系统建模与仿真
系统建模与仿真简述
第1章 概述
• 1 .2 仿真的意义阐释
计算机仿真出现的意义： 计算机仿真之前的科研状态分析： 费时费力费用高，周期长，可靠性高，复杂度高的 问题难以解决，缺乏形象性可视性。 计算机仿真之后的科研状态分析： 省时省力省费用，周期短，可靠性高，复杂度高的 问题也能解决，复杂环境下的问题也能解决，形象直 观，可视性、可操控性强。 例如：航天环境下的计算机仿真，核技术中的仿真等。
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第1章 概述
当下的意义: 建模、仿真能力对年轻的一代IT技术人才已经 不是特长，而是基本的技能和交流工具。 如，ITU(国际电信联盟）第三代通信系统的标 准讨论规定：技术文本与仿真结果必须同时提交， 并且鼓励对其他公司提交的方案进行仿真验证。 我们学习掌握MATLAB仿真，在某种意义上说 是在科学计算、工程设计和工具应用上与国际接
第1章 概述
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第1章 概述
• 1 什么是仿真？（仿真的 定义和意义） • 2 数学仿真与MATLAB软件 • 3 电子通信系统的建模与 仿真 • 4 本课程的内容与结构概 观
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第1章 概述
1 .1 什么是仿真？（仿真的定义）
• 系统仿真(Simulation)技术也称为系统模拟技术，简 称“仿真”。 • 计算机仿真：本课程特指自1970年以来发展起来的 利用现代计算机和仿真软件来进行仿真的计算机仿 真技术。由于计算机仿真具有精度高，通用性强， 重复性好，建模迅速以及成本低廉等许多优点。 • MATLAB仿真：是计算机仿真的一种。近年来在计算 机仿真的基础之上，发展了以MATLAB/Simulink为代 表的多种科学计算和系统仿真系统。它使用起来比 利用传统的Fortran、C/C++语言进行仿真可靠、方便、 快捷。
系统建模与仿真课程设计
系统建模与仿真课程设计一、课程目标系统建模与仿真课程设计旨在让学生掌握以下知识目标：1. 理解系统建模与仿真的基本概念、原理和方法；2. 学会运用数学和计算机工具进行系统建模与仿真；3. 掌握分析、评估和优化系统模型的能力。
技能目标：1. 能够运用所学知识对实际系统进行建模；2. 独立完成仿真实验，并对结果进行分析；3. 能够针对具体问题提出合理的建模与仿真方案。
情感态度价值观目标：1. 培养学生的团队合作意识，提高沟通与协作能力；2. 激发学生对科学研究的兴趣，培养创新精神和实践能力；3. 增强学生的社会责任感，使其认识到系统建模与仿真在解决实际问题中的价值。
本课程针对高中年级学生，结合学科特点和教学要求，将目标分解为以下具体学习成果：1. 掌握系统建模与仿真的基本概念和原理，能够解释现实生活中的系统现象；2. 学会使用数学和计算机工具进行系统建模与仿真，完成课程项目；3. 能够针对实际问题，运用所学知识进行分析、评估和优化，提出解决方案；4. 培养团队协作能力，提高沟通表达和问题解决能力；5. 增强对科学研究的好奇心和热情，树立正确的价值观。
二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 系统建模与仿真基本概念：介绍系统、建模、仿真的定义及其相互关系，分析系统建模与仿真的分类和特点。
2. 建模方法与仿真技术：讲解常见的建模方法（如数学建模、物理建模等）及仿真技术（如连续仿真、离散事件仿真等），结合实例进行阐述。
3. 建模与仿真工具：介绍常用的建模与仿真软件，如MATLAB、AnyLogic 等，并指导学生如何使用这些工具进行系统建模与仿真。
4. 实践项目：设计具有实际背景的系统建模与仿真项目，要求学生分组合作，运用所学知识完成项目。
教学内容安排如下：第一周：系统建模与仿真基本概念，引导学生了解课程内容，激发学习兴趣。
第二周：建模方法与仿真技术，讲解理论知识，结合实例进行分析。
第五章 Simulink系统建模与仿真
本章重点
Simulink基本结构 Simulink模块 系统模型及仿真
一、Simulink简介
Simulink 是MATLAB 的工具箱之一，提供交互式动态系统
建模、仿真和分析的图形环境
可以针对控制系统、信号处理及通信系统等进行系统的建 模、仿真、分析等工作 可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及 混合系统；单任务、多任务离散事件系统。
从模块库中选择合适的功能子模块并移至编辑窗口中，按 设计要求设置好各模块的参数，再将这些模块连接成系统 Simulink的仿真过程就是给系统加入合适的输入信号模块 和输出检测模块，运行系统，修改参数及观察输出结果等
过程
二、Simulink的基本结构
Simulink窗口的打开
命令窗口：simulink 工具栏图标：
三、Simulink模型创建
7、信号线的标志
信号线注释：双击需要添加注释的信号线，在弹出的文本编辑 框中输入信号线的注释内容
信号线上附加说明：（1） 粗线表示向量信号：选中菜单Forma t|Wide nonscalar lines 即可以把图中传递向量信号的信号线用粗 线标出；（2）显示数据类型及信号维数：选择菜单Format|Port data types 及Format|Signaldimensions，即可在信号线上显示前 一个输出的数据类型及输入/输出信号的维数；（3） 信号线彩 色显示：选择菜单Format|Sample Time Color，SIMULINK 将用 不同颜色显示采样频率不同的模块和信号线，默认红色表示最 高采样频率，黑色表示连续信号流经的模块及线。
同一窗口内的模块复制： （1）按住鼠标右键，拖动鼠标到目标
自动化系统建模与仿真
自动化系统建模与仿真自动化系统建模与仿真是自动化领域中的重要研究方向，它通过对实际系统进行数学建模，并利用计算机仿真技术，实现对系统的分析、设计和优化。
