第一章-計算機仿真技術緒論ppt課件(全)

1、高 等 學 校 規(guī) 劃 教 材計 算 機 仿 真 技 術吳旭光 楊惠珍 王新民 編著第一章 緒論 這一章將介紹計算機仿真的基本概念、它所包括的內容以及發(fā)展狀況，即我們將從橫向和縱向來闡述計算機系統(tǒng)仿真的內涵。 所有這些內容將為學習計算機仿真技術和以后更進一步的研究建立一個基礎。 1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念一、系統(tǒng)與模型 一個系統(tǒng)可能非常復雜，也可能很簡單，因此很難給“系統(tǒng)”下一個確切的定義。因為這個定義不但能夠足以概括系統(tǒng)的各種應用，而且又能夠簡明地把這個定義應用于實際。但無論什么系統(tǒng)一般均具有4個重要的性質，即整體性、相關性、有序性和動態(tài)性。 系統(tǒng)就是一些具有特定功能的、相互間以一定規(guī)律聯(lián)系

2、著的物體所組成的一個總體。 顯然，系統(tǒng)是一個廣泛的概念，毫無疑問它在現(xiàn)代科學研究和工程實踐中扮演著重要的角色。不同領域的問題均可以用系統(tǒng)的框架來解決。但究竟一個系統(tǒng)是由什么構成的，這取決于觀測者的觀點。例如，這個系統(tǒng)可以是一個由一些電子部件組成的放大器；或者是一個可能包括該放大器在內的控制回路；或者是一個有許多這樣回路的化學處理裝置；或者是一些裝置組成的一個工廠；或者是一些工廠的聯(lián)合作業(yè)形成的系統(tǒng)，而世界經(jīng)濟就是這個系統(tǒng)的環(huán)境。 1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 首先，必須明確系統(tǒng)的整體性。也就是說，它作為一個整體，各部分是不可分割的。就好像人體，它由頭、身軀、四肢等多個部分組成，如果把這些部分拆開

3、，就不能構成完整的人體。至于人們熟悉的自動控制系統(tǒng)，其基本組成部分(控制對象、測量元件、控制器等)同樣缺一不可。整體性是系統(tǒng)的第一特性。 其次，要明確系統(tǒng)的相關性。相關性是指系統(tǒng)內部各部分之間相互以一定的規(guī)律聯(lián)系著，它們之間的特定關系形成了具有特定性能的系統(tǒng)。有時系統(tǒng)各要素之間的關系并不是簡單的線性關系，而呈現(xiàn)出復雜的非線性關系。也正是由于這種非線性，才構成了我們這個多彩的世界。 對于復雜的非線性關系，必須研究其復雜性與整體性。再以人體為例，人的雙眼視敏度是單眼視敏度的610倍。此外，雙眼有立體感，而單眼卻無此特點。這就是一種典型的非線性特征，因此相關性是系統(tǒng)的第二特性，也是目前系統(tǒng)研究的主要

4、問題。 1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 除整體性和相關性外，系統(tǒng)還具有有序性和動態(tài)性。比如，生命是一種高度有序的結構，它所具有的復雜功能組織，與現(xiàn)代化大工業(yè)生產(chǎn)的“裝配線”非常相似，這是一種結構上的有序性，對任何系統(tǒng)都是適用的。又如圖所示，一個非平衡系統(tǒng)如果經(jīng)過分支點A、B到達C，那么對C態(tài)的解釋就必須暗含著對A態(tài)和B態(tài)的了解。這就是系統(tǒng)的動態(tài)性。圖1.1.1 系統(tǒng)的動態(tài)性1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 建立系統(tǒng)概念的目的在于深入認識并掌握系統(tǒng)的運動規(guī)律。因此不僅要定性地了解系統(tǒng)，還要定量地分析、綜合系統(tǒng)，以便能更準確地解決工程、自然界和現(xiàn)代社會中的種種復雜問題。定量地分析、綜合系統(tǒng)最有效的方法是建立

5、系統(tǒng)的模型，并使用高效的數(shù)值計算工具和算法對系統(tǒng)的模型進行解算。 采用模型法分析系統(tǒng)的第一步是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，所謂數(shù)學模型就是把關于系統(tǒng)的本質部分信息，抽象成有用的描述形式，因此抽象是數(shù)學建模的基礎。數(shù)學在建模中扮演著十分重要的角色，馬克思說過：“一種科學只有在成功地運用數(shù)學時，才算達到完善的地步。”例如集合的概念是建立在抽象的基礎上的，共同的基礎使集合論對于建模過程非常有用。這樣，數(shù)學模型可以看成是由一個集合構造的。1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 數(shù)學模型的應用無論是在純科學領域還是在實際工程領域中都有著廣泛的應用，但通常認為一個數(shù)學模型有兩個主要的用途：首先，數(shù)學模型可以幫助人們不斷地加深

6、對實際物理系統(tǒng)的認識，并且啟發(fā)人們去進行可以獲得滿意結果的實驗；其次，數(shù)學模型有助于提高人們對實際系統(tǒng)的決策和干預能力。 數(shù)學模型按建立方法的不同可分為機理模型，統(tǒng)計模型和混合模型。 機理模型采用演繹方法，運用已知定律，用推理方法建立數(shù)學模型；統(tǒng)計模型采用歸納法，它根據(jù)大量實測或觀察的數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計的規(guī)律估計系統(tǒng)的模型；混合模型是理論上的邏輯推理和實驗觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析相結合的模型。按所描述的系統(tǒng)運動特性和運用的數(shù)學工具特征，數(shù)學模型可分類為線性、非線性、時變、定常、連續(xù)、離散、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定、隨機等系統(tǒng)模型。1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念二、仿真 隨著科學技術的進步，尤其是信息技術和計算

