第二节 制作一艘快艇
教学时间：1天 教学目的：Loft,
Attch Surface,
Duplicate Surface Curves, Detarch Curves, Pleanr,
Insert Knot 命令，
快艇建模。
Loft 是最常用的曲面工具之一，我们可以通过几条曲线描述物体的外形，然后放样生成表
面。
Loft 放样。
创建一系列的曲线定义物体的形状，然后一起放样这此曲线就象在一个框架上蒙上画布一样。这些曲线可以是表面上的曲线、表面等位结构线或剪切曲线。使用放样来建立表面时，应该保证所有参加放样的截面曲线的CV 点的数目一样，下就是当你建立完曲线后进行一次Surface/Rebuild 将曲线重建使CV 点统一，这样生成的曲面就会显得整齐，而且很方便以后调整外形。 需要要注意一点就是在放样前,选择曲线的顺序,这个操作决定了你放样后形成的面。
Rebuild 后 Rebuild 前
Parameterization 改变放样参数，Uniform 结点距离，用使轮廓曲线与V方向平等，结果表面U方向上的参数值等间距，第一条轮廓曲线和表面上的U（0，0）处的等位结构线对应，第二条和U（1，0）对应以次类推。Chord Length间距，结果表面U方向上的参数值会根据轮廓曲线起点间的距离而定。
Uniform Chord Length
Auto Reverse 反转放样方向，当放样曲线的起点不一致，打开此参数自动反转。
Close 选定此参数生成的表面在U 方向上是否闭合。 Surface Degree 设置生成的表面是一次或者三次。 Section Spans 设置放样曲线的跨度数。
Attch Surface
连接表面。
选择两个面要衔接的等位线Isoparm ，通过连接两个面成为一个单独的面。 Attach Method （连接类型）：
Connect 普通连接。只连接表面，不改变形状。可调整Multiple Kont （插入额外节点），选择Remove 会改变形状。
Blend 平滑连接。会改变连接处的形状。调整Blend Bias 值决定靠近第一条Isoparm 还是第二条。缺省为0.5。Insert Knot(插入节点)选项，在两个表面衔接插入跨度，保持原曲率。这项在两个表面较远时作用明显。
Close
Surface Degree=Linear
Section Spans ＝3
Auto Reverse=ON Auto Reverse=OFF
Duplicate Surface Curves复制表面曲线。
选择曲面上一条或多条Isoparm，从曲面上提取曲线。
Group With Original 打开时复制曲线是原曲面的子物体，并且会影响原曲面的CV。Visible Surface Isoparms 当选择整个表面时，选择复制所有的u方向、v方向或所有的等位线。
Detarch Curves分离曲线。
选择曲线上一个或多个曲线点，从这些点断开曲线成为若干独立曲线。
Planar创建平面。将连围成一个封闭的图案曲线创建成一个平面，需要特别注意的是这些线必须封闭且在同一平面上。
Degree 如果输出类型是Nurbs表面可以选取 Linear（一次）或者Cubic（三次）表面。Curve Range Complete 沿着整条曲线创建平面；Partial 显示操纵杆，并可以使用操作器沿着部分输入曲线编辑结果平面。
Output Geometry 输出物体，Nurbs物体或者Polygons物体。
Insert knot插入点，在绘制曲线过程中，很难一步到位，有时间为了制作一个外形比较复杂的轮廓线，但绘制的曲线点太少，很难控制外形，现在我们可以用这个工具，给想要加点的地方，插入一些点。
Insert Location 插入位置。 At Selection 在选择的位置插入。Between Selection 在选择点之间插入，这时＃Knots to Insert 才会有效，它控制着在两个点之间插入点的数量。
Multiplicity 多样性，选择Set to 项，根据Multiplicity参数值，插入点。Increase by：根据Multiplicity参数值，向点中添加额外值。
实例
1.首先我们在顶视图，用cv curve tool生成一条曲线，决定船舷的形状。
复制一条曲线，z轴旋转-30度。
在侧视图调整第二条曲线的前几个点。
loft，生成曲面。
选择曲面，复制，scale x为-1。
选择这两个曲面，attach surfaces, attach method选择blend。这样连接部分会比较平滑。船舷板做出来了。
2.现在我们做船的底部。
从这个表面上选择最下缘的一条isoparm，duplicate surface curves, 提取曲线。
为了下一部操作方便，我们将这条曲线的轴心挪到曲线尾部。（insert键）
接着我们将这条曲线复制两条，缩放调整后如下图。
我们要将第二条曲线的x轴缩放为一条直线，为了精确，我们可以从script editor（界面右下角）中copy缩放的mel，将第一个值改为1，复制到command line（界面左下角输入栏）中，回车，这样我们就能确保曲线的x轴归为1。
（用输入mel 的形式可以精确控制物体的位移、缩放等等，在建模中非常方便）
选择船底曲线，生成曲面。
调整最下方曲线的第一个点的位置，直至平滑过渡。
将这两个曲面attach surface 成一个曲面。船底板完成了。
3.现在我们来做船的上半部分。
从船舷曲面上提出最上缘曲线。（要将曲线的轴心放到船尾）
复制，缩放两条，位置如下。
选择这些曲线loft，生成曲面。船甲板完成了。
4.现在我们要挖出船舱。
将最里圈曲线复制一条，并调整点如下图形状。
选择两条曲线loft,生成表面。
将最后那条曲线复制一条，选择曲线中部的两个curve piont，detarch curve,分离成三条曲线。
选择两条段边，loft。
在生成的表面上选择一条边缘isparm，提取曲线，并将该曲线与弧形曲线attach成一条曲线。（注意在attach method中选择connect）