本文将介绍自动化系统建模与仿真的基本概念、方法和应用。
一、引言自动化系统建模与仿真是在自动化控制的背景下，利用数学和计算机技术对复杂系统进行模拟和分析的过程。
它通过建立数学模型，描述系统的物理、动力学和控制行为，并利用计算机代码实现对系统的仿真。
自动化系统建模与仿真在工业控制、交通运输、机械制造、航空航天等领域具有广泛的应用。
二、自动化系统建模方法1. 系统建模的基本原理自动化系统建模的基本原理是将实际系统的行为、结构和性能抽象成数学模型，并利用模型描述系统的状态、输入和输出之间的关系。
通常采用微分方程、差分方程、状态空间等数学工具来描述系统行为。
例如，对于连续系统可以使用微分方程描述，对于离散系统可以使用差分方程描述。
2. 建模工具的选择在进行自动化系统建模时，需要选择适当的建模工具，常用的有Simulink、Matlab、LabVIEW等。
Simulink是一款图形化建模仿真工具，可以通过拖拽模块的方式建立系统模型，并进行仿真分析。
Matlab是一种通用的数学计算软件，可以使用其编程语言对系统进行建模和仿真。
LabVIEW是一种基于图形化编程的软件，主要用于虚拟仪器的建模与仿真。
三、自动化系统仿真方法1. 离散事件仿真离散事件仿真是一种模拟离散系统行为的仿真方法，它以事件驱动为基础，模拟系统中事件的发生和处理过程。
离散事件仿真适用于网络通信、物流调度、排队论等领域的系统建模与仿真。
2. 连续系统仿真连续系统仿真主要针对物理系统的动态行为进行模拟，例如机械系统、电路系统等。
连续系统仿真通常采用微分方程来描述系统的动态行为，通过数值求解方法进行仿真计算，得到系统的动态响应。
四、自动化系统建模与仿真应用1. 工业控制系统自动化系统建模与仿真在工业控制系统中的应用十分广泛。
系统建模与仿真
❖5.2.1对系统模型的要求和建模的原则 ❖5.2.要模型
❖5.3.1结构模型 ❖5.3.2网络模型 ❖5.3.3状态空间模型
5.4系统仿真概述
❖5.4.1系统仿真的概念 ❖5.4.2仿真技术的发展 ❖5.4.3系统仿真分类 ❖5.4.4系统仿真的基本步骤
1）图式模型——是指用符号、曲线、图表、图形等抽象表现系统 单元之间相互关系的模型。特点：图式模型直观、明了，一眼便可洞察 全局，虽然不能完全用它进行定量分析，但为建立系统的数学模型打下 了基础。
2）模拟模型分为两类：一类为实体模拟模型，一类为计算机模拟模 型。实体模拟模型也称为物理模拟模型，它是指用一种原理上相似，而 求解或控制容易的系统，代替或描述真实系统。计算机模拟模型是指用 计算机操作而根据特定的程序语言描述真实系统的模型（数学模拟）
系统模型与仿真
实际的系统描述极为困难:
社会、经济、军事大系统，其行为和政策效果往往无法用直接 试验的办法得到。
有些工程技术问题，虽然可以通过试验掌握系统的部分结构功 能和特性，但是往往代价太大，
解决方法：
采用系统模型和仿真的方法来研究分析比较复杂的现实系统。
系统模型与仿真
5.1系统模型
❖5.1.1系统模型的定义与特征 ❖5.1.2建立系统模型的必要性 ❖5.1.3系统模型的分类 ❖5.1.4系统模型的作用
模型法是在对现实系统进行抽象的基础上，把它们再现为某种实物 的、图画的或数学的模型，然后通过模型来对系统进行分析、对比和研 究，最终导出结论。
模型法既避免了实验法的局限性，又避免了抽象法的过于概念化， 所以成为现代工程中一种最常用的研究方法。
5.1系统模型
系统模型化有两重含义： 1）要把需要解决的问题，通过上述分析明确其外部影响因素和内
系统建模与仿真的基本原理
综合不是系统要素、结构的简单累加，而要在分析的基础上 区分主次、去粗取精，以便从整体上把握系统的本质特征
和 运行规律，以便正确地认识系统。
分析与综合是揭示系统规律的基本方法之一。分析是综合的
基础，但是分析着眼于系统局部，分析得到的结果是关于
系
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2.3 离散事件系统仿真程序的基本结构
离散事件仿真程序中的子程序：
1．变量、实体属性和系统状态：用来记录系统在不同时刻所 处的工作状况。
2．初始化子程序：在仿真模型开始运行前完成模型的初始化 工作，产生必要的初试参数。
3．仿真时钟：用于记录仿真模型的运行时间，可作为评价系 统性能的依据，也可作为仿真调度和仿真程序 是否结束的依据。
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2.1 离散事件系统及其模型分类
系统分类 连续系统（continuous system） 离散事件动态系统（DEDS）
确定性系统（ deterministic system ） 随机系统（stochastic system）
静态系统（static system） 动态系统（dynamic system）
组成，它描述了相关事件及活动之间的 逻辑和时序关系
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2.2 离散事件系统建模的基本元素
7．仿真时钟（simulation clock）：用于显示仿真时间的变 化，是仿真模型运行时序的控制机构
！！！仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间， 而不是指计算机执行仿真程序所需的时间。
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2.1 离散事件系统及其模型分类
白箱（white box ） 灰箱（grey box ） 黑箱（black box ）
系统建模与仿真及其方法
系统建模与仿真及其方法1 什么是建模与仿真模型（model）：对系统、实体、现象、过程的数学、物理或逻辑的描述。
建模（modeling）:建立概念关系、数学或计算机模型的过程,又称模型化，就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对事物的一种描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。
