simpack动力学教程高级
最新的simpack学习资料！包括了铁路模块建模的较详细描述！为数不多的simpack学习资料！参考文献…316第1章绪论11背景介绍铁路的发展历史已绎将近一个世纪,现代轨道车辆应用最为广泛的就是旅客和货物运输。近二十年来,随着科技技术的迅猛发展,轨道车辆面临着髙速运行、降低能耗和缩减运营费用等迫切要求。由于车辆运行速度的不断提高,安仝和舒适度是人们一直关心的核心问题。这就对髙速列车的车辆的动力学特性设计提出了更为严格的要求,需要探明一系列影响列午运行安全的关键问题,诸如如何有效识别影响午辆舒适度和脱轨问题的动力学参数匹酉问题等,以便确保列车良好的安全特性。当然,对于车辆运行的舒适度和平稳度等问题,可以通过控制振动源和噪声源进行有效改善;对于脱轨和蛇形运动问题需要了解车辆的轮轨参数匹配和其他动力学特性参数设置。轨道车辆一般包括两种形式:一种是集中动力式列车,它主要由机车和车辆组成,机车负责牵引,木身并不载运旅客和货物,载运的任务主要由车辆承担;另一和就是分散动力式列车,常见的就是动车组,没有专门的机车提供动力,每节或几节车辆均具有牵引动力。从车辆动力学的角度看,机车和车辆具有相似的振动特征,而轮轨系统是车辆动力学分析的核心内容。车辆是具有弹簧悬挂和减振器等装置的多自由度振动系统,在运行过程中会产牛各种复杂的振动特性。而这些复杂的振动是由若干基本形式的振动组合而成。如今车辆逐步发展成为札械、力学和控制相互耦合的大系统,整夲的动力学特性的奷坏直接影响着夲钠运行的安全和舒适度。由于计算多体力学的进步和计算机软硬件技术的发展,人们可以通过并行⊥程仿貞的技术,建立详细的轨道车辆数学和物理计算模型,考虑各种复杂的边界条件因素,有效地硏究车辆动丿学性能,开发出高质量的新产品,提出列车运行的安全准则,因此车辆动力学的分析软件必然会在现代轨道车辆的研制过程中发挥越来越重要的角色,动力学分析涉及到内容主要包括如下几点:蛇形运动模拟,蛇形运动是轨道车辆在行驶过程中的一种特殊的现象,即当列车行驶时,突然出现车体和转向架开始剧烈左右偏转的不稳定振动现象。它容易导致车辆舒适度降低,出现破坏轨道,甚至发生脱轧、倾覆等安全事故。曲线通过能力计算如何保证车辆的良好曲线通过能力,使得车辆在曲线通过时,车轮对于轨道的横向作用力最小?舒适度评价车辆在各种复杂环境因素条件下的舒适度,诸如在轨道随机激励和冲击、设备振动、启动/制动、气动影响、高速会午,进出隧道压力波等条件下的车辆舒适度评价。脱轨和倾覆安全性评定研究保证车辆在高速运行吋不会脱轨机制,以及如何保证车辆在曲线通过时槓风的作用下防止车辆倾矍的问题。车辆被动和主动悬挂设计方式的选择悬挂方式的优化,以及如何有效地将控制技术应用在列车或车辆的动力学控制系统设计中,通过控制技术的运用,提高列车运行的安全性和舒适度。1.11铁路动力学分析软件的比较下血首先对国际上铁路领域流行的主要车动力学分析软件徹一个简单的介绍。o ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mcchanical Systcms )/Rail ExftADAMS/Rail软件包是目前铁路车枘系统动力学数值分析的主流分析软件之ADAMS是由关国MDI公司于1980年推出的机械系统仿真软件,1993年,MDⅠ公司与荷兰铁路技术咨询公司合作,将现代轮轨动力学理论的计算方法逐步引入到软件中。1995年ADAMS/ Rail开始正式进入铁道车辆动力学分析领域。1996年MD公司与 Arge Care公司合作,采用 MEDYNA( SIMPACK公司的前身)软件的轮轨接触元素,2002年与英国的AEA公司( VAMPIRE软件的拥有者)形成战略合作关系,进一步增强了轮轨的计算能力。2002年MDⅠ公司为 MSC Software公司收购,并且逐步融入MsC的软件系统,在轮轨接触问题和计算速度上都有所提高, ADAMS软件在2005年前后被德国 Vi-Grade公司接管,软件开发日前进展不大。AMPIRE(Ⅴ ehicle dyn Amic Modeling Package In a Railway Environment)软件由英国铁路道比研究所1989年推出的 VAMPIRE软件,是专门针对铁路机车车辆系统开发的,软件具有自动建模功能,能够完成包括轮对模拟、蠕滑丿计算、轨道曲线、轨道不平顺输入以及动力学特性预测,程序也可以考虑刚体的模态。软件采用相对坐标系,通过人杋对话的方式来定义机车车辆结构的几何尺寸和参数,也可按规定格式输入数据文件,利用建模子程序,自动生成用矩阵形式表示的系统运动方程,給分析计算提供统一的模型。