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系统与外部联系相互作用过程的秩序和能力称为系统的功能。
系统功能体现了一个系统与外部环境之间的物质、能量和信息的输入与输出的变换关系。
模型：
模型是人们为了特定的研究母的而对认识对象所做的简化描述。
原型则是与模型相对应的被认识的对象。
就原型与模型的关系而言，可以把模型看做是原型物质的或观念上的类似物。
据此可以把模型分为实物模型和抽象模型。
实物模型是以某种程度上相似的实物去再现原型。
抽象模型是原型课题在人们思想中的理性化、纯化的抽象性再现。
模型方法是通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。
模型可以在不同水平上描述一个系统具体有：
1）行为水平该水平的模型将系统视为一个“黑盒”，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测试。
2）分解结构水平将系统看成若干个“黑盒”连接起来，定义每个“黑盒”的输入与输出，以及它们相互之间的连接关系。
3）状态结构水平不仅定义了系统的输入输出，而其还定义了系统内部的状态集及状态转移函数。
仿真：
系统仿真是建立系统的模型（数学的，物理效应的或数学—物理效应的模型），并在模型上进行试验的过程。
是用能够代表所研究的模型，结合环境（实际或模拟）条件进行研究、分析和试验的方法。
仿真模型反映了系统模型同仿真器或计算机之间的关系，它应能为仿真器或计算机所接受，并能进行运行。
综上所述，“系统、模型、仿真”三者之间有密切的关系，系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的实验达到研究系统的目的。
三者关系可用下图表示：
系统
模型
计算机
仿真建模
仿真实验
系统建模
23.1.1系统仿真的类型[1]
1）根据模型的种类
根据模型的种类不同，系统仿真可以分为：
物理仿真、数学仿真和半实物仿真。
按照事实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。
其优点是直观、形象；
对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述进而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。
其优点是方便、灵活、经济；
将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验的方法称为半实物仿真。
2）根据计算机类型
仿真技术是伴随着计算机的发展而发展的。
根据所用计算机的类型可以将仿真分为三类：
模拟计算机仿真、数字计算机仿真和数字模拟混合仿真。
模拟计算机本质上是一种通用的电器装置，将系统数学模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。
数字计算机仿真是将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。
混合型是上述两者的结合。
3）根据仿真时钟和实际时钟的比例关系
显示天文时间的时钟称为实际时钟，而系统仿真的模型采用的时钟称为仿真时钟。
根据二者比例系统仿真可以分为：
实时仿真、压实时仿真和超实时仿真。
实时仿真是指仿真时钟和实际时钟完全一致，也就是模型推算速度与实际系统运行速度相同；
亚实时仿真指仿真时钟慢于实际时钟，也就是仿真中模型推算速度慢于实际系统运行速度；
超实时仿真是指仿真时钟快于实际时钟，即仿真模型推算速度快于实际系统的运行速度。
4）根据系统模型的特性
连续系统仿真系统状态随时间连续变化的系统。
离散事件系统仿真系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。
23.1.2系统仿真的步骤
第一步，根据实际系统形式建模。
仿真是基于模型的活动，根据研究和分析的目的，去确定那个模型的边界，任何一个模型都只能反映实际系统的某一部分或后一方面，这就意味着一个模型只是实践系统的有限映像。
另外，为了是模型具有可信性，必须对模型进行形式化处理，已得到计算机仿真所要求的数学描述。
第二步，仿真建模。
根据体统的特点和仿真的要求选择合适的算法，当采用该算法建立仿真模型时，其计算的稳定性、计算精度和计算速度能满足仿真的需求。
第三步，程序设计。
将仿真模型用计算机语言表达出来。