7、機技術的發(fā)展，“仿真”的概念不斷得以發(fā)展和完善，因此給予仿真一個清晰和明了的定義是非常困難的。但一個通俗的系統(tǒng)仿真基本含義是指：設計一個實際系統(tǒng)的模型，對它進行實驗，以便理解和評價系統(tǒng)的各種運行策略。而這里的模型是一個廣義的模型，包含數(shù)學模型、非數(shù)學模型、物理模型等等。顯見，根據(jù)模型的不同，有不同方式的仿真。從仿真實現(xiàn)的角度來看，模型特性可以分為連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)兩大類。由于這兩類系統(tǒng)的運動規(guī)律差異很大，描述其運動規(guī)律的模型也有很大的不同，因此相應的仿真方法不同，分別對應為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念1 連續(xù)系統(tǒng)仿真 連續(xù)系統(tǒng)仿真是指物理系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化

8、的系統(tǒng)，一般可以使用常微分方程或偏微分方程組描述。需要特別指出的是這類系統(tǒng)也包括用差分方程描述的離散時間系統(tǒng)。對于工科院校，因為主要研究的對象是工業(yè)自動化和工業(yè)過程控制，因此本教材主要介紹連續(xù)系統(tǒng)仿真。2 離散事件系統(tǒng)仿真 離散事件系統(tǒng)是指物理系統(tǒng)的狀態(tài)在某些隨機時間點上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。它與連續(xù)時間系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：物理狀態(tài)變化發(fā)生在隨機時間點上，這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅動的。離散時間系統(tǒng)的事件(狀態(tài))往往發(fā)生在隨機時間點上，并且事件(狀態(tài))是時間的離散變量。系統(tǒng)的動態(tài)特性無法使用微分方程這類數(shù)學方程來描述，而只能使用事件的活動圖或流程圖。因此對離散事件

9、系統(tǒng)的仿真的主要目的是對系統(tǒng)事件的行為作統(tǒng)計特性分析，而不像連續(xù)系統(tǒng)仿真的目的是對物理系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡作出分析。1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 仿真技術的分類方法很多，不同的分類仿真方法也有所不同，下一小節(jié)我們還要針對連續(xù)時間系統(tǒng)仿真的分類進行詳細研究。 本書講授的是連續(xù)時間系統(tǒng)的計算機仿真，因此仿真的基礎是建立在系統(tǒng)的數(shù)學模型基礎上，并以計算機為工具對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 仿真，就是模仿真實的事物，也就是用一個模型來模仿真實系統(tǒng)。既然是模仿，兩者就不可能完全等同，但是最基本的內容應該相同，即模型必須至少反映系統(tǒng)的主要特征。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，科學研究的深入與計算機軟、硬件的發(fā)展，仿真技術

10、已成為分析、綜合各類系統(tǒng)，特別是大系統(tǒng)的一種有效研究方法和有力的研究工具。1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術一、基本原理分類 除了可按模型的特性分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真類型外，還可以從不同的角度對系統(tǒng)仿真進行分類。比較典型的分類方法是： 根據(jù)模型的種類系統(tǒng)仿真可以分為三種：物理仿 真 、數(shù)學仿真和半實物仿真。 根據(jù)使用的仿真計算機也可將系統(tǒng)仿真分為三種： 模擬計算機仿真、數(shù)字計算機仿真和數(shù)字模擬混合仿真。 根據(jù)仿真時間鐘和實際物理系統(tǒng)時間鐘的比例關系，常將仿真分為實時仿真和非實時仿真。1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 本小節(jié)我們根據(jù)仿真的主要理論依據(jù)相似論來研究仿真的分類。 所謂相似，是指各類事物間某

11、些共性的客觀存在。相似性是客觀世界的一種普遍現(xiàn)象，它反映了客觀世界中不同物理系統(tǒng)和物理現(xiàn)象具備某些共同的特性和規(guī)律。 采用相似理論建立物理系統(tǒng)的相似模型，這是相似理論在系統(tǒng)仿真中最基本的體現(xiàn)。 上一節(jié)我們講過，仿真就是模仿一個真實系統(tǒng)，所遵循的基本原則就是相似原理。根據(jù)相似論的研究方法和仿真技術的研究方法，在建立物理系統(tǒng)的模型時，我們認為物理系統(tǒng)和模型應該滿足幾何相似、環(huán)境相似和性能相似中的一種或幾種。1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 幾何相似就是把真實系統(tǒng)按比例放大或縮小，其模型的狀態(tài)向量與原物理系統(tǒng)的狀態(tài)完全相同。土木建筑、水利工程、船舶、飛機制造多采用幾何相似原理進行各種仿真實驗。 環(huán)境相似，就

12、是人工在實驗室里產(chǎn)生與所研究對象在自然界中所處環(huán)境類似的條件，比如飛機設計中的風洞，魚雷設計中的水洞、水池等等。 性能相似，則是用數(shù)學方程來表征系統(tǒng)的性能，或者利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，來模仿該數(shù)學方程所表征的系統(tǒng)。性能相似原理也是仿真技術遵循的基本原理。1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 根據(jù)仿真所遵循的相似原則基本含義，大致可將仿真分為三大類： 物理仿真：主要是運用幾何相似、環(huán)境相似條件，構成物理模型進行仿真。其主要原因可能是由于原物理系統(tǒng)是昂貴的、或是無法實現(xiàn)的物理場、或是原物理系統(tǒng)的復雜性難以用數(shù)學模型描述的。 數(shù)字仿真：運用性能相似，即將物理系統(tǒng)全部用數(shù)學模型來描述，并把數(shù)學模型變換為仿真模型，在計算

