農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)模型

農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)模型第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型2.1概述2.2理論建模方法第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述數(shù)學(xué)模型的概念數(shù)學(xué)模型有多種類型，從不同角度介紹其概念：---為了研究設(shè)計(jì)對象的復(fù)雜現(xiàn)象，先提出合理的假設(shè)，再對現(xiàn)象進(jìn)行簡化或抽象化，然后用數(shù)學(xué)方程式來表示的假設(shè)。---一個(gè)或一組方程式，從數(shù)量角度反映了研究對象的現(xiàn)象、過程或者有關(guān)參數(shù)及其相互關(guān)系，描述了其固有特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是對現(xiàn)實(shí)世界的本質(zhì)反映或科學(xué)的抽象。---對現(xiàn)有世界特有的內(nèi)在規(guī)律，做出的必要的簡化假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述數(shù)學(xué)模型的特性和主要類別一、數(shù)學(xué)模型的特性（1）抽象性---數(shù)學(xué)模型舍棄事物和過程的具體特征，突出主要變量的邏輯關(guān)系，便于進(jìn)行概念的分析、推理、歸納和演繹。（2）可解性

---數(shù)學(xué)模型可以通過運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行計(jì)算或求解，并且可以從計(jì)算結(jié)果中獲得某些難以直觀得到的認(rèn)識。（3）適應(yīng)性

---一種數(shù)學(xué)模型往往可以運(yùn)用于不同的領(lǐng)域。表現(xiàn)在修改參數(shù)或改變運(yùn)算關(guān)系十分方便。第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述（4）快速性

---數(shù)學(xué)模型的處理手段是符號或圖形的推演，在求解參數(shù)、改變程序時(shí)十分快速。（5）經(jīng)濟(jì)性

---越復(fù)雜的事物和過程的數(shù)學(xué)模型，處理成本越低，尤其是在性能優(yōu)良、價(jià)格便宜的危機(jī)問世以來，這一特性更加突出。第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述二、數(shù)學(xué)模型的主要類別分類：應(yīng)用領(lǐng)域（或?qū)W科——人口模型、交通模型、環(huán)境模型、生態(tài)模型等）數(shù)學(xué)方法（或數(shù)學(xué)分支——幾何模型、微分方程模型、圖論模型等）表現(xiàn)特性（靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、確定性模型、隨機(jī)性模型）建模目的（描述模型、分析模型、優(yōu)化模型等）對模型的了解程度（黑箱模型、白箱模型、灰箱模型）第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述農(nóng)業(yè)機(jī)械作用特征（1）復(fù)雜性：多種多樣的輸入和輸出變量、資料和數(shù)據(jù)不充分及機(jī)器狀態(tài)的易變性。易變性是由零件磨損和變形導(dǎo)致機(jī)構(gòu)尺寸的變化及由種箱、肥箱和糧箱等倒空和充滿引起的質(zhì)量變化等原因造成的。（2）隨機(jī)性：信息模型中大多數(shù)因素應(yīng)該屬于概率統(tǒng)計(jì)方面的隨機(jī)模型，這是本質(zhì)特征。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述建立數(shù)學(xué)模型的方法和步驟一、建立數(shù)學(xué)模型的方法（1）理論法（機(jī)理分析法）；（2）試驗(yàn)法（測試分析法）；（3）綜合法。第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)學(xué)模型概述二、建立數(shù)學(xué)模型的步驟模型假設(shè)模型構(gòu)成模型求解模型應(yīng)用模型檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?/p>

模型準(zhǔn)備第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2理論建模方法動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模用以描述系統(tǒng)狀態(tài)過渡過程的數(shù)學(xué)模型稱為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。分析過渡過程的方法通常分解為三個(gè)步驟：（1）導(dǎo)出數(shù)學(xué)方程（一般情況是一個(gè)微分方程（組））；（2）求解導(dǎo)出的微分方程（組）；（3）將求得的數(shù)學(xué)結(jié)果從物理上加以討論和解釋，判斷它是否符合系統(tǒng)的實(shí)際情況。第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2理論建模方法隨機(jī)系統(tǒng)建模（1）隨機(jī)系統(tǒng)建模的建模基礎(chǔ)---現(xiàn)代概率理論，包括基礎(chǔ)概率、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過程。（2）農(nóng)業(yè)工程中常用的模型有：

