建模与验模方法课件.ppt
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1、参考教材,1、现代仿真技术与应用康凤举,国防社,2006年1月;2、系统仿真导论肖天元,清华社,2000年7月;3、仿真技术吴重光,北化工社,2000年5月;4、战争复发系统建模与仿真胡晓峰,国防社,2005年6月;5、系统仿真技术彭晓源,北航社,2006年12月;6、飞行实时仿真系统及技术王行仁,北航社,2003年7月;,建模与验模方法,第一节 系统的数学模型,数学模型:概念模型:对原始系统的文字描述。物理模型:根据原始系统物理特征建立的数学关系。仿真模型:用计算方法将数学关系转换为计算机程序。建模方法:物理机理建模系统辨识建模:结构模式识别、参数估计,建模依据:研究目标:决定详细程度、精确
2、程度先验知识:符合系统特点的处理方法积累实验数据:弥补先验知识的不充分 演绎法:根据不充分的理论建立一般规律, 再用先验知识猜测特殊规律, 最后通过实验确定规律的正确性。 归纳法:根据观察到的特殊规律 想办法附加少量信息,外推一般规律,建模原则: 清晰:结构清楚,模型间耦合尽可能少 切题:针对研究目标建模 精确:根据研究问题确定收集信息的精度 集成:系统划分不宜过小,系统数学模型的类型连续时间系统模型:用微分方程、传递函数、状态空间、S 域结构图表示 集中参数系统:常微分方程(初始条件) 分布参数系统:偏微分方程(初始条件、边界条件)离散系统模型 时间连续、空间离散(有限元) 时间离散、空间离
3、散用差分方程、脉冲传递函数、离散状态空间、Z 域结构图表示,混合系统模型(计算机控制系统): 通过采样-保持将连续时间系统 S 近似成离散时间系统 Z, 用差分方程表示 近似:“采样-保持” 带来信号重构误差。离散事件系统模型: 随机系统在事件驱动下,以一定概率发生状态转移, 用状态转换图表示的概率模型,第二节 连续系统仿真,数值积分法: 欧拉法(矩形法)、梯形法、 Simpson 法(抛物线法)、 龙格-库塔法、亚当姆斯法、变步长法数值积分精度取决于: 截断误差:算法阶次、步长(步长过大将影响算法稳定性) 舍入误差:计算机字长 积累误差:计算时间根据系统响应速度确定步长:步长 截断误差 舍入
4、误差、积累误差 小 小 大 大 大 小,第三节 航空飞行器建模,飞行仿真系统:飞行系统:动力学系统 飞机系统:仪表(机械表、CRT表)、无线电通讯、 无线电导航、惯性导航、飞行管理、 自动飞行、发动机系统 运动系统(六自由度液压平台) 操纵负荷系统 视景(参战者视野) 音响系统 平显、雷达、火控、电子对抗 攻击目标行为描述(CGF) 计算机系统(接口、实时管理、网络、数据库),控制台:仿真管理:作战想定 仿真控制(开始、结束、冻结、解冻) 气象条件 态势显示(军标)、实时记录 效能评估、回放场景:实体、环境、特殊效果(第三观察者视野)飞行实时仿真系统实时性: 仿真系统能正确反映真实系统的时间响
5、应特征,帧周期由动态特征决定,认为一个帧周期内输入与外界条件基本不变。,CGF 逻辑结构,苏:体轴系 美:实体系 X X Y -Z Z Y - ,将地坐标系旋转得体坐标系:,将体坐标系旋转得地坐标系:,坐标旋转(旋转阵均是正交阵 ):,我机位置:,敌机位置:,敌我相对位置:,敌机在我机体轴系中坐标:,在美式实体坐标系中:,将地坐标系旋转得实体坐标系:,将实体坐标系旋转得地坐标系:,飞机模型:1、质心动力学(气动力产生于气流系):,质心运动学:X = X + Vxd tY = Y + Vyd tZ = Z + Vzd t,2、转动动力学(力矩产生在体轴系):,转动运动学:,第四节 离散事件系统仿
6、真,描述离散事件系统的基本要素:实体: 临时实体:系统的工作过程就是临时实体接受服务的过程。 永久实体:临时实体按一定规律而顺序到达, 接受永久实体提供的服务后离开系统。事件:引起系统状态发生变化的行为。活动:实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程。进程:描述若干事件和活动间的逻辑关系、时序关系。,例,高速公路收费进程:活动: 排队 收费事件: 车辆到达 落杆收费 抬杆放行实体:临时实体:司机永久实体:收费员输出:平均等待时间、最大队例长度、收费效率,时间推进机制,时间步长法: 仿真时钟等步长推进,认为一个步长内系统状态不变。 因事件不一定恰好发生在时钟推进时刻,故步长影响仿真精度。事件步长
