系统建模与仿真概述.docx
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系统建模与仿真概述
系统建模与仿真概述
SystemModelingandSimulation
第一章
系统建模与仿真概述
主要内容
•系统与模型
-系统建模
-系统仿真
•系统建模与仿真技术
14系统与模型
1.1.1系统
1.系统的广义定义：
x由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分（要素）结合起来在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。
举例：
宇宙世界，原子分子，电炉温度调节系统,商品销售系统，等等。
例一：
电炉温度调节系统
例二：
商品销售系统
经理部［
14系统与模型
2系统的特性：
1）系统是实体的集合
+实体是指组成系统的具体对象
例如：
电炉调节系统中的比校器、调节器、电炉、温度计。
商品销售系统中的经理、部门、商品、货币、仓库等。
+实体具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体，即系统。
14系统与模型
2）组成系统的实体具有一定的属性
属性是指实体所具有的全部有效性，例如状态、参数等。
在电炉温度调芒系统中，温度、温度偏差.电压等都是属性。
在商品销售系统中，部门的属性有人员的数董、职能范围，商品的属性有生产日期、进货价格.销售日期.售价等等。
X系统处于活动之中
+活动是指实体随时间的推移而发生属性变化。
例如:
电炉温度调节系统中的主要活动是控制电压的变化,而商品销售系统中的主要活动有库存商品数量的变化、零售商品价格的增长等。
14系统当摆型
X系统三要素：
实体、属性与活动。
系统是在不断地运动、发展、变化的；系统不是孤立存在的；系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。
系统研究：
系统分析、系统综合和系统预测O系统描述：
同态、同构
+同态：
系统与模型之间行为的相似（低级阶段）同构：
系统与模型之间结构的相似（高级阶段）
同态与同构建模
+同构系统：
对外部激励具有同样反应的系统十同态系统：
两个系统只有少数具有代表性的输入输出相対应
14系统与模型——
3.系统的分类
X按照系统特性分类：
+工程系统（物理系统）：
为了满足某种需要或实现某个预定的功能，采用某种手段构造而成的系统，如机械系统、电气系统等。
+非工程系统（非物理系统）：
由自然和社会发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐步认识的系统，如社会系统、经济系统、管理系统、交通系统等。
3.
X
系统的分类
按照系统中起主要作用的状态随时间变化分类：
连续系统：
状态随时间连续变化的系统。
离散事件系统：
状态的变化在离散的时间点上发生，且隹往又A蓝机的系统。
按照系统物理结构和数学性质分类：
线性系统和非线性系统。
定常系统和时变系统。
集中参数系统和分布参数系统
单输入单输出系统和多输入多输出系统
+
+
14系统与模型
3.系统的分类
X按照系统内子系统的关联关系分类
简单系统：
组成子系统数量较少，子系统之间的关系比较简单，或尽管子系统数量较多，但它们之间的关联关系比较简单。
例如：
一台仪器
复杂系统：
系统具有众多的状态变量，反馈结构复杂，输入与输出呈现非线性特征（高阶次、多回路、非线性）复杂巨系统：
子系统数量极大，种类很多，关系复杂例如：
星系系统
按照子系统的数量分类
+小系统、大系统、巨系统
14系统与模犁
1・1・2模型
1•模型的定义
模型是一个系统的物理的、数学的或其他方式的逻辑表述，它以某种确定的形式（如文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关于系统的知识。
14系统与權型
2.模型的分类
覧物理模型：
根据一定的规则（如相似原理）对系统简化或比例缩放而得到的复制品。
*概念模型
1）定义：
为了某一目的，对真实世界及其活动进行的概念抽象与描述，是运用语言、符号和框图等形式，对从所研究的问题抽象出的概念进行有机的组合。
这些有机组合的概念就形成了某种概念模型.