VAMPIRE建模比较方便,计算效率高,但仅能用于不带刚性约束的车辆系统分析计算,VAMPIRE侧重客车系统建模,计算功能全面。同样可以实现包括动力学、特征值、频域、随机振动、付或积分等计算分析及数据和图形、动画的后处理功能● NUCARS( New and Untried Car Analytic Regime Simulation)软件NUCARS软件是由北美铁路协会(AAR)下属的普耶勃罗试验中心(TC)开发的,其1.0版本在1989年面世, NUCARS软件也是应用多体系统动力学方法采用相对坐标系进行机车车辆系统的自动建模,由于其针对以货车为上的铁路机车车辆进行模拟计算,因此程序中嵌入了货车所特有的斜楔减振器以及心盘、旁承等摩擦模块,而且程序不像 MEDYNA那样庞人, Version2.1及以前版本的机车车辆系统数据准各均在文本环境竟中进行,在: Version23的版本中增加了较强的可视化前后处理功能。 NUCARS软件能够考虑玍体的一阶模态,可以进行车辆系统的时域内的动力学数值积分分析,其缺点是不便于求解特征值问题。●UM( Universal mcchanism)软件UM软件( Universal mechanism(简称UM))是俄罗期新一代的机械系统运动学力学仿真分析软件,通过建模求解,可以分析多体系统的振动特性、受力及位移、速度、加速度等参数,进而预测复杂多体系统的运动学动力学性能。它是由俄罗斯布良斯克国立理工大学( Bryansk State Technical University) Dmitry Pogoreloⅴ教授为团队研发的动力学分析软件UM是目前俄罗斯和部分东歐国家通用的机械动力学/运动学仿真分析软件之一。俄罗斯轨道车辆生产企业90%以上的车辆动力学仿真分析工作是使用UM完成的。UM的突出特点表现在:具有高效易用的前后处理功能,并支持并行计算技术;模坎众多,如汽车模块、铁道车辆(包括杋车、客车和货车〕模块、列车模垬、疲劳分析模垬及优化模块,还设有CAD软件、有限元软件及控制软件的接口;功能强人、适用性强,其子系统建模技术、冈柔耦合系统建模技术、强大的轮轨关系处理功能(如实时绘制轮轨两点接触作用力的曲线等)都使其具有良好的应用前景;UM软件还在轨道车辆的动力学研究中不断探索,如UM4中的道碴模型经过疒级后,可以硏究罐车的液固耦合振动问题,还可以研究运煤敞车、粮食漏斗车等散装物运输货车的压力分布。UM5已经丌始考虑车桥耦合振动问题。模型修改非常方便、计算速度较快。此外,UM软件还在内部嵌套了人量的便用功能,如计算器、滤波器等,使用非常方便。对计算三大件式转问架货车及机车的动力学性能来说,具有一定的优势。● Gensys及其他软件Ansys软件目前在车辆动力学的分析中也较为广泛,但是相对而言,资料比较缺乏,所以这里不再详细介绍。其他的还有很多国家相继研发了轨道车铟的动力学分析软件。这里仅介绍部分专业软件。具体如A’GEM( Automatic Generation of Equations of Motion)软件是由加拿大的 Queens University机械工程系硏制的。其轨道乍辆模块使用 AutoCad的图形界面,程序使用DOS执行处理的模块,可以计算轨道车辆的稳定性、舒适度、曲线通过性能,还可以计算其他轨道车辆的动力学性能。但是其在图形用界面、时频分析以及动画方面还有待改进。世南交通大学牵引动力国家重点实验室也相继廾发了 TPL Train的列车动力学分析软件和其下属列车线路研究所开发的“车辆轨道垂冋相互作用仿真分析系统ⅵCT”和车辆-轨道空间耦合动力学仿真软件系统 TTISIM软件”等铁路玍辆专业软件分析包。前者主要用于面对列车的纵向、横向和垂向动力学进行系统模拟研究;后二者主要用于研究机车车輖对轨道结构的动力作用问题,以及机车车辆在实际弹性轨道上的运行安全性与平稳性,只有很强的专业性正如基础教程中所介绍的那样, SIMPACK软件是国际著名的机槭系统运动学/动丿学仿真分析软件,其轮轨模块最新的市场占有率更是占有超过近60%的国际市场份额。其所具备的分析内容可以包括:整车系统振动特性、各部件的受力状况、加速度等:描述并预测复杂多体系统的运动学/动力学性能。轮轨模块〔包括:常规 wheel/rail模块、道岔分析模块和最新开发的轮轨磨耗(wear)预测模块)是德国宇航中心(DLR)集合20多年来轮轨接触模拟的经验和现代先进的模拟技术及常用模拟工具于一体的技术结晶,也是当前先进铁路车辆动力学仿貞软件的先驱之由于 SIMPACK软件立足自身开放性和非常灵活的建模概念,使其无论从独立轮对还是乍辆主动/被动控制系统,都可以支持设计者自由的设计思想,使得设计者能将更多的精力投入到只体设计工作的创新中。利用它人们可以对铁路复杂系统的动力学特性进行综合的仿真分析。 