13、機上進行實驗研究。 半物理仿真：綜合運用三個相似原則，把數(shù)學模型、實體模型、相似物理場組合在一起的仿真系統(tǒng)。這類仿真技術又稱為硬件在回路中的仿真(Hardware in the loop simulation)。 由于現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的發(fā)展，單一的物理仿真和數(shù)字仿真往往不能滿足其研究目的的要求，而這類物理仿真和數(shù)字仿真的結合稱為半物理仿真，則可滿足其要求。 本教材的重點是向讀者介紹數(shù)字仿真。1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 二、半實物仿真 半實物仿真是一種通俗而習慣的叫法。按前述的定義應該是：在全部仿真系統(tǒng)中、一部分是實際物理系統(tǒng)或以實際等價的物理場,另一部分是安裝在計算機里的數(shù)學模型。半實物仿真在

14、科學研究和工程應用中扮演著非常重要的角色，從某種意義上半實物仿真技術的難度和實際應用性均超過全數(shù)字仿真。這主要是因為： (1) 對于一個大型的仿真系統(tǒng)，有時系統(tǒng)中的某一部分很難建立其數(shù)學模型，或者建立這部分的數(shù)學模型的代價昂貴，精度也難以保證。例如，在紅外制導系統(tǒng)仿真時，其紅外制導頭以及各種物理場的模型建立是相當困難的。為了能準確地仿真系統(tǒng)，這部分將以實物的形式直接參與仿真系統(tǒng)，從而避免建模的困難和過高的建模費用。 (2) 利用半實物仿真系統(tǒng)，可以檢驗系統(tǒng)中的某些部件的性能。例如，為了檢驗航行器的性能，可以將設計的控制部件以實物的形式進入仿真系統(tǒng)。(3) 利用半實物仿真，可以進一步校正系統(tǒng)的數(shù)

15、學模型。一個復雜的系統(tǒng)在完成初步設計以及分部件逐個研制出來后，為了驗證和鑒定系統(tǒng)性能或檢驗定型產(chǎn)品，利用系統(tǒng)的半實物仿真可以從總體上更準確地檢測外界因素的變化對系統(tǒng)的影響，更深入地暴露系統(tǒng)的內在矛盾。從而，在實驗室內能較全面地檢驗和評定系統(tǒng)設計的合理性和各部件工作的協(xié)調性，進而修改和完善設計。(4) 在1.3節(jié)介紹的仿真器中，半實物仿真是必需。因為在這類仿真器中為了逼近物理系統(tǒng)的實際效應，許多部件必須以實物方式介入仿真系統(tǒng)中。例如，飛行駕駛員訓練器，為了使飛行器有真實感，座艙往往是以實物的方式介入系統(tǒng)的。1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 由以上原因可以看出，半實物仿真是一種更有實際意義的仿真實驗，其技

16、術難度和投資也往往大于全數(shù)字仿真。圖是某航行器指令制導半實物仿真系統(tǒng)的原理框圖。 圖1.2.1 指令制導半實物仿真系統(tǒng)原理圖1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 三、數(shù)字仿真 數(shù)字仿真的前提是系統(tǒng)的數(shù)學模型，數(shù)字仿真的工具是數(shù)字計算機，而其主要內容是數(shù)值計算方法、仿真程序、仿真語言以及上機操作。通常將計算機稱為仿真的硬件工具，而將仿真計算方法和仿真程序稱為仿真軟件。數(shù)字仿真的工作流程如圖所示 圖1.2.2 仿真實驗的一般過程1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術 從以上仿真過程可以看到，這里涉及三個具體的部分和三個具體的活動：一是物理系統(tǒng)，二是數(shù)學模型，三是計算機，如圖所示。并且有兩次模型化和一次計算活動。第一次模型化

17、是將實際系統(tǒng)變成數(shù)學模型，第二次是將數(shù)學模型變成仿真模型。通常將一次模型化的技術稱為系統(tǒng)辨識技術；而將第二次模型化、仿真模型編程、校核和驗證統(tǒng)稱為仿真技術。二者所采用的研究方法雖有較大的差別，但又有十分密切的聯(lián)系。校核和驗證模型的過程實際上也就是不斷修改模型使之更符合實際的過程，因而從某種意義上講，仿真也是建模過程的繼續(xù)。圖1.2.3 計算機仿真三要素和三個基本活動四、數(shù)字仿真程序 數(shù)字仿真程序是一種適用于一類仿真問題的通用程序。一般采用通用語言編寫。根據(jù)仿真過程的要求，一個完整的仿真程序應具有以下三個基本階段。 (1) 初始化階段 這是仿真的準備階段，主要完成下列工作： 數(shù)組定維、各狀態(tài)變量

18、置初值。 可調參數(shù)、決策變量以及控制策略等的建立。 仿真總時間、計算步距、打印間隔、輸出方 式等的建立。(2) 模型運行階段 這是仿真的主要階段。規(guī)定調用某種算法，計算各狀態(tài)變量和系統(tǒng)輸出變量。當?shù)竭_打印間隔時輸出一次計算結果，并以數(shù)字或圖形的方式表示出來。(3) 仿真結果處理和輸出階段 當仿真達到規(guī)定的總仿真時間時，對動力學來說，常常希望把整個仿真結果以曲線形式再顯示或打印出來，或將整個計算數(shù)據(jù)存起來。針對不同的計算機和計算機外設的配置，該段的差別也較大。 仿真程序一般只是一種用通用語言編寫的專門用于仿真這類問題的程序，所以不受機型的限制，便于移植，而且可以減少工程技術人員大量的編寫程序時間

