Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
6 Филатова Моделирование биотехнических систем.pdf
Скачиваний:
201
Добавлен:
01.05.2015
Размер:
2.3 Mб
Скачать

136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учебное пособие не охватывает всех разделов дисциплины “Моделирование биологических процессов и систем”, основное внимание уделено темам, отличающимся сложным математическим аппаратом, а также моделям биологических элементов биотехнических систем, не описанных в учебной литературе.

За рамками книги остались вопросы идентификации биотехнических систем, планирование эксперимента в задачах оптимизации, эксперименты с симплекс-планированием, машинные эксперименты с моделями. С этими вопросами студенты могут познакомиться в известных учебниках по математическому моделированию [3, 8,9] и др.

Объем книги ограничил возможности рассмотрения примеров математических моделей биологических элементов биотехнических систем. Эта область исследования широко представлена в статьях и монографиях [4, 16-18].

В последние годы появились учебные пособия по моделированию, охватывающие отдельные классы биомедицинских объектов [21].

Решение задач моделирования выполняется при помощи различных программных средств и специальных систем.

Применение программной системы MATLAB позволяет студентам пользоваться огромной библиотекой уже разработанных программ (М-файлов), из которых можно подобрать близкую к своему частному примеру программу. Подробное описание команд и функций MATLAB, а также особенности работы с его средствами моделирования Simulink можно найти в [15, 20].

Описание биотехнической системы довольно часто ведется с использованием аппарата передаточных функций. Этот подход не рассмотрен в учебном пособии, т.к. вопросы создания математических описаний в области изображений по Лапласу изучаются в дисциплине “Управление в биологических и медицинских системах”. Для исследования математических моделей биотехнических систем, заданных с помощью передаточных функций, можно использовать пакет расширения MATLAB - Simulink, а также систему LabVIEW, программу PDS и ряд других.

137

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Биотехнические системы: Теория и проектирование / под. ред. В.М.Ахутина. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981. 220с.

2.Бусленко, Н.П., Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко М.:

Наука, 1968. 356с.

3.Советов, Б.Я. Моделирование систем / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев.М.: Высшая школа, 2001. 343с.

4.Беллман, Р. Математические методы в медицине / Р. Беллман М.:

Наука. 1987.

5.Онопчук, Ю.Н. Исследование на имитационных моделях с биоуправлением характера изменения парциальных давлений газов в организме человека при физической нагрузке и в состоянии покоя / Онопчук Ю.Н., Марченко Д.Н. // Кибернетика и техника. 1988. Вып.7.

6.Смирнов, В.А. Математическая статистика / В.А.Смирнов М.: Высшая школа, 1980.

7Норенков, И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И.П. Норенков М.: Высшая школа, 1980.

8.Скурихин, В.И. Математическое моделирование / В.И. Скурихин, В.Б. Шифрин, В.В. Дубровский К.: Технiка, 1985.

9.Бондарь, А.Г. Математическое моделирование. /А.Г.Бондарь К.:

Технiка, 1986.

10.Ермолаев, А.П. Тугоухость / А.П. Ермолаев М.: 1999.

11.Киндлер, Е. Языки моделирования / Е. Киндлер М.: Наука, 1989.

12.Филатова, Н.Н. Интеллектуальная система исследования слуха / Н.Н.Филатова, А.В. Бодрин, О.М. Григорьева, М.В. Калюжный, И.Н. Стрельников // Сборник трудов VIII национальной конференции по ИИ с международным участием "КИИ-2002". Т. 2. Коломна. 2002. С.600-605.

13.Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ / И.В. Мак-

симей М.: 1989.

14.Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем / Р. Шеннон М.:

Наука, 1999.

15.Дьяконов, В.П. MatLab с пакетами расширений / В.П. Дьяконов и др. М.: Нолидж, 2001. 880с.

16.Силаев, В.А. Биоэлектрическое управление. Человек и автоматические системы / Силаев В.А. М.: Наука. 1970. 448с.

17.Аклашов, Э.А. Моделирование газообменной функции и режимов дыхания легких при искусственной вентиляции / Аклашов Э.А., Марченко Д.И., Онопчук Ю.Н. // Кибернетика и техника. 1988. Вып.7.

138

18.Зинкельман, А.Д. Модели органов слуха / А.Д. Зинкельман М.:

1985.

19.Физиология сенсорных систем / под ред. А.С.Батуева М.: Наука,

1976.

20.Дьяконов, В.П. MATLAB 6.5 SP1/7+ Simulink 5/6 /В.П. Дьяконов М.: Солон-Пресс. 2003. 576с.

21Бегун. П.И. Моделирование в биомеханике / П.И.Бегун, П.Н. Афонин М.: Высшая школа, 2004. 390с.

