《系統(tǒng)建模與仿真》概論

1、系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)建模與仿真概論概論系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真-建立系統(tǒng)的模型建立系統(tǒng)的模型, ,并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn). . 例如例如:(1):(1)將按一定比例縮小的飛行器模型置于風(fēng)洞中吹風(fēng)將按一定比例縮小的飛行器模型置于風(fēng)洞中吹風(fēng), , 測(cè)出飛行器的升力、阻力、力矩等特性；測(cè)出飛行器的升力、阻力、力矩等特性； (2)(2)要建設(shè)一個(gè)大水電站要建設(shè)一個(gè)大水電站, ,先建一個(gè)規(guī)模縮小的小水電先建一個(gè)規(guī)?？s小的小水電 站來取得建設(shè)水電站的經(jīng)驗(yàn)及其運(yùn)行規(guī)律站來取得建設(shè)水電站的經(jīng)驗(yàn)及其運(yùn)行規(guī)律. . (3) (3)指揮員利用沙盤來指揮一個(gè)戰(zhàn)役或一個(gè)戰(zhàn)斗指揮員利用沙盤來指揮一個(gè)戰(zhàn)役或一個(gè)戰(zhàn)斗.

2、.系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真是分析和研究各種（復(fù)雜）系統(tǒng)的重要工具分析和研究各種（復(fù)雜）系統(tǒng)的重要工具.概論（概論（1）-系統(tǒng)系統(tǒng)、模型、仿真（、模型、仿真（1）系統(tǒng)的定義系統(tǒng)的定義按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、 互相依存的所有實(shí)體的集合或總體互相依存的所有實(shí)體的集合或總體.描述系統(tǒng)的描述系統(tǒng)的“三要素三要素”: 實(shí)體、屬性、活動(dòng)實(shí)體、屬性、活動(dòng)實(shí)體實(shí)體確定系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)的邊界。確定系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)的邊界。屬性屬性描述每一個(gè)實(shí)體的特征（即描述變量）描述每一個(gè)實(shí)體的特征（即描述變量）活動(dòng)活動(dòng)定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體之間的相互作用，從而定義了系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體之間的相互作用，從而

3、確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程概論（概論（1）-系統(tǒng)系統(tǒng)、模型模型、仿真（、仿真（2）(系統(tǒng)的分類系統(tǒng)的分類)(1)工程領(lǐng)域工程領(lǐng)域: 機(jī)械機(jī)械,航空航空,航天航天,電力電力,冶金冶金,化工和電子等化工和電子等. 非工程領(lǐng)域非工程領(lǐng)域: 交通管理交通管理,生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)調(diào)度,庫(kù)存控制庫(kù)存控制,生態(tài)環(huán)境生態(tài)環(huán)境 和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等.(2) CVDS (Continuous Variable Dynamic Systems) 連續(xù)（變量動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。連續(xù)（變量動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。 DEDS (Discrete Event Dynamic Systems) 離散事件（動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。

4、離散事件（動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。 HDS (Hybrid Dynamic Systems) 混合（動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)?；旌希▌?dòng)態(tài)）系統(tǒng)。 系統(tǒng)的分類系統(tǒng)的分類飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)陀螺陀螺控制器控制器 機(jī)體機(jī)體給定航向給定航向?qū)嶋H航向?qū)嶋H航向管理部門管理部門用戶訂單用戶訂單原材料原材料產(chǎn)品產(chǎn)品采購(gòu)部門采購(gòu)部門制造部門制造部門裝配部門裝配部門銷售部門銷售部門What are ContinuousVariable Dynamic Systems(CVDS)?What are Discrete EventDynamic Systems (DEDS)?An AirportA Typic

5、al DEDS TrajectorytimeDiscrete statex1x2x3x4x5e1e2e4e5e6e3HoldingtimeSTATES are piecewiseconstantHOLDING TIMES aredeterministic/randomEVENTS triggers statetransitionTRAJECTORY definedby (state, holding time)sequenceComparison with a CVDS TrajectorytimeDiscretestatedx/dt = f(x,u,t)Hybrid System:can h

6、ideeach stateCVDS behaviorHistorical Perspective on the Control andOptimization of DEDS and CVDSHistory for CVDS:Development ofmechanics forCVDSSelf regulatinggovernor for steamenginesWWII Servo-mechanismModerncontrol theoryand practice1940History of DEDS:Birth of OREmergence ofhuman madesystemsTheo

7、reticalfoundations &practical successstories19451970spresent概論（概論（1）- 系統(tǒng)、系統(tǒng)、模型模型、仿真、仿真 為了研究、分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)為了研究、分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng) 需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的方法：實(shí)驗(yàn)的方法： 1 1）直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行）直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行 2 2）先構(gòu)造模型，然后通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)代替（或）先構(gòu)造模型，然后通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)代替（或 部分代替）真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)部分代替）真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)通過模型實(shí)驗(yàn)的方法日益被人們所使用：通過模型實(shí)驗(yàn)的方法日益被人們所使用： 1 1）系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)階段，真實(shí)系