19、。屬于這類仿真的程序編寫、算法設計將是本書介紹的主要內容1.3 離散事件系統(tǒng)仿真技術 計算機仿真涉及的面很廣，就仿真對象而言，有連續(xù)系統(tǒng)、離散事件動態(tài)系統(tǒng)和復合系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)是指狀態(tài)變化只在離散時刻產(chǎn)生的系統(tǒng)，“事件”就是指系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的一種行為。離散事件動態(tài)系統(tǒng)也是系統(tǒng)仿真運用的一個重要領域，而且近年來愈來愈受到人們的關注和重視。本節(jié)將以最簡單的方式向讀者介紹這一領域的基本知識。 離散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)不同，它包含的事件的發(fā)生過程在時間和空間上都是離散的。例如交通管理、生產(chǎn)自動線、計算機系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)都是離散事件系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，各事件以某種順序或在某種條件下發(fā)生，并且大都屬于

20、隨機性的。例 某個理發(fā)館，設上午9.00開門，下午7.00關門。顯然，在這個理發(fā)館系統(tǒng)中，存在理發(fā)師和顧客兩個實體。也存在顧客到達理發(fā)館的事件和理發(fā)師為顧客服務事件。因此描述該系統(tǒng)的狀態(tài)是理發(fā)師(服務臺)的狀態(tài)(忙或閑)、顧客排隊等待的隊長、理發(fā)師的服務方式(如對某些特殊顧客的優(yōu)先服務)。顯然，這些狀態(tài)變量的變化只能在離散的隨機時間點上發(fā)生。 類似的例子很多，如定票系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、加工制造系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等等。 在連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真中，時間通常被分割為均勻的間隔，并以一個基本時間間隔計時。而離散系統(tǒng)的數(shù)字仿真則經(jīng)常是面向事件的，時間并不需要按相同的增量增加。 在連續(xù)系統(tǒng)仿真中，系

21、統(tǒng)動力學模型是由系統(tǒng)變量之間關系的方程來描寫的。仿真的結果是系統(tǒng)變量隨時間變化的時間歷程。在離散系統(tǒng)仿真中，系統(tǒng)變量是反映系統(tǒng)各部分之間相互作用一些事件，系統(tǒng)模型則是反映這些事件狀態(tài)的數(shù)的集合，仿真結果是產(chǎn)生處理這些事件的時間歷程。 由于離散時間系統(tǒng)固有的隨機性，對這類系統(tǒng)的研究往往十分困難。經(jīng)典的概率論、數(shù)理統(tǒng)計和隨機過程理論雖然為這類系統(tǒng)的研究提供了理論基礎，并能對一些簡單系統(tǒng)提供解析解，但對工程實際中的大量系統(tǒng)，惟有依靠計算機仿真技術才能提供較為完整的和可靠的結果。1.3.1 離散事件系統(tǒng)的數(shù)學模型一、基本概念 (1) 實體或設備 離散事件系統(tǒng)有多種類型，但它們的主要組成部分基本相同，首

22、先，它有一部分是活動的，叫“實體”。例如，生產(chǎn)自動線上待加工的零件，計算機系統(tǒng)待處理的信息，以及商店或醫(yī)院中排隊等待的顧客等等。系統(tǒng)的工作過程實質上就是這種“實體”流動和接受加工、處理和服務的過程。其次，系統(tǒng)中還有一部分是固定的，叫“設備”。這些設備用于對實體進行加工、處理或服務，它們相當于連續(xù)系統(tǒng)中的各類對信息進行交換處理的元件。這些“設備”可能是機床、電話交換系統(tǒng)、營業(yè)員或者醫(yī)生等。所以此處“設備”的含義是廣泛的。實體按一定規(guī)律不斷地到達(產(chǎn)生)，在設備作用下通過系統(tǒng)，接受服務，最后離開系統(tǒng)。整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出動態(tài)過程。 在目前通用方法是將實體和設備通稱為“實體”，但前者稱為“臨時實體”，后者

23、設備稱為“永久實體”。(2) 事件 描述離散事件系統(tǒng)的第二個重要概念是“事件”、事件是引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的行為。例如，在例中，可以定義“顧客到達”為一類事件，而這個事件的發(fā)生引起系統(tǒng)的狀態(tài)理發(fā)師的狀態(tài)從“閑”變成“忙”，或者引起系統(tǒng)的另外一個狀態(tài)顧客的排隊人數(shù)發(fā)生變化。同樣，一個顧客接受服務完畢后離開系統(tǒng)也可以定義為一類事件。 在離散事件仿真模型中，由于是依靠事件來驅動，除了系統(tǒng)中固有事件外，還有所謂“程序事件”，它用于控制仿真進程。例如要對例的系統(tǒng)進行從上午9.00開門到下午7.00關門這一段時間內的動態(tài)過程仿真，則可以定義“仿真時間達到10小時后停止仿真”作為一個程序事件，當該事件發(fā)生時