139

Приложения

1. Критерий Кохрена (Gtab)

 

 

 

 

 

 

f1

 

 

 

 

 

f2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16

2

0.9985

0.9750

0.9392

0.9057

0.8584

0.8534

0.8332

0.8159

0.8010

0.7880

0.7341

3

0.9985

0.8709

0.7977

0.7457

0.7071

0.6771

0.6530

0.6333

0.6167

0.6025

0.5466

4

0.9985

0.7679

0.6841

0.6287

0.5895

0.5598

0.5365

0.5175

0.5017

0.4884

0.4366

5

0.8412

0.6838

0.5981

0.5440

0.5063

0.4783

0.4564

0.4387

0.4241

0.4118

0.3645

6

0.7808

0.6161

0.5221

0.4803

0.4447

0.4184

0.3980

0.3817

0.3682

0.3568

0.3135

7

0.7271

0.5612

0.4800

0.4307

0.3907

0.3726

0.3555

0.3384

0.3254

0.3154

0.2756

8

0.6798

0.5157

0.4377

0.3910

0.3595

0.3362

0.3185

0.3043

0.2926

0.2829

0.2462

9

0.6385

0.4775

0.4027

0.3584

0.3286

0.3067

0.2901

0.2768

0.2659

0.2568

0.2226

10

0.6020

0.4450

0.3733

0.3311

0.3029

0.2823

0.2666

0.2541

0.2439

0.2353

0.2032

12

0.5410

0.3924

0.3264

0.2880

0.2624

0.2439

0.2299

0.2187

0.2098

0.2020

0.1737

15

0.4709

0.3346

0.2758

0.2419

0.2195

0.2034

0.1911

0.1815

0.1736

0.1671

0.1420

20

0.3894

0.2705

0.2205

0.1921

0.1735

0.1602

0.1501

0.1422

0.1357

0.1303

0.1108

24

0.3434

0.2354

0.1907

0.1656

0.1493

0.1374

0.1286

0.1216

0.1160

0.1113

0.0942

30

0.2929

0.1980

0.1593

0.1377

0.1237

0.1137

0.1061

0.1002

0.0958

0.0921

0.0771

40

0.2370

0.1576

0.1259

0.1082

0.0968

0.0887

0.0827

0.780

0.0745

0.0713

0.0595

60

0.1737

0.1131

0.0895

0.0766

0.0682

0.0623

0.583

0.0552

0.0520

0.0497

0.0411

120

0.0998

0.0632

0.0495

0.0419

0.0371

0.0337

0.0312

0.0292

0.0279

0.0266

0.0218

140

2. Критерий Фишера (Ftab)

 

 

 

 

 

 

 

f1

 

 

 

 

 

f2

1

2

3

4

5

6

 

8

12

16

24

50

100

2

18.5

19.0

19.2

19.3

19.3

19.3

 

19.4

19.4

19.4

19.5

19.5

19.5

3

10.1

9.6

9.3

9.1

9.0

8.9

 

8.8

8.7

8.7

8.6

8.6

8.6

4

7.71

6.94

6.59

6.39

6.26

6.16

 

6.04

5.91

5.84

5.77

5.70

5.66

5

6.61

5.79

5.41

5.19

5.01

4.95

 

4.82

4.68

4.60

4.53

4.44

4.40

6

5.99

5.1

4.76

4.53

4.39

4.28

 

4.15

4.00

3.92

3.84

3.75

3.71

7

5.59

4.74

4.35

4.12

3.97

3.87

 

3.73

3.57

3.49

3.41

3.32

3.28

8

5.32

4.46

4.07

3.84

3.69

3.58

 

3.44

3.28

3.20

3.12

3.03

2.98

9

5.12

4.26

3.86

3.63

3.48

3.37

 

3.23

3.07

2.98

2.90

2.80

2.76

10

4.96

4.10

3.71

3.48

3.33

3.22

 

3.07

2.91

2.82

2.74

2.64

2.59

11

4.84

3.98

3.59

3.36

3.20

3.09

 

2.95

2.79

2.70

2.61

2.50

2.45

12

4.75

3.88

3.49

3.26

3.11

3.00

 

2.85

2.69

2.60

2.50

2.40

2.35

13

4.67

3.80

3.41

3.18

3.02

2.92

 

2.77

2.60

2.51

2.42

2.32

2.26

14

4.60

3.74

3.34

3.11

2.96

2.85

 

2.70

2.53

2.44

2.35

2.24

2.19

15

4.54

3.68

3.29

3,06

2.90

2.79

 

2.64

2.48

2.39

2.29

2.18

2.12

16

4.49

3.63

3.24

3.01

2.85

2.74

 

