第01讲 系统建模与仿真概述
系统建模和仿真概述
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Байду номын сангаас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。
1.1 系统与模型
3. 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:
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
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 往往又是随机的系统。 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
按照系统物理结构和数学性质分类:
1.1 系统与模型
3. 系统的分类 按照系统内子系统的关联关系分类
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
1.1 系统与模型
1.1.1 系统 1. 系统的广义定义： 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。
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
1
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
2
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。
生产系统建模与仿真课件第1章仿真概述
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1.3 系统建模与仿真的发展趋势
3 发展趋势
总体而言，计算机仿真技术正朝一体化建模与仿真环境的方 向发展，其主要热点为： 面向对象仿真：从人类认识世界的模式出发，提供更自然、 更直观、具有可维护性和可重用性的系统仿真框架； 定性仿真：以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和 结构输出,研究系统的定性行为,突破传统定量仿真的局限； 智能仿真：把以知识为核心和人类思维行为为背景的智能技 术，引入建模与仿真过程； 分布式仿真：通过计算机网络将分散在不同地点的仿真设备 互联，构成时间和空间相耦合的虚拟仿真环境；
系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。
• 1978年Korn在《连续系统仿真》一述中将仿真定义为“用能 代表所研究的系统的模型做实验”。 • 1984年Oren提出“仿真是一种基于模型的活动”，被认为是 现代仿真技术的一个重要概念。
• 基本共同观点是：仿真是基于模型进行的。
• 仿真是对真实世界的模拟。
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1.2 流行仿真软件简介
4 RaLC(乐龙)
乐龙软件由日本人工智能服务有限公司开发，完全中文化 界面，点击按钮即可在三维立体画面上显示出的对象物体，通 过对这些对象物体的配置来进行设计，对各个对象物体的形状 和规格，即使在仿真执行中也很容易可设置其属性。可以非常 直观且简单的建模。用户独创性机器设备可以与模型整合。人 工作业功能的作业管理器也可以说是杰作，如，对于“分拣、 验货、包装、搬运” 等一系列作业，用户既可以让多数人来 分担，又可以使工人互相协助;或设定作业优先度等。仅仅选 用内设菜单选项即可简单完成这些复杂的作业运行，不需要任 何复杂编程，且附带有能自动生成最短行进路径的智能化功能。
第1章系统建模与仿真技术
生态系统仿真——生物圈 号 生态系统仿真 生物圈2号 生物圈
48
1.4 系统建模与仿真技术的发展趋势 (1)建模方法学 建模方法学(Modeling Methodology, MM)： 建模方法学 ： 研究能够充分利用计算机功能的新的建模方法。 研究能够充分利用计算机功能的新的建模方法。 (2)面向对象仿真 面向对象仿真(Object-Oriented Simulation, 面向对象仿真 OOS)：提供更自然直观且具可维护性和可重用性 ： 的系统仿真框架。 的系统仿真框架。 (3)定性仿真 定性仿真(Qualitative Simulation, QS)：定性 定性仿真 ： 仿真力求非数字化， 仿真力求非数字化，通过定性模型推导系统定性 行为描述。 行为描述。
33
1.3.1.6 复杂系统建模与仿真
对于包含非线性、时变性、不确定性、 对于包含非线性、时变性、不确定性、不稳定性 等的复杂系统目前主要有两类研究： 等的复杂系统目前主要有两类研究： 一是研究演化动力学的机理，如复杂适应系统， 一是研究演化动力学的机理，如复杂适应系统， 人工生命，遗传算法， 人工生命，遗传算法，演化算法和建模等 一是研究具体对象的建模与仿真应用， 一是研究具体对象的建模与仿真应用，对系统的 演化过程则通过人机结合与交互， 演化过程则通过人机结合与交互，实现模型的修 正与演化，如系统动力学、综合集成方法等 。 正与演化，如系统动力学、
系统建模与仿真讲义
通过实验或经验数据，确定数学模 型的参数值。
03
02
建立数学模型