选择这条曲线，复制，调整位置。
选择这两条曲线，loft,生成船舱曲面。
选择第二条曲线，planar，生成船舱底板曲面。可以看到该曲面以紫色结构线显示，表示该曲面是修剪曲面。有些时候修剪曲面看起来会有破损的地方，这是显示问题。选择属性编辑器，在nurbs surface display中的divison 值调高,就能精细显示。
5.现在我们将生成船尾部的面。
（在attach method 选择之前所有船板曲面，选择最边缘isparm,提取曲线，并将曲线attach。
中选择connect）
选择这条曲线，planar,生成船尾板。如果有不能执行的情况，说明线上的点不在同一平面上，用缩放工具拉平。
6.船身基本完成了。现在我们做船尾的引擎。
生成一个nurbs cube,调整位置，拉点。（注意nurbs cube是由4个独立曲面构成的，选择一个曲面，按向上箭头键，可以选择到cube所在的group）
用同样方式做出整个引擎和舵。
7.现在我们做船尾螺旋桨。
生成一个nurbs cylinder,通过加isparm，拉点，调整形状。
系统建模与仿真习题二 1. 考虑如图所示的典型反馈控制系统框图 (1)假设各个子传递函数模型为 66.031.05 .02)(232++-+=s s s s s G ，s s s G c 610)(+=，2 1)(+=s s H 分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法求该系统的传递函数模型。 (2) 假设系统的受控对象模型为s e s s s G 23 )1(12 )(-+=，控制器模型为 s s s G c 32)(+=，并假设系统是单位负反馈，分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法能求出该系统的传递函数模型？如果不能，请近似该模型。 2. 假定系统为： )(0001)(111000100001024269)(t u t x t x ????? ???????+????????????----= [])(2110)(t x t y = 请检查该系统是否为最小实现，如果不是最小实现，请从传递函数的角度解释该模型为何不是最小实现，并求其最小实现。 3. 双输入双输出系统的状态方程：
)(20201000)()(20224264)(75.025.075.125 .1125.15.025.025.025.125.425.25.025.1525.2)(t x t y t u t x t x ??????=????? ???????+????????????------------= （1）试将该模型输入到MATLAB 空间，并求出该模型相应的传递函数矩阵。 （2）将该状态空间模型转化为零极点增益模型，确定该系统是否为最小实现模型。如果不是，请将该模型的传递函数实现最小实现。 （3）若选择采样周期为s T 1.0=，求出离散后的状态方程模型和传递函数模型。 （4）对离散的状态空间模型进行连续变化，测试一下能否变回到原来的系统。 4. 假设系统的传递函数模型为： 222 )(2+++=s s s s G 系统状态的初始值为?? ????-21，假设系统的输入为t e t u 2)(-=。 （1）将该传递函数模型转化为状态空间模型。 （2）利用公式 ?--+=t t t A t t A d Bu e t x e t x 0 0)()()()(0)(τττ求解],0[t 的状态以及系统输出的解析解。 （3）根据上述的解析解作出s ]10,0[时间区间的状态以及系统输出曲线。 （4）采用lsim 函数方法直接作出s ]10,0[时间区间的状态以及系统输出曲线，并与（3）的结果作比较。 5. 已知矩阵 ???? ??????----=212332110A （1）取1:1.0:0=t ，利用expm(At)函数绘制求A 的状态转移矩阵，看运行的速度如何？ （2）采用以下程序绘制A 的状态转移矩阵的曲线，看运行的速度如何？ clc;clear; A=[0 1 -1;-2 -3 3;2 1 -2]; t=0:0.1:2; Nt=length(t);
第二章：低级建模的基础 2.1顺序操作和并行操作 顺序操作和并行操作，是新手们很容易混乱的一个重点。但是为了将低级建模发挥到极限，这一点必须好好的理解。Verilog HDL语言，虽然不同与其他高级语言的优秀结构性，但是作为硬件描述语言的它，最大的优势是并行操作。 顺序操作有如“步骤”概念，如果上一个行为没有完成，下一个行为就没有执行的意义。而并行操作最为不同的是，两个行为都是独立执行，互不影响。那么，我们从一个典型的实验“流水灯实验”，在具体上来理解它们的不同之处。 下图是两种以不同操作方式建立的“流水灯实验”。 1)点亮第一个LED，延迟一段时间。 2)点亮第二个LED，延迟一段时间。 3)点亮第三个LED，延迟一段时间。 4)点亮第四个LED，延迟一段时间。 5)重复第一个步骤。 从上面看来，我们明白“流水灯效果的产生”主要是以“顺序的方式”执行5个步骤。这可能是人类自然的思维方式吧，人类真的是奇怪的动物，虽然人类的大脑是并行操作的，但是人类的思维方式比较偏向“顺序操作”。为什么呢？ 如果引用现实中的实例，如果四个LED失去了“指挥者”，那么它们就罢工了！因为它们失去“执行发号”的第二方，这样的情况就如同上面内容如果没有了“1”，“2”，“3”,“4”，“5”的数目字，那么你又如何看懂“流水灯如何产生呢？” 换一句话说，“顺序操作”的代表往往都有一个“指挥者”或者名为“控制器”东西的存在，执行着“工作的次序（步骤）”。 我相信很多学习FPGA的朋友都有学过单片机。学习单片机的时候，可能是C语言或者汇编语言的关系，所以很多朋友在不知不觉中的情况习惯了“顺序操作”这样的概念。新手们常常忽略了，FPGA有存在着“顺序操作”和“并行操作”的概念。如果打从一开始就忽略了它们，往后的日子很难避免遇见瓶颈。 那么换成是“并行操作”的流水灯是如何的呢？结果我们从实验中理解...