7、法: 仿真时钟步长取决于事件间隔,事件发生在确切时刻。,排队系统仿真,某时刻要求服务的数量超过服务机构容量时,将出现排队现象。排队系统的组成:到达模式:临时实体到达时间间隔的统计规律。服务机构:可同时接纳临时实体的永久实体数量,以及服务时 间的统计规律。排队规则:从队列中选择下一个实体服务的原则。排队问题:根据到达模式和服务时间的概率分布研究如何平衡 队列长度和服务忙闲程度的问题。,排队系统的统计性能指标: 平均排队时间 实体通过系统的平均滞留时间 平均队列长度 系统中平均实体个数四个性能指标存在条件:服务台利用率 1 单位时间内到达的临时实体数 服务台利用率 = - 单位时间内服务台完成服务
8、的实体数 (服务台利用率 = 1 时,说明服务台不空闲,队列越来越长, 根本不存在平均队列长度!)可通过多次仿真合理解决排队问题。,随机库存系统仿真,物资供应过程中,进货与销售不同时、不等量,故须库存。库存系统输入:订货。由于从订货到入库需要一段时间, 故须提前订货。库存系统输出:需求。使库存量不断减小。库存问题:根据需求研究库存策略,即订货间隔、订货量。用库存管理费用评价库存策略:保管费:场地、人员、货损支出。订货费:货费、手续费、运费。缺货费:供不应求丧失销售、停工待料损失。,例1:年需求 D,每件航空器材年保管费 C1,每次订货费 C0, 设无订货滞后时间、用完订货(即:库存量 = 订货
9、量)。 求订货量 Q、库存系统年费用 C。解:库存系统年费用 C = 货物保管费 (Q/2) C1 + 订货费 (D/Q) C0 (平均库存) (定货次数) 确定年费用 C 最少的订货量 Q:,允许缺货时库存量可减至 Q,设无订货滞后时间,订货量 Q = 库存量 Q + 缺货量 (1 - ) Q (已售出),每件货物的缺货损失费 C4。求订货量 Q、库存系统年费用 C。解:,原则:缺货情况下库存系统年费用比不缺货时少!,年费用 C = 平均库存 C1 + 平均缺货 C4,若定货滞后时间为 T1,则应提前订货。求定货点 R (库存减少至 R 时定货) 。解:由: R + (1 - ) Q :T1
10、 = Q :T 得定货点 R = Q (T1 / T) (1 - ) ,例2:年售航空商品 D = 1800 件,不许缺货,无订货滞后时间, 每件每月保管费 C1 = 60 元,每次订货费 C0 = 200 元, 求订货量 Q。解: 库存系统年费用 C = 货物保管费(Q/2)12 C1 + 订货费(D/Q)C0 (平均库存) (定货次数) 确定年费用 C 最少的订货量 Q:,例3:用仿真解决库存问题。已知:从订货至收到货物间隔3天; 保管费:0.75元 / 件天, 缺货损失:1.80元/ 件天, 订货费:75元/ 次; 日需求量:099 间均匀分布; 原始库存:115 件;第一天不订货;,五
11、种库存策略比较: 订货点 订货量 总费用 (仿真结果)方案 1 125 150 38679.75元方案 2 125 250 31268.25元方案 3 150 250 29699.25元方案 4 175 250 26094.00元 (费用最低)方案 5 175 300 27773.25元计算机仿真:计算每日库存变化情况, 从 150 天总费用结果看,方案 4 最好!,决策系统仿真,离散事件决策系统:决策者根据掌握的信息和 决策支持系统提供的帮助作出决策。特点:决策信息模糊、不充分; 决策输出的确定性; 决策结果因决策者而异;对决策者行为仿真非常困难!多人决策系统:在单人决策基础上建立多人决策模