根据系统特性，选择合适的数学模 型描述系统的动态行为。
模型验证与修正
对建立的数学模型进行验证，并根 据实际需求进行必要的修正。
04
仿真实验设计与分析
实验方案设计
根据仿真目标，设计合理的实验方案，包括 实验条件、输入输出等。
概率模型
概率分布
概率分布是描述随机事件发生可能性的数学工具，常见的概率分布有二项分布、 泊松分布、正态分布等。
随机过程
随机过程是描述一系列随机事件随时间变化的模型，例如马尔科夫链和泊松过程 等。
03
系统仿真基础
仿真模型的建立与实现
01
确定系统边界
明确仿真目标，确定系统边界，将 系统划分为可管理的子系统。
系统建模与仿真讲义
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目录
• 系统建模概述 • 数学建模基础 • 系统仿真基础 • 仿真技术的应用 • 系统建模与仿真的挑战与未来
发展
01
系统建模概述
定义与目的
定义
系统建模是对真实系统进行抽象、简 化和描述的过程，通过数学、逻辑和 图形等工具来表示系统的结构、行为 和性能。
目的
系统建模的目的是为了更好地理解、 分析和预测系统的行为，为系统设计 、优化和控制提供依据。
模型改进
根据性能优化需求，对数学模型进行改进，提应用于实际系统设计、分析和优化中，发挥仿真的价值和作用。
04
仿真技术的应用
工业系统仿真
总结词
工业系统仿真通过模拟工业生产过程，帮助企业优化生产流程、提高生产效率和降低成本。
详细描述
工业系统仿真通过对生产线的布局、工艺流程、设备运行等进行模拟，发现潜在的问题和瓶颈，为企 业提供改进方案。同时，仿真技术还可以用于新产品开发和设计阶段，预测产品的性能和可行性。
第一章建模与仿真的基本概念
第 1 章建模与仿真的基本概念1.1 引言1.1.1 建模与仿真的作用和历史发展1、建模：利用数学手段或其他方法对事物或真实世界进行描述。
2、建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容，建模与仿真技术也渗透到各个学科和工程技术领域。
1.1.2 建模活动建模活动是具有特殊形式的人与外界的相互作用，它是有两个不同的步骤组成：1、模型的建立或形式化，产生出一个现实世界系统的模型，它是人类通过一种抽象的表示方法以获得对自然现象的充分理解；2、对形式化模型进行分析与利用，以便掌握如何按照人类的意志对现实系统进行控制。
1.1.3计算机仿真1、复杂模型的求解。
2、优越性：（1 ）可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；（2 ）可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；（3 ）可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的资源和费用。
1.2建模与仿真的基本概念1.2.1建模与仿真的定义建模与仿真是构成现实世界实际系统的模型和在计算机上进行仿真的有关复杂活动。
它主要包括实际系统、模型和计算机三个部分。
实际系统模型仿真计算机图1.1建模与仿真的基本组成与两个关系建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系；仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系。
1.2.2 实际系统包括三要素：实体、属性和活动。
1.2.3模型与建模关系1、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描述信息。
2、系统模型的结构性质：（1）相似形。
模型与真实系统间在属性上具有相似的特性和变化规律。
（2）简单性。
实用的前提下，模型越简单越好。
（3）多面性。
由许多实体组成的系统来说，由于其研究的目的不同，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，对同一个系统可以产生相应于不同层次的多种模型。
3、模型的有效性（1）复制有效：在输入输出数据是相匹配的，就认为模型是复制有效。
系统建模与仿真学习概述
系统建模与仿真学习概述1 系统建模方法1.1机理模型法采用由一般到特殊的推理演绎方法，对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理分析简化而建立起来的描述系统各物理量动、静态变化性能的数学模型。
使用该方法的前提是对系统的运行机理完全清楚。
建模步骤如下：1) 分析系统功能、原理，对系统作出与建模目标相关的描述；2) 找出系统的输入变量和输出变量；3) 按照系统（部件、元件）遵循的物化（或生态、经济）规律列写出各部分的微分方程或传递函数等；4) 消除中间变量，得到初步数学模型；5) 进行模型标准化；6) 进行验模（必要时需要修改模型）。
1.2实验建模法采用由特殊到一般的逻辑、归纳方法，根据一定数量的在系统运行过程中实测、观察的物理数据，运用统计规律、系统辨识等理论合理估计出反应实际系统各物理量相互制约关系的数学模型。
实验统计建模方法使用的前提是必须有足够正确的数据，所建的模型也只能保证在这个范围内有效。
足够的数据不仅仅指数据量多，而且数据的内容要丰富（频带要宽），能够充分激励要建模系统的特性（1）频率特性法通过实验方法测得某系统的开环频率响应，来建立该系统的开环传递函数模型（2） 系统辨识法a. 就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定一个与所测系统等价的模型。