程序中包括仿真试验的要求，如运行参数、控制参数、输出要求等。
第四步，程序检验。
检验仿真算法的合理性。
第五步，仿真活动。
对模型进行多方试验得到仿真结果。
第六步，对仿真输出进行分析。
仿真输出分析决定系统仿真的有效性，输出分析既是对模型数据的处理，同时也是对模型的可信性的检验。
一般步骤可以有下图来描述[2]：
实际系统
建模与形式化
形式建模
仿真模型校验
仿真运行
仿真结果分析
结束
正确否
可信否
程序设计
Y
N
23.2仿真软件介绍
仿真技术的应用是通过建立仿真系统来进行的，而仿真系统的建设与应用又是仿真技术的综合应用。
一方面仿真技术的进步会推动仿真系统的发展，另一方面仿真系统的发展又会促使仿真技术的进步。
仿真软件是仿真系统中极其重要的组成部分。
几十年来以仿真语言为基础，在实际应用需求的牵引和不断涌现的相关新技术的推动下，仿真软件得到很到发展，仿真软件走过了通用程序设计语言、仿真程序包、商品化仿真语言、一体化建模与仿真环境阶段，正朝向智能化建模与仿真环境和支持分布交互仿真的综合仿真环境方向发展。
在板带钢轧制过程中使用的软件和有较高应用前途的仿真软件主要有：
23.2.1MSC.EASY5
MSC.EASY5是一个基于控制系统框图和物理元器件的工程原理图、并采用相应图形模块的用来对多学科领域动态系统进行建模、仿真和分析的虚拟样机开发软件。
其建模主要面向由微分方程、差分方程、代数方程及其方程组所描述的动态系统，如液压、电气、动力传动、机械、热、气动、燃料电池、多相流体和其它动态系统，广泛应用于航空航天、汽车、工程设备和通用机械等工业领域。
模型直观地由代表实际物理系统或子系统的特定图形模块组装而成，这些模块既包括基本的数学和控制环节，比如加法器、除法器、积分器和超前－滞后校正装置等等，也包括来自专业应用库的系统级部件，比如阀、作动器、热交换器、齿轮副、离合器、发动机、电机、气体力学、飞行动力学等等。
每一个系统级部件都代表一组方程，用以描述一个物理元件（如四通液压阀）或是一个物理现象（如润滑油粘度变化）。
此外，用户还可以通过加入FORTRAN或C代码建立用户部件，以定制特殊元件或部件。
这样的模型元件结构，使得MSC.EASY5具有良好的适用性，可以满足不同层次的建模和仿真需求，用户完全可以根据需求选择建模方式，即选择通过基本数学和控制环节建模还是通过实际的物理元件建模，建模方式非常灵活。
MSC.EASY5的基本模块包括图形化建模和基本仿真分析工具包，但其最具特色的是其丰富的专业应用库。
MSC.EASY5具有8个预先定义和封装的应用库：
热与液压系统库、气体动力学与气动系统库、动力传动库、电气系统库、发动机库、燃料电池库、多相流体库和航空航天库，这些应用库总共包含超过500个系统级部件，是由各学科领域富有经验的工程师和数值计算专家结合实际的工程问题和工程需求合作开发的，凝聚了众多公司和专家的近30年的工程经验和技术，可以帮助用户快速方便和真实的建立杂系统模型，具有独一无二的建立系统级模型和研究多学科系统耦合问题的能力。
MSC.EASY5的另一强大之处在于其强大的分析工具，可以进行非线性仿真、稳态分析、线性分析、控制系统设计、数值分析和画图等。
并具有源代码自动生成功能以满足实时性的要求。
MSC.EASY5开放的基础构架提供了与其他很多在计算机辅助分析领域应用的软件和硬件的接口，具有良好的集成能力，满足更复杂问题的分析需求。
MSC.EASY5的主要如下优点：
1）在传统CAD设计工作开始之前使用MSC.EASY5进行功能性的模拟和分析可以减少设计失败的风险。
2）使用MSC.EASY5应用库中针对航空、汽车等特定工程领域而预建的现成部件可以加速虚拟产品开发流程的步伐。
3）MSC.EASY5可以直接与其他通用和流行的仿真工具如MSC.ADAMS、MATLAB/Simulink等集成和联接，并具有与结构分析软件如MSC.Nastran的数据交换能力，通过使用MSC.EASY5的这些功能来增进协同工作。
4）MSC.EASY5的可扩展性使其具有构建不同工程系统中的大型完整的高保真模型的能力，从而可以扩展用户的仿真分析范围。
MSC.EASY5的应用：
1）液压系统，推进系统，动力传动系统，智能发动机，混合动力汽车
2）控制系统，气动与风动系统，机械系统
3）燃油系统，电气系统，热力系统
4）飞行动力系统，采暖通风/环境控制系统，气体动力学与多相流体系统