仿真（simulation）：通过研究一个能代表所研究对象的模型来代替对实际对象的研究。
计算机仿真就是在计算机上用数字形式表达实际系统的运动规律。
2十种建模与仿真的方法：2.1智能仿真是以知识为核心和人类思维行为做背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，构造各处基本知识的仿真系统，即智能仿真平台。
智能仿真技术的开发途径是人工智能（如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等）与仿真技术（仿真模型、仿真算法、仿真软件等）的集成化。
2.2多媒体仿真[1]它是在可视化仿真的基础上再加入声音，从而得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。
多媒体仿真是对传统意义上数字仿真概念内涵的扩展，它利用系统分析的原理与信息技术，以更加接近自然的多媒体形式建立描述系统内在变化规律的模型，并在计算机上以多媒体的形式再现系统动态演变过程，从而获得有关系统的感性和理性认识。
2.3频域建模方法频域建模方法就是从s域的传递函数G(s)，根据相似原理得到与它匹配的z域传递函数G(z)，从而导出其差分模型。
2.4模糊仿真方法[2]基于模糊数学，在建立模型框架的基础上，对于观测数据的不确定性，采用模糊数学的方法进行处理。
2.5蒙特卡罗仿真方法当系统中各个单元的可靠性特征量已知，但系统的可靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型，或者模型太复杂而不便应用则可用随机模拟法近似计算出出系统可靠性的预计值。
基本思想：当所求解问题是某种随机事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作为问题的解。
系统建模与仿真实验报告
系统建模与仿真实验报告系统建模与仿真实验报告1. 引言系统建模与仿真是一种重要的工程方法，可以帮助工程师们更好地理解和预测系统的行为。
本实验旨在通过系统建模与仿真的方法，对某个实际系统进行分析和优化。
2. 实验背景本实验选择了一个电梯系统作为研究对象。
电梯系统是现代建筑中必不可少的设备，其运行效率和安全性对于整个建筑物的使用体验至关重要。
通过系统建模与仿真，我们可以探索电梯系统的运行规律，并提出优化方案。
3. 系统建模为了对电梯系统进行建模，我们首先需要确定系统的各个组成部分及其相互关系。
电梯系统通常由电梯、楼层按钮、控制器等组成。
我们可以将电梯系统抽象为一个状态机模型，其中电梯的状态包括运行、停止、开门、关门等，楼层按钮的状态则表示是否有人按下。
4. 仿真实验在建立了电梯系统的模型之后，我们可以通过仿真实验来模拟系统的运行过程。
通过设定不同的参数和初始条件，我们可以观察到系统在不同情况下的行为。
例如，我们可以模拟电梯在高峰期和低峰期的运行情况，并比较它们的效率差异。
5. 仿真结果分析通过对仿真实验结果的分析，我们可以得出一些有价值的结论。
例如，我们可以观察到电梯在高峰期的运行效率较低，这可能是由于大量乘客同时使用电梯导致的。
为了提高电梯系统的运行效率，我们可以考虑增加电梯的数量或者改变乘客的行为规则。
6. 优化方案基于对仿真结果的分析，我们可以提出一些优化方案来改进电梯系统的性能。
例如，我们可以建议在高峰期增加电梯的数量，以减少乘客等待时间。
另外，我们还可以建议在电梯内设置更多的信息显示，以便乘客更好地了解电梯的运行状态。
7. 结论通过本次实验，我们深入了解了系统建模与仿真的方法，并应用于电梯系统的分析和优化。
系统建模与仿真是一种非常有用的工程方法，可以帮助我们更好地理解和改进各种复杂系统。
在未来的工作中，我们可以进一步研究和优化电梯系统，并将系统建模与仿真应用于更多的实际问题中。
8. 致谢在本次实验中，我们受益于老师和同学们的帮助与支持，在此表示诚挚的感谢。
体系的建模与仿真
体系的建模与仿真随着科学技术的迅猛发展，人类对于各种复杂的问题的理解和解决手段也越来越多样化和先进化。
体系的建模与仿真作为现代科技中的一种重要手段，已经被广泛应用于多个领域，为业界和学术界带来了诸多益处。
建模是指将一个客观、复杂的实际系统转化为一个符号化且可读的模型的过程，以便于对该系统的行为和特性进行分析、理解和预测。
建模的类型多种多样，不同的建模方法适用于不同的问题。
在一些情况下，我们可以用数学模型来描述系统；在另一些情况下，我们可以使用物理模型、手绘或者计算机生成图形等来直观地描述系统。
无论哪种方法，建模都需要采集系统数据、观察和分析系统行为、对系统进行分类归纳以及运用特定的方法和工具等多个步骤。
而建模的意义在于，它可以帮助人们对负责较大或者复杂的系统进行更为深入的分析，也可以缩短对实际系统的设计和开发时间。
通过建模，我们可以通过一定的方法、公式、算法等来提高系统的效率和性能，避免潜在的风险和错误，并对当前和未来的系统进行考察和规划等。
仿真则是建立在建模之上的一个过程，它通过模拟已建立的模型并进行大量数据分析与实验，以预测实际系统在未来各种反应和效果，并产生相关的决策建议。
随着大数据的逐渐普及，仿真技术也得到了更为广泛的应用。
通过仿真建模、运用计算机软件和硬件的计算能力，我们可以更为直观地了解系统表现和运行机制，发现和解决当前系统中的问题，对未来进行预测和规划。
总的来说，体系的建模与仿真是目前各行业中不可忽视的重要技术手段。
对建筑、航天、国防等产生重大影响的多种体系中，建模与仿真更是无所不能。
近年来，随着 AI 等现代科技的发展，人工智能领域也已经开始运用建模与仿真技术，以更好地探索未来人工智能的边界。
但需注意的是，在进行建模和仿真的过程中，我们必须充分了解所研究的问题，进行合理的假设和预测，以确保建模和API Return Code测试结果的可靠性和准确性。
系统建模与仿真课程设计
