慧鱼模型建模及改进[推荐阅读]

第一篇：慧鱼模型建模及改进

学 院 名 称

创新创业实践2

慧 鱼 模 型 建 模 滑动秤锤式测量计

陈仲键 201130510203

指 导 教 师

王慰祖

工程学院 专业及班级 1

11机制2

目 录

一、建模.................................................................3 1.1 模型名称..............................................................3 1.2 概述..............................................................3 1.3 慧鱼模型零件建模......................................................3 1.4 滑动秤锤式测量计建模................................................3 1.4.1 测量计组成........................................................3 1.4.2 分析..............................................................3

二、性能拓展及改进.........................................................7 2.1 问题分析.............................................................7 2.2 改进方案............................................................8

三、总结与感想..........................................................10

一、建模

1.1 模型名称：滑动秤锤式测量计 1.2 概述：

常见的测量物体重量的天平为对称式，而滑动秤锤式测量计采用非对称式平衡，利用杠杆原理，结构简单，且实用方便。此次将以其为例子对其进行建模，并进行功能分析等。

1.3 慧鱼模型零件建模

慧鱼模型零件为统一标准零件，因此可以组合出各种模型，然而并非所有零件都会用到，对于绝大多数普遍会使用到的零件我们小组进行分工画图，然后通过实体建模，再确定自己的模型需要哪些特别零件，自己再进行补充建模。

1.4 滑动秤锤式测量计建模 1.4.1 测量计组成

测量计包括底板，支架，杠杆（含刻度），秤砣，挂盘，指针共6大部分

1.4.2 分析

1）底板

起支撑固定作用，支架等其他零件需要安装固定在其上。

2）支架

支架底座为三角架，受力较均匀，不易倾倒。三脚架上的红色长方形薄片上正中有0刻度，为

观察指针是否偏斜，判断物体与秤砣两边是否平衡。再往上支架顶端有安装杠杆用的套筒，通过轴杆与杠杆相连。

3）杠杆

支架，挂盘，指针，秤砣都需要连接在杠杆上，杠杆长度较长，作为其他部件的连接件，杠杆要求刚度较高，在承受较大的力时不易变形，防止结构破坏或者造成读数不准确。

4）挂盘

挂盘作为物体的承载部件，其刚度也要求较高，另外，为避免因挂盘自身过重而造成杠杆量程变短，挂盘的材质可选择采用PP塑料。

5）秤砣

秤砣为使测量计两边相平衡的部件，采用圆盘式的结构可使其重量均衡安装在杠杆上固定后较为稳定，中间挖空形式令其可方便拆卸，不使用时可回收安放好。

6）指针

安装固定在杠杆支点处，质量轻，结构简单。随着两边倾斜而偏移。

7）测量计总装配

下图为测量计的装配总图，从生产工艺方面来说，各部件并不复杂，结构简单，加工容易。部件对于力学性能的要求所需用到的材质也是市面上容易找到的，价格便宜。而从结构设计方面来说，测量计所需部件少，安装方便，当出现损坏等情况时，可以快速更换损坏部件。总的来说，此测量计性能较好，能满足日常小物体重量的快速测量的功能。

二、性能拓展及改进

2.1 问题分析 2.1.1 量程短

杠杆的量程有限，测量范围较小，如果直接增加其长度，则对其力学性能的要求也相对增加，较为麻烦。

2.1.2 单支架不太稳定

地板上只有一个支架，当测量物体重量较大时，对于支架的受力较大，容易折断破坏。

2.1.3 手动调节不精确

测量计两边平衡需要人通过肉眼观察指针位置进行确定，这样容易造成误差，读数不准确。

2.2 改进方案 2.2.1 增加秤砣数量

在原有秤砣两侧增加两个固定部件，当所测物体重量较大时，可增加秤砣数量，根据F1*S1=F2*S2，当增加到三个秤砣时相当于增大到3倍量程。

2.2.2 双支架固定

利用双支架增加仪器的稳定性，其中一支架可采用高硬度透明材质，便于观察读数。

2.2.3 采用传感器进行微调

0刻度指示牌上安装传感器，一开始时先进行手动快速调节，观察指针位置离0差不多时，开启传感器，传感器与秤砣相连，自动微调秤砣位置，进行精确定位。

三、总结与感想

此次慧鱼模型建模通过实体建模与功能设想及分析大大提高了我自己的动手能力以及锻炼了工程思维，在这个过程中，我认为最重要的环节是对于问题的探求，思考机构本身存在的问题，通过问题再进行解决，无疑在日后的学习与工作中均能起到促进的作用。比较遗憾的地方是慧鱼模型的零件种类并不齐全，数量也不太足够，基本上只能拼接一些小型简单的结构，一些想要进行实体设计的模型因为缺乏零件而只能在脑中想象。希望以后的课程可以继续完善。总的来说此次建模收获良多，自身的建模与画图能力也有了相应的提高。