12、型: 表决型:多数表决方式; 加权型:加权表决方式;,决策系统建模方法,1、风险型决策:产品展销会会址可选甲、乙、丙三地,天气晴、阴、雨概率分别为 P1 = 0.2、P2 = 0.5、P3 = 0.3,收益 aij 与会址、天气的关系如下表,确定收益最大的会址。 晴(0.2) 阴(0.5) 雨(0.3)甲地 4万元 6万元 1万元乙地 5万元 4万元 1.5万元丙地 6万元 2万元 1.2万元,最大可能准则: 由于阴天出现概率最大,据此决策时会址应选甲地。(2) 期望值准则: 各会址收益期望值: E(甲地) = 40.2 + 60.5 + 10.3 = 4.1万元 E(乙地) = 50.2 +
13、 40.5 + 1.50.3 = 3.45万元 E(丙地) = 60.2 + 20.5 + 1.20.3 = 2.56万元 显然选甲地举办展销会效益最大!,决策树表示法:,决策,甲地,乙地,丙地,晴,晴,晴,阴,阴,阴,雨,雨,雨,0.2,0.5,0.3,0.2,0.5,0.3,0.2,0.5,0.3,P,4,6,1,5,4,1.5,6,2,1.2,4.1,3.45,2.56,4.1,aij,2、不确定型决策: 当天气状态概率无法知道时,成为不确定型决策问题。乐观准则:最大效益 作为决策依据:(甲地 或 丙地)(2) 悲观准则:作最坏打算,力争最好结果 作为决策依据:(甲地)(3) 等可能准则
14、:认为天气状态出现可能性相同。(甲地),人工智能决策模型,神经网络实时决策技术遗传算法规则库建立技术,战术动作:高速遥遥:当我机追击速度过大或进入角、偏离角不合适,而敌机企图以水平急盘旋摆脱我机攻击时,假如我机以大速度随敌机急转,就会由于转弯半径过大而被甩到转弯外侧,丧失攻击机会。为了保持主动态势,我机首先向敌机转弯方向斜拉起,跃升减速,防止冲到敌机前面;然后在合适的高度上反扣俯冲增速追击敌机,建立武器发射条件。高速遥遥摆脱了敌我双方在同一平面上均态急盘旋相互追踪的僵局。低速遥遥:当我机接敌速度较小,而敌机企图以水平急转弯摆脱攻击时,我机先向敌机转弯方向压坡度斜俯冲增速,速度增加到一定程度时,
15、再拉起追击,建立武器发射条件。低速遥遥改变了那种被动尾追的进攻方式。战斗转弯:为了攻击上方的敌机,必须在拉起的同时朝敌机方向滚转,既要增加高度,又要改变飞行方向,力争把进入角减小到占优势的程度。半滚倒转:为了摆脱敌机尾追,可以在铅直面内迅速降低高度,同时调转飞行方向,争取摆脱被动态势。,空战规则:if 空战态势,then 战术动作;空战态势:攻击机进入角、目标机偏离角敌我相对位置、速度、姿态,半斤斗翻转:当飞行高度不允许用半滚倒转向下摆脱敌机尾追时,就要在铅直面内迅速增加高度,同时改变飞行方向,力争摆脱被动态势。俯冲拉起:如果尾追的敌机距我机较远,可以采用俯冲增速的方式摆脱敌机尾追,先倒转俯冲
16、,当俯仰角低于水平线一定程度时,再改正拉起,把俯仰角恢复到接近水平线的程度。完成整个动作后,飞行高度有所下降,但动作前后飞行方向不变。平飞增速:许多战术动作都必须在表速达到一定值时才能进行,因此,当表速小于规定值时,必须及时采取增速措施。在减小俯仰角的同时保持高度平飞(平飞时俯仰角攻角),就能使飞行速度增加。俯冲增速:如果飞行高度允许,先倒转俯冲,利用重力辅助增速,然后改正,并始终保持俯仰角小于一定值,使速度继续增加。,战术规则搜索:神经元数学模型:,三层神经网络决策系统:,神经网络实时决策技术,权重、阈值由第 K 个记忆模式 决定:,当输入模式为 时:,当输入模式为 时:,因此第 K 个模式
17、记忆单元的输出:,等价结论:当输入模式为 时,仅 ,其它模式记忆单元全输出 0。此时输出决策号 ,采用第 K 个战术。当输入模式非 时 全 0,使 Y = 0,采用追踪战术!,由于 的计算逻辑独立, 的计算逻辑独立,因此三层神经网络仅存在三级串行处理关系。规则增加时,模式记忆单元数量增加,故仅增加并行处理。故规则搜索神经网络在理论上具有较大的实时推理潜力。可把规则搜索神经网络固化成总线卡,输入为态势,输出为战术结论,实现硬件辅助决策,进一步提高推理实时性。,建立战术规则库:战术规则:若态势条件,则战术结论。攻击机与目标机进行空战时: 目标机使用已有的战术规则库,(当空战态势满足某规则条件时,即
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