系统建模与仿真课程设计1. 引言系统建模与仿真是一门重要的工程技术，广泛应用于工业、制造、军事、医疗等领域。
系统建模与仿真旨在通过研究和模拟现有的系统，从而加以优化和改进，从而更好地满足用户需求。
本文将对系统建模与仿真课程的设计进行介绍和讨论。
2. 课程目标本课程旨在通过教学和实践，让学生掌握系统建模和仿真的基本原理和方法，能够利用建模工具进行系统的建模、仿真和分析，从而提高工程技术能力。
3. 课程内容本课程包含以下内容：3.1 系统建模基础主要介绍系统建模的基本概念、方法和应用场景，包括：•系统和子系统的定义，如何确定系统边界和系统需求•系统建模的分类和目的，如何选择适合的建模方法•系统建模的过程和工具，如何进行系统建模和从建模数据中获取信息•系统建模的质量和评估，如何保证模型正确性和可靠性3.2 系统仿真基础主要介绍系统仿真的基本概念、方法和应用场景，包括：•仿真的分类和应用，如何用仿真方法解决复杂问题•仿真的过程和工具，如何进行仿真实验和获取仿真结果•仿真结果的评估和分析，如何对仿真结果进行统计分析和数据挖掘3.3 系统建模与仿真综合案例通过实践项目解决实际问题，包括：•给定特定问题场景，学生需要自行选择建模方法，构建系统模型，并进行仿真与分析•进行查找资料、设计方案，完善仿真模型、仿真结果分析和出报告等工作4. 教学方法本课程采用“理论讲解与实践结合”的教学方式，主要采用以下教学方法：4.1 讲授理论分析系统建模与仿真理论，关注实用性和应用场景，让学生了解基本概念、方法和工具。
4.2 课程实践使用典型工具进行实践，让学生掌握软件的操作流程，学会练习建模和仿真实验，并了解数据分析的基本方法。
4.3 案例分析以课程案例为例，分析系统建模与仿真的具体实施步骤，让学生了解如何进行系统建模和仿真实验。
5. 实践项目本课程要求学生完成一项实践项目，主要包括以下内容：•根据题目要求，学生需要自行选择建模方法，构建系统模型，并进行仿真与分析•进行查找资料、设计方案，完善仿真模型、仿真结果分析和出报告等工作实践项目将占据本课程总成绩的50%以上，是课程的重要组成部分。
系统建模与仿真概述
仿真语言
专用的仿真语言，如GPSS、Simscript、SLAM以及SIMAN，它们为大多数人使 用的各类仿真提供了一个更好的框架。然而，人们还需要花费相当多的时间来学 习这些仿真语言的特征及如何有效的使用它们，而且，使用者还必须面对其可可 、严格的语法要求。
高级仿真器
很多针对各种系统的高级仿真器，例如将在第 2章介绍的Witness、Arena等。这 些软件在图形界面更易于理解，语法结构简单易于理解，使得仿真不再需要很高 深的计算机编程技术。
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2.2 如何实施仿真
②简单性
从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略了一些次要因素和某些 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。 一般来说，在实用的前提下，模型越简单越好。
③多面性
对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要收集 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，对同一个系统可以产生相应于不同层次的多种模型。
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2.1 系统仿真的定义
不可或缺的角色。
Simulation
（1）静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着
在2.2 节介绍的浦丰投针问题就属于静态仿真，其中没有时间要素。 而实际系统仿真所模拟的对象多数是动态系统，例如对银行营业厅顾客 服务效率的仿真，顾客的到达是同时间相关的，在不同时刻，顾客到达 速率可能不同，队列队长可能不同，柜台开放数量可能不同等。 （2）连续和离散： 在连续模型中，系统状态虽时间连续变化，例如水库蓄水量、放水量以 及出现降水和蒸发时水位的变化即属此类。 而在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化，例如在制造系 统中，零件会在特定的时间到达和离开，机器会在特定的时刻出现故障 和被修复，工人会在特定的时间开始休息和复工。
系统建模与仿真概述
系统建模与仿真概述System Modeling and Simulation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［市场部I I采购部仓储部销售部I14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。
系统建模与仿真-第3章 系统仿真方法与技术
3.4 系统仿真技术的应用
3.4.5 仿真技术在CIMS中的应用
(1)CIMS的需求分析仿真 (2)CIMS的设计仿真 (3)CIMS的仿真测试 (4)CIMS运行与维护的仿真支持
3. 5 系统仿真技术的特点
(1)安全性 (2)经济性 (3)可重复性
Add Your Company Slogan
3.2 系统仿真技术的分类
2.根据仿真计算机类型分类
根据所使用的仿真计算机类型也可将仿真分为三类： （1）模拟计算机仿真； （2）数字计算机仿真； （3）数字模拟混合仿真。
3.2 系统仿真技术的分类
3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类
实际动态系统的时间基称为实际时钟。而系统仿真时模 型所采用的时钟称为仿真时钟。根据仿真时钟与实时时 钟的比例关系，系统仿真分类如下： (1)实时仿真。 (2)亚实时仿真。 (3)超实时仿真。
3.4 系统仿真技术的应用
3.4.4 仿真在产品开发及制造过程中的应用
