Компьютерное моделирование. Лабораторный практикум.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А. Л. Королёв
2-е издание (электронное)
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний
2013
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
УДК 004.9
ББК 32.97
К68
С е р и я о с н о в а н а в 2007 г.
К68
Королёв А. Л.
Компьютерное моделирование. Лабораторный практикум [Электронный ресурс] / А. Л. Королёв. — 2-е изд. (эл.). — М. : БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2013. — 296 с. : ил. — (Педагогическое образование).
ISBN 978-5-9963-2255-8
Лабораторный практикум является дополнением к учебному пособию
и содержит лабораторные работы по курсу «Компьютерное моделирование». В лабораторных работах описано построение различных моделей:
математических, геометрических, имитационных и т. д. Практикум построен
на доступном программном обеспечении. Реализация моделей не требует
применения системы программирования. Построение моделей выполняется средствами специальных программных комплексов моделирования,
таких как MVS, Simulink, КОМПАС (учебные версии) или в среде
электронных таблиц. Практикум предназначен для студентов педагогических вузов, обучающихся по специальности 050202 «Информатика», для
студентов, обучающихся по направлению 540200 «Физико-математическое
образование» по профилю подготовки 540203 «Информатика», а также
для учителей информатики, разрабатывающих профильные и элективные
курсы. Практикум может быть использован по направлению 540200
«Физико-математическое образование» в курсе «Информатика». Содержание
практикума соответствует Государственным образовательным стандартам
высшего профессионального образования по указанным выше специальностям.
УДК 004.9
ББК 32.97
Учебное электронное издание
Серия: «Педагогическое образование»
Королёв Александр Леонидович
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Ведущий редактор Д. Ю. Усенков
Художник Н. А. Новак
Технический редактор Е. В. Денюкова. Корректор Е. Н. Клитина
Компьютерная верстка: Л. В. Катуркина
Подписано 14.07.13. Формат 60×90/16.
Усл. печ. л. 18,5.
Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний»
125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3
Телефон: (499) 157-5272, e-mail: binom@Lbz.ru, http://www.Lbz.ru
Системные требования: процессор Intel с тактовой частотой от 1,3 ГГц и выше; операционная система
Microsoft Windows XP, Vista или Windows 7 или 8; от 256 Мб оперативной памяти; от 260 Мб свободного
пространства на жестком диске; разрешение экрана не ниже 1024×768; программа Adobe Reader не ниже X.
ISBN 978-5-9963-2255-8
c БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
Интерактивное оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Модель физиологического состояния человека . . . . . .
Моделирование осциллятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Моделирование связанных осцилляторов . . . . . . . . . . .
Моделирование движения тела в среде с сопротивлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Идентификация параметров математической модели.
1.6. Моделирование движения тела по баллистической
траектории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7. Тепловое взаимодействие тела с окружающей средой
1.8. Моделирование полетаКЛАпо околоземной орбите. . .
1.9. Создание модели с виртуальным экспериментальным
стендом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5
5
9
23
24
29
35
40
42
46
57
Глава 2. Компьютерное моделирование систем . . . . . . . . . . . 60
2.1. Знакомство с технологией построения Simulinkмоделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2. Моделирование производственного цикла . . . . . . . . . . . 67
2.3. Моделирование одноразрядного двоичного сумматора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.4. Моделирование многоразрядного двоичного сумматора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.5. Моделирование электрических цепей . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.6. Динамически управляемая MVS-модель электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.7. Моделирование системы управления . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.8. Моделирование системы стабилизации электродвигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Глава 3. Построение оптимизационных моделей . . . . . . . . . . 105
3.1. Поражение цели с заданными координатами . . . . . . . . 105
3.2. Оптимальное использование ресурсов . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3. Определение оптимального плана перевозок . . . . . . . . 118
iv
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
Интерактивное оглавление
v
3.4. Оптимальное проектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.5. Оптимальная компоновка контейнера . . . . . . . . . . . . . . 124
3.6. Поиск критического пути на графе . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.7. Сетевая транспортная задача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.8. Многокритериальная оптимизация . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Глава 4. Графическое 3D-моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.1. Введение в трехмерное моделирование. . . . . . . . . . . . . . 140
4.2. Построение конуса, призмы, пирамиды, параллелепипеда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3. Построение тел вращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.4. Построение трехмерной модели по ее сечениям . . . . . . 172
4.5. Применение кинематической операции. . . . . . . . . . . . . . 181
4.6. Построение сечения тела плоскостью . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.7. Использование операций добавления и вырезания
вращением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Глава 5. Имитационное и стохастическое моделирование . . 196
5.1. Построение регрессионной модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.2. Построение модели на основе корреляционного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.3. Построение модели на основе плана полного факторного эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.4. Имитационное моделирование на основе клеточных
автоматов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.5. Моделирование случайных событий . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.6. Моделирование случайного блуждания . . . . . . . . . . . . . 229
5.7. Имитационная модель транспортного предприятия . . 231
5.8. Метод Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Глава 6. Моделирование процессов с распределенными
параметрами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
Моделирование процессов переноса. . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Моделирование процессов теплопроводности . . . . . . . . 245
