1、第一章第一章系统建模与仿真概论系统建模与仿真概论 第一节第一节 系统、模型与仿真概念系统、模型与仿真概念 1.1 1.1 系统及其特点系统及其特点1.2 1.2 模型及其作用模型及其作用1.3 1.3 仿真及其分类仿真及其分类1.1 1.1 系统及其特点系统及其特点一、一、系统的意义系统的意义二、系统的特性二、系统的特性一、一、系统的概念系统的概念1.1.关于系统的表述关于系统的表述 奥地利奥地利 冯冯贝塔朗菲贝塔朗菲：相互作用的诸要素相互作用的诸要素的综合体的综合体 中国中国 钱学森钱学森 ：系统是由相互作用和相互系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特依赖的若干组成部分结
2、合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个有机整体又定功能的有机整体，而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分是它从属的更大系统的组成部分 说明：说明： （1）系统是）系统是实体实体的集合，所谓实体是指组成系的集合，所谓实体是指组成系统的具体对象。系统中的各个实体既有一定的相对独统的具体对象。系统中的各个实体既有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体，即系统。立性，又相互联系构成一个整体，即系统。 （2）组成系统的实体具有一定的）组成系统的实体具有一定的属性属性，所谓属性，所谓属性是指实体所具有的全部有效特性，如状态、参数等。是指实体所具有的全部有效特性，如状态、参数等。 （3）系统处
3、在）系统处在活动活动中，所谓活动是指实体随时间中，所谓活动是指实体随时间推移而发生的属性变化。系统中实体、属性都可能发推移而发生的属性变化。系统中实体、属性都可能发生变化，这种变化通常用状态的概念来描述，用于表生变化，这种变化通常用状态的概念来描述，用于表示系统状态的变量成为示系统状态的变量成为状态变量状态变量。2 2、子系统、元件、子系统、元件 子系统：子系统：在进行复杂系统分析与仿真研究中往往需要在进行复杂系统分析与仿真研究中往往需要根据其功能或其边界条件分成多个子系统，各子系统既能根据其功能或其边界条件分成多个子系统，各子系统既能单独存在又能根据其各子系统间的关系建立联系并构成大单独存在
4、又能根据其各子系统间的关系建立联系并构成大系统，如图系统，如图1-1所示。所示。 元件元件：系统或子系统则系统或子系统则是由一些理想化的基本环节是由一些理想化的基本环节组成，这些环节代表了实际组成，这些环节代表了实际系统本质的物理现象并构成系统本质的物理现象并构成了系统或子系统，本课程将了系统或子系统，本课程将系统的基本的环节理想化后，系统的基本的环节理想化后，所获得的能够用数学方法表所获得的能够用数学方法表示的基本单元称作示的基本单元称作基本元件基本元件。二、系统的特点二、系统的特点1 1、集合性：、集合性：系统是由两个或两个以上可系统是由两个或两个以上可以区别的要素组成的集合体。以区别的要
5、素组成的集合体。1 1、集合性：、集合性：系统是由两个或两个以上可以区别系统是由两个或两个以上可以区别的要素组成的集合体。的要素组成的集合体。2、相关性相关性：各要素组成了系统，是因为它们之：各要素组成了系统，是因为它们之间存在相互联系、相互作用、相互影响的关系间存在相互联系、相互作用、相互影响的关系。这个关系也不是简单的累加，而是有可能互。这个关系也不是简单的累加，而是有可能互相增强或互相减弱。一个要素的变化会这样或相增强或互相减弱。一个要素的变化会这样或那样地引起全系统的变化。那样地引起全系统的变化。3 3、阶层性阶层性。系统的阶层性表现在两方面，其一。系统的阶层性表现在两方面，其一是系统
6、结构的有序性，要使系统保持稳定，具有是系统结构的有序性，要使系统保持稳定，具有生命力，系统必须有一定的有序结构。系统与要生命力，系统必须有一定的有序结构。系统与要素的区分是相对的，要素是系统最基本的单位。素的区分是相对的，要素是系统最基本的单位。它是系统的一部分，而任何一个系统又是更大系它是系统的一部分，而任何一个系统又是更大系统的一个要素，系统的不同层次结构中存在着动统的一个要素，系统的不同层次结构中存在着动态的信息流和物资流；其二表现在系统发展的有态的信息流和物资流；其二表现在系统发展的有序性，即系统的生命周期。序性，即系统的生命周期。4、整体性。系统是由两个以上有一定区整体性。系统是由两