24、即結束仿真模型的執(zhí)行。(3) 活動 離散事件系統(tǒng)中的活動，通常用于表示兩個可以區(qū)分的事件之間的過程，它標志著系統(tǒng)狀態(tài)的轉移。在例中，顧客的到達事件與該顧客開始接受服務事件之間可稱為一個活動，該活動使系統(tǒng)的狀態(tài)(隊長)發(fā)生變化，顧客開始接受服務到該顧客服務完畢后離開也可以視為一個活動，它使隊長減1。(4) 進程 進程由若干個有序事件及若干有序活動組成，一個進程描述了它所包括的事件及活動間的相互邏輯關系及時序關系。如例中，一個顧客到達系統(tǒng)、經(jīng)過排隊、接受服務、到服務完畢后離去可以稱為一個進程。 事件活動進程三者之間的關系可用圖來描述。1.3.1 事件活動進程之間的關系(5) 仿真鐘 仿真鐘用于表示

25、仿真時間的變化。在離散事件仿真中，由于引起狀態(tài)變化的事件發(fā)生的時間是隨機的，因此仿真鐘的推進步長也完全是隨機的。而且，兩個相鄰發(fā)生的事件之間系統(tǒng)狀態(tài)不會發(fā)生任何變化，因而仿真鐘可以跨過這些“不活動”周期。從一個事件發(fā)生時刻推進到下一事件發(fā)生時刻，仿真鐘的推進呈現(xiàn)跳躍性，推進速度具有隨機性。可見，在離散事件仿真模型中事件控制部件是必不可少的，以便按一定規(guī)律來控制仿真鐘的推進。(6) 統(tǒng)計計數(shù)器 離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)隨事件的不斷發(fā)生也呈現(xiàn)出動態(tài)變化過程，但仿真的目的主要不是要得到這些狀態(tài)是如何變化的。由于這種變化是隨機的，某一次仿真運行得到的狀態(tài)變化過程只不過是隨機過程的一次取樣。如果進行另一次獨立

26、的仿真運行所得到的狀態(tài)變化過程可能完全是另一種情況。他們只有在統(tǒng)計意義下才有參考價值。 在例中，由于顧客到達的時間間隔具有隨機性，理發(fā)師為每一個顧客服務的時間長度也是隨機的，因而在某一時刻，顧客排隊的隊長或理發(fā)師的忙閑情況完全是不確定的。在分析該系統(tǒng)時，感興趣的可能是系統(tǒng)的平均隊長、顧客的平均等待時間或者是理發(fā)師的利用率等。在仿真模型中，需要有一個統(tǒng)計計數(shù)部件，以便統(tǒng)計系統(tǒng)中的有關變量。二、模型 離散事件系統(tǒng)既然主要有實體、設備和各類事件、活動、進程組成，那么系統(tǒng)狀態(tài)的變化也是由這些實體的活動引起的、描述這類系統(tǒng)的數(shù)學模型可以分為以下三個部分。 (1) 到達模型 設實體1到達系統(tǒng)的時刻為，實體

27、2到達系統(tǒng)的時刻為，則實際相互到達的時間為，相互到達的速度為。在離散事件系統(tǒng)中，用概率函數(shù)來定義，并用相互到達時間大于時間t的概率來表示到達模型，稱為到達分布函數(shù)，用表示。如果已知到達時間的積累分布函數(shù)，則與之間有如下關系： (1.3.1) 如果實體到達完全隨機，只受給定的平均到達速度的限制，即下一實體到達與上一實體到達時間無關，而在時間區(qū)間內到達的概率與成正比，與無關，則在這些條件下，系統(tǒng)在時刻到達n個實體的概率滿足泊松分布模式，即 為單位時間到達的實體數(shù) 泊松分布是一種很重要的概率分布，在實際排隊系統(tǒng)中有不少到達模式屬于這種分布。例如電話交換系統(tǒng)中的呼叫次數(shù)、計算機信息處理系統(tǒng)中信息的到達

28、、商店和醫(yī)院等服務機構中人的到達次數(shù)等等。(2) 服務模型 它是用來描述設備為實體服務的時間模型。假定系統(tǒng)中同時為實體服務的設備有個，且設備為單個實體服務所需要的時間為，一般也用概率函數(shù)來描述。定義服務分布函數(shù)，它是服務時間大于時間的概率。若設為服務時間積累分布函數(shù)，則有 (1.3.3) 及就稱為服務模型。 若服務過程滿足：1在不重疊的時間區(qū)間內；2各個服務時間是相互獨立的，服務時間平均值是一常值；3在區(qū)間內完成為一個實體服務的概率正比與時間間隔，則服務時間的概率分布和實體到達時間間隔的概率分布相同，即為負指數(shù)分布，概率密度函數(shù)為 (1.3.4) (3) 排隊模型 它是用來描述在服務過程中當出

29、現(xiàn)排隊現(xiàn)象時，系統(tǒng)對排隊的處理規(guī)則。當設備的服務速度低于實體互相到達速度時。在設備前就會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象。對一個服務系統(tǒng)來講，出現(xiàn)一定的排隊現(xiàn)象是正常的，但是，不希望排隊過長。一旦出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，實體將按照一定的規(guī)則接受服務。一般有如下規(guī)則： 先到先服務：即按到達順序接受服務，這是最通常的情形。 后到先服務：如使用電梯的顧客是后入先出的；計算機系統(tǒng)中存放信息的壓棧處理等。 隨機服務：當設備空閑時，從等待的實體中隨機地選一名進行服務。如電話交換接通呼喚的服務等。 優(yōu)先服務：如醫(yī)院中急診病人優(yōu)先得到治療；機場跑道優(yōu)先對需要降落的飛機提供服務等。 由上述可知，離散事件系統(tǒng)的模型一般來講不能用一組方程來描述