Nurbs建模学习 一、关于Nurbs Nurbs建模技术在设计与动画行业中占有举足轻重的地位，一直以来是国外大型三维制作公司的标准建模方式，如pixar，PDI，工业光魔等，国内部分公司也在使用Nurbs建模。他的优势是用较少的点控制较大面积的平滑曲面，以建造工业曲面和有组织的流线曲面见长。而且Maya在特效，贴图方面对nurbs的支持比较充分，使用nurbs模型在后续工作中会很方便。 不过nurbs对拓扑结构要求严格，在建立复杂模型时会比较麻烦，这需要我们耐心的学习。 二、Loft放样 作画时，固有色和环境色是两个非常重要的概念。物体真正的固有色只有在没有任何环境影响，无投影的白色柔和光照下，才能被我们确定。而我们平常所看到的物体大多被随意放置在一定的环境中，…… Loft是最常用的曲面工具之一，我们可以通过几条曲线描述物体的外形，然后放样生成表面。 Loft 放样。 创建一系列的曲线定义物体的形状，然后一起放样这此曲线就象在一个框架上蒙上画布一样。这些曲线可以是表面上的曲线、表面等位结构线或剪切曲线。使用放样来建立表面时，应该保证所有参加放样的截面曲线的CV点的数目一样，下就是当你建立完曲线后进行一次Surface/Rebuild将曲线重建使CV点统一，这样生成的曲面就会显得整齐，而且很方便以后调整外形。需要要注意一点就是在放样前,选择曲线的顺序,这个操作决定了你放样后形成的面。
Parameterization 改变放样参数，Uniform 结点距离，用使轮廓曲线与V 方向平等，结果表面U 方向上的参数值等间距，第一条轮廓曲线和表面上的U （0，0）处的等位结构线对应，第二条和U （1，0）对应以次类推。 Chord Length 间距，结果表面U 方向上的参数值会根据轮廓曲线起点间的距离而定。 Rebuild 后 Rebuild 前
【习题】 一、单项选择 1、从供选择的答案中选出与下列有关软件需求分析叙述相对应的正确答案，将其编号填入到相应的括弧（）内。 开发软件时对提高软件开发人员工作效率至关重要的是( A ① )。软件工程中描述生存周期的瀑布模型一般包括计划、( B ① )、设计、编码、测试、维护等几个阶段，其中设计阶段在管理上又可以依次分成( C ③ )和( D ⑥ )两步。 供选择的答案： A．①程序开发环境②操作系统的资源管理功能③程序人员数量④计算机的并行处理能力 B．①需求分析②需求调查③可行性分析④问题定义 C、D．①方案设计②代码设计③概要设计④数据设计⑤运行设计⑥详细设计⑦故障处理设计⑧软件体系结构设计 2、软件开发费用只占软件生存期全部费用的_B___。 A. 1/2 B. 1/3 C. 1/4 D. 2/3 3、在软件开发过程中大约要花费__C__%的工作量进行测试和调试。 A. 20 B. 30 C. 40 D. 50 4、准确地解决“软件系统必须做什么”是__B__阶段的任务。 A. 可行性研究 B. 需求分析 C. 软件设计 D. 程序编码 5、软件生存期中时间最长的是_D__ 阶段。 A. 需求分析 B. 软件设计 C. 软件测试 D. 软件运行/维护 6、在软件生存期的模型中，_D__适合于大型软件的开发，它吸收了软件工程中“演化”的概念。 A .喷泉模型 B. 基于知识的模型 C. 瀑布模型 D. 螺旋模型 7、在软件生存期中，用户的参与主要在_A___。 A. 软件定义阶段、 B. 软件开发阶段、 C. 软件维护阶段、 D. 整个软件生存期过程中 8、在软件开发过程中的每个阶段都要进行严格的__D___，以尽早发现在软件开发过程中产生的错误。 A. 检验 B. 验证 C. 度量 D. 评审 9、在软件开发和维护过程中需要变更需求时，为了保持软件各个配置成分的一致性，必须实施严格的__B___。 A. 产品检验 B. 产品控制 C. 产品标准化 D. 开发规范 10、实践表明，采用先进的开发技术可提高软件开发的生产率，还可提高软件的__D__ 。 A. 可靠性 B. 可使用性 C. 安全性 D. 可维护性 11、为了提高软件开发过程的___A_，有效地进行管理，应当根据软件开发项目的总目标及完成期限，规定开发组织的责任和产品标准。 A. 可见性 B. 生产率 C. 安全性 D. 有效性 12、随着开发小组人数的___A__，因交流开发进展情况和讨论遇到的问题而造成的通信开销也急剧增加。 A. 增加 B. 降低 C. 稳定 D. 不稳定 13、为保证软件开发的过程能够跟上技术的进步，必须不断地灵活地改进软件工程__C__。 A. 原则 B. 工具 C. 过程 D. 方法 二、填空题 10、瀑布模型是将各个活动规定为依（软件生存期）连接的若干阶段的模型。它规定了各阶段的活动由前至后，相互衔接的固定次序，如同瀑布流水，逐级下落。 11、螺旋模型将开发过程分为几个螺旋周期。在每个螺旋周期内分为四个工作步骤：（制定计划）、（风险分析）、开发实施、（用户评估）。 12、喷泉模型是一种以（用户要求）为动力，以（对象）为驱动的模型。它使开发过程具有迭代性和无间隙性，适用于（面向对象）开发方法。
曲面建模应用实例 本章将介绍曲面建模的思路和方法，并且通过两个综合实例来详细介绍曲面设计过程。通过实例的讲解，读者可以熟悉曲面造型的一般思路和操作过程，从而深入掌握曲面造型的方法。 掌握曲面建模的思路和方法 掌握工程图纸的阅读方法 熟练掌握曲面造型中的常用命令
实例一：小汽车设计 这个例子通过设计小汽车模型来具体描述曲面造型的过程，最终结果如图1所示。 图 1 1．打开图形文件 启动UG NX8，打开文件“\part\surface modeling\ 1.prt”，结果如图2所示。 图 2 2．创建主片体 （1）创建曲面1。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选
图 3 （2）创建曲面2。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选择如图4所示的曲线来创建曲面。 图 4 （3）创建曲面3。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选择如图5所示的曲线来创建曲面。 图 5 （4）创建曲面4。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选择如图6所示的曲线来创建曲面。 图 6 （5）创建曲面5。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选