设计人员或用户甚至可“进入”虚拟的制造环境检验其 设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反 复修改。这样使得产品开发走出主要依赖于经验的狭小天地 ，发展到了全方位预报的新阶段。下图简要表示了虚拟制造 与实际制造的联系与区别。
(5) 试验时间太长、费用太大或者有危险等。
3.4 系统仿真技术的应用
3.4.3 仿真在教育与训练中的应用
训练仿真系统是利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显 示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适 应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员 的系统。 根据模拟对象、训练目的，可将训练仿真系统分为三大类： (1)载体操纵型：这是与运载工具有关的仿真系统，包括航空 、航天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为 主要目的。 (2)过程控制型用于训练各种工厂(如电厂、化工厂、核电站 、电力网等)的运行操作人员。 (3)博弈决策型用于企业管理人员(厂长、经理)、交通管制人 员(火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等)和军 事指挥人员(空战、海战、电子战等)的训练。
了解MATLABSimulink进行系统建模与仿真
了解MATLABSimulink进行系统建模与仿真MATLAB Simulink是一款功能强大的工具，专门用于系统建模和仿真。
它可以帮助工程师和科研人员设计复杂的系统、开展仿真分析，并支持快速原型设计和自动生成可执行代码。
本文将详细介绍MATLAB Simulink的基本概念、系统建模与仿真流程，以及其在各个领域中的应用。
第一章：MATLAB Simulink简介MATLAB Simulink是MathWorks公司开发的一款图形化建模和仿真环境。
它包含了一系列模块，可以通过简单地拖拽和连接来模拟和分析复杂的系统。
Simulink中的模块代表不同的系统组件，例如传感器、执行器、控制器等。
用户可以通过连接这些模块来构建整个系统，并通过仿真运行模型以评估系统的性能。
第二章：系统建模基础系统建模是使用Simulink进行系统设计的关键步骤。
在建模之前，需要明确系统的输入、输出和所涉及的物理量。
Simulink提供了广泛的模块库，包括数学运算、信号处理、控制等，这些模块可以方便地应用到系统中。
用户可以选择合适的模块，并通过线连接它们来形成系统结构。
此外，Simulink还支持用户自定义模块，以满足特定的需求。
第三章：MATLAB与Simulink的联合应用MATLAB和Simulink是密切相关的工具，它们可以互相配合使用。
MATLAB提供了强大的数学计算和数据分析功能，可以用于生成仿真所需的输入信号，以及分析仿真结果。
同时，Simulink也可以调用MATLAB代码，用户可以在模型中插入MATLAB函数块，以实现更复杂的计算和控制逻辑。
第四章：系统仿真与验证系统仿真是利用Simulink来验证系统设计的重要步骤。
通过设置仿真参数和初始条件，用户可以运行模型来模拟系统的行为。
仿真可以包括不同的输入场景和工况，以验证系统在不同条件下的性能和稳定性。
Simulink提供了丰富的仿真分析工具，例如波形显示器、频谱分析等，可以帮助用户分析仿真结果并进行必要的调整。
复杂系统的建模与仿真
复杂系统的建模与仿真引言复杂系统是由多个相互联系和相互作用的组件或元素组成的系统。
这些组件的行为和关系非常复杂，导致整个系统的行为难以直接观察和理解。
在现实生活中，我们经常面对各种复杂系统，例如天气系统、经济系统、生态系统等。
为了更好地理解和分析这些系统，我们需要使用建模和仿真的方法来研究和预测它们的行为。
复杂系统建模复杂系统建模是将复杂系统抽象成数学模型或计算机模型的过程。
建模可以帮助我们理解系统的基本组成部分、相互作用关系以及系统的整体行为。
建模的过程可以分为以下几个步骤：1.定义系统边界：首先要明确定义系统边界，确定分析的范围和所关注的内容。
系统边界的确定有助于简化问题，同时确保建模的有效性和可行性。
2.识别系统组成部分：然后需要识别系统中的各个组成部分，包括元素、组件或实体。
这些组成部分可以是物理实体、抽象概念或逻辑模块等。
3.建立元素之间的关系：接下来，需要考虑和描述系统中元素之间的相互作用关系。
这些关系可以表示为网络、图表、方程组等形式，以便更好地模拟系统的行为和动态变化。
4.确定输入和输出：在建模过程中，还需要明确系统的输入和输出。
输入是指影响系统行为的外部因素，输出则是系统对输入的响应或结果。
5.选择合适的数学工具和方法：最后，需要选择合适的数学工具、方法和技术来描述和分析系统的行为。
这些工具和方法可以是微分方程、概率统计、图论等，根据系统的特点和需求选择合适的方法。
复杂系统仿真复杂系统仿真是通过计算机模拟的方式来模拟和预测复杂系统的行为。
仿真可以帮助我们理解和优化系统的性能、预测系统的未来行为以及评估不同决策对系统的影响。
仿真的过程可以分为以下几个步骤：1.确定仿真目标：首先要明确仿真的目标和目的，例如预测系统的行为、优化系统的性能、评估系统的可靠性等。
确定仿真目标有助于指导仿真的过程和选择合适的仿真方法。
2.建立仿真模型：接下来，需要根据系统的建模结果，建立相应的仿真模型。
仿真模型可以是基于物理模型、数学模型、统计数据等。
系统建模与仿真的基本原理
系统建模与仿真的基本原理1.系统建模系统建模是将实际系统抽象成数学模型的过程。
通过对系统的功能、结构和行为进行描述，将复杂的系统问题转化为可计算的数学关系。
常用的系统建模方法有结构建模和行为建模。
结构建模主要利用图论、数据流图等方法表达系统内部组成和连接关系；行为建模则主要利用差分方程、状态方程等方法描述系统的运行规律和动态特性。
系统建模的目标是简化和抽象，将系统的本质特征提取出来，为进一步仿真和分析提供基础。