8、統(tǒng)尚未建成）系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)階段，真實(shí)系統(tǒng)尚未建成 2 2）在真實(shí)系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)有風(fēng)險(xiǎn)（發(fā)生故障甚至破壞）在真實(shí)系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)有風(fēng)險(xiǎn)（發(fā)生故障甚至破壞） 3 3）在真實(shí)系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴）在真實(shí)系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴 4 4）多次實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以保證每次實(shí)驗(yàn)條件相同）多次實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以保證每次實(shí)驗(yàn)條件相同概論（概論（1）- 系統(tǒng)、系統(tǒng)、模型模型、仿真、仿真 tEMBKRLC tF tECqdtdqRdtqdLtFKxdtdxBdtxdM2222不同系統(tǒng)之間的相似性不同系統(tǒng)之間的相似性概論（概論（1）- 系統(tǒng)、模型、系統(tǒng)、模型、仿真仿真仿真的定義：仿真的定義： “仿真意指在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)

9、的實(shí)現(xiàn)仿真意指在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)” “用能代表所研究的系統(tǒng)的模型作實(shí)驗(yàn)用能代表所研究的系統(tǒng)的模型作實(shí)驗(yàn)” “所有支持模型建立與模型分析的活動(dòng)所有支持模型建立與模型分析的活動(dòng) 即為仿真活動(dòng)即為仿真活動(dòng)” “仿真是一種基于模型的活動(dòng)仿真是一種基于模型的活動(dòng)” “系統(tǒng)系統(tǒng), ,模型模型, ,仿真仿真”三者之間有著三者之間有著密切的關(guān)系密切的關(guān)系. .系統(tǒng)是亞就的對(duì)象系統(tǒng)是亞就的對(duì)象, ,模模型是系統(tǒng)的抽象型是系統(tǒng)的抽象, ,仿真是通過對(duì)模型仿真是通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的. . 系統(tǒng)仿真有三個(gè)基本的活動(dòng)系統(tǒng)仿真有三個(gè)基本的活動(dòng),

10、,即即系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模, ,仿真建模和仿真實(shí)驗(yàn)仿真建模和仿真實(shí)驗(yàn), ,聯(lián)系聯(lián)系這三個(gè)活動(dòng)的是系統(tǒng)仿真的三要素這三個(gè)活動(dòng)的是系統(tǒng)仿真的三要素, ,即系統(tǒng)即系統(tǒng), ,模型和計(jì)算機(jī)模型和計(jì)算機(jī). .系系 統(tǒng)統(tǒng)模模 型型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模仿真建模仿真建模仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)概論（概論（2）系統(tǒng)仿真的分類（系統(tǒng)仿真的分類（1）根據(jù)模型的種類分類：根據(jù)模型的種類分類： 物理仿真物理仿真按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模 型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。 數(shù)學(xué)仿真數(shù)學(xué)仿真對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行抽象，用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行抽

11、象，用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述 而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)的過程。（通常是用計(jì)算機(jī)仿真）驗(yàn)的過程。（通常是用計(jì)算機(jī)仿真） 半實(shí)物仿真半實(shí)物仿真將數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來進(jìn)將數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來進(jìn) 行的過程。行的過程。概論概論 (2) - 系統(tǒng)仿真的分類（系統(tǒng)仿真的分類（2 2） 根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)的類型分類：根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)的類型分類： 模擬（計(jì)算機(jī)）仿真模擬（計(jì)算機(jī)）仿真 - （并行仿真）（并行仿真） 數(shù)字（計(jì)算機(jī)）仿真數(shù)字（計(jì)算機(jī)）仿真 - （串行仿真）（串行仿真） 數(shù)字?jǐn)?shù)字-模擬混合仿真模擬混合仿真 根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的

12、比例關(guān)系分類：根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類： 實(shí)時(shí)仿真實(shí)時(shí)仿真 仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致（在線仿真）仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致（在線仿真） （模型仿真速度和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行速度相同）（模型仿真速度和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行速度相同） 亞實(shí)時(shí)仿真亞實(shí)時(shí)仿真 仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘（離線仿真）仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘（離線仿真） 超實(shí)時(shí)仿真超實(shí)時(shí)仿真 仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘模擬仿真模擬仿真模擬仿真的運(yùn)算器模擬仿真的運(yùn)算器質(zhì)量質(zhì)量-阻尼阻尼-彈簧系統(tǒng)的彈簧系統(tǒng)的 模擬仿真圖模擬仿真圖1uouiuiuououououiuiu2u3uiopuutiodtuTu01332211upupupuoaio