图7 （6）创建曲面6。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选择如图8所示的曲线来创建曲面。 图8 （7）创建曲面7。选择下拉菜单中的【插入】|【网格曲面】|【通过曲线组】命令，选择如图9所示的曲线来创建曲面。 图9 3创建过渡片体 （8）创建曲面8 。隐藏曲面3、曲面4。选择下拉菜单中的【插入】|【细节特征】|【桥接】命令，桥接曲面2、曲面5，结果如图10所示。
系统建模与仿真 开课对象：工业工程开课学期：6 学分：2学分；总学时：48学时；理论课学时：40学时； 实验学时：0 学时；上机学时：8学时 先修课程：概率论与数理统计 教材：系统建模与发展，齐欢，王小平编著，清华大学出版社，2004.7 参考书： 【1】离散事件系统建模与仿真，顾启泰，清华大学出版社 【2】现代系统建模与仿真技术，刘兴堂，西北工业大学出版社 【3】离散事件系统建模与仿真，王维平，国防科技大学出版社 【4】系统仿真导论，肖田元，清华大学出版社 【5】建模与仿真，王卫红，科学出版社 【6】仿真建模与分析(Simulaton Modeling and Analysis)(3rd eds.)，Averill M. Law, W.David Kelton，清华大学出版社/McGraw-Hill 一、课程的性质、目的和任务 建模与仿真是当代现代科学技术的主要内容，其技术已渗透到各学科和工程技术领域。本课程以一般系统理论为基础，让学生掌握适用于任何领域的建模与仿真的一般理论框架和基本方法。 本课程的目的和任务是使学生： 1．掌握建模基本理论； 2．掌握仿真的基本方法； 3．掌握一种仿真语言及仿真软件； 4．能够运用建模与仿真方法分析、解决工业工程领域的各种常见问题。 二、课程的基本要求 1．了解建模与仿真的作用和发展，理解组成要素。 2．掌握建模的几种基本方法，及模型简化的技术手段。 3．掌握建模的一般系统理论，认识随机数的产生的原因及统计控制方式。 4．能对离散事件进行仿真，并能分析运行结果。 三、课程的基本内容及学时分配 第一章绪论（3学时） 1．系统、模型、仿真的基本概念
第二章过程建模本章学习要求 1. 掌握基本概念及常用模型的描述形式 2. 掌握建模步骤及设计方法 3. 了解实验建模的方法 4. 掌握由图表法求模型参数 5. 掌握由计算法求模型参数 过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。前馈控制、最优控制、多变量解耦控制等更需要有精确的过程数学模型，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。研究过程建模对于实现生产过程自动化具有十分重要的意义。 被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。例如各种加热炉、锅炉、热处理炉、精馏塔、化学反应器等等。 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。 第一节基本概念 一、过程的输入输出描述 分析： 被控过程W o (s)是多个输入量（u(t),f 1 (t),f 2 (t)…f n (t)），单个输出量（y(t)）的物理系统。函数的关系表达式如下： ∑ = + = n i i i s F s W s U s W s y 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 二、静态与动态特性 1、静态特性——输入量与输出量之间的关系，用放大系数K 表示。 2、动态特性——输出量y随时间的变化而变化，用时间常数T 描述。 三、物料与能量平衡原理 在静态情况下，单位时间流入过程的物料或能量等于其流出的物料或能量。 在动态情况下，单位时间流入过程的物料或能量与流出的物料或能量之差等于过程储存量的变化率。四、自衡与无自衡对象（过程） 自衡对象：在扰动作用下，平衡状态被打破后，不通过自动仪器调节，建立新的平衡状态。 无自衡对象：在扰动作用下，平衡状态被打破后，自身不能建立新的平衡状态。 五、建模的途径 1、机理建模 对于一些比较简单的物料或能量变化和机理比较清楚的被控过程，根据过程的机理和物料（能量）平衡的关系，应用理论计算的方法建立被控过程的数学模型。 2、实验建模 对于多数的工业过程来说，一般都比较复杂，用机理建模的方法很难反映实际的情况，目前主要采用实验建模方法有过程辨识和参数估计。
第九讲系统建模与仿真(2) 四、仿真 1. 仿真(模拟)(Simulation)概念 1）定义 利用模型复现实际系统中发生的本质过程, 并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统. 2）分类 物理仿真：即实物仿真, 如风洞 计算机仿真(数学仿真): 模拟数字混合 半实物仿真: 控制器(实物)+计算机上实现的控制对象 3）建模、仿真与计算机 建模与仿真的五个组成部分（实际系统、试验框架、基本模型、集总模型、计算机模型）
实际系统：行为描述（可观测变量、不可观测变量） 试验框架：假设或条件集合，同模型有效性之间相关 基本模型：在试验框架下，解释实际系统的行为 集总模型：基本模型的简化 计算机：复杂（仿真） 4）基本要素 ●对仿真问题的描述 ●行为产生器 ●模型行为及其处理 5）仿真的发展阶段 ●模型驱动的仿真 ●含实物的仿真 ●人在回路中的仿真 6）仿真的发展趋势 ●面向对象仿真 ●定性仿真 ●智能仿真 ●分布交互仿真 ●可视化仿真 ●多媒体仿真 ●虚拟现实仿真 ●Internet网上仿真
7）仿真的对象 ●系统过于复杂（如存在过多的随机因素），难以采用解析法求解 时，通过仿真可得到系统的动态特征。 ●系统实际运行费用过高或无法作实际运行时，借助仿真可以得到 系统的有关参数。 优化设计、安全性和经济性、预测、完善系统模型、重复实验 8）仿真的一般过程 9）仿真的分类
●物理仿真，模拟机仿真，数字仿真，数字机与模拟机混合仿 真，仿真器仿真 ●连续和离散系统仿真 ●静态和动态系统仿真 ●稳态和终态仿真 ●确定性和随机性仿真 10）仿真的输出类型 ●确定型和随机型 ●连续观测值和离散观测值 ●连续分布和离散分布观测值 ●一元和多元输出 ●稳态型仿真和终止型仿真输出 11）仿真的局限性 1) 往往只能得到特解，而得不到通解 2) 结果往往是间接的，而不是直接的 12）仿真的技术工具 连续系统仿真：DYNAMO, CSMP 离散事件系统仿真：GPSS, SIMSCRIPT, SIMULA, GPSS-F 混合仿真：GASP-IV