2.仿真实验设计仿真实验设计是制定仿真实验方案的过程。
在具体仿真问题中，根据问题的性质和要求，选择合适的仿真方法和实验设计策略。
仿真实验设计包括仿真实验的目标确定、输入输出变量的定义、仿真参数的设置等。
对于复杂系统，可以通过分层设计、正交试验设计等方法来降低仿真实验的复杂度和耗时。
仿真实验设计是进行仿真的基础，其设计好与否直接影响到仿真结果的准确性和可靠性。
3.仿真运行与分析仿真运行与分析是通过计算机执行仿真模型，模拟系统的运行过程，并对仿真结果进行评价和分析。
仿真运行过程中，需要根据实验设计设置的输入条件，对模型进行参数初始化，并模拟系统的行为和性能变化。
仿真运行的核心是利用计算机处理模型的数学关系和逻辑关系，计算系统的状态和输出结果。
仿真过程的准确性和效率与模型的构建和算法选择密切相关。
4.模型验证与参数优化模型验证与参数优化是根据仿真结果的准确性和实际需求，对系统模型进行验证和优化的过程。
模型验证是通过与实际观测数据比较，评价模型对真实系统行为的描述能力。
模型验证的方法包括定性验证和定量验证。
参数优化是通过对模型参数进行调整，使得模型与实际系统更加一致。
参数优化常用的方法有优化算法、参数拟合和灵敏度分析等。
模型验证和参数优化是迭代和不断改进的过程，通过不断优化模型，提高模型的可信度和预测能力。
总之，系统建模与仿真是系统工程中用于分析和优化系统性能的重要手段。
通过建立数学模型，仿真模拟系统行为和性能变化，可以帮助我们深入理解系统的本质特征，预测系统未来的行为，并评估不同决策对系统性能的影响。
系统建模与仿真
系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。
系统是指相互联系又相互作用的对象的有机组合。
系统的划分：非工程系统是指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。
工程系统是指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种子段构造而成的系统。
模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。
系统模型可以定义为：为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系统有关信息的实体。
建模需要完成两方面内容一是建立模型结构；二是提供数据。
模型分类：实物模型、图示模型、计算机（模拟）模型、数学模型系统模型结构的性质：①相似性②简单性③多面性仿真是对现实世界的过程或实际系统随时间运行的模仿。
系统、模型与仿真三者之间有着十分密切的关系，系统是研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包含建立模型及对模型进行试验两个过程。
计算机（系统）仿真包括三个要素，即系统、模型和计算机。
系统仿真的分类系统仿真根据模型不同，可以分为物理仿真、数学仿真和物理—数学仿真（半实物仿真）；根据计算机的类别，可以分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；根据系统的特性；可以分为连续系统仿真、离散时间系统（采样系统）仿真和离散事件系统仿真；根据仿真时钟与实际时钟的关系，可以分为实时仿真、欠实时仿真和超实时仿真等。
静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着不可或缺的角色。
在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化没有随机输入的模型为确定性模型，严格预约时间与固定服务时间的运作过程即属此类。
在随机模型中，至少存在一部分随机输入，例如在银行中，顾客的到达时间与服务时间都是随机变化的。
用通用语言编程进行仿真手工进行仿真通用程序语言（Fortran，C）来编写写计算机程序用以对复杂的系统进行仿真。
还开发出了各种支撑软件包用于帮助完成各种例行程序，例如表处理、模拟时间的跟踪以及统计记录等。
系统建模与仿真
若从系统仿真研究的需要出发，模型还可做 如下分类： （1）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 在随机性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。
（2）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 ，可用微分方程来描述其状态变化的，称为连续型 模型。
系统研究的一般方法
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
模型的性质
一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质： （1）相似性：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“原型”与“替身”之间具有相似的物理属性或数学描 述。 （2）简单性：从实用的观点来看，由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。 （3）多面性：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 以产生相应于不同层次的多种模型。
仿真系统：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件。
仿真技术：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术。 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、自动控制、 系统工程等多个高技术领域的知识。