---貝努利概率模型、自相關(guān)函數(shù)模型和馬爾可夫鏈模型第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2理論建模方法機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)建模建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的原則：（1）模型要足夠反映設(shè)計(jì)對象的真實(shí)性；（2）模型盡量簡單，使之易于求解；（3）模型不僅說明特定事實(shí)，更要反映更多的事實(shí)；（4）要易于查找模型中的錯(cuò)誤。第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2理論建模方法層次分析法建模層次分析法：一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的分析方法。一、層次分析步驟及計(jì)算方法（1）明確問題---確定問題范圍和所含因素及因素間關(guān)系；（2）建立層次結(jié)構(gòu)---根據(jù)對問題的分析，將因素分層；（3）構(gòu)造判斷矩陣；（4）層次單排序---方根法和最大特征值法；（5）層次總排序；（6）一致性檢驗(yàn)。第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2理論建模方法二、層次分析法建模實(shí)例發(fā)展糧食生產(chǎn)的層次分析結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。這是發(fā)展糧食生產(chǎn)中簡化后的一個(gè)制約因素分析實(shí)例。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2理論建模方法聚類分析法建模聚類分析：用數(shù)學(xué)定量地確定樣品的親疏關(guān)系，從而客觀地分型劃類。一、聚類分析步驟及模糊等價(jià)關(guān)系模糊聚類分析方法分為：（1）系統(tǒng)聚類分析法；（2）非系統(tǒng)聚類法（也稱逐步聚類法）。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.3試驗(yàn)建模方法量綱分析建模方法基本概念：在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用物理定律的量綱齊次原則，確定各物理量之間的關(guān)系。量綱和單位：對一個(gè)物理對象進(jìn)行定量時(shí)離不開它的特性，例如長度、質(zhì)量、密度、速度等。這些表示不同物理特性的量稱之為不同的“量綱”。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法實(shí)例分析（1）視覺系統(tǒng)（硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、彩色攝像系統(tǒng)、圖像輸入裝置和封閉式光照室）（2）顏色特征的提?。伾治觯?）遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日第3章農(nóng)業(yè)工程中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)（computersimulationtechnology）：利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)。一、計(jì)算機(jī)仿真的分類及其步驟分類方法：（1）按仿真對象的信號流：連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真。（2）按描述系統(tǒng)的模型：全物理仿真、計(jì)算機(jī)仿真和半物理仿真。（3）按有無實(shí)物參加仿真實(shí)驗(yàn)：純計(jì)算機(jī)仿真和半實(shí)物仿真。（4）按仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)的時(shí)間標(biāo)尺與實(shí)際時(shí)間標(biāo)尺的比例：實(shí)時(shí)仿真、欠實(shí)時(shí)仿真和超時(shí)仿真。（5）按仿真計(jì)算機(jī)的種類：模擬計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真和混合計(jì)算機(jī)仿真。第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)二、計(jì)算機(jī)仿真的步驟（七步三階段）（1）系統(tǒng)定義（2）建立模型（3）模型變換（4）設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)（5）模型裝載（6）仿真實(shí)驗(yàn)（7）仿真報(bào)告將以上七步分為三個(gè)階段：建模階段、模型變換階段和模型試驗(yàn)階段第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述三、模擬計(jì)算機(jī)仿真特點(diǎn)：（1）因模擬機(jī)能夠快速解算常微分方程，所以特別適合于重復(fù)多次的仿真研究。（2）由于模擬機(jī)中的運(yùn)算放大器有一定的線性范圍，在模型變換階段，必須合理選擇仿真時(shí)間比例尺及各變量的幅度比例尺，然后繪制模擬圖。最后確定模擬圖中各系統(tǒng)器的系數(shù)。（3）如果要在仿真實(shí)驗(yàn)過程中修改模型，則必須修改接線及重新調(diào)整系數(shù)器。第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述四、數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真特點(diǎn)：（1）不僅可以解決系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題，還可以解系統(tǒng)中排隊(duì)問題、管理決策問題。（2）數(shù)字計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算是數(shù)值計(jì)算。（3）仿真軟件很多，應(yīng)用范圍在擴(kuò)大，效率在提高。