Modeling And Simulation in Scilab/Scicos pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer-Verlag New York Inc

作者:Campbell, Stephen L./ Chancelier, Jean-Philippe/ Nikoukhah, Ramine

出品人:

页数:313

译者:

出版时间:2005

价格:$49.95

装帧:HRD

isbn号码:9780387278025

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建模与仿真：穿越数字世界的科学之旅 在现代科技飞速发展的今天，理解和预测复杂系统的行为已成为科学研究、工程设计乃至经济决策的核心。从微观的粒子碰撞到宏观的全球气候变化，从精密的电子电路到庞大的交通网络，我们无时无刻不在与各种各样的系统打交道。然而，直接在现实世界中进行实验和观察往往成本高昂、耗时耗力，甚至可能带来无法承受的风险。这时，建模与仿真技术就显得尤为重要，它为我们提供了一个强大的工具，使我们能够在数字世界中构建系统的虚拟模型，并对其进行各种条件的模拟，从而深入洞察其内在规律，优化设计方案，预测未来趋势。 本书旨在带领读者踏上一段探索建模与仿真奥秘的旅程，重点关注如何利用强大的开源软件 Scilab 及其集成仿真环境 Scicos 来实现这一目标。我们不将目光局限于某一个具体的应用领域，而是着力于构建一个通用且坚实的建模与仿真理论基础，并辅以丰富的实践操作。本书的内容将涵盖从基础概念的阐述到高级应用技巧的展示，力求为不同背景的读者提供一条清晰的学习路径。 第一部分：构建数字世界的基石——建模基础 在深入仿真之前，理解“模型”本身的概念至关重要。模型是现实世界系统的一种抽象和简化表示，它捕捉了系统最关键的特征和行为，以便我们进行分析和预测。本书的第一部分将深入探讨建模的各个方面： 什么是模型？ 我们将从哲学和科学的角度探讨模型的本质，区分不同类型的模型，例如物理模型、数学模型、概念模型、离散事件模型和连续模型等。理解模型的抽象层次和适用范围，是进行有效建模的第一步。 建模的目标与原则。 为什么我们需要建模？建模的目的是什么？是为了理解、预测、优化还是控制？我们将阐述建模过程中需要遵循的基本原则，如简化性、准确性、适用性和可验证性，这些原则将指导读者在复杂性与精确性之间找到平衡。 不同领域的建模范例。 为了让读者对建模的普适性有更直观的认识，我们将从多个学科领域选取经典的建模案例进行剖析。例如，在物理领域，我们将探讨如何建立一个简单的弹簧-阻尼系统的运动模型；在生物领域，我们将分析传染病传播的SIR模型；在经济领域，我们将初步接触市场供需平衡的模型。这些案例将展示如何将现实世界的问题转化为可计算的数学形式。 数学工具在建模中的作用。 数学是建模的语言。本书将回顾和介绍建模过程中常用的数学工具，包括代数方程、微分方程、概率论、统计学以及线性代数等。我们不会深入探讨高深的数学理论，而是侧重于介绍这些工具如何被应用于描述系统动态、状态变化和不确定性。 Scilab 语言入门。 作为本书的实践载体，Scilab 是一种功能强大且免费的数值计算软件，它提供了丰富的函数库和直观的编程环境。本部分将带领读者从零开始学习 Scilab 的基本语法，包括变量的声明与赋值、数据结构（向量、矩阵、列表等）、基本运算符、控制流语句（if-then-else, for, while）、函数定义与调用等。掌握 Scilab 的基本操作，是后续进行建模和仿真实践的关键。 数据可视化与分析。 建模的成果需要通过可视化来呈现和理解。Scilab 提供了强大的绘图功能，我们将学习如何绘制各种类型的图表，如线图、散点图、直方图、三维图等，以及如何对模型输出的数据进行初步的统计分析，以揭示隐藏在数据背后的规律。 第二部分：跃入动态世界——Scicos 仿真平台 模型一旦建立，就需要通过仿真来观察其行为。Scicos 是 Scilab 的一个强大的图形化仿真模块，它允许用户通过拖拽模块、连接信号线的方式来构建系统的仿真模型，而无需编写大量的代码。