SIMPACK软什还具有和有限元分析(FFA)、 CAD/CAE以及CACE(控制)等软件的接冂程序,具有友好的操作界面,功能强大。且其轮轨模块经过大量铁路车辆试验验证具有很高的仿真精度和效率,长期不懈的努力和技术创新使得 SIMPACK已经成为国际上铁路领域多体系统动力学仿真工具领域的领导者之一。 SIMPACK的特色主要包括:(1)已经成为国际铁路行业设计标准的制定者目前为止,全球至少有100多种著名型号的跨国公司的轨道车辆是在 SIMPACK的帮助完成的设计,因此 SIMPACK软件凵经成为了目前全球铁路车辆系统动力学仿真的标准廾发工具。在DLR拥有20多名国际著名的铁路专家长期进行 SIMPACK软件的轮轨接触模型的开发,并进行了大量的匚程领域动力学分析的试验验证工作(2)不断创新,采用全新的轮轨接触模型。最新版本的 SIMPACK轮轨模块的具体特点在下一章节进行介绍。12 SIMPACK轮轨模块特点目前最新的 SIMPACK版木8900中具有全新的轮轨接触模型特点,木文主要还是以8800作为主要的软件进行介绍1)轮轨接触力采用新的计算方法计算轮轨接触斑上的接触力,获得车轮的法向力和导向力,它可以通过采用车轮和钢轨运动学约束模型荻得有效的计算结果,而不是传统的接触弹簧阻尼系统来计算得到,这样的优点在于其可以有效考虑轮轨之间的高频接触振动。而实际状况中,含有高频成分的车辆振动行为影响会人人降低时域内积分的步长,但是对于在给定精度内的动力学性能影响不大。因此采用的运动学约束计算方法可以大大地提高动力学计算的速度和精度,从而使得 SIMPACK快速满足行业的应用需求,并能使得其达到期望的水平。SIⅠ MPACK软件采用完全递归的计算方法,以及在相对坐标系中建立运动方程的算法,使其在计算轮轨接触时,可以建立最小数目的约束方程。同时 SIMPACK高效的建模操作和仿真速度,使SIMPACK成为铁路行业仿真分析的领导者。当然,也可以选择用传统的接触弹簣-阻尼模型取代运动学约束模型,来建立轮轨之问的接触关系。2)摩擦力SIMPACK提供了许多模拟轮轨之间的摩擦力的不同方法,最常用的就是 Kalker的简化非线性滚动接触理论,可以在计算结果和仿真精度方面取得较好的统一。软件中凵有用来建立自定义的轮轧摩擦的模块,可以很方便地在 SIMPACK中自定义轮轨接触模型,即允许用户来添加用户化的程序和内部算法到摩擦模型库中。3)等效线性化接触为了满足铁路车辆用于线性计算的)法,例如计算特征值或频域响应分析,需要一个等效线性化的轮轨接触模型。 SIMPACK带有一个高度自动化并经过大量试验验证的轮轨接触线性化模型,即等效线性化和协函数线性化。同时 SIMPACK也提供了利用输入笔效锥度和其它参数的方法来建立线性化模型的选项接触模型的特色:●可以对炣个车轮模拟三点及多点接触(踏面、轮缘和车轮背面);方便地选择不同的接触模型:釆用约束模型-极快的积分速度:单侧的弹簧阻尼模型-允许车轮抬起。考虑轮和轨的弹性,保讦了接触点处理的稳定性(DLR开发的方法);利用 Kalker理论计算切向力,也可以利用其它的(例如 Polach接触)或自定义的轮轨接触模型;摩擦系数和线路距离,车轮外型坐标以及接触点的相对速度有关;轮轨外型没有限制(标准和实测的)可以模拟滚动实验台的试验●简便的线性化的接触函数(等效线性化,协函数线性化)可以计算所有的相关的参数,如车轮力、滑动摩擦系数、接触斑的尺寸大小等;4)具有丰富的车辆建模元素数据库SIMPACK轮轨模块中的建模元素,以及用于建立多体系统中的标准元素是完全兼容的。在软件使用过程中,人们可以利用软件实现参数化和子结构建模,扩展轮轨的模型库快速地建立铁路系统的模型,另外可以利用 SIMPACK对预定义的模型结构。 SIMPAOκ提供了良好的灵活性来文持用于现代铁路系统解决方案的仼何边缘技术。所有车辆部件或线路均可以处理成弹性体,尤其是舒适度分析时,考虑车体的弹性十分的必要。轮对和转向架的弹性也可能对车辆的动力学性能产生很大的影响。目前在 SIMPACK中有两种方法可以处理结构的弹性。利用 SIMBEAM模块来建立结构的弹性;从FEA软件中输入弹性零部件SIMPACK中有一个具备典型铁路车辆的建模圹展库,例如空气弹簧、高圆弹簧和摩擦元素等,任何个元素均可以根据需要进行参数的优化。在 SIMPACK中,所有用于铁路车柄的特殊元素和通用机槭系统的建模元素可以完仝兼容,因此简单的铁路车辆模型可以很方便地扩`展成现代的摆式车和径向转向架模型。通过一个附加的界面友好的轮轨模块中心窗口,就可以得到所有的铁路模型参数。然后通过这个窗口对车轮钢轨的外形尺寸、车辆轮对的车轮半径、线路超高等所有的参数进行修改。设计者还可以充分利用 SIMPACK已有的现成模型,例如两轴客车转向架。