第一章习题 1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？ 答：仿真是建立在控制理论，相似理论，信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识，统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。 它所遵循的基本原则是相似原理。 1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别？各有什么特点？ 答：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。它是一种纯物理意义上的实验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响，其应用往往有很大局限性。 仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法。 1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？ 答: 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与计算机。由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模问题；将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。 1-4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何？。 答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的干扰，模拟仿真较数字仿真精度低 但模拟仿真具有如下优点： （1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。 （2）仿真速度极快，失真小，结果可信度高。 （3）能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。 （4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进
第二章过程建模 ?本章提要 1.过程建模的基本概念 2.单容过程的数学模型的建立 3.多容过程的数学模型的建立 4.用响应曲线法辨识过程的数学模型 5.用相关统计法辨识过程的数学模型 6.用最小二乘参数估计方法的系统辨识 ?授课内容 第一节基本概念 在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。 一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。 1.基本概念 ?被控过程-----指指正在运行中的多种多样的工艺生产设备。(P11) ?被控过程的数学模型-----指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用 下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。(P11) ?过程模型的两种描述形式： ●非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系 统的设计和综合不方便）。 ●参量形式：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传 递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程和观察方程等）。 ?过程控制系统方框图： ?内部扰动（基本扰动）-----通常是一个可控性良好的输入量，选作为控制 作用，即调节器的输山量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内， 所以对系统的性能起决定作用。 ?外部扰动------其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～f n（t））。外部扰动 对过程控制也有很大影响。 ?输入量-----（u1(t)、u2(t)、、、u n(t)，f1(t)、f2(t)、、、f n(t)）
?输出量-----（y1(t)、y2(t)、、、y n(t)） ?通道-----被控过程输入量与输出量之间的信号联系。 ?控制通道-----控制作用与被控变量之间的信号联系。 ?扰动通道-----扰动作用与被控变量之间的信号联系。 注：x(t)为系统的设定值（给定值、比较值） ?单输入单输出系统------ ?多输入单输出系统------ ?多输入多输出系统------需要解耦控制 ?过程的阶跃响应曲线： 注：大多数被控过程特性的特点是被控量的变化往往是不振荡的、单调的、有时延的和惯性的。 上图表示在输入扰动x（其实应该是u或f）作用下，输出y（被控量）的具有时延的响应。 ?自衡过程-----过程对扰动的响应有时延，被控量变化最后达到新的平衡， 即过程具有自平衡能力。如图2—2(a)所示； ?无自衡过程-----被控量不断交化最后不再平衡下来，过程无自平衡能力。 如图2—2(b)所示。 2.建立过程数学模型的目的 ●设计过程控制系统和整定调节器参数。 过程控制系统设计时选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探索最优工况以及调节器参数的最佳整定都是以被控过程的数学模型为重要依据的。 ●指导生产工艺设备的设计。 确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。 ●进行仿真试验研究。 不需要建造小的物理模型，只要根据过程的数学模型通过计算机进行仿真试验研究。 3.被控过程数学模型的应用与要求 ?被控过程数学模型的部分应用与要求可见表2—l所示。
控制系统数字仿真与CAD第二章习题答案 2-1 思考题： （1）数学模型的微分方程，状态方程，传递函数，零极点增益和部分分式五种形式，各有什么特点？ （2）数学模型各种形式之间为什么要互相转换？ （3）控制系统建模的基本方法有哪些？他们的区别和特点是什么？ （4）控制系统计算机仿真中的“实现问题”是什么含意？ （5）数值积分法的选用应遵循哪几条原则？ 答：（1）微分方程是直接描述系统输入和输出量之间的制约关系，是连续控制系统其他数学模型表达式的基础。状态方程能够反映系统内部各状态之间的相互关系，适用于多输入多输出系统。传递函数是零极点形式和部分分式形式的基础。零极点增益形式可用于分析系统的稳定性和快速性。利用部分分式形式可直接分析系统的动态过程。 （2）不同的控制系统的分析和设计方法，只适用于特定的数学模型形式。 （3）控制系统的建模方法大体有三种：机理模型法，统计模型法和混合模型法。机理模型法就是对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理的分析简化建立起来的各物理量间的关系。该方法需要对系统的内部结构和特性完全的了解，精度高。统计模型法是采用归纳的方法，根据系统实测的数据，运用统计规律和系统辨识等理论建立的系统模型。该方法建立的数学模型受数据量不充分，数据精度不一致，数据处理方法的不完善，很难在精度上达到更高的要求。混合法是上述两种方法的结合。 （4）“实现问题”就是根据建立的数学模型和精度，采用某种数值计算方法，将模型方程转换为适合在计算机上运行的公式和方程，通过计算来使之正确的反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿真结果。 （5）数值积分法应该遵循的原则是在满足系统精度的前提下，提高数值运算的速