7、个以上有一定区别又有一定相关的要素组成，系统的整体别又有一定相关的要素组成，系统的整体性主要表现在系统的整体功能。系统的结性主要表现在系统的整体功能。系统的结构概念常常与要素概念联系在一起，但同构概念常常与要素概念联系在一起，但同时也与功能概念有关。时也与功能概念有关。 效率有两层含义：一是指趋向于目的效率有两层含义：一是指趋向于目的的速度；一是指系统发挥功能时所消耗的的速度；一是指系统发挥功能时所消耗的资源。资源。5、目的性。系统具有能使各个要素结合在一起、目的性。系统具有能使各个要素结合在一起的共同目的的共同目的(这类系统又称为组织界系统这类系统又称为组织界系统)，而且，而且人造系统通常具
8、有多重目的。各子系统就是为人造系统通常具有多重目的。各子系统就是为了完成大系统的既定目标而协同工作的。了完成大系统的既定目标而协同工作的。6、环境适应性：环境是指出现于系统以、环境适应性：环境是指出现于系统以外的一切与它相关联的事物的总称。环境外的一切与它相关联的事物的总称。环境提供形成整体涌现性必须的资源和约束条提供形成整体涌现性必须的资源和约束条件，系统只有涌现出能够有效利用环境资件，系统只有涌现出能够有效利用环境资源、适应环境约束的结构和属性，才能够源、适应环境约束的结构和属性，才能够实际产生出来并生存下去。实际产生出来并生存下去。1.2 模型及其作用模型及其作用 一、模型概念与建模一、
9、模型概念与建模 系统建模就是对研究的实体进行必要的简化，并用系统建模就是对研究的实体进行必要的简化，并用适当的表现形式或规则把它的主要特征描述出来。所适当的表现形式或规则把它的主要特征描述出来。所得到的系统模仿品称之为模型。得到的系统模仿品称之为模型。 为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验。试验的方法基本上可分为两大类：一种是在行试验。试验的方法基本上可分为两大类：一种是在真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模型真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。的试验来代替或部分代替对真实系统的试验
10、。 （1）系统还处于设计阶段、真实的系统尚未）系统还处于设计阶段、真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解；这只能通过对模型的试验来了解； （2）在真实系统上进行试验可能会引起系统）在真实系统上进行试验可能会引起系统的破坏或发生故障。例如，对一个处于运行状态的破坏或发生故障。例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险；冒巨大的风险； （3）需要进行多次试验时，难以保证每次的）需要进行多次试验时，难以保证每次的试验条件相同，因而无法准
11、确判断试验结果的优试验条件相同，因而无法准确判断试验结果的优劣；劣； （4）试验时间太长或费用昂贵。）试验时间太长或费用昂贵。 系统实际系统实验系统模型实验物理模型数学模型解析解仿真系统研究的一般方法系统研究的一般方法 模型的任务模型的任务 构造一个实际系统的模型，在模型上进行试验成为系构造一个实际系统的模型，在模型上进行试验成为系统分析、研究中十分有效的手段。为了达到系统研究的目统分析、研究中十分有效的手段。为了达到系统研究的目的，系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体。的，系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体。也就是说，模型是为了产生行为数据的一组指令，它可以也就是说，模
12、型是为了产生行为数据的一组指令，它可以用数学公式、图、表等形式表示。用数学公式、图、表等形式表示。 由一个系统构造一个模型的任务一般包括两方面的内由一个系统构造一个模型的任务一般包括两方面的内容：容：第一是建立模型结构第一是建立模型结构，第二是提供数据第二是提供数据。在建立模型。在建立模型结构时，要确定系统的边界，还要鉴别系统的实体、属性结构时，要确定系统的边界，还要鉴别系统的实体、属性和活动。而提供数据则要求能够使包含在活动中的各个属和活动。而提供数据则要求能够使包含在活动中的各个属性之间有确定的关系。性之间有确定的关系。 在选择模型结构时，要满足两个前提条件：一是要细在选择模型结构时，要满