13、auu iZoZiioouZZuxdtdx22dtxd)(tF0 x0 概論概論(2)-系統(tǒng)仿真的分類（系統(tǒng)仿真的分類（3）根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類：根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類： 連續(xù)（變量動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)（連續(xù)（變量動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)（CVDS）仿真：仿真： 系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)）系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)） 1）集中參數(shù)模型）集中參數(shù)模型一般用常微分方程（組）描述一般用常微分方程（組）描述 （如電路系統(tǒng)，機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)等）（如電路系統(tǒng)，機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)等） 2）分布參數(shù)模型）分布參數(shù)模型一般用偏微分方程（組）描述一般用偏微分方程（組）描述 （如各種物理和工程領(lǐng)域中的（如各種物理和工

14、程領(lǐng)域中的“場(chǎng)場(chǎng)”問題）問題） 離散（事件動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)（離散（事件動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)（DEDS）仿真：仿真： 系統(tǒng)狀態(tài)在某些離散（隨機(jī)）時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生（離散）變化的系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)在某些離散（隨機(jī)）時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生（離散）變化的系統(tǒng) ( 如交通管理如交通管理 , 庫(kù)存控制庫(kù)存控制 , 通信系統(tǒng)等通信系統(tǒng)等 ) ( 這類系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難用人們熟悉的數(shù)學(xué)方程形式加以描述，一這類系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難用人們熟悉的數(shù)學(xué)方程形式加以描述，一 般只能借助于流程圖或活動(dòng)圖般只能借助于流程圖或活動(dòng)圖. 研究的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能研究的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能 , 而不是行為的點(diǎn)軌跡而不是行為的點(diǎn)軌跡 . )概概論論(3

15、)-系系統(tǒng)統(tǒng)仿仿真真的的一一般般步步驟驟 系系統(tǒng)統(tǒng)描描述述建建立立系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型建建立立仿仿真真模模型型建建立立仿仿真真程程序序模模型型運(yùn)運(yùn)行行 合合理理進(jìn)進(jìn)行行仿仿真真研研究究仿仿真真結(jié)結(jié)果果處處理理輔輔助助分分析析及及設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)仿仿真真研研究究程程序序 (多多次次運(yùn)運(yùn)行行 ,尋尋 優(yōu)優(yōu)統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)等等 程程序序問問題題 仿仿真真模模型型問問題題 ? 系系統(tǒng)統(tǒng)模模型型問問題題 ？修修改改系系統(tǒng)統(tǒng)模模型型 修修改改仿仿真真模模型型修修改改程程序序YNYNYNYNYN概論概論(4)-系統(tǒng)仿真的應(yīng)用系統(tǒng)仿真的應(yīng)用(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2) 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析(3) 教育與訓(xùn)練教育與訓(xùn)練(4)

16、 產(chǎn)品開發(fā)及制造過程產(chǎn)品開發(fā)及制造過程 “虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品開發(fā)” ( Virtual Product Development) “虛擬虛擬制造制造” (Virtual Manufacturing ) 實(shí)例實(shí)例-波音波音777的虛擬制造的虛擬制造 ( 整機(jī)設(shè)計(jì)整機(jī)設(shè)計(jì),部件測(cè)試部件測(cè)試 ,整機(jī)裝配以及整機(jī)試飛都整機(jī)裝配以及整機(jī)試飛都 是在計(jì)算機(jī)上完成的，開發(fā)周期從是在計(jì)算機(jī)上完成的，開發(fā)周期從8年年 5年年) )“系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)建模與仿真”課程內(nèi)容課程內(nèi)容 概論概論 連續(xù)系統(tǒng)仿真模型連續(xù)系統(tǒng)仿真模型 連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法 時(shí)域離散相似法時(shí)域離散相似法 頻域離散相似法頻域離散相似法 采樣控制系統(tǒng)仿真采樣控制系統(tǒng)仿真 離散事件系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)離散事件系統(tǒng)仿真基礎(chǔ) 隨機(jī)變量模型的確定隨機(jī)變量模型的確定 隨機(jī)變量的產(chǎn)生隨機(jī)變量的產(chǎn)生 離散事件系統(tǒng)仿真輸出數(shù)據(jù)分析離散事件系統(tǒng)仿真輸出數(shù)據(jù)分析 Petri網(wǎng)及其在離散事件系統(tǒng)仿真鐘的應(yīng)用網(wǎng)及其在離散事件系統(tǒng)仿真鐘的應(yīng)用 現(xiàn)代仿真技術(shù)現(xiàn)代仿真技術(shù)系統(tǒng)建模與仿真參考教材系統(tǒng)建模與仿真參考教材（1）“系統(tǒng)仿真導(dǎo)論系統(tǒng)仿真導(dǎo)論” 肖田元等編著肖田元等編著 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 2000年年（2）“連續(xù)系統(tǒng)仿真與離散事件系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真與離散事件系統(tǒng)仿真” 熊光楞等編