习 题 2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x i o o o o 222=++ (2) x tx x x i o o o 222=++ (3) x x x x i o 222o o =++ (4) x tx x x x i o o o 222o =++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有
x m x c x x c i o o 2 o 1 )(=-- 即 x c x c c x m i 1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 )1()()(1 x x c k x x o i -=- )2()(2 x k x x c o o =- 消除中间变量有 x ck x k k x k k c i o 1 2 1 o 2 1 )(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x x c o o i o i 2 1 )()(=-+- 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 ?+=idt C i R u o 12 2 i R u u o i 1 1=-
教案 【课程】三维动画软件——maya 【班级】 【时间】 【教学目的】在全球三维数字动画及视觉特效制作领域中，Autodesk Maya是一个局于领导地位的软件。学习maya可以使用制作从建模、动画、动力学到绘制及渲染的全 部工作，因此需要学习如何初步地认识maya,并学会如何进行建模。 【教学内容】一、软件的认识 二、Nurbs建模 【授课方式】理论知识、上机讲授 【教学重点】培养学生三维感受，并学会Nurbs建模，
【课程】三维动画软件——maya 【班级】 【课时】4课时 【章节】第一章三维动画软件——maya的发展历史及广泛应用 【教学内容】一、三维动画软件——maya的发展历史及广泛应用 二、如何启动maya、如何学习和获取帮助 【教学目的】让学生了解三维动画软件——maya的发展历史及广泛应用 初步地认识maya并学会基础的使用方法 【教学重点】学习如何启动maya和如何获取帮助 【授课方式】理论知识、上机讲授 【教具】资料、图片 【教学过程之新课导入】maya软件将是学生今后主要的学习软件，有个好的认识开端是很 重要的，首先我们就学到界面认识。 【教学过程之要点提示】第一章三维动画软件——maya的概述 第一节三维动画软件——maya的发展历史及广泛应用 1998年诞生 Alias/wavefront公司——Alias公司——2005年10月Autodesk公司— —2007年9月Maya 2008 应用：1、游戏开发 2、可视化设计 3、电影 4、广播电视制作 第二节启动maya和获取帮助 1、启动maya：a、双击桌面图标 b、windows 开始>程序>Autodesk>Autodesk Maya 2008> Maya 2008 2、获取帮助：a、Help>Maya Help或F1打开帮助文件 b、帮助行 c、寻找菜单工具 d、其他学习资源 【小结】通过这节课的学习，学生们对三维动画软件——maya有了初步的了解和认识，能够正确的启动软件。
实验二 动态系统的Simulink 仿真 一、实验目的： 1、掌握Simulink 使用的基本方法； 2、熟悉连续系统仿真设计的基本方法； 二、实验内容： 1、编写M 脚本文件 编写一个M 脚本文件，绘制函数 ?? ???>+-≤<≤=3 ,630, 0,sin )(x x x x x x x y 在区间[-5，5]中的图形。 x=-5:0.1:5; % 设定系统输入范围与仿真步长 leng=length(x); % 计算系统输入序列长度 for i=1:leng % 计算系统输出序列 if x(i)<=0 % 逻辑判断 y(i)=sin(x(i)); else if (x(i)>0&&x(i)<=3) y(i)=x(i); else y(i)=-x(i)+6; end end end plot(x,y);grid;
2、编写和调用M 函数 编写一个M 函数，表示出如下函数关系 t=0:0.1:3; leng=length(t); for i=1:leng if t(i)<=1; y(i)=t(i).^2; else y(i)=t(i).^(1/2); end end plot(t,y);grid; ???? ?>∈=1 , ]1 ,0[,212t u t u y
并用M脚本文件调用该函数，绘制其在[0，3]区间内的图像。 3.一个生长在罐中的细菌的简单模型。要求给各模块和信号线改名称、改颜色或增加阴影。 假定细菌的出生率和当前细菌的总数成正比，死亡率和当前的总数的平方成正比。若以x 代表当前细菌的总数，则细菌的出生率可表示为： birth= _ rate bx 细菌的死亡率可表示为： 2 death= _px rate 细菌总数的总变化率可表示为出生率与死亡率之差。因此系统可表示为如下的微分方程形式： 2 px = x- bx 假定h ; /5= =，当前细菌的总数为1000，建立其simulink模型， .0 p h b/ 05 并绘制细菌总数变化图。