第二篇：慧鱼模型感想

这个暑假留校学习，我感觉真的获益匪浅，这真得归功于基地开放式实验教学的实践，而慧鱼模型实验就是很好的例子，它给我们提供了创新动手实践的条件，使我们发挥出前所未有的想象力。我吗在课堂所学知识的基础上，结合生活生产实际，运用自己的思维潜力创作出了新作品。在创作过程中，每一个难点、每次挫折都是对我们创新意识的考验，都是经验的积累，都是智慧的沉淀。慧鱼模型实验是一门非常有意义且有趣的课，它大大得激发了我们的想象力和创造热情，以及从中得到留意生活的重要性。同时题目的选定和组合模型的方案拟定就准确地暴露了我们缺乏生活经验的问题。脑子一片空白或是思路只能停留在各种车之间，而不能发散。

除此之外，我们还学到了如何将各门知识衔接与综合运用。由于我们的创新实验利用慧鱼模型组装出完整的机械系统，如我们这次做的模拟码头货物搬运系统，且运行控制良好，具有创新性。它涉及到机、电、控制、传感技术和计算机技术等多方面知识。而我们在课堂上所学都是单门知识，所作的实验也都是针对一门课的，很少有将这些知识综合运用的机会。因此种有别于课堂的实践机会让我们的创新思维得到进一步的培养。

还很有意义的是，我们学会了如何使用llwin控制程序的编制与调试。各执行机构的同步协调与合理布置。各执行机构的同步协调在于程序编制的逻辑关系、时间控制、空间安排和控制方法。如果没有搞懂它们之的关系，调试时经常撞车和不协调。如码头货物搬运两辆搬运车经常撞车，这必须一小步一小步地调试，不断摸索，才能达到和睦状态。

至今，我还很怀念那段和组员一起在实验室奋斗的日子。

第三篇：教案-简易物体结构模型(慧鱼创意组合模型)

教案-简易物体结构模型（慧鱼创意组合模型）

实训目标：

1．了解慧鱼结构包的诞生及意义、价值。

2．了解并掌握慧鱼结构包各构件名称、用法及如何组装。

3．掌握组装简易物体结构的方法与技能，探索不同结构形状的牢固程度。4．激发和培养学生的动手、动脑能力，拓宽知识面，培养创新意识。

实训材料：慧鱼结构包，部分模型（如图）

实训过程：

1．介绍慧鱼结构包的来历及意义、价值。

2．识别零件：介绍构件名称及用法，教给简单的拼装方法。

3．教师示范制作一物体模型：房子。

结构是一种能承受负载的东西,它必须能承担起自身的重量和足够的负载。观察下列图示，思考各种形状所能承受的压力大小，认识到三角形是一种天然稳定结构，房子、桥梁都会用到这种结构。

桥梁

子

桌子房仔细观察下图，这是个四边形，本可以自由转换成平行四边形。想一想，装上中间的斜杠后，还能自由变换成其他图形吗？

4．学生独立拼装房子模型。展示自己的房子模型，比一比，谁的房子结构更牢固、更完美、更有创新意识。

秀一秀，说一说：

你还会拼装更复杂点的其他结构模型吗？试一试，2人为一组，合作拼装一座桥梁，做

一回桥梁设计师，当一次能工巧匠。拼装完工后相互点评，哪一组拼装的桥梁模型更牢固，更能赢得大家的喝彩。

课外拓展：

探索纸结构的承重

1．用相同的卡纸（或一种较厚的纸片），做成不同形状的桥（如图所示），试一试，哪种形状的桥最牢？为什么？

2．比一比，哪种纸结构能承受的重量最大？

用一张10×25cm的厚纸和一条2×30cm的胶纸制作各种纸结构（可采用图中形状，也可自由创作）。在纸结构上面放一10×10cm轻质塑料板，再在板上不断加重，直至结构变形为止。从中可以比较出哪种结构最能承重，你知道其中的奥秘吗？