Easy5在轧制中的应用以油压仿真系统最为完备和成熟[3]，它包含了70多种主要液压原部件，覆盖了液压系统仿真的重要方面，同时这些液压模型都是以液压领域的专家所开发，并且经过了大量的工程实践的检验，是当今世界上主要的液压仿真软件。
如果用通用的仿真软件如MATLAB,无论是编程语言建模或图形化工具建模，都要首先推导相应的数学公式；
而EASY5的强大功能就是建立大量的液压物理部件模型，用户可以选择相应的液压模型并输入实际液压部件的参数，构建准确真实的液压系统。
EASY5提供了全面针对液压工程领域的应用库，液压库中的部件都仔细的考虑了液体的可压缩性、水锤效应和不连续性，该库在液压系统建模方面有很多实际应用。
23.2.2Matlab/Simulink
Matlab是板带钢轧制过程系统仿真中使用的最为广泛最为成熟的软件[4]。
Matlab语言是由美国MathWorks公司20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件，它是一种用于科学工程计算的高效率高级语言，它在诸如一般数值计算、数字信号处理、系统识别、自动控制、时序分析与建模、优化设计、动态仿真学等方面表现出一般高级语言难以比拟的优势。
其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。
MATLAB中还有一个很有特色的构件就是SIMULINK系统，它可以对动态系统模型进行数字仿真，并且其图形化设计界面使得构件系统模型的工作直观和方便。
它是一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包，它可以完成连续、离散和混合的线性或非线性系统的仿真，也能完成多种采样数率的系统仿真。
SIMULINK为用户提供了用方块图进行建模的图形接不口，与传统仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、更方便、更灵活的特点，可用于系统仿真、分析和设计。
它不但实现可视化的系统仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN甚至硬件之间的数据传递，大大地扩展了它的功能。
在数字仿真方面，SIMULINK给出了多种仿真算法，如龙格库塔法、Adams法、吉尔法和Euler法等。
SIMULINK利用最大步长和允许误差来确定积分步长，允许误差越大，仿真精度越低，如果仿真步长太大，可能造成系统仿真不稳定。
在仿真计算中，应根据具体情况适当选择仿真步长。
SIMULINK支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，还支持具有多种采样频率的系统，也就是不同的系统能够以不同的采样频率进行组合，用来仿真较大、较复杂的系统。
SIMULINK系统软件提供了标准模块，用户也可以创建与定制自己的的功能模块。
根据实际工程中控制系统的具体构成，将上述模块中提供的各种标准环节拷贝到SIMULINK的模型窗口中，再用SIMULINK的连线方法连接成一个完整的SIMULINK动态结构图。
各个环节可按SIMULINK特定的方法改变和设定其参数，使其与实际控制系统相对应。
在对较大的系统建立模型时，SIMULINK提供了系统分层排列的功能。
SIMULINK可将系统分为高级到低级的好几层，每层又可分为好几个小部分；
每次系统模型创建完成后，再将其连接起来就是一个完整的系统了。
分层的功能使之可以方便地组织系统。
这与以前仿真系统不大一样。
以前仿真控制系统需要将系统模块函数转化为微分方程或差分方程，再用某种程序设计语言去程序化系统。
但是对于SIMULINK的用户而言，只需要用鼠标的点击－拖拽功能，将模块库中提供的各种标准模块拷贝到SIMULINK的模型窗口中，就可以轻而易举地完成模型的创建，这样就大大降低了仿真的难度，至少用户不用为了仿真控制系统去专门学习某种程序设计语言。
但用Matlab程序设计语言开发的应用程序，当其涉及Windows图形用户界面及输出界面可视化时，便形不成独立于Matlab平台的可执行程序，这是Matlab语言开发平台具有的局限性。
因此人们利用VC++，VB等软件与Matlab进行结合，即通过引擎（Engine），采用客户机/服务器（Client/Server）的计算模式通过Windows的ActiveX通道和Matlab进行结合。
具体实现中，在VC等软件中设计程序框架，以编译的程序作为前端客户机，通过调用Matlab引擎在后台与Matlab服务器建立连接，来实现动态数据交换。