货车转向架和单轴转冋架,利用这些标准模块,根据需要改变这些模板中的设计参数,建立自定义的模型。无论是传统的轮对还是独立的轮对,轮轨模垬提供了很多种解决方法,所冇这些都被无缝集成在通用机械的多体分析系统中车轮或独立车轮没有限制车轮装忾●弹性车轮(FE模型的集成)●非正常车轮和多边形车轮几乎任何一个 SIMPACK软件版本中使用的建模儿素都可以添加到数据库中,不仅在几种车辆中可以使用同一种结构形式的转向架,而且任何一个建模细节,例如一个车体元素、空气弹簧、止挡、牵引系统和抗侧滚扭杆等,都可以当成一个独立的给定子结构。对」子结构的修改将会影响到所有的和其相关的主模型,除非选择了在模型中包括子结构,以保讦它不会改变。5)线路定义、轨道不平顺及踏面外形在 SIMPACK的轮轨模块中,线路的定义是通过一条整体线路,然后叠加不平顺线路来生成,它们可以单独处理和生成。线路模型不仅可以包括轨道,而且可以包括线路的不平顺、线路的弹性以及轨道子结构。条完整的线路可以利用标准库中的元素(曲线通过吋的进入、驶出、道岔等参数)和其他少量的参数,如长度、半径和线路界面的超高来定义。直线和曲线端π以根据需要进行连接,可以在维控制窗口中绘制曲线,并自动转换为三维图形表示。另外,对于实测的轨道数据如垂冋和水平曲率、线路超高等都可以直接从文件中读入到模型中软件中可以利用的三种类型的不平顺:确定性函数(正弦、阶跃和锯齿函数),随机函数(用PSD定义)以及给定的溦扰函数(根据现场实测的衣格格式的数据)。不平顺可以独立地作用在每一侧钢轨上,也可以做成一条随两股钢轨轨矩变化的函数。最后为了扩展已有的标准外形库,任意的午轮和钢轨外形是利用一个专门的前处理程序来完成,即利用样条函数来拟合截面的外形,并将其处理成仿真用的数据。截面的外形数据可以用来实际测量的保存为ASCⅡ代码格式的表格形式。其他的特点还包括SIMPACK中的轮轨建模能够实现所有参数化采用标准的线路形式:直线、曲线(考虑进出曲线)S-曲线轨道及道岔等输入实际运行线路图;●线路不平顺(轨道文件输入的ASCⅡ烙式,或者采用功率谱密度PSD多项式形式);●轨枕和或钢轨的弹性扣件;不同的钢轨外形(沿车轮的纵向位置);●每个车轮可以允许有三点接触的转辙(道岔)进行实际线路的滚动试验台的模拟;●考虑线路弹性。6)轮轨的应用领域SMPA(K软件最新版本的轮轨模块可以解决目前几乎所有的铁路车辆的动力学仿真问题,满足在频域或吋域中车辆动力学仿貞计算。每个使用者都可以快速和方便地分析自己建立的动力学模型,这一点对缩短车辆新产品的开发周期也是非常必要的。基于特征值的动力学分析计算模块,可以计算荻得车辆的稳定性轨迹计算。这也是 SIMPACK软件系统的一个标准的通用后处理工具;通过时域积分计算可以计算获得车辆的稳态及动态曲线通过时的可靠计算结果。而且可以对参数化的樸型进行不同的参数变化,研究不同的设计方案(1)对含有轨道不平顺的线路的时域分析中,主要仨务可以包括:车辆乘丛舒适度曲线通过的性能稳定性;轮轨作用力;部件失效;脱轨;●可靠性等。(2)准静态分析(曲线通过性能的分析)(3)线性特征值分析(4)线性系统的分析频率响应,功率谱线性稳定性图(5)参数变化研究及参数优化(6)独有的转辙(道岔)动力学分析(7) SIMPACK新版本的其他几个突出的应用:①车桥耦合SIMPACK软件可以将由有限元描述的弹性桥梁结构引入到 TRACK中,并进行复杂的车桥耥合分析。冋时可以进行道岔分析(也称转辙分析)。这个轮轨模块的新特点也是冋类软件中,目前唯一可以处理和模拟道岔复杂的动丿学问题的分析软件。车辆的道岔动力学分析与常规标准的轮轨分析主要有两个显著的区别:钢轨的外形必须是线路坐标的函数;除踏面和轮缘接触外,在轮缘的背面和导轨、冀轨之间存在接触。为了定义道岔,在 SIMPACK中采用了一个专门的特殊程序,将沿钢轨界面测量得到的钢轨的外形以ASCⅡ的文件格式数据保存,处理成近似的钢轨的外形,并自动产生道岔全三维的外形②悬链系统通过和德国铁路的悬链仿貞⊥具 Prosa的协同仿貞, SIMPACK可以模拟扃速铁路的悬链系统。这样的好处是可以有效地模拟车猁受电弓的动力学特性,使得模型的动力学分析结果更加准确。同时,在车锕动力学模型中将会考虑悬链系统的柔性、控制系统和受电弓等因素的综合影响。经过大量的实际线路的试验验证,可以保证 SIMPACK软件是一个高度实验化的可靠的仿真软件。另外,利用 SIMPACK强大的弹性体处理和接触技术(包含弹性体几何刚度非线性)可以直接利用 SIMPACK软件自身建立悬链系统,在国内外已有应用的案例。③流固耦合SIMPACK软件的最新版本中已经成功地解决货车振动与罐中液体之问的非常复杂的流固耦合的作用。