13、足两个前提条件：一是要细化模型研究的目的，二是要了解有关特定的建模目标与系化模型研究的目的，二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性质之间的关系。统结构性质之间的关系。模型的性质模型的性质 一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质：一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质： （1 1）相似性相似性：模型与所研究系统在属性上具有相似的：模型与所研究系统在属性上具有相似的特性和变化规律，真实系统的特性和变化规律，真实系统的“原型原型”与与“替身替身”之间具之间具有相似的物理属性或数学描述。有相似的物理属性或数学描述。 （2 2）简单性简单性：从实用的观点来看，由于在模型的建立：从实用的观点来看，由
14、于在模型的建立过程中，忽略了一些次要因素和非可测变量的影响，因此过程中，忽略了一些次要因素和非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化了的近似模型。一般而言，在实际的模型已是一个被简化了的近似模型。一般而言，在使用的前提下，模型越简单越好。使用的前提下，模型越简单越好。 （3 3）多面性多面性：对于由许多子系统组成的系统来说，由：对于由许多子系统组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所收集的与系统有关的信息于其研究目的不同，就决定了所收集的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示系统的模型并不是唯一的。由也是不同的，所以用来表示系统的模型并不是唯一的。由于不同的分析者所关心的是系统的
15、不同方面，或者由于同于不同的分析者所关心的是系统的不同方面，或者由于同一分析者要了解系统的各种变化关系，对于同一系统可以一分析者要了解系统的各种变化关系，对于同一系统可以产生相应于不同层次的多种模型。产生相应于不同层次的多种模型。5 5、模型的有效性、模型的有效性 在建模活动中，建模者最关注的是模型的有效性，它反映了建在建模活动中，建模者最关注的是模型的有效性，它反映了建模的正确与否，即模型如何充分地表示实际系统。模型的有效性可模的正确与否，即模型如何充分地表示实际系统。模型的有效性可用实际系统数据和模型产生的数据之间的符合程度来度量，它可分用实际系统数据和模型产生的数据之间的符合程度来度量，
16、它可分三个不同级别的模型有效：三个不同级别的模型有效： （1 1）复制有效：）复制有效：建模者把实际系统看作一个黑箱，仅在输入建模者把实际系统看作一个黑箱，仅在输入输出行为上认识系统。这样，只要模型产生的输入输出数据与实际输出行为上认识系统。这样，只要模型产生的输入输出数据与实际系统所得到的输入输出数据时相匹配的，就认为模型是复制有效。系统所得到的输入输出数据时相匹配的，就认为模型是复制有效。实际上，这类有效的建模只能描述实际系统过去的行为或试验，不实际上，这类有效的建模只能描述实际系统过去的行为或试验，不能说明实际系统将来的行为，这是低水平的有效能说明实际系统将来的行为，这是低水平的有效。
17、（2 2）预测有效：）预测有效：建模者对实际系统的内部运行情况了解清楚，建模者对实际系统的内部运行情况了解清楚，掌握了实际系统的内部状态及其总体结构，可预测实际系统的将来掌握了实际系统的内部状态及其总体结构，可预测实际系统的将来的状态和行为变化，但对实际系统内部的分解结构上不明了。在实的状态和行为变化，但对实际系统内部的分解结构上不明了。在实际系统取得数据之前，能够由模型看出相应的数据，这就认为模型际系统取得数据之前，能够由模型看出相应的数据，这就认为模型是预测有效。是预测有效。 （3 3）结构有效：）结构有效：建模者不但清楚实际系统内部之间的关系，建模者不但清楚实际系统内部之间的关系，且了解
18、了实际系统的内部分解结构，可把实际系统描述为由许多子且了解了实际系统的内部分解结构，可把实际系统描述为由许多子系统相应连接起来而构成的一个整体。系统相应连接起来而构成的一个整体。 从认识世界方面看有三个层次：从认识世界方面看有三个层次：通讯通讯、思考思考和和理解理解。首先，一个模型必须提供一个准确、易于理解的通讯形式，首先，一个模型必须提供一个准确、易于理解的通讯形式，也就是说，当信息传递给别人时，这种模式可以引起误解也就是说，当信息传递给别人时，这种模式可以引起误解的比率；此外，模型还必须能帮助人们进行思考（比如推的比率；此外，模型还必须能帮助人们进行思考（比如推演）。最后，当模型已被综合成