知识联接：

慧鱼模型作品欣赏

爬楼梯爬坡围棋

第四篇：慧鱼创新学院特色课程与教学模型

在智能硬件与人工智能融合的时代，机器学习已经成为主流。让机器学会理解指令，并按照人的意愿去运转，会给未来的工业创造巨大的契机。而实现机器自主学习的基础，是让机器接受并理解这些指令。在慧鱼创新学院这些具有创造性的教学模型当中，学员们将需要通过会与特有的TXT控制器与ROBO PRO编程软件去学会一些基础的编程，从而打开程序学习的大门，迎接未来的人工智能时代。

慧鱼创新学院的课程涉及光学、气动、机械结构、机械传动、电子电路，逻辑编程，人工智能等跨学科融合的知识体系。通过探究原理到动手实践，培养学生的创造力、创新意识、团队协作力、自信心、表达能力、专注力、思考力，引导学生完成创新方案的设计，项目的具体实施，作品的组装调试与最终的升华和改造。

慧鱼创意组合模型提供与STEM学科领域课程（如物理学，工程技术和自然科学）相关的主题，并帮助学生掌握机械和技术原理的基本知识。40种不同的模型被用来包括滑轮和起重机，齿轮，转向，静力学等等。简单的机械零件可以用于自主与团队合作中的学习，并且已经成为许多学校的经典选择。

TXT控制器与其他慧鱼创新学院的教具一样都是于德国原装进口，完全符合欧盟CE及中国3C质量标准。TXT配套慧鱼创新学院的ROBO PRO系统适合10岁及以上的孩子使用，如果有一定SCRATCH编程基础也可提前上手。

ROBO Pro 软件是慧鱼创新学院针对 ROBO TXT 控制器、ROBO 接口板的编程软件。使用流程图式的图框编程过程，用户只需进行简单的学习，加上已有逻辑思维能力，就可以轻易上手。

拥有先进的教具与编程软件只是一个基础，还需要科学的教学方法，让学员们迅速有效地接受这些新的知识，并很好地融入到这个知识体系中。慧鱼创新学院采用了先进的PBL教学授课模式，PBL教学法即Problem-Based Learning，是以问题为基础，以医学生为主体，以小组讨论为形式，在辅导教师的参与下，围绕某一医学专题或具体病例的诊治等问题进行研究的学习过程。PBL是以问题为导向的教学方法，是以学生为中心的教育方式。PBL教学法的优点

(1)顺应时代的发展要求 PBL教学法在教学过程中以学生为主体，学生通过查找资料和讨论来解决问题，锻炼了学生的自学能力、解决问题的能力，并有效的开发了学生的潜力和创造力，这适应了当今社会对创新型人才的需要。(2)调动学生的主动性和积极性 PBL教学中学生变被动学习为主动学习，学生通过自主学习以及组内讨论来解决问题，成为了课堂的主体，这提高了学生的学习兴趣，调动了学习的积极性。

(3)提高学生的综合素质 PBL教学形式多样，突破了传统的授课模式，既有课下的自主学习，又有课上的小组讨论，这不但提高了学生的自学能力和解决问题的能力，也提高了学生的团队协作能力以及沟通能力和表达能力，这有利于学生的个人发展，也适应了了当代社会对综合性素质人才的需要。(4)提高学生对所学知识的运用能力打破了学科的界限，变学科式学习为系统式学习，锻炼了学生自主学习的发散思维和横向思维，这大大提高了学生对所学知识的运用能力。

时代总在不断的发展，新的经济形势，新的生产方式不断地挑战人们自主学习的能力。Google早就已经指出，人工智能是未来的主流，并早已开放TensorFlow机器学习语言的代码，供全世界去学习机器语言，学习人工智能。在鼓励编程，鼓励机器与人工结合的道路上，发达国家的经验值得我们借鉴。慧鱼创新学院，就是一个鲜明的例子，它来自德国，将为我们开辟出新的天地。

第五篇：数学建模_传染病模型

传染病模

摘要: 本次实验是让同学们进一步了解、巩固、加强微分方程模型的建模、求解能力；学习掌握用MATLAB进行二维和三维基本图形绘制。因为MATLAB具有很强的图形处理功能和丰富的图形表现方法。它提供了大量的二维、三维图形函数，使得数学计算结果可以方便地、多样性地实现可视化，这是其它语言所不能比拟的。MATLAB不仅能绘制几乎所有的标准图形，而且其表现形式也是丰富多样的。MATLAB不仅具有高层绘图能力，而且还具有底层绘图能力——句柄绘图方法。在面向对象的图形设计基础上，使得用户可以用来开发各专业的专用图形。help graph2d可得到所有画二维、三维图形的命令。