另外在板带钢轧制系统仿真中应用的软件还有Matrix；
加拿大Opal-RT公司的RT-LAB；
德国dSPACE公司的半实物与测试系统dSPACE等，对于不是十分复杂的问题甚至根据需要用常规语言VB、VC、C、Fortran等自行开发。
23.3板带钢轧制过程系统仿真技术
23.3.1仿真技术简介
仿真是以相似原理、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域相关的专业技术为基础,以计算机和各种物理设备为工具,利用数学模型对实际或假想系统进行试验研究的一种综合技术。
系统仿真的作用
（1）仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。
尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。
（2）对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。
（3）通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。
（4）通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。
由于连续系统和离散（事件）系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。
23.3.2轧制过程仿真系统
过程仿真技术是以数学模型、控制方式、信息技术以及相关领域的专业技术知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对实际系统过程进行动态模拟研究的一门综合性技术。
优秀完整的仿真平台可以缩短研制周期、降低研究成本以及提前预测结果,甚至直接提高产品质量和系统可靠性，为设备改进提供参考。
科研过程中研究成果的实验验证是最为重要的环节，在冶金科研工作中，现场实验是一件最困难的事情。
因为冶金行业是一种流程性的大工业生产，生产过程是连续进行的，现场实验一旦失败，代价非常惨痛。
另外由于冶金生产设备系统复杂、昂贵，很难在实验室中建立整套实验环境。
即便是可以建立一套缩小、简化的设备系统，不仅造价十分昂贵，而且按一定比例缩小和按一定规则简化的轧机，同实际系统仍存在着较大的误差，难以保证实验真正精度。
随着计算机技术、控制技术、网络技术的发展，计算机仿真技术逐渐发展成熟，利用计算机仿真技术建立板带轧制的控制系统仿真研究平台，将极大地减少科研成果到现场应用间实验风险。
传统的连轧过程控制系统设计方法是依靠实际运行或人的直觉来评价控制系统的优劣，为此在控制系统投入之前首先要进行大量设定计算、优化设计各个机架控制方案的选择和控制参数的计算，才能保证控制系统的可靠性和产品精度的要求；
但现代化连轧生产的轧制速度普遍提高，基于模型计算的传统设计方法已不可能保证获得较好的控制参数，采用在线调试手段不仅调试周期长而且存在人员和设备的危险，同时还会造成产品质量的缺陷，因此，板带轧制过程控制仿真软件的开发，就有其重要的现实意义。
轧制过程仿真系统是用于研究轧制生产过程、模型计算、系统运行控制、轧机动/静态特性的一套大型软、硬件集成系统。
轧制过程仿真系统包括虚拟带钢、过程控制和仿真管理，是一个集实体仿真、控制仿真与管理于一体的结构复杂的仿真系统。
而且先进的轧制过程自动化要求系统具有可靠的控制能力和高速的通信能力，因此，必须建立适用于大型、复杂、快速系统的仿真体系结构。
轧制过程动态仿真系统用数学模型来描述现行生产中的设备部分，通过软件实现控制优化的仿真。
在过程控制仿真有轧制工艺模型的设定计算数据:
在虚拟带钢仿真中，仿真模型根据来料数据、偏差数据会计算出模型数据。
大量的静、动态数据和繁杂的数据维护工作要求仿真系统采用数据库技术来保证数据的安全性和一致性。
因此在仿真系统中开发适合于仿真系统特点并能够满足仿真系统要求的数据库管理技术，对于将仿真系统的数据管理方式应用于将来技术改造创新后的轧钢生产管理及自动化系统，有很重要的意义。
轧制过程仿真系统的仿真对象包括轧制生产中的实体部分、过程控制部分和仿真管理部分。
控制部分是指轧钢控制机房中的计算机及电器室的PLC等，实体部分是指轧线设备、多机架系统等。
仿真系统的结构为分级结构。
（1）仿真管理级。
主要完成仿真系统的总控、仿真任务的发送，来料数据的处理，仿真系统的输入输出、轧制过程的动态显示及仿真结果的分析处理。
（2）过程控制级。