2.59

2.42

2.33

2.24

2.13

2.07

20

4.35

3.49

3.10

2.87

2.71

2.60

 

2.45

2.28

2.18

2.08

1.96

1.90

30

4.17

3.32

2.92

2.69

2.53

2.42

 

2.27

2.09

1.99

1.89

1.76

1.69

40

4.08

3.23

2.84

2.61

2.45

2.34

 

2.18

2.00

1.90

1,79

1.66

1.59

50

4.03

3.18

2.79

2.56

2.40

2.29

 

2.13

1.95

1.85

1.74

1.60

1.52

100

3.94

3.09

2.70

2.46

2.30

2.19

 

2.03

1.85

1.75

1.63

1.48

1.39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

141

 

 

3. Критерий Стьюдента (ttab)

 

 

 

Число сте-

Критерий Стьюдента

пеней свободы

 

 

1

12,706

 

2

4,303

 

3

3,182

 

4

2,776

 

5

2,571

 

6

2,447

 

7

2,365

 

8

2,306

 

9

2,262

 

10

2,228

 

11

2,201

 

12

2,179

 

13

2,160

 

14

2,145

 

15

2,131

 

16

2,120

 

17

2,110

 

18

2,101

 

19

2,093

 

20

2,086

 

21

2,080

 

22

2,074

 

23

2,069

 

24

2,064

 

25

2,060

 

26

2,056

 

27

2,052

 

28

2,048

 

29

2,045

 

30

2,042

 

142

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

3

1. Основные понятия теории моделирования биологических про-

5

цессов и систем

 

1.1. Понятие о моделировании

5

1.2. Виды моделирования.

6

1.2.1. Физическое моделирование

6

1.2.2. Математическое моделирование

11

1.2.3. Имитационное моделирование

14

1.3. Классификация математических моделей

15

1.4. Понятие об адекватности математической модели

18

1.5. Общая характеристика методов составления математических

19

моделей

 

1.6. Контрольные вопросы

21

2. Формально-статистические методы моделирования

22

2.1. Общая характеристика формально-статистических методов

22

2.2. Пассивный эксперимент: общая характеристика

24

2.3. Понятие об уравнении регрессии

27

2.4. Построение линейной модели статики

29

2.5. Регрессионный анализ результатов моделирования.

32

2.5.1.Проверка гипотезы об однородности выборочных диспер32 сий параллельных измерений.

2.5.2.Проверка гипотезы о значимости оценок коэффициентов 35 регрессии.

2.5.3.Проверка гипотезы об адекватности математической моде36

ли

2.6. Построение множественной линейной модели

38

2.7. Построение нелинейных моделей, описывающих статиче-

45

ский режим работы объекта

 

2.8. Математические модели на основе активных экспериментов

54

2.8.1. Полный факторный эксперимент

56

2.8.2. Дробный факторный эксперимент

58

2.8.3. Построение моделей на основе планов второго порядка

62

2.8.4. Алгоритм построения регрессионных моделей на основе

66

планирования экспериментов

 

2.9. Контрольные вопросы

71

3. Построение моделей элементов биотехнических систем

74

3.1.Особенности задачи моделирования процессов функциони74 рования элементов биотехнических систем.

3.2.Модели, характеризующие режим течения материального 75 потока

143

 

3.2. Модель процессов газообмена в дыхательной системе чело-

83

века

 

3.3. Моделирование органов слуха.

85

3.3.1. Особенности органов слуха, как объекта моделирования

85

3.3.2. Модели наружного и среднего уха

86

3.3.3. Модели улитки

89

3.4. Контрольные вопросы

101

4. Имитационное моделирование БТС

103

4.1. Понятие об имитационном моделировании

103

4.2. Понятие о компартментной системе.

105

4.3. Построение методической модели на примере модели дви-

107

жения йода в организме млекопитающих

 

4.4. Алгоритмическая модель процесса

113

4.5. Имитационная модель лечебного учреждения: вопросы под-

116

готовки исходных данных

 

4.6. Контрольные вопросы

117

5. Применение системы MATLAB для решения задач моделиро-

118

вания элементов БТС

 

5.1. Общая характеристика системы MATLAB

118

5.2. Численный анализ моделей элементов биотехнических сис-

127

тем

 

Заключение

135

Библиография

130

Содержание

138

144

Наталья Николаевна Филатова

Моделирование биотехнических систем

Учебное пособие

Редактор Т.С. Синицына

 

 

Технический редактор Г.В.Комарова

 

Корректор

 

 

 

Подписано в печать

 

 

Формат

1/16

 

Бумага

Физ. печ. л. 9

Усл. печ. л.

Уч.-изд. Л.

Тираж 150 экз.

Заказ

 

Издательство Тверского государственного технического университета 170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22