30、，而是要用一些邏輯條件或流程圖來描述，這與連續(xù)系統(tǒng)模型有很大的不同。正因為這一點，決定了離散事件系統(tǒng)的仿真具有它本身的特殊性。 1.3.2 離散事件系統(tǒng)的仿真方法 在一個較為復雜的離散事件系統(tǒng)中，一般都存在諸多實體，這些實體之間相互聯(lián)系，相互影響，然而其活動的發(fā)生都統(tǒng)一在同一時間基上。建立起各類實體之間的邏輯關系，這是離散事件系統(tǒng)仿真學的重要內容之一，有時稱之為仿真算法或仿真策略。如同連續(xù)系統(tǒng)仿真一樣，即使同一系統(tǒng)，不同算法下的仿真模型的形式是不同的，仿真策略決定仿真模型的結構。在此僅向讀者簡單介紹目前比較成熟的三種仿真方法。 (1) 事件調度法 離散事件系統(tǒng)中最基本的概念是事件，事件的發(fā)生引

31、起系統(tǒng)狀態(tài)的變化。用事件的觀點來分析真實系統(tǒng)，通過定義事件及每個事件發(fā)生對系統(tǒng)狀態(tài)的變化按時間順序確定，并執(zhí)行每個事件發(fā)生時有關的邏輯關系，這就是事件調度法的基本思想。 按這種策略建立模型時，所有事件均放在事件表中。模型中設有一個時間控制部分，該成分從事件表中選擇具有最早發(fā)生時間的事件，并將仿真鐘修改到該事件發(fā)生的時間，再調用與該事 件相應的事件處理模塊。該事件處理完后返回時間控制部分。這樣，事件的選擇與處理不斷地進行，直到仿真終止地條件或程序事件產(chǎn)生為止。 (2) 活動掃描法 如果事件的發(fā)生不僅與時間有關，而且與其它條件也有關，即只有滿足某些條件時事件才會發(fā)生，在這種情況下，采用事件調度法策

32、略建模則顯示出這種算法的弱點。原因在于，這類系統(tǒng)活動持續(xù)時間的不確定性，因而無法預定活動的開始和終止時間。 活動掃描法的基本思想是：系統(tǒng)由成分組成，而成分包含著活動，這些活動的發(fā)生必須滿足某些條件；每一個主動成分有一個相應的活動子例程；在仿真過程中，活動的發(fā)生時間也作為條件之一，而且是較之其它條件具有更高的優(yōu)先權 (3) 進程交互法 進程由若干個事件及若干活動組成，一個進程描述了它所包括的事件及活動間的相互邏輯關系及時序關系。 進程交互法采用進程描述系統(tǒng)，它將模型中的主動成分歷經(jīng)系統(tǒng)時所發(fā)生的事件及活動按時間順序進行組合，從而形成進程表。一個成分一旦進入進程，它將完成全部活動。 以上討論的三種

33、仿真方法在離散事件系統(tǒng)仿真中均得到廣泛的應用。有些仿真語言采用某一種方法，有的則允許用戶在同一個仿真語言中用多種方法，以適應不同用戶的需要。顯然，選擇何種方法依賴于被研究的系統(tǒng)的特點。一般說來，如果系統(tǒng)中的各個成分相關性較少，宜采用事件調度法；相反宜采用活動掃描法；如果系統(tǒng)成分的活動比較規(guī)則，則宜采用進程交互法。 圖圖是以出納員隊列模型為例列出這三種方法的流程圖，由圖可清楚地看到它們之間的關系。 離散事件系統(tǒng)仿真研究的一般步驟與本書要講述的連續(xù)系統(tǒng)仿真是類似的，它包括系統(tǒng)建模、確定仿真模型、選著仿真算法、設計仿真程序、運行仿真程序、輸出仿真結果并進行分析，其內容與節(jié)類似，同樣可以用圖所示流程圖

34、描述。 圖1.3.2 出納員隊列模型 （a）到達事件流程圖（b）離開事件流程圖圖 出納員服務活動流程圖 圖1.3.4 出納員服務進程流程圖 1.3.3 離散事件系統(tǒng)仿真語言 為了對離散事件系統(tǒng)進行仿真，已研制出許多仿真語言，其中面向進程的語言GPSS及面向事件的語言SIMSCRIPT最為流行。為了使讀者明白如何用仿真語言來編程，下面介紹一下GPSS語言及其使用。對某種仿真語言特別感興趣的讀者可進一步參閱有關文獻。 面向進程的語言是基于進程建模的仿真語言；被仿真的系統(tǒng)用框圖來描述；框圖由相互連接的方框構成；這些方框表示進程的各種動作；連接方框的連線則表示動作的執(zhí)行順序。若離開一個方框的連線多于一

35、條，則需要在方框上說明選擇的條件，以實現(xiàn)程序中動作的選擇。GPSS語言共提供了40多種功能塊，相應有40多個標準語句。因此對用戶來說，只需要掌握這40余種語句就能很方便地對系統(tǒng)建立仿真模型. 下面通過一個簡單的例子來說明如何建立GPSS語言的仿真模型?？紤]一單臺服務系統(tǒng)，顧客到達時間間隔服從均值為20s的指數(shù)分布，服務時間為9，25之間均勻分布的隨機變量，仿真鐘運行480s結束。該系統(tǒng)的GPSS方框圖所示，圖中每個塊均為GPSS仿真程序的典型功能塊。圖1.3.5 單臺排隊系統(tǒng)的GPSS方框圖 實現(xiàn)圖所示方塊圖的GPSS源程序如下： 1 IMULATE 2 XP FUNCTION RN1, 02