这极大地降低了仿真建模的门槛，并提供了直观的交互式体验。本部分将重点介绍 Scicos 的使用： Scicos 界面与基本操作。 我们将详细介绍 Scicos 的工作界面，包括菜单栏、工具栏、模块库、画布等。读者将学习如何打开和创建一个新的 Scicos 模型，如何从模块库中选择和放置常用的模块，以及如何通过连接线定义模块之间的信号流。 常用 Scicos 模块解析。 Scicos 提供了丰富多样的模块，涵盖了数学运算、信号处理、逻辑控制、输入输出等各个方面。我们将逐一讲解常用的基础模块，例如： 源模块： 用于产生各种类型的输入信号，如常量、正弦波、方波、脉冲信号、随机信号等。 算术与逻辑模块： 用于执行加减乘除、比较、逻辑运算等。 积分与微分模块： 用于实现微分方程的求解，是连续时间系统仿真的核心。 状态空间与传递函数模块： 用于直接表示线性时不变系统的动态特性。 事件驱动模块： 用于构建离散事件系统，如队列、事件调度等。 逻辑与控制器模块： 如触发器、计数器、PID控制器等。 构建简单的仿真模型。 通过一系列的实例，我们将引导读者亲手构建不同类型的仿真模型。例如，我们将使用 Scicos 模拟一个简单的 RC 滤波器的频率响应，观察不同参数下的输出变化；我们将建立一个二阶振荡系统的模型，研究阻尼系数对系统稳定性的影响；我们将设计一个简单的控制器，并将其应用于一个被控对象，观察闭环系统的性能。 模型参数的设置与调整。 在仿真过程中，模型的参数扮演着至关重要的角色。我们将学习如何为模块设置参数，如何理解参数的含义，以及如何在仿真过程中动态地调整参数，以探索不同参数组合对系统行为的影响。 仿真设置与运行。 仿真运行的控制参数，如仿真时长、仿真步长、仿真方法（如欧拉法、龙格-库塔法等）等，都会显著影响仿真的结果。我们将详细介绍这些设置的含义和选择原则，并演示如何配置仿真以获得准确可靠的结果。 仿真结果的可视化与分析。 仿真完成后，我们需要对结果进行分析。Scicos 集成了强大的数据输出和可视化工具。我们将学习如何将仿真结果导出到 Scilab 环境进行更深入的处理，如何使用 Scicos 内置的绘图功能来展示仿真轨迹，并如何通过观察曲线来理解系统的动态特性。 第三部分：深化理解与进阶应用 在掌握了 Scilab 的基本操作和 Scicos 的建模仿真流程后，本书将带领读者进入更深层次的探索： 多物理领域建模。 许多现实世界中的系统是多物理现象相互耦合的，例如机电一体化系统、热流体耦合系统等。我们将探讨如何在一个统一的建模框架下，融合不同物理域的模型，并利用 Scicos 来进行多领域耦合系统的仿真。 高级仿真技术。 除了基本的连续时间系统仿真，我们还将触及一些高级的仿真技术，例如： 离散事件仿真： 适用于模拟队列、通信网络、生产线等以事件为驱动的系统。 模型检验与验证： 探讨如何确保模型准确地反映了现实世界的行为。 参数优化与灵敏度分析： 如何利用仿真结果来寻找最优参数，以及分析参数变化对系统输出的影响。 实时仿真： 将仿真模型部署到硬件上，实现与真实世界的实时交互。 实战项目案例。 为了巩固所学知识，本书将提供一系列精心设计的实战项目。这些项目将涵盖工业自动化、机器人控制、交通系统仿真、生物医学工程等多个热门领域，让读者在解决实际问题的过程中，深刻体会建模与仿真的强大力量。 建模与仿真在不同行业中的应用。 我们将回顾和展望建模与仿真技术在航空航天、汽车制造、能源电力、金融保险、医疗健康等各个行业中的广泛应用，展示其在研发、设计、生产、运营等环节的关键作用。 未来发展趋势。 随着人工智能、大数据、高性能计算等技术的发展，建模与仿真技术也在不断演进。我们将简要探讨一些前沿的趋势，如基于模型的系统工程（MBSE）、数字孪生、机器学习与仿真结合等，为读者提供一个更广阔的视野。 本书的编写风格力求清晰、严谨，并辅以大量的图示和代码示例，方便读者理解和实践。我们相信，通过学习本书，读者不仅能够掌握 Scilab/Scicos 这款强大的建模仿真工具，更重要的是能够培养一种系统性的思维方式，学会如何将现实世界的问题抽象化，并利用数字工具来探索和解决它们。无论您是从事科学研究的学者，还是致力于工程设计的工程师，亦或是对系统行为充满好奇的学生，本书都将是您穿越数字世界的宝贵向导。