19、为一个公理或定理时，这演）。最后，当模型已被综合成为一个公理或定理时，这样的模型将使人们能更好地理解现实世界发生的各种现象，样的模型将使人们能更好地理解现实世界发生的各种现象，这可以说达到了认识的顶峰。这可以说达到了认识的顶峰。 从改造世界方面看，也有三个层次：从改造世界方面看，也有三个层次：管理管理、控制控制和和设设计计。首先，模型应能提供给人们对系统进行管理（比如制首先，模型应能提供给人们对系统进行管理（比如制定计划、分配资源）时的依据。一般来说，管理这个层次定计划、分配资源）时的依据。一般来说，管理这个层次所要求的模型可以比较所要求的模型可以比较“粗粗”；到控制层次时要求的模型；到控制层
20、次时要求的模型比较比较“细细”；设计层次要求包含上述两个层次的模型，而；设计层次要求包含上述两个层次的模型，而且要求更加精细和全面。且要求更加精细和全面。二、模型分类二、模型分类 在不同的文献资料里，由于视角不同，可能存在不同的文献资料里，由于视角不同，可能存在不同的模型分类方式，其中常用的有以下两种在不同的模型分类方式，其中常用的有以下两种分类方式：分类方式：（1）按照构造模型的成分或表达形式分类，模型）按照构造模型的成分或表达形式分类，模型一般可粗略分为一般可粗略分为物理模型物理模型和和符号模型符号模型两大类。两大类。 符号模型中最常见是数学模型，就是用数学表符号模型中最常见是数学模型，就
21、是用数学表达形式来描述系统的内在规律。达形式来描述系统的内在规律。（2）按照模型的功能分类，有）按照模型的功能分类，有解释模型解释模型、预测模预测模型型和和规范模型规范模型三种。三种。 若从系统仿真研究的需要出发，模型还可做若从系统仿真研究的需要出发，模型还可做如下分类：如下分类：（1）确定型模型和随机型模型）确定型模型和随机型模型 确定型模型是指系统输出与系统输入之间存在确定型模型是指系统输出与系统输入之间存在确定的性质和数量关系的模型。确定的性质和数量关系的模型。 随机型模型是指系统输出与系统输入之间存随机型模型是指系统输出与系统输入之间存在随机性的或概率性的关系的模型；或者说，含在随机性
22、的或概率性的关系的模型；或者说，含有随机变量的模型就是随机型模型。有随机变量的模型就是随机型模型。（2）连续型模型和离散型模型）连续型模型和离散型模型 模型中系统的状态是随时间连续且光滑性变化的模型中系统的状态是随时间连续且光滑性变化的，可用微分方程来描述其状态变化的，称为连续型，可用微分方程来描述其状态变化的，称为连续型模型。模型。 系统状态的变化只发生在一系列离散的时点上，系统状态的变化只发生在一系列离散的时点上，呈间断式变化，一般可用差分方程来描述的，称为呈间断式变化，一般可用差分方程来描述的，称为离散型模型。离散型模型。三、建模原则与步骤三、建模原则与步骤1、建模的原则、建模的原则（1
23、）现实性。）现实性。（2）目的性。）目的性。（3）模型拟合良好性。）模型拟合良好性。（4）简洁经济性。）简洁经济性。（5）操作适应性。）操作适应性。实 施目标 详细度 系统范围不同方案设计绩效评估评 估系 统模 型2、建模步骤修正模型准备阶段系统认识阶段系统建模模型使用模型求解模型分析、检验模型合格模型不合格1.3 仿真及其作用仿真及其作用 一、仿真的概念一、仿真的概念 仿真二字仿真二字,顾名思义，是指模仿真实事物的意义。顾名思义，是指模仿真实事物的意义。仿真就是对一个客观系统的结构和行为进行动态模仿，仿真就是对一个客观系统的结构和行为进行动态模仿，从中取得所需信息的过程。从管理的角度出发可以
24、把仿从中取得所需信息的过程。从管理的角度出发可以把仿真技术通俗的理解为用一个仿真模型加一台电子计算机真技术通俗的理解为用一个仿真模型加一台电子计算机对一个实际系统进行试验。这种试验可以在实际系统作对一个实际系统进行试验。这种试验可以在实际系统作有效运行之前进行。它有助于系统的设计，可以看出系有效运行之前进行。它有助于系统的设计，可以看出系统在运行规则改变时作出的反应，或通过它的结构变化，统在运行规则改变时作出的反应，或通过它的结构变化，来预测和评价系统的各种结果。来预测和评价系统的各种结果。仿真的定义：仿真的定义：1966年雷诺在专著中定义：年雷诺在专著中定义：仿真是在数字计算机上进仿真是在数
25、字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或系统（或者它们的某模式，这些模型描述某一事件或系统（或者它们的某些部分）在若干周期内的特征。些部分）在若干周期内的特征。仿真：随时间实现模型的方法。仿真：随时间实现模型的方法。仿真是一种基于模型的活动仿真是一种基于模型的活动-ren于于1984年提出的。年提出的。 系统仿真：用一个人造的系统（称为仿真系统）去模仿系统仿真：用一个人造的系统（称为仿真系统）去模仿一个真实或设想的系统行为，以对其进行研究。也可以理一个真实或设想的系统行为，以对其进行研究。也可以理解为是