36、4 3 0.0, 0.0/0.1, 0.104/0.2, 0.222/0.3, 0.355/0.4, 0.509 4 0.5, 0.69/0.6, 0.915/0.7, 1.2/0.75, 1.38.0.8, 1.6/0.84, 1.83 5 0.88, 2.12/0.9, 2.3/0.92, 2.52/0.94, 2.81/0.95, 2.99/0.96, 3.2 6 0.97, 3.5/0.98, 4.0/0.99, 4.6/0.995, 5.3/0.998, 6.2/0.999, 7.0 7 0.997, 8.0 8 * 9 TISYS TABLE MP1, 0, 5,20 10 *MO

37、DEL SEGMENT 11 GENERRATE 20, FN$XP 12 MARK P1 13 QUEUE WAITQ 14 SEIZE SRVR 15 DEPART WAITQ 16 ADVANCE 17, 8 17 RELEASE SRVR 18 TABULATE TISYS 19 TERMINATE 20 * TIMING SEGMENT 21 GENERATE 480 22 TERMINATE 1 23 * CONTROL CARDS 24 START 1 25 END 上面程序中的每一行最前面的數(shù)字是語句標號。 1號語句標志GPSS仿真程序開始；第2號語句定義了一個隨機變量函數(shù)XP

38、，該函數(shù)的取值是由第3號到第7號語句中的24對數(shù)據(jù)構成，由1號隨機數(shù)發(fā)生器取值對該函數(shù)取樣，得到的隨機變量是均值為1s的指數(shù)隨機變量。 從第10號語句開始到第19號語句為模型段，每一句按順序與圖中的方塊一一對應。例如，第11句的功能就是產(chǎn)生均值為20s的指數(shù)隨機變量；第16句表示為顧客服務的時間均值為17s，區(qū)間半長為8的均勻分布隨機變量；第19句則是表示仿真程序到此結束。從第21句到第22句是仿真時間控制，從中可以看到，仿真鐘推進480個單位時產(chǎn)生一個程序來終止仿真，說明該模型的仿真鐘時間單位為1s。 GPSS程序處理器對上述語句進行逐行翻譯，在翻譯第24句后即開始進行仿真。 雖然本例只引用

39、了GPSS功能塊的一個子集，但卻說明了它的建模基本框架。 系統(tǒng)仿真技術是分析綜合各類系統(tǒng)的一種有力的工具和手段。它目前已廣泛地應用于幾乎所有的科學技術領域。 本節(jié)僅從科學的角度出發(fā)，對接觸最多發(fā)展最快比較重要的幾個方面做一概括的介紹。1.4 仿真技術的應用1.4.1 系統(tǒng)仿真技術在系統(tǒng)分析綜合方面的應用 各技術領域控制系統(tǒng)的分析設計以及系統(tǒng)測試改造都應用系統(tǒng)仿真技術。在工程系統(tǒng)方面，例如，在設計開始階段，利用仿真技術論證方案，進行經(jīng)濟技術比較，優(yōu)選合理方案；在設計階段，系統(tǒng)仿真技術可幫助設計人員優(yōu)選系統(tǒng)合理結構，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，以期獲得系統(tǒng)最優(yōu)品質和性能；在調試階段，利用仿真技術分析系統(tǒng)響應與參

40、數(shù)關系，指導調試工作，可以迅速完成調試任務；對已經(jīng)運行的系統(tǒng)，利用仿真技術可以在不影響生產(chǎn)的條件下分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)，預防事故發(fā)生，尋求改進薄弱環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)的性能和運行效率。 對設計任務重工作量大的系統(tǒng)，可建立系統(tǒng)設計仿真器或系統(tǒng)輔助設計程序包，使設計人員節(jié)省大量的設計時間，提高工作效率。 在非工程系統(tǒng)方面對企業(yè)管理經(jīng)濟分析市場預測商品銷售等也都應用仿真技術。例如，用仿真技術可以建立商品生產(chǎn)和公司經(jīng)營與市場預測模型，如圖所示。從圖可見，根據(jù)市場信息，公司做出決策，工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品投放市場，再對市場信息進行分析，如此組成經(jīng)濟預測生產(chǎn)模型。其它如交通能源生態(tài)環(huán)境等方面的大系統(tǒng)分析都應用仿真技術。

41、例如，人口方面的分析也應用仿真預估今后人口發(fā)展的合理結構，制定人口政策。又如，研究區(qū)域動力模型，分析整個區(qū)域中人口增長工業(yè)化速度環(huán)境污染糧食生產(chǎn)社會福利教育等因素的相互平行關系應當按什么樣的比例發(fā)展較為合適的問題。 圖1.4.1 經(jīng)濟模型粗框圖1.4.2 系統(tǒng)仿真技術在仿真器方面的應用 系統(tǒng)仿真器（system simulator）是模仿真實系統(tǒng)的實驗研究裝置，它包括計算機硬件軟件以及模仿對象的某些類似實物所組成的一個仿真系統(tǒng)。仿真器分為培訓仿真器和設計仿真器。培訓仿真器一般由運動系統(tǒng)顯示系統(tǒng)儀表操作系統(tǒng)以及計算機硬件軟件組成類似實物的模擬裝置。例如，培訓飛機駕駛員航線起落飛行仿真器就包括：座