主要完成仿真系统的模型设定计算（包括数学模型研究、模型参数的自适应自学习计算等）。
物料跟踪、数据处理等功能。
（3）基础自动化级。
主要完成压下、速度、厚度、板形、活套、行程定位控制等功能。
（4）虚拟设备级。
用机理建模与辨识建模结合的方法建立仿真实体模型，模拟生产设备及带钢的运行。
仿真系统分级结构组成如图1
图1仿真系统分级结构组成
根据轧制过程控制系统的特点，仿真系统设计的原则，把轧制过程动态仿真系统分解为:
仿真管理、模型计算、材料跟踪、运行控制和虚拟设备5个功能计算机。
23.3.3板带热轧仿真技术
由于热连轧生产过程本身的复杂性，使得描述系统的模型也很复杂。
在对热连轧精轧机组的仿真中，为了得到一个最小的仿真模型，提高仿真的实时性。
根据精轧机组的生产特点，将其生产过程划分为三个不同的阶段：
穿带轧制阶段、正常连轧阶段和抛钢轧制阶段。
对于上述三个不同阶段，仿真中由基本单元模块分别构造相应的仿真模型。
由主控程序根据精轧机组所处的不同阶段调用不同的仿真模型。
例如，宝钢3/4连轧粗轧阶段的仿真系统结构（图2所示），整个仿真系统由仿真管理单元、材料跟踪、轧制策略、道次计划计算、模型库、人机界面六个部分组成。
各个部分都封装成独立的模块，通过标准的接口函数被访问，采用这种方式可以最大程度地隔离各功能模块，使各功能模块的修改都在内部完成，不会影响到其他模块，最大限度地提高了系统的鲁棒性[5]。
图2粗轧仿真系统结构
（1）仿真管理单元
仿真管理单元主要完成整个仿真系统的进程通信、进程触发、过程仿真系统与基础自动化仿真系统的通信、仿真数据的管理，以及与人机界面的数据交换。
（2）材料跟踪模块
材料跟踪模块从基础自动化系统接收数据，根据板坯轧制的不同位置和不同时刻相应触发轧制策略及预计算、再计算、后计算，并将设定值下达到基础自动化系统，根据板坯位置的变化，相应更新画面显示。
（3）轧制策略
轧制策略由材料跟踪模块启动，准备板坯数据，计算粗轧的目标值，确定压下规程，决定遗传系数，然后启动道次计划预计算。
所有策略数据都存在数据库中，用户可以通过画面对数据进行修改、查询，当仿真的带钢特别多的时候，手动输入很慢,所以我们设计了一个批处理工具，可以将成批原始数据直接导入到数据库中。
（4）道次计划计算
道次计划计算是整个仿真系统的核心单元，包括道次计划预计算!
再计算和后计算。
道次计划预计算和再计算的任务是根据轧制策略提供的数据和负荷计划，计算相应轧机的设定值，保证已知尺寸和已知温度的板坯能够轧制成具有目标尺寸（粗轧带坯厚度和粗轧带坯宽度）和目标温度的带坯。
道次计划再计算由后计算启动，根据前一轧制道次的值来修正下个道次的设定值。
粗轧机的道次计划预计算和再计算借助于相同的数学模型计算设定值。
（5）模型库
为了便于开发人员比较不同模型的控制效果，在仿真系统中建立了热轧模型库，模型库包括轧制力、轧制力矩、前滑等工艺量模型及温度计算、宽展计算等热轧常用模型。
（6）人机界面
人机界面是整个系统的窗口，使用人员可以通过人机界面选定仿真方式，对轧制策略数据、设备参数、初始条件以及所应用的模型进行选择，并可以通过人机界面监控仿真的运行过程并对仿真结果进行分析。
以往对热轧仿真研究较少，即真正接触高温计算的很少。
这是因为热轧的轧辊与轧件冷却条件各不相同，温度场环境不很统一，计算模型和几个热常数不易确定，计算所用参数常常随时有变化，所以温度预报准确程度很差，造成轧制力预报偏差非常大。
另外热轧的表面摩擦也很难确定，没达到剪切极限时与轧制压力成一定比例关系，达到剪切极限时又出现饱和，呈现粘着状态。
这种复杂非线性状态很难在一般连续数学模型中表示。
因而热轧仿真常常与实际有距离。
23.3.4冷连轧仿真技术[7]
冷连轧仿真是一个复杂的系统工程，既要考虑多学科的交叉（计算机、自动控制、机械、压力加工等），又要兼顾工艺与控制、科研与工程。
仿真系统框架的设计好坏对延长仿真系统的生命周期至关重要。
冷连轧由于设备加工材料和成本等因素的影响，进行有关轧制过程的试验带有很大的风险，因此建立相应的仿真系统在仿真系统上进行试验，具有低成本、小风险的诱人特点。
建造冷轧机仿真系统采用如下方法：
首先创建仿真系统的构架，开发一个与过程控制级相对应的主干构架。
然后从遗传系统和目标系统的数据表示之间建立映射机构，实现双向转换。
主干构架作为遗传系统的影子运行，仿真目标系统的部件实现后逐步加入到主干构架中，当主干构架达到遗传系统功能时，即可脱离遗传系统独立运行。
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