④参数化微分方程的计算需要进行一系列大量的参数优化计算。由于其独特的算法和快速的求解器可以实现参数化,计算过程的控制结构的后处理的自动化。由于 SIMPACK软件开放和先进的数据结构以及大量的和其他软件的接∏,使得它可以成为伴随铁路车辆系统的和设计创新的有利工具。利用 SIMPACK先进的模拟环境,可以保持产品的领先和创新,并具有竞争力成为可能。1995年 SIMPACK最早实现从FEM软件中引入蝉性的车体,加上自身强大的轮轨接触建模和高效的求解器的能力,保证了采用轻量化车体结构的高速列车的舒适度。现在全球许多铁路客户已经丌始使用其FE模态来实现舒适度的动力学计算,为产品降低风险和成本SⅠ MPACK具有通过自身的控制模块和CACE软件例如 MATLAB/Simulink或自己编制的程序来实现杋械系统和控制系统的协调仿真,从而使得现代轨道车辆利用虚拟样机概念向摆式系统驱动系统以及创新的驱动系统方向提供了条件。⑥模型验证轮轨模块重点放在髙水平的车辆动力学仿貞精度上,特别是如何改善轮轨接触模型的建模能丿。 SIMPACK的计算结果都是通过一系列的标准考题(比如ERRI考题; IAVSD考题以及曼彻斯特考题等)和实际测量的数值结果进行严格的验证。最主要的结论也是通过ERRI(欧洲铁路研究所)以及德国铁路管理部门联合进行分析和实验结果的相互验证后待出的结果。实验的方案,⊥要是针对不同类型的货车和一个三节车组成的货物列车进行了大量的反复试验比较,轮轨导向力和轮对的主要动力学分析指标的试验结果和分析计算结果有很好的吻合。另外德国慕尼黑的铁路车辆滚动实验台以及DLR开发的1:5的比例滚动台上进行了大量的试验验证。同时,在每次推出软件新版本的功能开发后,都会进行不同的转向架模型的对比计算和试验。除了 SIMPACK自身的轮轨接触模型试验外,铁路车辆的一些主要的部件和子系统的模型都在进行不同课题内容的重点研究,例如可控的单个车轮的悬挂系统和新廾发的悬链系统(接触网)的饼究等13动力学软件在工程中的应用多体系统动丿学分析软件的主要应用领域还是在车辆动力学的工稈问题研究。目前在国内外机械动力学系统的发展中,动力学分析已经和有限元分析、控制系统等多个并行上程相互结合补充和优化,克服在结构动态设计中很多机械系统纯力学机制存在的缺陷问题,如可以减少因为动载荷过大导致的各种能量损耗、噪音和结构磨损及其他尖效问题的产生。下面结合国外部分文献对国内外部分铁路车锕动力学的发展和应用进行简单地阐述。可以说在这些铁路车辆新产品的每一步开发中几乎都离不开 SIMPACK的帮助。具体如图1.1-1.7所示。199420002007Non linear kinematicsFlexible body simulation New SIMPACK Rail图1. I SIMPACK在铁路产品中开发应用( SIMENS)Verification Behavior of a realistic vehicleModelArticulated train96 degrees of freedom175 force elementss 2 bogies with wheelsets2 bogies with independent wheels1 suspended car bodyScenarios: Non-irearlow-speed narrow CLwith twisthigh-speed curve withunbalanced lateralaccelerationtangent track withstochastic irregularitiess-curve图1.2列车模犁及其采用的元素情况10
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随机过程--滤波、估计与检测
通信专业经典外文教材，中文版！里面有随机过程、kalman滤波等相关课题，非常好的教材！国外电子信息科学经典教材系列随机过程滤波、估计与检测Random Processes: Filtering, Estimation, and Detection[美] Lonnie c. Ludeman著邱天爽李婷毕英伟等译電子工業出版社Publishing House of Electronics Industry北京· BEDING内容筒介书全面介绍了随机过程理论中经典的线性与非线性系统分析技术和假设检验技术,详细阐述了最优伟匚方法、用亍分类的最优决〔规则,描述了件能评价的准则和评佔方法、此外:本书还深入研究了噪声中随机过稈竹滤波、佔计和检测问题全共分为10章,包括概率空间与概率、随札变星、随机变星佔计、随机过难、随机过程通过线性系統、随巩过烓通过非饯性系统、最优线性维纠滤波器、最优线性卡尔曼滤波器、离散观测信号的检测理论以及连縷森测信号的检测理论等内容,本书在围绕主题进行深入分析的同时,给出了许多应用实例和习题,足本容易理解的适用性较强的书本书既可以作为研究生和大学本科高年级学生的教材,也可以供相关领域的工程技术人员自学参考未纤许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版叹所有,侵权必究。