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先验 知识
先验 知识
演绎分析
演绎分析 目 标 协 调 归 纳 程 序
目的 目 标 协 调
框架定义 归 纳 程 序 试验 数据
目的
模型构造
试验 数据
结构特征化
参数估计
可信性分析
可信性分析
最终模型
最终模型
建模过程总框图
建模过程的框架表示
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1.5 系统仿真
1.5.1 仿真的依据 1.5.2 仿真的定义 1.5.3 系统仿真的必要性 1.5.4 系统仿真技术的发展 1.5.5 系统仿真的分类 1.5.6 仿真的一般步骤 1.5.7 仿真技术的应用 1.5.8 仿真的特点
2. 系统仿真三要素和3项基本活动
系统仿真体系
√
面向过程仿真 连续系统仿真 采样控制系统仿真
√
定量仿真
离散事件系统仿真 面向对象仿真 数学仿真 面向对象建模与仿真
系 统 仿 真 数学物理仿真
定性仿真
定性仿真
半实物仿真 分布交互仿真
物理仿真
仿真置信水平评估
课程主要内容
第1章 绪论
第2章 系统的数学描述
第3章 连续系统的建模与仿真
第4章 采样控制系统的建模与仿真 第5章 基于系统辨识的建模方法
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1.5.2 仿真的定义
1. 仿真二字，顾名思义，是指模仿真实事物的意 义。 比较有代表性的定义有如下几个：
a. 1961 年 ， 摩 根 扎 特 （ Morgenthater ） 首 次 对 “仿真”进行了技术性定义：即“在实际系统 尚不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。 b. 1984年，奥伦（Oren）在给出了仿真的基本概 念框架“建模－实验－分析”的基础上，提出 了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被 认为是现代仿真技术的一个重要概念。
④ 思维相似 思维是人脑对客观世界反映在人脑中的信息进 行加工的过程。 人的思维方式包括逻辑思维和形象思维，在模 拟人的行为的仿真实验中，应遵循思维相似的原则。 逻辑思维相似主要是应用数理逻辑、模糊逻辑 等理论，通过对问题的程序化，应用计算机来仿真 人的某些行为，例如：专家系统、知识库、企业管 理ERP等。 形象思维相似主要是应用神经网络等理论来模 拟人脑所固有的大规模并行分布处理能力，以模拟 人的瞬时完成对大量外界信息的感知与控制的能力。
1.5 系统仿真
1.1 系统
1.1.1 系统定义
1.1.2 系统三要素
1.1.3 系统的分类
1.1.1 系统定义
系统是由相互联系、相互制约、互相依存的若干组 成部分结合在一起形成的具有特定功能和运动规律 的有机整体。
1.1.2 系统三要素
一个系统以特有的表征和内在特性而区别于其他系 统，这主要是由构成系统的四方面内容确定的： • 实体：系统是实体的集合。所谓实体是指组成系统 的具体对象。 • 属性：组成系统的实体具有一定的属性。所谓属性 是指实体所具有的全部有效特性。
与所讨论的系统的特性有关
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1.4 数学建模方法学
1.4.1 建模过程的信息源 1.4.2 建模的途径 1.4.3 建模的一般原则 1.4.4 建模的一般过程
1.4.5 模型文档
1.4.1 建模过程的信息源
目的
先验 知识
建模过程
试验 数据
数学模型
数学建模的信息源
① 目标和目的 一个数学模型事实上是对一个真实过程给出一 个非常有限的映象。同一个实际系统可以有很 多研究目的，不同的研究目的将规定建模过程 不同的方面。 ② 先验知识 建模过程是从以往的知识源出发进行开发的。 ③ 试验数据 在进行建模时，关于系统的信息也能通过对系 统的试验与量测而获得。合适的定量观测是解 决建模的另一个途径。
为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进 行试验，可以分为两大类：在真实系统上进行； 构造模型并用模型试验来代替在系统上的实验。 后者必不可少，原因有四：
① 系统还处于设计阶段，真实系统尚未建立， 需要了解未来系统的性能，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破坏或发 生故障，如处于运行状态的化工系统、电力 系统、火箭系统等； ③ 系统无法恢复，如经济系统，新政策出台， 经过一段时间才能看出效果，若造成损失已 经无法挽回了； ④ 试验条件无法保证，如多次试验，难以保证 每次试验条件相同，或试验时间太长、或费 用昂贵。
第6章 虚拟现实与系统仿真
第1章 绪论
主要内容： 1.系统的定义、分类 2.模型的定义、分类 3.数学模型的定义、分类 4. 数学建模方法学（信息源、途径、原则、 过程） 5. 系统仿真的依据、定义、分类、一般步骤、 应用、特点
主要内容
1.1 系统 1.2 模型 1.3 数学模型
1.4 数学建模方法学
1.4.3 建模的一般原则
① 简单性 在实用的前提下，模型越简单越好。 ② 清晰性 在子模型之间除为了研究目的所必须的信息联系 外，互相耦合要尽可能少，结构要尽可能清晰。 ③ 相关性 模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些 信息。 ④ 准确性 信息源的准确性，假设的正确性
1.4.3 建模的一般原则
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1.2 模型
1.2.1 模型定义
1.2.2 系统建模—why？
1.2.3 模型分类
1.2.1 模型定义
模型（ Model ）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。
1.2.2 系统建模-why?