“数据、假设模型、准则”是系统辨识建模过程中的“三要素”b. 实验数据的平滑处理—插值与逼近所谓“插值”，就是求取两测量点之间“函数值”的计算方法，常用的有“线性插值”和“三次样条插值”。
c. 实验数据的统计处理—最小二乘法要求是某给定函数类H 中的一个函数，并要求 能使 与的差的平方和相对于同一函数类中的其他函数而言是最小的。
1.3综合建模法当对控制的内部结构和特性有部分了解，但又难以完全用机理模型的方法表述出来，这是需要结合一定的实验方法确定另外一部分不甚了解的结构特性，或是通过实际测定来求取模型参数。
这种方法是机理模型法和统计模型法的结合，故称为混合模型法。
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。
系统建模与仿真学习概述
系统建模与仿真学习概述1 系统建模方法1.1机理模型法采用由一般到特殊的推理演绎方法，对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理分析简化而建立起来的描述系统各物理量动、静态变化性能的数学模型。
使用该方法的前提是对系统的运行机理完全清楚。
建模步骤如下：1) 分析系统功能、原理，对系统作出与建模目标相关的描述；2) 找出系统的输入变量和输出变量；3) 按照系统（部件、元件）遵循的物化（或生态、经济）规律列写出各部分的微分方程或传递函数等；4) 消除中间变量，得到初步数学模型；5) 进行模型标准化；6) 进行验模（必要时需要修改模型）。
1.2实验建模法采用由特殊到一般的逻辑、归纳方法，根据一定数量的在系统运行过程中实测、观察的物理数据，运用统计规律、系统辨识等理论合理估计出反应实际系统各物理量相互制约关系的数学模型。
实验统计建模方法使用的前提是必须有足够正确的数据，所建的模型也只能保证在这个范围内有效。
足够的数据不仅仅指数据量多，而且数据的内容要丰富（频带要宽），能够充分激励要建模系统的特性（1）频率特性法通过实验方法测得某系统的开环频率响应，来建立该系统的开环传递函数模型（2） 系统辨识法a. 就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定一个与所测系统等价的模型。
“数据、假设模型、准则”是系统辨识建模过程中的“三要素”b. 实验数据的平滑处理—插值与逼近所谓“插值”，就是求取两测量点之间“函数值”的计算方法，常用的有“线性插值”和“三次样条插值”。
c. 实验数据的统计处理—最小二乘法要求是某给定函数类H 中的一个函数，并要求 能使 与的差的平方和相对于同一函数类中的其他函数而言是最小的。
1.3综合建模法当对控制的内部结构和特性有部分了解，但又难以完全用机理模型的方法表述出来，这是需要结合一定的实验方法确定另外一部分不甚了解的结构特性，或是通过实际测定来求取模型参数。
这种方法是机理模型法和统计模型法的结合，故称为混合模型法。
机电系统建模与仿真-1概述讲解
原计划发 仿真后实
射
发
爱国者 141
101
罗兰特 224
95
尾刺
185
114
节省导弹
40 129 71
节省费用（单位：千万美 元）
8．0 4．2 2．5
例4 世贸大厦倒塌的结构问题
例5 ADAMS/CAR中建立的整车模型
• 仿真的类型： 物理仿真——基于物理模型的仿真 数学仿真——基于数学模型的仿真 半物理仿真——一部分数学模型、一部分物理模型
系统开发的需要； 经济上的考虑； 安全上的考虑； 时间上的考虑； 仿真模型具有易操作、易理解的特点， 使用它便于多方案分析比较。
例1 电视机抗跌落分析
MATLAB的计算结果
为设计工程师提供结构改 进及包装设计的理论依据
• 例2、气囊弹射速度确定 （1997年，美国）原来220英里/小时，在加拿大一年统
复合结构级 系统一般由若干个分系统组成，对每个分系统都给出行为级描 述，被视为系统的一个“部件”。这些部件有其本身的输入、输出 变量，以及部件间的连接关系和接口。据此可建立系统在复合结构 级（分解结构级）上的数学模型。灰箱 这种复合结构级描述是复杂系统和大系统建模的基础。 5.1 数理方法 分析系统结构原理，定义系统变量→将物理定律应用于系统各 组成元件，并进行综合得到描述输入-输出关系的（微分）方程式 →模型验证（实验验证）。
4.2 仿真在机电系统设计中的作用
• 仿真的定义 仿真是指对现实系统某一层次抽象属性的模仿。其基本思
想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求 对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。
计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机 对系统进行分析与研究的方法。
系统建模与仿真 第一章
2
第一章 绪 论
1.1 仿真技术的产生与发展
系统仿真可以被理解为在对一个已经存在或尚不存在但正在开发的 系统进行研究的过程中，为了了解系统的内在特性，必须进行一定的实 验；而由于系统不存在或其它一些原因，无法在原系统上直接进行实 验，只能设法构造既能反映系统特征又能符合系统实验要求的系统模 型，并在该系统模型上进行实验，以达到了解或设计系统的目的。 三个要素：系统，系统模型和实验。系统是问题的本源，是系统分 析的目的；实验是解决问题达到目的的手段；系统模型则是连接系统和