图书在版编目(C|P)数据随机过程:滤波、计与检测/(美)賡徳曼( LEderman,L,C)著邱天爽,李婷,毕英伟等译.一北京电子业出版社,2005,2(国外电子信息科学经典教材系列书名原文: Random processes: Filtering, Estimation, and detectionISBN7121·0866-1L.随…1.①路…②邱灬⑧李…④毕…Ⅲ.随机过程-教材IV.O2116中国版本图书馆CIP数据核字(205)第002845号责仁编辑:许楷印刷:北京胂义兴许卬刷「出版发行:电厂E业出版社京海淀区万考路173信箱邮编100036经销:2地新华书店廾本;787X192116印张:2875字数:736千字印次:2005年2月第1次印刷印数:500册定价:3900元凡购买电业版社的图书,如有缺损问题,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系联系电话:(010)6829077。质量投诉请发邮件至zlts@phej.com.cn,盜版侵杈举报请发邮件至dbqgo phei com.cn译者前言随札过程理论是现代信号处理的基础理沦之一,在诸如通信、计算机视觉、振动及雷达卢肭等应用领域,面临大量的随机信号分析与处理的问题,因此对于随机过程理论的深入理解是非常熏要的。此外,在通信系统和信号处理算法屮,对含噪过程的滤波、估计与检测是必不可少的重要任务。尽管国内外已经出版了不少关于随机过程及其工程应用的著作和教材,但是本书仍然以其独特的风格引起了国内外读者的注意,成为随机信号分析与处理领域一部非常重要且具有特色的著作。夲书的作者朗尼C·略德曼博土是因际数字信号处理领域的著名教授。他于1968年获得美国亚利桑那州立大学博土学位,现为新墨西哥州立大学电子与计算机工稈学院教授,并于1993年在希萨洛尼卡的亚里斯多德大学获得富布赖特基金奖,朗尼C·路德曼博士的另一部著作 Fundamentals of Digital Signal Pπ cessES,在出版当年获得 choice杂志射杰出工程图书奖本书仝面介绍了随机过程理论中经典的线性与非线性系统分析技术和假设检验技术,详细阐述了最优估计方法、用于分类的最优决策规则,描述了性能评价的准则和评估方法。此外,本书还深入研究了噪声中随机过程的滤波、估计和检测问题。本书的内容基本上可以分为四个互相关联的部分,即概率论和随机变量与随机过程的特征,随机过程通过线性与非线性系统的规律,以维纳滤波和卡尔曼滤波为主的最优估计理论,离散时间和连续时间信号的检测理论。本书在圄绕主题进行深入分析的同时,给出了许多应用实例和习题,是一本容易理解的适用性较强的书,既可以作为研究生和大学本科高年级学生的核心教材,也可以供相关领域的工程技术人员自学参考。本书由大连理工大学电子与信息⊥程学院邱大爽教授等完成翻详工作。具体分工为:李婷(第]章、第2章),毕英伟(第3章、第10章),邱天爽(前言、第4章、第5章),唐洪(第6章、第章),初孟〔第8章、第9章),郑效来(附录及图表等)。全书山邱天爽统稿。译者感谢芙文版原书作者朗尼C·路德曼博士和英文版原书出版社 John Wiley and Sons,Inc及电子工业出版杜对本书翻译工作的支持,感谢大连理工大学电子与信息工程学院对本书翻泽工作的支持。于译者水平所限,加之时间比较仓促,翻译中难免存在不妥和错误之处,恳请读者批评指。译者2005年1月于大连理厂大学作者前言每天我们都会遇到这样的信号,我们既不能用解析式来表示它们,也不能以确定的方法夹准确地对其建模,如常规的诰音信号、音乐信号、地震信号、生物信号、被动声呐信号记呆舶温度信号和通信信号等。表小相同内容的语音词句,如果H许多不同的人讲出来,或者是由同一个人在不同的时间讲出来,都会具有定的相似性和差异性。对于这种相似性或差异性,我们很难利用确定性的模型来表不。那么我们怎样表示这类信号呢?事实上,这类信号可以根据数学原理严格地表示为随机过程。而随机信号与可以用解析式表示的信号不同,它们只能根据概率来表示。例如,“在给定的时刻,某随机过程大于给定值的概率为025”就是一种概率表示。玍电气和订算机工程领域,尤其是在通信理论、计算机视觉、数字信号处理以及机械工程中振动理论和强度分析等领域,随机过程是个基本的概念。