1.4.2 建模的途径
① 机理建模法/分析法/演绎法/理论建模 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。 ② 实验建模法/测试法/归纳法/系统辨识/ 系统的动态特性必然表现在变化的输入输出数据 中，通过测取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/混合法 将分析法与测试法互相结合的一种建模方法。
1.4.4 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。
1.4.5 模型文档
模型文档是根据一定的 规范对模型的文字描 述。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、清晰地了解模型的结构、功能、使用方法 和适用范围，而不必重复建模者的所有工作。
前言
课程的重要性： 1.科学研究的重要手段： 理论研究； 科学实验； 仿真技术。 特点：安全性、经济性、可重复性 2.应用范围广； 3.课程发展与现状： 正在向一级学科发展； 很多学校招收仿真方向的硕博士研究生； 军队院校设立仿真工程本科专业； 本部：航天学院控制与仿真中心，从事军用仿 真非标准设备，军/民用仿真控制系统的研制
扰动 温度给定值 比较器 温度偏差 调节器 电压 电炉 温度
实际温度 温度计
电炉温度调节系统
经理部
市场部
采购部
仓储部
销售部
商品销售系统
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1.1.3 系统的分类
线性系统 工程系统 系统特性 非工程系统 定常系统 连续系统 状态随时间的变化 离散事件系统 白色系统 对系统内部特性的了解程度 黑色系统 灰色系统 系统的物理结构和数学性质 集中参数系统 分布参数系统 单输入单输出系统 多输入多输出系统 小系统 简单系统 系统内子系统的关联关系 复杂系统 巨系统 子系统的数量 大系统 时变系统 非线性系统
c. 综合国内外学者对仿真的定义，可以对系统仿 真做如下定义： 系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息 处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计 算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系 统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助 专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结 果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合 性的试验性科学。 综上所述，系统、模型和仿真三者之间有着密 切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的 抽象，仿真则是通过对模型进行实验以达到研 究系统的目的。
⑤ 生理相似 为了有效地对人体本身进行模拟，以推进现代 医学、生物学、解剖学等的发展，生理相似理论已 有长足的发展（如人体生理系统数学模型 Human ），但是，由于人体生理系统是一个十分 复杂的系统，甚至还有许多机理至今尚未搞清楚， 所以生理相似理论还不完善，这也是当今仿真技术 中一个重要的交叉学科。 对整个人体进行分解研究是一种较为有效的办 法。首先分系统、分器官，逐个进行建模，然后将 各个部分通过通过输入 / 输出联系起来构成整个人 体系统。
1.5.1 仿真的依据
1. 相似 是指各类事物间某些共性的客观存在。 2. 相似性原理： 是系统仿真学科最主要的基础理论之一。就是 按某种相似方式或相似原则对各种事物进行分 类，获得多个类集合；在每一个类集合中选取 一个具体事物并对它进行综合性的研究，获取 有关信息、结论和规律性的东西；这种规律性 的东西可以方便地推广到该集合的其他事物中 去。
系统建模体系
√
理论建模 离散事件系统建模方法 概念建模 随机变量模型建模方法 连续系统建模方法
定量建模 系 统 建 模
√
实验建模
基于系统辨识的建模方法 基于人工神经网络的建模方法 基于灰色系统理论的建模方法
数学建模
定性建模
定性建模方法
基于系统动力学的建模方法 定性定量建模 基于层次分析法的建模方法 基于Agent的行为建模方法
⑤ 可辨识性
系统的模型必须有确定的描述或表示方式， 而在这种描述方式下与系统性质有关的参数 必须是唯一确定的解。 ⑥ 集合性
建立模型还需要进一步考虑的一个因素，是 能够把一些个别的实体组成更大实体的程 度。例如，对防空导弹系统的研究，除了能 够研究每枚导弹的发射细节和飞行规律之 外，还可以综合计算多枚导弹发射时的作战 效能。