系统建模与仿真习题二及答案 1. 考虑如图所示的典型反馈控制系统框图 (1)假设各个子传递函数模型为 66.031.05 .02)(232++-+=s s s s s G ，s s s G c 610)(+=，2 1)(+=s s H 分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法求该系统的传递函数模型。 (2) 假设系统的受控对象模型为s e s s s G 23 )1(12 )(-+=，控制器模型为 s s s G c 32)(+=，并假设系统是单位负反馈，分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法能求出该系统的传递函数模型？如果不能，请近似该模型。 解： （1） clc;clear; G=tf([2 0 0.5],[1 -0.1 3 0.66]); Gc=tf([10 6],[1 0]); H=tf(1,[1 2]); G1=feedback(G*Gc,H) G2=G*Gc/(1+G*Gc*H) Gmin=minreal(G2) 结果： Transfer function: 20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6 s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3 Transfer function:
20 s^8 + 50 s^7 + 83.8 s^6 + 179.3 s^5 + 126 s^4 + 57.54 s^3 + 26.58 s^2 + 3.96 s s^9 + 1.8 s^8 + 25.61 s^7 + 22.74 s^6 + 74.11 s^5 + 73.4 s^4 + 30.98 s^3+ 13.17 s^2 + 1.98 s Transfer function: 20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6 s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3 (2) 由于 s c e s s s s G s G 23 2)1(36 24)(*)(-++= 方法1：将s e 2-转换为近似多项式。 clc;clear; s=tf('s'); G=(24*s+36)/(s^2*(s+1)^3); [num,den]=pade(2,2); G1=feedback(tf(num,den)*G,1) 结果： Transfer function: 24 s^3 - 36 s^2 - 36 s + 108 ------------------------------------------------------------ s^7 + 6 s^6 + 15 s^5 + 19 s^4 + 36 s^3 - 33 s^2 - 36 s + 108 方法2：将G*Gc/(1+G*Gc*H)中的分母中的s e 2-转换为近似多项式。 clc;clear; s=tf('s'); G=(24*s+36)/(s^2*(s+1)^3); [num,den]=pade(2,2); G1=feedback(G,tf(num,den)); G1.iodelay=2 Transfer function: 24 s^3 + 108 s^2 + 180 s + 108 exp(-2*s) * ------------------------------------------------------------------------------- s^7 + 6 s^6 + 15 s^5 + 19 s^4 + 36 s^3 - 33 s^2 - 36 s + 108 2. 假定系统为：
第二章列车运行的基本数学模型 空气波传播的定性分析 在重载列车长大下坡周期性制动策略研究中，首先需要解决的难点就是长大下坡速度控制问题。由于重力的作用，列车会在长大下坡不断加速，为了保证列车的安全行驶必须施以足够的制动力。在此过程中，如果一直使用空气制动，长时间制动将使闸瓦过热，其次，由于制动缸漏泄制动力会不断衰减。所以重载列车长大下坡时必须间断使用空气制动，并且掌握好制动与缓解时机。由于列车管系中气体是不规则变化的，即无法直接预测整个列车管系中各部分压强的压强变化，在此将通过气体流动理论计算制动特性来可避免各种假定压强带来的计算不正确。 当速度过高时采取制动措施可能会出现运行速度超过限速；速度过低开始制动一方面可能运行速度低，线路通过能力没有完全发挥，另一方面可能出现因为缓解时间过短副风缸没有充风完毕，会出现制动力不足问题。而缓解时，如果速度过高开始缓解，则可能出现需要制动时副风缸还没有充满，此时制动，制动缸将没有足够的制动力，列车可能会出现失控的危险；如果速度过低开始缓解，则通过线路的速度过低。 2.1.1空气制动系统描述 首先对空气制动系统的机械结构和控制过程中的三个过程的认知理解，我们将列车制动机械结构简化抽象，在此基础上对降压制动、充风缓解和控制保压三个过程进行研究。 图1 空气制动系统示意图 2.1.1.1制动单元 车辆制动单元包括以上多个机械和空气组成部件,由于车辆类型和用途的不同,其具体的组成部件也会有所区别,但是大多数车辆制动单元的基本部件是一致的,在此我们主要简化研究控制阀（120三通阀）、副风缸和制动缸之间气压变化机理。
图2 空气制动单元示意图 2.1.1.2制动位 列车运行中准备进站停车或者减速时,通常是施行常用制动。司机施行常用制动减压后,因副风缸压力空气来不及通过滑阀和滑阀座向列车管逆流,于是在主活塞两侧产生了一定的压力差,此压力差产生的向上作用力克服了节制阀与滑阀背面间的摩擦阻力、橡胶膜板的变形阻力和压缩稳定弹簧的阻力以及主活塞重力等向下作用力的总和,使主活塞先带动节制阀上移,然后再带动滑阀上移,此时,由于120阀的动作,阻止了制动管的空气流向副风缸,同时紧急阀上的放风阀也被阻塞。空气只能从副风缸流向制动社,推动活塞向左边运动,然后通过基础制动装置作用到车轮上,如图3所示。（该过程在常用制动和紧急制动时都会发生,它们的区别就在于常用制动时,列车管的空气即不向车辆制动单元流动也不排向大气,但是紧急制动时,120阀除了有上述动作,还会通过紧急放风阀将列车管中的空气直接排向大气。换言之,紧急制动过程中,120阀通过紧急放风阀的动作,会大大加快列车管的放风动作。）
