图数学方程代码使用流程图来描述系统的逻辑结构和运行使用数学方程来描述系统的状态变化和输使用编程语言来实现仿真模型流程入输出关系仿真模型的数学描述状态变量法使用状态变量来描述系统的状态，并建立状态方程转移函数法使用转移函数来描述系统的输入输出关系，并通过来描述状态变量随时间的变化规律拉普拉斯变换来求解转移函数状态变量法xt状态变量A状态矩阵B输入矩阵C输出矩阵状态方程xt=Axt+But转移函数法Gs YsUs转移函数输出信号输入信号转移函数Gs=Ys/Us微分方程法d^2y/dt^2+3dy/dt+2y=ut使用微分方程来描述系统的动态特性，并通过数值积分方法求解微分方程差分方程法yk+1=a*yk+b*uk使用差分方程来描述系统的离散时间特性，并通过递归方法求解差分方程模型简化技术1忽略次要因素，只保留主要影2使用近似方法，例如线性化或响因素降阶3采用参数敏感度分析，识别对系统行为影响较大的参数模型验证与校准验证模型是否能准确地反映系统行为，例如通过与真实数据比根据实际数据调整模型参数，以提高模型的精度较仿真实验设计确定仿真实验的目标，例如研究系统的性能指标、分析系统1的敏感度等选择合适的仿真软件和工具2设计仿真实验方案，包括输入信号、仿真时间、参数设置3等仿真实验评价评估仿真结果的准确性和可靠评估仿真模型的有效性和适用性性评估仿真实验的效率和可重复性仿真实验结果分析Performance Metric1Performance Metric2通过对仿真结果进行分析，可以得出系统的性能指标、敏感度分析结果、优化方案等仿真结果可视化曲线图柱状图散点图用于显示系统状态随时间的变化趋势用于比较不同条件下的系统性能指标用于分析系统中变量之间的关系在仿真中的应用MATLAB1提供强大的矩阵运算功能，方便进行数值计算2提供丰富的数学函数库，方便进行数据处理和分析3提供图形绘制功能，方便进行仿真结果的可视化4提供Simulink工具箱，方便进行系统建模和仿真在仿真中的应用Simulink提供直观的图形界面，方便进行系统建提供丰富的仿真库，方便进行系统仿提供强大的分析工具，方便进行仿真结模真果分析系统动力学仿真用于模拟复杂的系统，使用反馈回路来描述系常用的系统动力学仿真例如经济系统、社会系统中各变量之间的相互软件包括Vensim、统、生态系统等影响关系Stella等蒙特卡罗仿真

100000.95随机样本置信水平10标准差通过随机数生成器产生大量的随机样本，并利用这些样本估计系统的性能指标基于事件的离散仿真以事件发生的时间为基础，模拟系统中离散事件的发生和处1理使用事件列表来管理系统中所有事件的发生时间和处理顺2序3常用的基于事件的离散仿真软件包括GPSS、Simscript等基于过程的离散仿真以过程为中心，模拟系统中各过程的执行顺序和时间消耗使用过程队列来管理系统中所有过程的执行顺序常用的基于过程的离散仿真软件包括Arena、Flexsim等网络仿真网络性能评估21网络流量分析网络安全测试3使用计算机仿真技术模拟网络环境，研究网络性能、网络安全和网络流量等问题交通流仿真1模拟城市交通网络，研究交通流量、交通拥堵、交通事故等问题2常用的交通流仿真软件包括Vissim、VISSIM等制造系统仿真模拟生产流程，研究生产效率、生产成本、库存管理等问常用的制造系统仿真软件包括Arena、Flexsim等题军事仿真模拟战场环境，研究武器装备性能、常用的军事仿真软件包括JCATS、作战策略、人员伤亡等问题MS等医疗健康仿真模拟疾病传播过程，研究疾病控制策略、医疗资源分配等问1题模拟手术操作，训练医生的手术技巧和应急处理能力23常用的医疗健康仿真软件包括Simbionix、HumanSim等环境与气候仿真模拟气候变化，研究全球气温升高、海平面上升、自然灾害等问题模拟污染物扩散，研究环境保护措施、污染治理方案等问题常用的环境与气候仿真软件包括WRF、GFDL等计算机仿真的伦理问题仿真结果的准确性和可靠性问题仿真模型的公平性和透明度问题仿真结果的解释和应用问题仿真结果的解释与应用1需要结合实际情况，对仿真结果进行合理解释2需要谨慎地将仿真结果应用于决策和行动中仿真技术发展趋势仿真技术与人工智能、大数据、仿真技术的应用领域不断扩展，云计算等技术的融合例如虚拟现实、增强现实、数字孪生等仿真技术的精度和效率不断提高，例如高性能计算、并行计算等技术计算机仿真课程总结方法和工具21基本原理应用领域3本课程系统介绍了计算机仿真的基本原理、方法和应用，并重点介绍了各种仿真软件和工具的使用希望通过学习本课程，您能够掌握计算机仿真的基本技能，并在未来的学习和工作中应用仿真技术解决实际问题课程作业与实训编程作业实训项目要求学生使用仿真软件构建简单的仿真模型，并进行仿真实验要求学生使用仿真软件解决实际问题，例如模拟交通流量、设计生产流程等课程考核方式1作业成绩占总成绩的30%2实训成绩占总成绩的30%3期末考试占总成绩的40%推荐阅读文献《计算机仿真》作者郑志强《系统动力学》作者Jay W.Forrester《离散事件系统仿真》作者Averill M.Law。