26、对系统模型进行随时间演化试验的活动，或是利用解为是对系统模型进行随时间演化试验的活动，或是利用系统模型展现类似系统运行的过程或特性的活动。系统模型展现类似系统运行的过程或特性的活动。中国学者：系统仿真就是在计算机上或（中国学者：系统仿真就是在计算机上或（/和）实体上建和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的、或数字立系统的有效模型（数字的、物理效应的、或数字-物理物理效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。 系统仿真系统仿真是系统分析的有效工具，它以建模理论、计是系统分析的有效工具，它以建模理论、计算方法、评估理论为基础；以计算机技术、网络技
27、术、图算方法、评估理论为基础；以计算机技术、网络技术、图形图象技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控形图象技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术为支撑。制及系统工程等相关技术为支撑。 系统仿真系统仿真学科学科：系统仿真是建立系统仿真是建立 在相似理论、控在相似理论、控制理论（系统理论）和计算机技术基础上的综合性和制理论（系统理论）和计算机技术基础上的综合性和试验性学科。试验性学科。 系统仿真系统仿真学科学科：1946年电子微分分析器的诞生，年电子微分分析器的诞生，开创了系统仿真的新纪元，系统仿真逐渐成为以相似开创了系统仿真的新纪元，系统仿真逐渐成为以相似论、系
28、统科学、计算机科学、系统工程理论、概率论论、系统科学、计算机科学、系统工程理论、概率论、数理统计和时间序列分析等多个学科理论为基础的、数理统计和时间序列分析等多个学科理论为基础的新兴的综合性学科新兴的综合性学科。仿真仿真系统系统：是指实现仿真任务的软件和设备。按是指实现仿真任务的软件和设备。按仿真任务要求，实现被仿真系统模型，以进行仿仿真任务要求，实现被仿真系统模型，以进行仿真试验的一套软件、硬件系统，包括仿真设备、真试验的一套软件、硬件系统，包括仿真设备、参与被仿真系统操作的人员或部分被仿真系统组参与被仿真系统操作的人员或部分被仿真系统组件。件。仿真技术仿真技术：是以相似原理、信息技术、系统
29、技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。术。 仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制、系统工程等多个高技术领域的知识。制、系统工程等多个高技术领域的知识。 仿真系统仿真系统仿真系统构成：仿真系统构成： 仿真计算机仿真
30、计算机I/O 装置装置操作装置操作装置（驾驶杆、操作开关、（驾驶杆、操作开关、3Dmouse3Dmouse等）等）感觉信息装置感觉信息装置（运动、景象、力、（运动、景象、力、声音等）声音等） CIGCIG系统、仿真转台、负系统、仿真转台、负载模拟器、力反馈装置、载模拟器、力反馈装置、3D3D声音合成声音合成物理效应模型物理效应模型（光、电等）光、电等）目标模拟器（红外、可见光、射频等）目标模拟器（红外、可见光、射频等）部分实物：部分实物：导引头、导引头、DCSDCS系统、陀螺、系统、陀螺、加速度表、弹载（星载）计算机等加速度表、弹载（星载）计算机等二、仿真技术的作用二、仿真技术的作用 1、仿真
31、技术可以处理复杂系统，如企业、仿真技术可以处理复杂系统，如企业系统、经济系统、社会系统等。系统、经济系统、社会系统等。 2、使用计算机仿真技术可以缩短系统的、使用计算机仿真技术可以缩短系统的试验周期，节约试验经费。试验周期，节约试验经费。 3、仿真技术可用于系统的设计。如企业、仿真技术可用于系统的设计。如企业设计、城市规划等。设计、城市规划等。 4、仿真技术具有预测作用，对系统新规、仿真技术具有预测作用，对系统新规则、新政策的输入可能产生的结果进行推断和则、新政策的输入可能产生的结果进行推断和评价，对可能发生的各种偶然事件，提前做好评价，对可能发生的各种偶然事件，提前做好准备，减少或避免实际系
32、统在运行中的各种风准备，减少或避免实际系统在运行中的各种风险。险。 1978 1978年，仿真技术在所有研究方法中排名年，仿真技术在所有研究方法中排名1515，19891989年，则上升到第二位。年，则上升到第二位。 仿真技术在系统分析、设计中的应用；仿真技术在系统分析、设计中的应用；仿真技术在系统理论研究中的应用；仿真技术在系统理论研究中的应用；仿真技术在人员训练方面的应用：经济、无风险、仿真技术在人员训练方面的应用：经济、无风险、高效高效 F-15 F-15 飞行仿真器每天工作飞行仿真器每天工作2020小时，每年可省油小时，每年可省油1010万万吨吨Boeing-747 Boeing-74