Моделирование ламинарного течения жидкости . . . . . 251
Моделирование совместного протекания переноса и
теплопроводности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
vi
Интерактивное оглавление
Глава 7. Моделирование социальных и экономических
процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.1. Механизм рыночного ценообразования . . . . . . . . . . . . . 259
7.2. Моделирование циклических процессов в экономике . 264
7.3. Моделирование распространения инноваций . . . . . . . . 269
7.4. Определение налога на прибыль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Глава 8. Моделирование экологических систем . . . . . . . . . . . 280
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
Моделирование развития популяции. . . . . . . . . . . . . . . . 280
Моделирование межвидовой конкуренции. . . . . . . . . . . 281
Модель системы «хищник—жертва» . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Уточненная модель системы «хищник—жертва» . . . . . 285
Моделирование дискретного развития популяции . . . . 288
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
Оглавление
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Глава 1. Математическое моделирование
и вычислительный эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Модель физиологического состояния человека . . . . . . . . . . . 5
Моделирование осциллятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Моделирование связанных осцилляторов. . . . . . . . . . . . . . . 23
Моделирование движения тела в среде
с сопротивлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5. Идентификация параметров математической модели . . . . 29
1.6. Моделирование движения тела по баллистической
траектории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.7. Тепловое взаимодействие тела с окружающей средой . . . . 40
1.8. Моделирование полета КЛА по околоземной орбите . . . . . 42
1.9. Создание модели с виртуальным экспериментальным
стендом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Глава 2. Компьютерное моделирование систем . . . . . . 60
2.1. Знакомство с технологией построения
Simulink-моделей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2. Моделирование производственного цикла . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3. Моделирование одноразрядного двоичного сумматора . . . 73
2.4. Моделирование многоразрядного двоичного
сумматора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.5. Моделирование электрических цепей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.6. Динамически управляемая MVS-модель
электрической цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.7. Моделирование системы управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.8. Моделирование системы стабилизации
электродвигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Глава 3. Построение оптимизационных моделей . . . . 105
3.1. Поражение цели с заданными координатами . . . . . . . . . . 105
3.2. Оптимальное использование ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3. Определение оптимального плана перевозок . . . . . . . . . . . 118
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
Оглавление
295
3.4. Оптимальное проектирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.5. Оптимальная компоновка контейнера . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.6. Поиск критического пути на графе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.7. Сетевая транспортная задача. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.8. Многокритериальная оптимизация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Глава 4. Графическое 3D-моделирование . . . . . . . . . . 140
4.1. Введение в трехмерное моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.2. Построение конуса, призмы, пирамиды,
параллелепипеда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3. Построение тел вращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.4. Построение трехмерной модели по ее сечениям. . . . . . . . . 172
4.5. Применение кинематической операции . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.6. Построение сечения тела плоскостью . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.7. Использование операций добавления и вырезания
вращением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Глава 5. Имитационное и стохастическое
моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1. Построение регрессионной модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.2. Построение модели на основе корреляционного
анализа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.3. Построение модели на основе плана полного
факторного эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.4. Имитационное моделирование на основе клеточных
автоматов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.5. Моделирование случайных событий . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.6. Моделирование случайного блуждания . . . . . . . . . . . . . . . 229
5.7. Имитационная модель транспортного предприятия . . . . 231
5.8. Метод Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Глава 6. Моделирование процессов
с распределенными параметрами . . . . . . . . . . . . . 240
6.1. Моделирование процессов переноса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
6.2. Моделирование процессов теплопроводности . . . . . . . . . . 245
6.3. Моделирование ламинарного течения жидкости . . . . . . . 251
Перейти на страницу с полной версией»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перейти на страницу с полной версией»
296
Оглавление
6.4. Моделирование совместного протекания переноса
и теплопроводности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Глава 7. Моделирование социальных
и экономических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.1. Механизм рыночного ценообразования . . . . . . . . . . . . . . . 259
7.2. Моделирование циклических процессов в экономике . . . 264
7.3. Моделирование распространения инноваций . . . . . . . . . . 269
7.4. Определение налога на прибыль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Глава 8. Моделирование экологических систем . . . . . 280
8.1. Моделирование развития популяции . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
8.2. Моделирование межвидовой конкуренции . . . . . . . . . . . . 281
8.3. Модель системы «хищник—жертва» . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.4. Уточненная модель системы «хищник—жертва». . . . . . . 285
8.5. Моделирование дискретного развития популяции . . . . . 288
Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Перейти на страницу с полной версией»