tl系统与模型
2）概念模型的分类
（1）从概念模型描述的内容来分类
*面向领域的概念模型：
将真实世界划分成相应的领域,再对每个领域进行概念建模O
*面向设计的概念模型：
在领域概念的基础上，进一步进行相应的概念设计◎如数据库设计概念模型。
（2）从概念模型的用途来分类
★资源概念模型：
用作一种资源，支撐进一步的开发。
主用概念模型：
在系统开发过程中，根据需求和资源概念模型进一步开发出的模型。
基于知识获取与描述方法来分类
基于表示的概念模型：
直接反映与推理机制关联的符号级表示。
基于方法的概念模型：
面向知识级建模分析，提供预先定义的方法去描述在特定应用领域中实现方法的有关知识。
基于任务的概念模型：
面向特别种类的任务，直接刻画任务结构而非执行任务的方法。
X数学模型
1）定义：
对于现实世界的一个特定对象，为了一个特定目的，根据对象特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。
2）分类：
按照系统的特性来分：
线性与非线性、静态与动态、确定性与随机性、微观与宏观、定常（时不变）与非定常（时变）、集中参数与分布参数按照研究方法来分：
连续模型与离散模型、时域模型与频域模型、输入输出模型与状态空间模型
1.2系统建模
系统建模就是：
认识系统，并把它表述出来。
121系统建模的信息源
系统模型
12系统建權
1.2.2系统建模的途径
（1）分析法/演绎法/理论建模/机理建模
根据系统的工作原理，运用一些已知的定理、定律和原理推导出描述系统的数学模型。
⑵测试法/归纳法/实验建模/系统辨识
通过测试系统在人为输入作用下的输出响应，或正常进行时系统的输入输出记录，加以必要的数据处理和数学计算，估计出系统的数学模型。
（3）综合法
1,2系统建橈
123模型的可信度
X可信度水平
行为水平、状态结构水平、分解结构水平上的可信度
X可信度分析应该考虑的问题演绎/归纳/目的中的可信性
1,2系统建槌
1.2.4建模的一般原则
性性性性性询性简清相准可集
1,2系统建槌
125建模的一般过程
建模者根据建模目的、已掌握的先验知识以及数据通过目的协调、演绎分析以及归纳程序三种途径构造模型，然后通过可信性分析，最后获得最终模型。
模型分解
第一种分解：
模型=集合结构（静态结构、动态结构）
第二种分解：
模型=集合结构（框架、结构、参数）
•进一步，我们将模型构造具体分解为三个步骤：
框架定义、结构特征化和参数估计。
1,2——
•复杂系统建模（定性+定量）
1）开发思想，形成概念，通过定性分析、研究，明确研究的方向、目标、途径、措施，并将结果用准确简练的语言加以表达（语言建模）
2）对语言模型中的因素及各因素之间的关系进行剖析，找出影响亭物发展的前因后果，并将这种因果关系用框图裹示出来
3）对各环节的因果关系进行量化研究，初步得出低层次的概念量化关系，即为量化模型
4）进一步收集各环节输入数据和输出数据，利用所得数据序列，建立动态模型。
5）对动态模型进行系统研究和分析，通过结构、机理、参数的调螯，进行系统重组，达到最优配置、改善系统动态品质的目的。
+建立五种模型：
语言模型9网络模型9量化模型9动态模型9优化模型
建模过程是一个不断反馈、多次循环的过程。
1,2系统建模
1.2.6模型文档
定义：
才艮据一定的规范对模型的文字描述。
+在模型开发的过程中，通过编写模型文档，可以加深建模者对模型的认识，有助于消除模型的不完全性、不明确性和不一致性，提高建模的规范化程度。
+模型文档是模型开发者与使用者之间信息交流的依据。
+完善的、规范化的文档能够帮助用户迅速、清晰的了解模型结构、功能.使用方法和适用范围，而不必重复建模者的所有工作。
1,2系统建模
数学模型文档的参考示例：
[1]综述
[1.1]模型开发目的
[1.2]模型功能
[1.3]模型性质（随机/确定，动态/静态，离散事件/连续/混合）
[2]假设及适用范围
[2.1]理论依据
[2.2]主矣假设及理由
[2.3]主要简化计算及依据
[2.4]模型的应用条件或使用限制
[2.5]对预期使用目的的适应性
1,2系统建模
[3]模型描述
[3.1]模型的结构与功能
[3.2]模型变量说明
[321]输入变童说明（包括外部控制变量或干扰变養）
[3.2.2]输出变董说明
[3.2.3]关键输入/输出变童