33、7 仿真器每天工作仿真器每天工作2020小时，每年可省油小时，每年可省油3030万吨万吨 一般几千吨级的轮船，靠离一次码头，大约要耗油一般几千吨级的轮船，靠离一次码头，大约要耗油1010吨吨 国外对三种地空导弹型号国外对三种地空导弹型号(爱国者、罗兰特、尾刺爱国者、罗兰特、尾刺)研制过程中的情况统计分析可得出以下结论：研制过程中的情况统计分析可得出以下结论： 由于采用仿真技术，使靶试实弹数减少了由于采用仿真技术，使靶试实弹数减少了30-60% 研制费用节省了研制费用节省了10-40% 研制周期缩短了研制周期缩短了30-40% 我国陡河电站我国陡河电站25万万KW发电机组的安装，由于事先在电发电
34、机组的安装，由于事先在电厂仿真系统上已经进行了细致的分系统实验，对全部自厂仿真系统上已经进行了细致的分系统实验，对全部自动装置的参数都做了整定，在实际机组安装完毕的同时动装置的参数都做了整定，在实际机组安装完毕的同时，自动装置也全部调试完成，很快地投入运行。而按一，自动装置也全部调试完成，很快地投入运行。而按一般程序，机组安装完后，现场调试自动装置的参数，周般程序，机组安装完后，现场调试自动装置的参数，周期大约一年。期大约一年。 美国能源管理局的报告认为，电厂的可靠性可以通过改美国能源管理局的报告认为，电厂的可靠性可以通过改进设计和加强维护来改善，但只能占提高可靠性的进设计和加强维护来改善，但
35、只能占提高可靠性的20%30%20%30%，其余要依靠提高运行人员的素质来提高。，其余要依靠提高运行人员的素质来提高。 虚拟制造技术可以支持产品生产的全过程，特别虚拟制造技术可以支持产品生产的全过程，特别是在以下三方面：是在以下三方面： （a）以设计为中心的虚拟制造。以设计为核心的虚拟）以设计为中心的虚拟制造。以设计为核心的虚拟制造（制造（design-centered VM）把制造信息引入到整个的）把制造信息引入到整个的设计过程，利用仿真来优化产品设计。设计过程，利用仿真来优化产品设计。 （b）以生产为中心的虚拟制造。它是在生产过程模）以生产为中心的虚拟制造。它是在生产过程模型中融入仿真技术
36、，以此来评估和优化生产过程，以便型中融入仿真技术，以此来评估和优化生产过程，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案，资源需求规划、低费用、快速地评价不同的工艺方案，资源需求规划、生产计划等，其主要目的是评价可生产性。生产计划等，其主要目的是评价可生产性。 （c）以控制为中心的虚拟制造。它是将仿真加到控制）以控制为中心的虚拟制造。它是将仿真加到控制模型和实际处理中，实现基于仿真的最优控制。模型和实际处理中，实现基于仿真的最优控制。 20世纪世纪90年代出现了年代出现了“虚拟产品开发虚拟产品开发”（virtual product development）技术，并进一步提出虚拟制造）技术，并进一步提出
37、虚拟制造（virtual manufacturing）的概念。）的概念。三、系统仿真的类型 （1 1）根据系统模型的特性分类，可分为连续）根据系统模型的特性分类，可分为连续系统仿真和离散系统仿真两类。系统仿真和离散系统仿真两类。 在连续系统仿真中，系统动力学模型是由表在连续系统仿真中，系统动力学模型是由表征系统变量之间关系的方程来描述的，仿真的结征系统变量之间关系的方程来描述的，仿真的结果为系统状态变量随时间变化的时间历程；而在果为系统状态变量随时间变化的时间历程；而在离散系统仿真中，系统变量是反映系统各部分相离散系统仿真中，系统变量是反映系统各部分相互作用的一些事件，系统模型则是反映这些事件
38、互作用的一些事件，系统模型则是反映这些事件状态的数集，仿真结果是产生处理这些事件的时状态的数集，仿真结果是产生处理这些事件的时间历程。间历程。 （2 2）根据模型的表现形式分类，可以将系统）根据模型的表现形式分类，可以将系统仿真分为物理仿真、数学仿真和半实物仿真。仿真分为物理仿真、数学仿真和半实物仿真。 （3）根据仿真时钟与实际时钟的比例分类。可以）根据仿真时钟与实际时钟的比例分类。可以分为实时仿真、亚实时仿真和超实时仿真。分为实时仿真、亚实时仿真和超实时仿真。 实时仿真，即模型仿真的速度与实际系统运行的实时仿真，即模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同，也称在线仿真。如各种训练仿真器。速度相