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这本书的行文风格，说实话，有些过于学院派了，每一个概念的引入都遵循着教科书式的严密逻辑，力求完美覆盖所有理论基础。这无疑保证了内容的准确性和深度，但却牺牲了阅读的流畅性和趣味性。我感觉作者在编写时，仿佛在对着一个理论考试的评分标准逐一打勾，生怕遗漏任何一个定义或定理的推导过程。例如，在介绍状态空间表示法时，不仅详细重述了经典控制理论的推导，还花了大量的篇幅去解释矩阵的性质，这对于已经熟悉控制理论背景的读者来说，无疑是一种时间的浪费。我更偏爱那种开门见山、直奔主题，通过一个具体的、吸引人的仿真案例来引入理论概念的叙述方式，让读者在解决实际问题的过程中自然而然地掌握理论工具。这本书更像是给初次接触这门学科的学生准备的参考资料，而非供工程师快速查阅和提升实战能力的工具书。它的价值在于其详尽的理论铺垫，但其缺点也在于这种铺垫的过度和冗余。

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这本书的封面设计确实很吸引人，那种深邃的蓝色调和简洁的几何图形组合，立刻让人联想到严谨的科学与现代化的计算工具。我最初购买它，是冲着对“建模与仿真”这个主题的浓厚兴趣，同时也对Scilab和Scicos这两个在工程界颇有名气的开源软件平台抱有极高的期待。然而，当我翻开目录时，虽然能看到诸如“离散事件系统分析”、“控制系统设计”等熟悉的术语，但初期的章节内容似乎过于侧重于基础软件环境的安装和基本语法回顾，这对于那些已经对MATLAB/Simulink环境有一定了解的读者来说，可能显得有些冗长和不必要。我更希望看到的是，如何将这些工具的特性与具体的工程问题进行深度融合，比如在电力系统动态分析或复杂的化学反应速率模拟中，Scilab/Scicos展现出的独特优势和高效实现路径。期望看到更多超越教科书范畴的、实战中遇到的棘手案例的解决方案，而不是停留在基础操作的层面。整体而言，它为入门者提供了一个相对平稳的起点，但对于寻求进阶技巧和高级应用策略的专业人士，可能需要更高的耐心去挖掘其深层价值。

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从软件应用的实用性角度来看，这本书对Scicos模块的使用讲解显得有些保守和局限。Scicos作为一个功能强大的图形化建模环境，其拖拽式和连接式的界面设计极大地简化了复杂系统的搭建过程。然而，书中的示例多集中于线性、低阶的系统仿真，例如简单的弹簧阻尼系统或一阶惯性环节。对于诸如非线性动力学系统、复杂的生物工程网络或者需要自定义复杂函数模块的场景，书中的指导就显得力不从心了。我尝试按照书中的步骤去搭建一个包含反馈饱和与死区的非线性控制器，结果发现书上提供的标准模块组合无法直接实现预期的效果，而作者并没有提供如何利用Scilab脚本语言来扩展或定制Scicos模块的有效方法。这种“只教鱼竿，但不教如何修鱼竿”的教学模式，使得读者在遇到超越预设场景的工程挑战时，会感到束手无策，无法真正将Scicos的潜力完全释放出来。

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关于这本书的配套资源和社区支持方面，我体验下来感觉比较孤立。一本好的技术书籍，尤其是涉及特定软件的，理应提供丰富的在线补充材料，比如配套的代码文件、实时更新的勘误表，或者一个活跃的读者交流论坛。这本书在这方面的支持显得比较薄弱，我找不到一个明确的渠道去下载书中所有代码的最新版本，而手动输入长篇的Scilab脚本又很容易出错。更令人沮丧的是，当我遇到一些与软件版本更新可能相关的兼容性问题时，由于缺乏官方的勘误或讨论区，我只能独自摸索解决方案。这对于依赖工具进行学习的读者来说，是一个不小的障碍。一本优秀的仿真书籍，其价值不应止于纸张本身，它更应该是一个连接读者、作者和软件更新的生态系统的一部分，而这本书目前来看，似乎更像是一个封闭的知识单元。

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这本书在图表和可视化方面的展示效果，老实说，给我留下的印象并不深刻。进行建模与仿真，最终的目的往往是要通过直观的图形来理解系统的动态行为和参数敏感性。虽然书中包含了大量的仿真结果图，但这些图表的质量和专业性似乎停留在基础的工具输出层面，缺乏专业报告应有的美观度和信息密度。坐标轴的标注有时不够清晰，图例的排版也略显拥挤，特别是在展示多条曲线对比时，区分度不高。更重要的是，书中鲜有关于如何利用Scilab强大的绘图函数（如`plot2d`的高级选项或更复杂的3D可视化）来优化结果展示的技巧介绍。一个好的仿真报告，图表本身就应该具备强大的解释力，而这本书在这方面提供的指导和范例，确实有些欠缺，似乎更多地将精力放在了“得到结果”上，而不是“如何最好地呈现结果”上。

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