（4）采用串行計(jì)算時(shí)，占用資源很大，不適用于復(fù)雜系統(tǒng)仿真。第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述五、混合計(jì)算機(jī)仿真特點(diǎn)：（1）不僅可以解決系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題，還可以解系統(tǒng)中排隊(duì)問題、管理決策等問題。（2）混合計(jì)算機(jī)中的仿真模型包括兩部分：一部分放在模擬計(jì)算機(jī)上的模型；另一部分是放在數(shù)字計(jì)算機(jī)上的模型。（3）由兩種計(jì)算機(jī)之間信息交換，使得仿真誤差增加，同時(shí)，也使仿真軟件更加復(fù)雜。第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述計(jì)算機(jī)仿真的用途一、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等方面的應(yīng)用真實(shí)系統(tǒng)的研制過程：方案論證——系統(tǒng)對象及現(xiàn)有部件的分析——初步設(shè)計(jì)——具體設(shè)計(jì)——分系統(tǒng)試驗(yàn)——投入運(yùn)行。據(jù)分析英、法聯(lián)合研制的“協(xié)和”號飛機(jī)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中均采用了仿真技術(shù)，使研制周期縮短，研制費(fèi)用減少。二、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在訓(xùn)練與教育中的應(yīng)用（1）計(jì)算機(jī)仿真駕駛訓(xùn)練（宇航員、飛行員、坦克駕駛員等）（2）操作訓(xùn)練（槍炮手、電站操縱人員、指揮官等）第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.1概述3.1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真中的地位一、一般系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)對仿真精度、速度要求不高的仿真，一般采用微型計(jì)算機(jī)仿真。二、復(fù)雜系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)采用微型計(jì)算機(jī)+仿真專用的外圍陣列機(jī)的方式。三、訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)采用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，組成微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同完成任務(wù)。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.2數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)仿真技術(shù)連續(xù)系統(tǒng)仿真的數(shù)學(xué)方法可分為兩大類：數(shù)值積分法和連續(xù)系統(tǒng)離散化方法。一、數(shù)值積分方法歐拉法、龍格-庫塔法、阿達(dá)姆斯法二、離散相似法離散化模型、吐斯丁法、狀態(tài)轉(zhuǎn)換法三、數(shù)字仿真算法的一些問題（1）仿真算法的選擇與比較（2）stiff（病態(tài)或剛性）系統(tǒng)的仿真算法（3）非線性系統(tǒng)的仿真算法第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.2數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真方法離散事件系統(tǒng)仿真方法一、概述離散事件系統(tǒng)是指操作和狀態(tài)變化僅在離散時(shí)刻產(chǎn)生的系統(tǒng)，如交通系統(tǒng)、市場系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。二、概率概念和隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法：均勻分布隨機(jī)數(shù)：表格法、物理法、數(shù)學(xué)方法。不同分布隨機(jī)數(shù)：變換抽樣法（概率積分變換運(yùn)算）、舍選法。三、離散事件仿真中的幾個(gè)問題（1）同時(shí)事件（2）時(shí)間的表示（3）仿真結(jié)果的處理及報(bào)告第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.3農(nóng)業(yè)工程中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引言以精密播種系統(tǒng)為例，說明農(nóng)業(yè)工程系統(tǒng)的仿真方法：一、田間植株分布模型二、輸種和投種階段的計(jì)算機(jī)仿真三、田間植株分布的仿真田間試驗(yàn)與仿真結(jié)果計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果和田間實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，得出相關(guān)結(jié)論。第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日第4章農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代CAD技術(shù)第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日4.1概述現(xiàn)代CAD技術(shù)的概念與研究內(nèi)容一、現(xiàn)代CAD技術(shù)的概念在復(fù)雜的大系統(tǒng)環(huán)境下，支持產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)的理論和方法、設(shè)計(jì)環(huán)境、設(shè)計(jì)工具各相關(guān)技術(shù)的總稱。