[3.3]随机变量及分布函数的类型与参数
[3・4]模型参数和常数说明
[3.5]与其他模型的输入/输出联系
[3・6]形式化描述（数学关系\逻辑关系\知识规则等）
[4]质量保证
[4.1]模型在其他项目中的应用情况及效采
[4.2]模型在开发中参考其他模型的情况
[4.3]假设条件和简化对模型的形响分析
[44]分布函数类型及参数选取方法
[4.5]模型参数取值的依据
[46]模型算例
[4.6.1]输入条件设置
[4.6.2]驱动方式
[463]稳态特性分析
[4.6.4]样本数据采集方法
[4.6.5]结呆比较
[4.6.5.1]原型系统/参考系统的情况
[465.2]原型系统/参考系统的样本数据采集方法
[4.5.63]结果对比曲线
[4.7]对模型精度的认识
[4.8]知名专家对模型的评价
软件工具：
EdrawMindmap
O系统仿壹
1.3.1仿真概念的提出
人们在认识自然、利用自然的过程中，为了更好地完成这一能动过程，需要对物质世界，乃至非物质世界进行实验研究。
例如：
进行一项工程设计
规划一次军事演习
分析人口发展趋势
在这些过程中，人们经常要进行：
实验、分析、计算、决策等步骤。
然而实验分析对某些真实系统可能是不允许的。
通常的原因有：
系统还处于设计阶段。
并没有真正建立起来，因此不可能在真实系统上进行试验。
在真实系统上做试验会破坏系统的运行。
如果人是系统的一部分时，由于他知道自己是试验的一部分，其行动往往会与平时不一样；因此会影响实验的效果。
在实际系统上做多次试验，很难保证每一次的操作条件都相同。
试验时间太长或费用太大或有危险。
无法复原。
因此，在实践中出现了用模型来代替真实系统做仿真实验的方法，以解决上述无法直接对真实系统进行实验分析的问题。
132系统仿真的定义;
“仿真”-一词译自英文的“simulation”。
有关它的定义有多种说法，我们定义为：
通过对模型的实验以达到研究系统本质的目的，或用模型对系统进行实验研究的过程。
+系统、模型、仿真三者之间的关系
X系统是研究的对象
冥模型是系统的抽象，是仿真的桥梁
-实验是仿真的手段
133仿真的依据
1、相似原理
空间相似、时间相似、功能相似、动态特性相似、
信息相似
2、相似方法
模式相似方法、模糊相似法、组合相似方法、坐标变换相似方法
3、相似方法的实现
时间与逻辑相似、几何相似、环境相似（力学环境、光学环境、电磁环境）
I:
?
鬲絞仿真
1.3.4仿真的分类：
1）根据系统模型的特性分类
连续系统仿真.离散事件系统仿真
2）根据所釆用的技术分类
面向对象仿真、面向agent仿真、分布交互仿真等
1=3竜统伎真
1.3.5系统仿真的一般过程:
1）对模型的形式化处理
2）仿真建模
3）程序设计
4）模型运行
5）进行仿真实验，处理仿真结果。
卜？
帝统伎真
1.3.6系统仿真技术的应用
1.系统分析
2.系统设计
3.系统观测
4＞系统预测
5.系统训练
1.3.7系统仿真技术的特点
妥全性.经济性.可重复性。
!
：
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1.3.8仿真系统
1）定义：
由计算机模型及其载体计算机系统和物理效应模型及设备、部分实物组成的系统模型综合实验平台。
2）分类：
数字仿真系统、半物理仿真系统.物理仿真系统。
系统仿真是一门建立在相似理论，控制理论，系统科学和计算机基础上的综合性和试验性学科。
它涉及到多学科领域的知识与经验。
Sv
L4侮齬蘇技朮
1・4・1系统建模与仿真技术的含义
X以相似原理.模型理论、系统技术.信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究.分析.设计.加工生产.实验.运行.评估.维护和报废活动的一门多学科的综合性技术。
1.4.2系统建模与仿真技术体系
1.建模技术
2.建模与仿真支撑系统技术
3•仿真应用技术
1.4系统与伎察技术
1.4.3系统建模与仿真技术研究与应用中值得关注的若干问题
1.网络化仿真技术
2.综合自然环境仿真技术
3•智能仿真系统
4•复杂系统/开放复杂巨系统的仿真技术
5•虚拟样机工程技术
6.基于普适计算技术的普适仿真技术
7.建模与仿真学科
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