描述传染病的传播过程，分析受感染人数的变化规律，预报传染病高潮到来的时刻，预防传染病蔓延的手段，按照传播过程的一般规律，用机理分析方法建立模型。

数学建模

问题重述

问题: 有一种传染病（如SARS、甲型H1N1）正在流行。现在希望建立适当的数学模型，利用已经掌握的一些数据资料对该传染病进行有效地研究，以期对其传播蔓延进行必要的控制，减少人民生命财产的损失。考虑如下的几个问题，建立适当的数学模型，并进行一定的比较分析和评价展望。

1、不考虑环境的限制，设单位时间内感染人数的增长率是常数，建立模型求t时刻的感染人数。

2、假设环境条件下所允许的最大可感染人数为。单位时间内感染人数的增长率是感染人数的线性函数，最大感染时的增长率为零。建立模型求t时刻的感染人数。

3、现有卫生防疫部门采集到的某地区一定时间内一定间隔区间的感染人数数据（见下表），利用该数据确定上述两个模型中的相关参数，并将它们的预测值与实际数据进行比较分析（计算仿真偏差）并对两个模型进行适当的评价。（注：该问题中，设最大可感染人数为2000人）

4、假设总人口可分为传染病患者和易感染者，易感染者因与患病者接触而得病，而患病者会因治愈而减少且对该传染病具有很强的免疫功能，建立模型分析t时刻患病者与易感染者的关系，并对传染情况（如流行趋势，是否最终消灭）进行预测。

问题分析

1、这是一个涉及传染病传播情况的实际问题，其中涉及传染病感染人数随时间的变化情况及一些初始资料，可通过建立相应的微分方程模型加以解决。

2、问题表述中已给出了各子问题的一些相应的假设。

3、在实际中，感染人数是离散变量，不具有连续可微性，不利于建立微分方程模型。但由于短时间内改变的是少数人口，这种变化与整体人口相比是微小的。因此，为了利用数学工具建立微分方程模型，我们还需要一个基本假设：感染人数是时间的连续可微函数。

关键字: 社会、经济、文化、风俗习惯等因素

：传染病模型

模型1 在这个最简单的模型中，设时刻t的病人人数x(t)是连续、可微函数，并且每天每个病人有效的人数为常数增加，就有x(tt)x(t)x(t)t

再设t0时有x0有个病人，即得微分方dxdtx,x(0)x0(1)接触(足使人致病)考察t到tt病人人数的

程

方程（1）的解为

x(t)x0et(2)

结果表明，随着t的增加，病人人数x(t)无限增长，这显然是不符合实际的。

建模失败的原因在于：在病人有效接触的人群中，有健康人也有病人，而其中只有健康人才可以被传染为病人，所以在改进的模型中必须区别这两种人。

模型2 SI模型

假设条件为

1.在疾病传播期内所考察地区的总人数N不变，即不考虑生死，也不考虑迁移。人群分为易感染者（Susceptible）和已感染者（Infective）两类（取两个词的第一个字母，称之为SI模型），以下简称健康者和病人。时刻t这两类人在总人数中所占比例分别记作s(t)和i(t)。

2.每个病人每天有效接触的平均人数是常数，称为日接触率。当病人与健康者接触时，使健康者受感染变为病人。

根据假设，每个病人每变为病人，因为病人数天可使s(t)个健康者为Ni(t)，所以每天共有Ns(t)i(t)个健康者被感染，于是病人数Ni的增加率，即有NdidtNsi(3)Nsi就是

s(t)i(t)1i0，则didti(1i),i(0)i0(5)

(4)再记初始时刻(t0)病人的比例为方程（5）是Logistic模型。它的解为

11te11i0(6)i(t)~t和didt~i的图形如图1和图2所示。

数学建模

由(5),(6)式及图1可知，第一，当di达最大值，这个时刻为dtmi1/2时didt到

1tmln1i01(7)