39、同，也称在线仿真。如各种训练仿真器。 亚实时仿真，即模型仿真的速度慢于实际系统运亚实时仿真，即模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度。有时也称离线仿真。行的速度。有时也称离线仿真。 超实时仿真，即模型仿真的速度快于实际系统运超实时仿真，即模型仿真的速度快于实际系统运行的速度。例如大气环流的仿真，交通系统的仿真。行的速度。例如大气环流的仿真，交通系统的仿真。 数学仿真是实时的，也可以是非实时的，但半实数学仿真是实时的，也可以是非实时的，但半实物仿真一定是实时仿真。物仿真一定是实时仿真。 随着对建模与仿真理论和方法研究的不断深入，随着对建模与仿真理论和方法研究的不断深入，以及计算机技术、信息技术的不
40、断发展和进步，系统以及计算机技术、信息技术的不断发展和进步，系统仿真方法致力于更自然地抽取事物的属性特征，寻求仿真方法致力于更自然地抽取事物的属性特征，寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法，在这些使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法，在这些探索的推动下，出现了一些研究热点：探索的推动下，出现了一些研究热点： 系统仿真理论与技术的发展系统仿真理论与技术的发展 （1）面向对象仿真（）面向对象仿真（OOS） 从人类认识世界模从人类认识世界模式出发，使问题空间与求解空间相一致，提供更自然式出发，使问题空间与求解空间相一致，提供更自然直观且可具可维护性和可重用性的系统仿真框架。直观且可具可维护性
41、和可重用性的系统仿真框架。（2）定性仿真（）定性仿真（QS） 以非数字手段处理信息输入以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结构输出，通过定性模型推导系、建模、行为分析和结构输出，通过定性模型推导系统定性行为描述。统定性行为描述。（3）智能仿真（）智能仿真（IS） 是以知识为核心和人类思维是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，行为作背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，构造基于知识的仿真系统（构造基于知识的仿真系统（KBSS）。）。（4）分布交互仿真（）分布交互仿真（DIS） 是通过计算机网络将分是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互联，构成时间与空间互
42、相耦合散在各地的仿真设备互联，构成时间与空间互相耦合的虚拟仿真环境。的虚拟仿真环境。（5）可视化仿真（）可视化仿真（VS） 用于为数值仿真过程及结用于为数值仿真过程及结果增加文本提示、图形、图象、动画表现，将仿真过果增加文本提示、图形、图象、动画表现，将仿真过程更加直观，结果更容易理解，并能验证仿真过程是程更加直观，结果更容易理解，并能验证仿真过程是否正确。否正确。（6）多媒体仿真（）多媒体仿真（MS） 在可视化仿真的基础上再在可视化仿真的基础上再加入声音，从而可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒加入声音，从而可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。体仿真。（7）虚拟显示仿真（）虚拟显示仿真（VR
43、S） 虚拟现实是一种由计虚拟现实是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信号，如视觉、听觉、嗅觉、触觉等，使参各种感官信号，如视觉、听觉、嗅觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物。同时人与虚拟环境之间可进行多维界中的客观事物。同时人与虚拟环境之间可进行多维信息的交互作用，从而深化概念和建造新的构想和创信息的交互作用，从而深化概念和建造新的构想和创意。意。（8）Internet网上仿真网上仿真系统系统模型模型计算机计算机物理效应模型物理效应模型