随机信号的数字处理对于高性能通信系统是非常重要的,而非线性信号处理方法则是有用的处理工具。这些随机信号常作为线性或非线性系统的输入信号。例如,语音信号经由传声器和放大器而到达扬声器输出。我们怎样评价这种系统的输出呢?实际上,系统的输出也可以认为是随机过程。那么,我们自然而然地会提出下面的问题:如果我们已知输入过程的统计特征,那么输出过程的统计特征又如何呢?在许多情况下,随机信号往往受到外来噪声的干扰,并且噪声通常也是随机的。如果这两种随机过程可以用各自的统计特征来表示,则我们可以找到从噪声中提取信号的方法,或者说找到在噪声中估计、滤波或预澳信号过程的方法。我们有许多针对确定性信号的线性和非线忤处理技术,然而,对于随机信号的处理不能直接使用确定性信号处理方法和模型。那么我们如何进行处理以及如何确定最优系统呢?假设我们有一个样本,已知其可能来自几个随机过程中的一个,需要确定该样本究竞属于哪个随过稈。例如,假设有一段语音信号,需要确定该语音信号表示的是五个元音中的哪一个,如何描述确定元音的过程?什么是最合理的性能测度?本书的目的是把随机过程的基础理论、线性及非线性系统分析技术与假设检验技术结合起来,从而给出信号的估计技术、确定最优的估计方法、提供用于分类的最优决策规则,并给山性能评估的方法作者撰写本书的一个主要目标是介绍随机变量和随机过程及其与线性、非线性系统的相作用,它们的估计方法及估计性能,以及噪声中随机过程的检测等本书的内容适合电气、计算机、地球物理以及机械工程等专业的高年级本科生和一年级研究生学习木书的内容可以分为四个主要的且互相关联的部分:概率论和随机变量与随机过程的特征,以随机过程作为输入的线性与非线性系统,包括维纳滤波和卡尔曼滤波的最优估计理论,离散和连续时间信号的检测理论根据不同的课程体系及要求,本书可以适用于几种不同的教育层次。例如,对于基础概率论及随杌过程导论这样的课程,本书适合四年级本科生或一年级研究生使用。如果课程包I括随机过程的波、估计和检测,则本书的内容可以供电气和计算机⊥程专业的一午级研究生使用。本书也可以作为高年级研究生关于检测和佔计理论的教材。对于高年级本科生或硏究,事先了解关概率和随机变量的知识是有帮助的。然而,对于研究生层次的课程,则需荽关于工程概率和基本系统理论的先修课程。由于本书通过大量的铡题介绍了许多基本概,因此本书也可以作为自学读物。在过去的15年寸,本书几乎所有的内容都在教学中使用过。作者在教学中采用了三种不问的形式:关于概率、随机变量和随机过程的概念和理论,使用书的第1~3章内容,并选用第4~6章的部分内容。●关于随机过程滤波及估计概念和理论的介绍,使月本书的第4~6章内容,并选用第7章和第8章的部分内容。关于检测与估计理论,使用本书的第3章、第7~10章内容本书的现打版本已经针对其最初的版本进行了较多的修改,并且吸取了学生们关于内容选取和总体样式的意见和建议。与本书配套的录像资料已经在新墨西哥州立大学( HollomanAFB),白沙导弹射击场( Kirtland AFB), Kwangju理工学院,南 Dakota矿业学院和RCA( larez. Mexico)的电气与计算机工程、物理学和其他工程专业广泛仗用,并且还作为上述学校以及印度科学学院( Bangalore)的标准课程教材。根据不同的听众和不同的课程要求,封次讲课的形式都可能有所不同,其目的是为学生提供容易理解的有用知识本书还给了许多习题,用于强调相关的概念。通过这些习题,学生们可以进一步加强对基本概念的理解,并且,由于习题的数量较多,每年开设这门课程时习题的重复性比较小。大部分习题是供课堂上练习或课后考试用的,用于加强对课堂上讲授的基本概念的理解。少数比较复杂的习题,需要下些功夫才能得到结果。许多习题要求得到完整的解析解是比较困难的,因此需要一些基本的计算技巧。分清哪些习题需要利用计算杋求解,哪些习题可以得到解析解,这种能力正在学生中逐渐培养并成熟起来。作者非常感谢上面提到的学生和有关机构,感谢他们对本书提出的有价值的建议和批评,感谢他们对本书的支持和所做出的努力本书的总体风格主要受到两部著作的影响第一部是 Athanasios Papoulis的经典著作《概奭机变量与随机过程》,第二部是 Harry L. Van trees的里程碑式的著作《检测、佔计和调制(第-“部分)》。我一直认为,本书在论述的方式、完备性和所覆盖的内容等方面很难与上述两部不朽的著作相提并论。本书的写作的不是为了与上述两本著作相竞争,实际上也没有这个必要。我的写作思路是选择这两本著作中的基本内容,并且以稍微低一些层次的数学要求来编写,给出较多的详细说明和例子,但不破坏数学摧述的完整性。