这时病人增加的最快，可以认为是医院的门诊量最大的一天，预示着传染病高潮的到来，是医疗卫生部门关注的时刻

tm与成反比，因为日接触率保健设施、提高卫生水潮的到来。第二，当人终将被传染，全变为实际情况。殊莫ª表示该地区的以改善卫生水平，越小卫生水平越高。所平可以推迟传染病高t时i1,即所有病人，这显然不符合

其原因是模型中没有考虑到病人可以治愈，人群中的健康者只能变成病人，病人不会再变成健康者。

模型3 SIR模型

大多数传染病如天花、流感、肝炎、麻疹等治愈后均有很强的免疫力，所以病愈的人即非健康者（易感染者），也非病人（已感染者），他们已经退出传染系统。这种情况比较复杂，下面将详细分析建模过程。

模型假设

1.总人数N不变。人群分为健康者、病人和病愈免疫的移出者（Removed）三类，称SIR模型。三类人在总数N中占的比例分别记作s(t),i(t)和r(t)。病人的日接触率为，日治愈率为（与SI模型相同），传染期接触为 =/。

模型构成

：传染病模型

由假设1显然有

s(t)+i(t)+r(t)=1(12)根据条件2方程（8）仍然成立。对于病愈免疫的移出者而言有

NdrdtNi(13)

再记初始时刻的健康者和病人的比例分别是s0(s00)和i0(i00)(不妨设移出者的初始值r00)，则由(8),(12),(13)式，SIR模型的方程可以写作disii,dtdssi,dti(0)i0(14)

s(0)s0

方程（14）无法求出s(t)和i(t)的解析解，我们先作数值计算。

模型 4 SIR模型

SIR模型是指易感染者被传染后变为感染住，感病者可以被治愈，并会产生免疫力，变为移除者。人员流动图为：S-I-R。

大多数传染者如天花 流感 肝炎 麻疹等治愈后均有很强的免疫力，所以冰域的人即非易感者，也非感病者，因此他们将被移除传染系统，我们称之为移除者，记为R类

假设： 总人数为常数，且i（t）+s（t）+r（t）=n； 单位时间内一个病人能传染的人数与当时健康者人数成正比，比例系数为k（传染强度）。单位时间内病愈免疫的人数与但是的病人人数成正比，比例系数l。称为恢复系数。

可得方程：

diksili,dt

dsksi,dti(0)i00s(0)s00初值r(0)r00

模型分析：

由以上方程组的：dids=p/s-1 p=l/k, 所以i=pln

s0-s+n.容易看出当

t无限大时

i(t)=0;而当s0p时，i(t)单调下将趋于零；上批示，i(t)先单调上升的最高峰，然后再单调下降趋于零。所以这里仍然出现了门槛现象：p是一个门槛。从p的意义可知，应该降低传染率，提高回复率，即提高卫生医疗水平。

令t→∞可得： s0―s=2*s0(s0―p)/p 所以：δp s0=p+δ，当时，s≈2δ，这也就解释了本文开头的问题，即统一地区

数学建模

一种传染病每次流行时，被传染的人数大致不变。

模型的应用与推广：

根据传染病的模型建立研究进而推广产生了传染病动力学模型。传染病动力学[1]是对进行理论性定量研究的一种重要方法,是根据种群生长的特性,疾病的发生及在种群内的传播,发展规律,以及与之有关的社会等因素,建立能反映传染病动力学特性的数学模型,通过对模型动力学性态的定性,定量分析和数值模拟,来分析疾病的发展过程,揭示流行规律,预测变化趋势,分析疾病流行的原因和关键。对于2003年发生的SARS疫情,国内外学者建立了大量的动力学模型研究其传播规律和趋势,研究各种隔离预防措施的强度对控制流行的作用,为决策部门提供参考.有关SARS传播动力学研究多数采用的是SIR或SEIR模型.评价措施效果或拟合实际流行数据时,往往通过改变接触率和感染效率两个参数的值来实现.石耀霖[2]建了SARS传播的系统动力学模型,以越南的数据为参考,进行了Monte Carlo实验,初步结果表明,感染率及其随时间的变化是影响SARS传播的最重要因素.蔡全才[3]建立了可定量评价SARS干预措施效果的传播动力学模型,并对北京的数据进行了较好的拟合.参考文献：

[1]姜启源 编辅导 课程

（九）主讲教师 : 邓 磊

[2]西北工业大学（数学建模）精品课程

[3]耀霖.SARS传染扩散的动力学随机模型[J].科学通报,2003,48(13)1373-1377