二、現(xiàn)代CAD技術(shù)的研究內(nèi)容

（1）研究現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法學(xué)（2）研究與設(shè)計(jì)環(huán)境相關(guān)的技術(shù)（解決以下技術(shù)：協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境的支持技術(shù)和協(xié)同設(shè)計(jì)的管理技術(shù)）（3）研究與設(shè)計(jì)工具相關(guān)的技術(shù)（核心問題：建模技術(shù)、實(shí)施技術(shù)、管理技術(shù)概念設(shè)計(jì)、工程分析等）第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日4.1概述現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展一、CAD技術(shù)的發(fā)展過程第一代CAD系統(tǒng)出現(xiàn)于60年代（主要用于二維繪圖）；第二代CAD系統(tǒng)出現(xiàn)于70年代（主要用于二維交互繪圖及三維幾何造型）；第三代CAD系統(tǒng)出現(xiàn)于80年代中期（出現(xiàn)了各種特征的建模系統(tǒng)）；現(xiàn)在，CAD系統(tǒng)仍在向前發(fā)展，稱之為第四代CAD系統(tǒng)。二、基于計(jì)算機(jī)的第四代CAD系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）有專用的轉(zhuǎn)換接口（保證了各模塊在集成狀態(tài)下運(yùn)行）；（2）有眾多的增值軟件（常用零部件設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)件庫、符號庫、國標(biāo)等）；（3）合作伙伴軟件的無縫集成（體現(xiàn)在不同軟件生成文件的兼容性）；（4）良好的系統(tǒng)開放性（方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)等）。第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日4.1概述現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢一、計(jì)算機(jī)CAD平臺(tái)環(huán)境特點(diǎn)：（1）具有完備的數(shù)字化產(chǎn)品模型定義及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力，使無紙?jiān)O(shè)計(jì)與制造成為可能；（2）具備廣域網(wǎng)上協(xié)同設(shè)計(jì)和虛擬設(shè)計(jì)的環(huán)境；（3）信息交換標(biāo)準(zhǔn)化；（4）高度的系統(tǒng)開放性。二、計(jì)算機(jī)CAD系統(tǒng)功能基于特征的三維參數(shù)化實(shí)體建模功能、二維參數(shù)化及變量化設(shè)計(jì)功能；復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)功能、裝配設(shè)計(jì)功能、文檔管理和工作流控制功能等。第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日4.1概述智能CAD(ICAD)技術(shù)簡介多個(gè)專家系統(tǒng)和多個(gè)CAD功能模塊有機(jī)集成的復(fù)雜系統(tǒng)（IntelligentCAD）。一、ICAD發(fā)展的兩個(gè)階段（1）ICAD的初級階段——設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)（2）ICAD的高級階段——面向動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的集成化智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)二、智能CAD研究的基本問題在ICAD的研究與應(yīng)用開發(fā)中，要解決三個(gè)基本問題：（1）設(shè)計(jì)知識模型的表示與建模方法；（2）知識利用（要研究各種搜索方法、推理方法、約束滿足方法等）；（3）ICAD的體系結(jié)構(gòu)（要體現(xiàn)出人機(jī)協(xié)同、多智能體協(xié)同等）。第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日4.1概述常用的AD軟件目前CAD技術(shù)上較成熟的軟件主要有3個(gè)功能類型：（1）產(chǎn)品造型軟件；（2）機(jī)械仿真軟