关于本书的内容,基本上是根据上述两本著作来选择的,并且受到其他许多作者、教育工作者和学者的启发最后,最重要的是作者永远珍视作者家庭和朋友们对作者的仝面支持和鼓励朗尼C·路德曼目录第1章概率空间与概率………………11概率空间的定义……11.]样本空间平:·界号_.:自日:.即L1,2波莱尔域……11,3概率测度I2联合概率空间…………1………:…412.1两个概率空间的笛卡尔积12,2个概率空间的笛卡尔积…123计数概率空间……PTP=上→1.24联合概率空间的选择…………F+lI+131.3条件概率…1413.1全概率定理…1.32贝叶斯定理……………卡+·+十女d号甲+1千日十目r卡号14随机点………l中国中用里14.1区间中均匀分布的随机点t&142区间中非均匀分布的随机点■m1.5小结………20习题……参考文献25第2章随机变量……2621随机变量的定义2.1.1累积分布函数(CDF)…日·P血:如:721.2概率密度函数…………………………28213局部特征………………………………21.4条件紧积分布函数33215特征恿数……………t上td上2.6高斯随机变量的高阶原点矩…3622常见的连续随机变量…a↓L……3723常见的离散随机变量39元随机变量的变换……40241一元随机变量的变换……………………………-I242累积分布函数…卩,F■!目,,q卩寻↓。■罪品十日十■星·十Pl4dh,·+寻↓4IdaJ4■b+d5期望值的计算4726二元随机变量………………………卜中dp垂4FL4DL用山■山目日国国E目261联合累积分布函数26,2联合慨率度两数50263局部特征……264联合止态随机变量薯■rT了■nT■加1『1m日r“■TDT道十■TLT■"■■T■T5527二元随机变量的两个函数271概率密度函数(离散随机变量……………572.72概率密度函数连续随机变量和连续数}………………273分布函数(连续、离散或混合6128:元随机变量的个函数………………6328,1离散随机变量的概率密度函数………6328,2连续随机变量的概率密衰函数…………………………………6429E(Xy)的计算210多随机变量…692.10.1全局特t,·692.10.2月部特征………………………………和q上中■《+b中:b◆411每d■↓;4abh4画h213高斯随机矢量…1742.11N个随机变量的M个函数…212小结参考文献……第3章随机变量估计…3.1变量估计…………9731随机变量估计的基本公式中■中■1中,中日目■……………97312贝叶斯性能测度++4…97313数据的统计特征……32线性最小均方误差(MMSE)估计32]随机变量的营数估计………通日骨目P十虚加十98322由一个随机变量估计另一个随想变量的线性估计……323由N个随机变量估计一个随机变量的线性估计33非线性最小均方误差(MMSE)估计…107331由一个施机变量估计另一个随机变量的非线性估计…+7332由N个随机变量估计一个随机变量的非线性计11123高斯随机变量的非线性估計.:函.F·dP香P日aa日1124随机变量估计的性质11335贝叶斯估计…1335.!贝叶斯伟计……114352贝叶斯佔计举例11636非随机参量的估计■ptt由口ht面明.·+卩+F119361极大似然估计20362极大似然佔计举例…12037小结习题…1「rT日·」参考文献…128第4章随机过程………1304.1骓机过程的定义……42随机过程的特征13142.1随机过程的全局特征……………13242.2随机过程的阶概率密度中自中14中E4山中中丽………"1324.2.3随机过程的均值………………4.24随机过程的方差…32425随机过程的二阶概率密度133426随机过程的自相关函数和自协力差函数133427随机过程的功率谱密度…134428高阶矩429髙阶谱…………………1354210N阶密度…………“a13543随机过程的平稳性■■!中冒:14中4自L135431广义平稿殖机过程4.3.2广义平稳随机过程的性质…13644随机过程举例平导P中IM3644l自线过程…PP中目-d日++...·...,中·136442半随机二进制传输过程39443随机二进制传输过程…l41444半随机电报过程…………143445随机电报过程………·1464.6随机正弦信号L46447随机游动过程喻,..一14845随机过程的定积分152456随机过程的联合特征153461—阶联合密度Rd46.2互相关晰数十“十1r15446.3互协方差函数……464联合平稳………………465互功率谱密度15547高斯随机过程………155
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