第二章软件过程 一、软件生命周期 软件生命周期(Life Cycle)，也称生存周期，指软件产品从提出、产生、发展到成熟，直至衰亡的整个时间段。 软件生命周期的组成阶段： (1) 软件定义阶段：做什么？问题定义→可行性研究→需求分析 (2) 软件开发阶段：如何做？总体设计→详细设计→编码和单元测试→综合测试 (3) 运行维护阶段：纠错、适应性修改、增强性修改、预防性修改 二、软件过程的定义 当开发产品或构建系统时，遵循一系列可预测的步骤（路线图）是非常重要的，它有助于及时交付高质量的产品。 (1)所遵循的路线图就称为“软件过程”。 (2)软件过程贯穿软件开发的各阶段，并建立阶段里程碑（Milestones）； (3)管理者在软件工程过程中需要对软件开发的质量、进度、成本进行评估、管理和控制； (4)技术人员在软件过程中需采用相应的方法和工具生成软件工程产品，如模型、文档、数据、报告、表格等。 三、软件过程的作用 软件开发过程的作用是： (1)成为开发组活动顺序的向导。 (2)详细说明需要开发哪些制品，何时开发。 (3)指导每一个成员及整个开发组的工作。 (4)提供监控、度量产品和活动所依据的准则。 —软件过程是软件项目管理控制的基础，它为项目提供稳定性、可控性和有组织性，能有效避免混乱。 —若没有一个良好定义的过程，开发组将各行其是，成功与否完全依赖个别优秀的人才，这不是能够长久的。 四、软件过程的组成要素（活动、动作、任务） 软件过程是工作产品构建时所执行的一系列活动、动作和任务的集合。 （1）活动(activity)：实现宽泛的大目标。 （2）动作(action)：阶段目标。 （3）任务(task)：关注小而明确的目标，产生实际产品。 —软件过程由活动组成，活动由动作组成，动作由任务组成。 五、基本框架活动和典型的普适性活动 软件过程框架(process framework)定义了若干个框架活动，及一些适用于整个软件过程的普适性活动 1.基本框架活动 一个通用的软件工程过程框架通常会包含以下5个基本的框架活动： （1）沟通：在技术工作开始前，先和利益相关者进行沟通与协作，以理解项目目标，并收集需求。 （2）策划：制定项目计划，包括需要执行的技术任务、可能的风险、资源需求、工作产品、工作进度计划等。 （3）建模：构思软件的体系结构、构件如何结合等。（4）构建：包括编码和测试。 （5）部署：交付全部软件或部分增量，由用户使用并反馈意见。
NURBS建模 1.NURBS的简单介绍 NURBS是Non-Uniform Rational B-Spline的简称，是一组用来创建光滑的有机体形状和表面模型的工具，也可以用来创建弯曲路径，用来放样或作为相机的动画路径的同一类型的路径，是目前3D模型中相当重要的一种建模方式，对于一些高级动画建模几乎都是采用此方式进行建模。 2.创建NURBS曲线 创建NURBS曲线有两种方法。 A） Point Curve(点曲线)：用控制点来定义曲线。在这种类型的曲线中，曲线必须通过这个控制点。 B） CV Curve(CV曲线)：类似于点曲线，但是曲线不通过这个CV点，而是离这点非常近。控制顶点可以影响曲线的弯曲程度，而不需要曲线通过这点。 3.NURBS的建造面板 从NURBS的建造面板看，我们可以将其分为三部分，分别为：Point（点式）、Curves（曲线）、Surfaces（曲面）；其中点式指令提供了可依据情况的不同自由加入所需要的作业点；曲线式指令可以加入独立属性的点于NURBS物件中；而曲面式指令则是锁定在物件曲面的用途上。利用这些NURBS指令，可以使操作者在作业需要时，随时加入额外的作业曲线进行辅助。
Create Points（点建构） 在NURBS Creation Box中，关于点的建构方面，总共提供了六种不同形式的作业工具。如下： ——Create Point（建立独立点）：建立三度空间独立属性的点物件，像辅助物件中的Point。 ——Create offset Point（建立偏移点）：在视图中的独立点上建立一个附属于独立点的附属点物件。与独立点的偏离值可以通过调节参数面板中的参数来实现。 ——Create Curve Point（建立曲度点）：可以在曲线上的任意位置上建立一个附属于曲线的附属点，该点对曲线有剪切作用，可在参数面板中进行调节。 ——Create Curve-Curve Point（建立交集点）：在与曲线与曲线之间加入点。点的移动与之有连系的曲线也会跟着移动。 ——Create Surface Point（建立曲面点）：在曲面中加入辅助点来协助操作。 ——Create Surface-Curve Point（建立线面交点）：在曲线与曲面间加入点。点的移动与之有连系的曲面也会跟着移动。
Maya Nurbs曲面建模模实例教程 尽管 MAYA的Nurbs建模在制作生物模型的时候显得有些复杂，但它却是工业建模的利器，下面我就举个例子用 MAYA的Nurbs制作一个咖啡罐来具体说明一下它的使用技巧。 1.选择 MAYA菜单的Create -> CV Curve Tool，在顶视图绘制一条曲线，作为罐子的右上角；确保曲线是方行的，同时在 Status 状态栏打开 Snap To Grids。 （从左至右）拐角曲线；duplicate 复制曲线，Scale X=-1；attache 联接曲线，继续复制 Scale Z=-1。 2.切换到 Surfaces 菜单模式。选中曲线，选择 Edit -> Duplicate Special ->?，设置 Scale X=-1，点击 Duplicate Special 按钮；
同时选中新旧两条曲线，选择 Edit Curves -> Attach Curves ->?，设置 Attach Method=Connect，取消 Keep Originals，点击 Attach 按钮。 3.选中合并好的曲线，选择 Edit -> Duplicate Special -> ?，Scale X=1，Scale Z=–1，点击 Duplicate Special 按钮； 同时选中新旧两条曲线，选择 Surfaces -> Loft，生成罐底的模型。 选择并删除曲线。 4.Shift 选择新建曲面上下两边的 Isoparm 结构线（也就是箭头终点的边）。你也可以右键点击曲面，在弹出菜单中选择 Isoparm 模式，然后再开始选择。选择 Edit Curves -> Duplicate Surface Curves，隐藏曲面以便于观察新建曲线； 选中新建曲线，先后选择 Edit -> Delete By Type -> History 和 Edit Curves -> Reverse Curve Direction； 选中这两条曲线，选择 Edit Curves -> Attach Curves 如果没有使用 Reverse Curve Direction 反转曲线方向工具，合并的曲线就会在中心扭曲，这是因为 duplicate 复制出来的曲线在U方向与原曲线的方向是相反的。另外，Delete By Type -> History 删除历史也是为了防止在使用Reverse Curve Direction 时产生曲线断裂的现象。如果曲线有断裂情况，可以通过 Edit Curves ->Open Open/Close Curves 解决。 5.选中曲线，选择 Edit -> Duplicate，缩放当前的曲线，使它与原曲线错开；选择原曲线，多复制几次（每次复制的时候都缩放或移动一点，避免与其它的曲线重叠）； 调整所有曲线的大小和位置，构成咖啡罐的立面形状、罐子上下沿的金属卷边以及罐顶的敞口。 6.选中原始的底部曲线，选择 Surfaces -> Loft。这时放样出来的模型非常丑，侧弓比卷边高出来很多。