44、系统实物系统实物模型建立仿真试验仿真模型建立仿真的三要素及其关系仿真的三要素及其关系 仿真模型的任务仿真模型的任务解说解说(Explanatory devices)(Explanatory devices)用来定义诠释一用来定义诠释一个系统行为个系统行为设计评估设计评估(Design assessors)(Design assessors)评估不同的建设评估不同的建设性方案性方案分析分析(Analysis)(Analysis)透过因子及实验设计法来分析透过因子及实验设计法来分析影响系统的重要因子与相关水平影响系统的重要因子与相关水平预测预测(Look Ahead/Prediction)(Loo
45、k Ahead/Prediction)用来预期未来用来预期未来某一时段可能发生的状况以作为决策参考某一时段可能发生的状况以作为决策参考验证验证(Verify)(Verify)用以验证数学模型所提供的分析用以验证数学模型所提供的分析或数值解或数值解仿真的主要议题仿真的主要议题 1 1、模型构建、模型构建 （1 1）如何将真实世界行为构建成仿真模型；）如何将真实世界行为构建成仿真模型； （2 2）如何在电脑内执行仿真模型，其主要课题）如何在电脑内执行仿真模型，其主要课题有：时间的推进机构、仿真事件的逻辑、仿真过有：时间的推进机构、仿真事件的逻辑、仿真过程中的统计收集。程中的统计收集。2 2、仿真分
46、析、仿真分析 （1 1）如何分析模型的输入资料；）如何分析模型的输入资料； （2 2）如何减少模型的输出误差；）如何减少模型的输出误差； （3 3）如何解释仿真结果。）如何解释仿真结果。 第二节第二节 系统系统仿真一般步骤仿真一般步骤 系统仿真的系统仿真的步骤步骤归纳如下：归纳如下： 第一步第一步：阐明问题阐明问题( (调研系统调研系统) )。必须首先明确所。必须首先明确所要研究的问题或要完成的任务，它们可能是有关决策要研究的问题或要完成的任务，它们可能是有关决策者提出的，对问题或任务的含义最初可能比较模糊，者提出的，对问题或任务的含义最初可能比较模糊，或者只提出一些原则性的或总的要求。因此，
47、系统仿或者只提出一些原则性的或总的要求。因此，系统仿真人员必须分析与探讨问题或任务的具体含义和具体真人员必须分析与探讨问题或任务的具体含义和具体要求，从中进一步明确系统模拟工作的目标，定义所要求，从中进一步明确系统模拟工作的目标，定义所要研究系统的构成要素、系统的边界和系统环境，确要研究系统的构成要素、系统的边界和系统环境，确定系统仿真方案的评价准则。并进一步在用户的帮助定系统仿真方案的评价准则。并进一步在用户的帮助下详细了解需要仿真分析的系统。在一过程一般需了下详细了解需要仿真分析的系统。在一过程一般需了解以下几个方面：解以下几个方面： 1)系统要素系统要素 包括组成物理环境的实体和实体属性
48、；包括组成物理环境的实体和实体属性； 2)系统流程系统流程 了解系统的作业流程。一般了解流程是了解系统的作业流程。一般了解流程是以流动实体的流动过程为线索的。例如一个集装箱装卸以流动实体的流动过程为线索的。例如一个集装箱装卸系统其系统流程主要依据集装箱的流动过程进行分析，系统其系统流程主要依据集装箱的流动过程进行分析，一般可分为提货流程（从码头提取指定的集装箱送往内一般可分为提货流程（从码头提取指定的集装箱送往内陆）、收箱流程（提货流程的逆过程）、装船流程和卸陆）、收箱流程（提货流程的逆过程）、装船流程和卸船流程。船流程。 3)系统的相关参数系统的相关参数(系统布局及运作流程的信息系统布局及运
49、作流程的信息) 通常采集的参数可分为以下几种：通常采集的参数可分为以下几种：静态参数。包括系统的几何布局参数（如设备的集合静态参数。包括系统的几何布局参数（如设备的集合参数、位置参数）、实体的几何尺寸。参数、位置参数）、实体的几何尺寸。动态参数：系统中实体的运动参数：如设备的运行速动态参数：系统中实体的运动参数：如设备的运行速度。度。 （3）工艺参数：如工件被加工的工序路线及时间。）工艺参数：如工件被加工的工序路线及时间。如到达间隔、作业班次、各作业（物理、装卸、搬运如到达间隔、作业班次、各作业（物理、装卸、搬运等）时间。等）时间。 （4）逻辑参数：系统状态变量与约束条件。如堆垛）逻辑参数：系
50、统状态变量与约束条件。如堆垛机的工作状态（忙或闲）；货位的状态（满或空）；机的工作状态（忙或闲）；货位的状态（满或空）；物品排队队长；运输机运输过程中不得装卸等要求。物品排队队长；运输机运输过程中不得装卸等要求。 （5）系统的输入、输出变量。如系统的输入输出是）系统的输入、输出变量。如系统的输入输出是随机变量，则需要其分布和特征值。随机变量，则需要其分布和特征值。 （6）事件表：系统运行过程中所发生各种事件的类）事件表：系统运行过程中所发生各种事件的类型与描述、事件发生的时间及其相关属性。型与描述、事件发生的时间及其相关属性。（7）规则参数：系统运行的各种规则约定，如工件加）规则参数：系统运行