42、艙與其運動系統(tǒng)視景系統(tǒng)音響系統(tǒng)計算機系統(tǒng)以及指揮臺等，此外還有電源液壓源，以保證實驗條件。 推廣應用培訓仿真器，無論在培訓技術和經(jīng)濟效益方面都會帶來明顯效果。例如，飛機駕駛員培訓仿真器可以實現(xiàn)異常技術訓練，訓練在事故狀態(tài)飛行排除故障的技能允許飛行員錯誤操作，這樣可以提高飛行技術。使用飛行仿真器可以減少危險，確保安全，節(jié)省大量航空汽油，減少環(huán)境污染。例如，波音747仿真器按每天20小時架次訓練，一年可節(jié)省30萬噸汽油，可見經(jīng)濟效益十分明顯。培訓仿真器在航空航天航海核能工業(yè)電力系統(tǒng)坦克汽車等方面都有應用，并取得較顯著的技術經(jīng)濟效益。 設計仿真器，一般包括計算機硬件軟件和由研究系統(tǒng)的應用軟件以及大量

43、設計公式和參數(shù)等所構成的設計程序包。例如，軋鋼機多級計算機控制系統(tǒng)的設計，從方案選擇到參數(shù)規(guī)定，甚至繪圖等工作都可以在設計仿真器上由計算機完成，提高效率。此外，在電機變壓器或其它具有大量計算工作量而且規(guī)格眾多的系列化產(chǎn)品設計方面，均可利用計算機輔助設計仿真器（或稱設計程序包），以提高工作效率。 綜上所述，系統(tǒng)仿真技術在仿真器方面的應用將會帶來明顯的技術和經(jīng)濟效益。1.4.3 系統(tǒng)仿真技術在技術咨詢和預測方面的應用 根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用仿真技術輸入相應數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算后即可輸出結果，這種技術目前用在很多方面。例如，專家系統(tǒng)技術咨詢和預測預報方面。 專家系統(tǒng)是一種計算機軟件系統(tǒng)，事先將有關專家的

44、知識經(jīng)驗總結出來，形成規(guī)律后填入表格或框架，然后存入計算機，建立知識庫，設計管理軟件，根據(jù)輸入的原始數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的專家知識推理判斷，給用戶提供咨詢。由于這種軟件是模擬專家思考分析判斷的，實際上起到專家的作用，所以被稱為專家系統(tǒng)。我國目前研究比較多的是中醫(yī)診斷系統(tǒng)，它是將醫(yī)療經(jīng)驗豐富診脈醫(yī)術準確的醫(yī)生的一套知識和經(jīng)驗加以規(guī)律化后編出程序，存入計算機，在臨床診斷時起到專家的作用。除醫(yī)療之外，如農業(yè)育種專家系統(tǒng)，它自動計算選擇雜交的親本，預測雜交后代的性狀，給出生產(chǎn)雜交第二代第三代的配種方案，起到咨詢的作用。 預測技術在很多領域應用，例如，利用地震監(jiān)測模型模擬根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)預報地震情報；森林火警模型

45、根據(jù)當?shù)貧鉁仫L向濕度等條件預報火警；人口模型預測今后人口結構。 用系統(tǒng)仿真技術對反應周期長，而且難以觀察實驗或消耗巨額資金的自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)人口結構生理育種導彈軍事國防等系統(tǒng)，可以在短期容易實現(xiàn)的模型上進行分析實驗后預報結果。這是仿真技術所具有的獨特功能，所以在這方面的應用逐漸擴大，極有發(fā)展前途。此外，對于有些在實際物理世界不可能存在或難以實現(xiàn)的，但有必要研究的系統(tǒng)，仿真技術也扮演著極其重要的角色。1-5仿真技術的現(xiàn)狀與發(fā)展 系統(tǒng)仿真技術，從50年代以來隨著計算機發(fā)展的過程，逐漸形成了一門新興科學技術。 例如，仿真計算機經(jīng)過模擬計算機數(shù)字計算機混和計算機全數(shù)字并行處理計算機的演變過程，相繼出現(xiàn)

46、了模擬仿真數(shù)字仿真混和仿真全數(shù)字并行處理仿真技術。仿真軟件也由數(shù)值計算方法仿真語言逐步擴大豐富。時至今日，仿真技術已經(jīng)應用在各技術領域各學科內容和各工程部門。若要比較全面地介紹仿真技術的現(xiàn)狀和發(fā)展，那不是比較簡單的敘述就可以說清楚的問題，本節(jié)只針對仿真技術中發(fā)展較快并引人注目的一些主要問題進行簡單介紹。 1.5.1 仿真計算機的現(xiàn)狀及發(fā)展 我國仿真技術的發(fā)展，早從50年代就開始，主要是在航空國防單位，以模擬仿真技術為主。數(shù)字仿真技術還是從70年代開始在一些科研機關設計院（所）以及高等院校逐漸發(fā)展起來的。目前所使用的計算機主要都是從國外引進的一些大中型計算機，如FLEX-256,M-150,ACOS-400等，此外，多數(shù)單位應用國產(chǎn)100系列機和一些引進的各種類型的微型機?；旌蠙C方面多用國產(chǎn)的TCMJ-1,HMJ-200,以及DJM300/DJS130,HAP-2A/DJS130等。全數(shù)字并行處理計算機YH-F1已研制成功。 國外仿真計算機已應用大型高速全數(shù)字并行處理計算機，以適應大型實時準確快速的要求。例如，AD-10,AP-120,BMAP-300,這些計算機具有極快的處理速度和較多的處理功能。混合機真正向混合多處理機系統(tǒng)方面發(fā)展。 從大型實時仿真系統(tǒng)的發(fā)展來看，仿真計算機是向全數(shù)字仿真計算機發(fā)展。因為數(shù)字計算機技術不斷進步，微處理機迅