SDI supply chain 以及Witness。
Witness ：该软件提供离散事件仿真。该软件具备的多种工具使得
对自动化制造系统进行仿真非常容易。周转时间、损坏模式和定时，调整模
式和定时，缓冲设备容量和保存时间，机器类型等连同路径信息都为仿真提 供了方便性。该软件还包括物料流动优化，虚拟现实功能，有效地物流流动
尽而完整的描述，使设计结构能够达到进行试验和投产决策的程度。
仿真技术主要用于方案的评价和选择。
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Hale Waihona Puke 在初步设计阶段：1）在新车间中的生产的产品类型和数量能否满足用户要求？ 2）产品质量和精度能否满足要求？ 3）新车间的效率和投资回收率是否合理？ 细节设计阶段： 1）在制造主零件时，车间中主要加工设备是否能够得到充分的利 用？负载是否比较平衡？ 2）物料处理系统是否能够和车间的柔性程度相适应？ 3）新车间的整体布局是否能够满足生产调度的要求？ 是否具有一定 的可重购能力？ 4）在发生事故时，车间生产系统是否能够维持一定程度的生产能力？
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1.2.3 计算机仿真在制造车间运行中的应用
1）选择进入FMS (Flexible Manufacture System)的工件； 2）为工件加工选择加工路线；
第01讲系统建模与仿真概述
2.1 系统仿真分类
• （3）确定和随机：
• 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。 • 一个模型中也可以同时包括确定的和随机的输入成分，哪些属于确定因素、哪些 属于随机因素是建模时要考虑的重要问题。
ˆ 在 n 次中出现的频率。假如我们取 f n ( A ) 作为 p P ( A ) 的估计，即 p f n ( A ) 。
然后取 ˆ
2l afn ( A)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ˆ 作为 的估计。根据大数定律，当 n 时， p f n ( A ) p .
a .s .
从而有 ˆ
• 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。
2.2 如何实施仿真
• 手工进行仿真
• • • • 蒲丰实验 利用通用程序语言（Fortran，C）来编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。 优点：具有很高的灵活性，易于定制功能，不论是模型结构还是仿真运行操作方面。 缺点：由于每次建模时都要编写大量代码，因此极为枯燥和痛苦，而且容易出错；而且即使需 要对模型进行一点变动，也会花费相当多的时间重新建模。 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苛刻、严格的语法要求。 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。
系统建模与仿真第一章.
亚实时仿真
实时仿真
超实时仿真
20
《系统建模与仿真》
计算机仿真的一般步骤
分析实际 系统 建立系统 模型 仿真建模
仿真结果 分析
仿真运行
程序设计
反馈校验
结束
21
电气工程常见仿真
电气工程学科常见仿真
统 数字电路类仿真：EDA设计、微机系统与接口 线性电路类仿真：模拟电路、放大电路、控制系
2019/1/16 《系统建模与仿真》 29
重点介绍一种在全世界广为应用 的一种仿真软件——MATLAB。
MATLAB是MathWorks公司推出的一套高性能 的数值计算和可视化软件，它集数值分析、 矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构 成了一个方便的、界面友好的用户环境。 MATLAB的推出得到了各个领域专家学者的广 泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应 用提供了基础。由各领域专家学者相继推出 了MATLAB工具箱。应用各种专业工具箱，用 户可以方便地解决相应专业的计算和仿真问 题。
航 空 、 航 天 工 业 、 能 源 教 育 、 科 研
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经 济 、 社 会 交 通 、 商 业
武 器 、 军 事
《系统建模与仿真》
发展历史与趋势
20世纪40年代 至70年代 • 传统系统仿 真 • 主要面向工 程系统仿真 80年代至21世 纪初 • 复杂系统仿 真 • 主要面向社 会、经济、 生态等非工 程系统 21世纪
2019/1/16
《系统建模与仿真》
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第一章 绪论
本章教学要点
了解系统仿真技术的发展、特点、应用以
及相关技术；
了解系统仿真的基本概念和相关知识
《制造系统建模与仿真》讲义1
Basic Steps of Modeling and Simulation
早期仿真软件的仿真结果多以数据的形式输出，需要研究人 员花费大量时间整理、分析仿真数据，以得到科学结论。
目前，仿真软件中广泛采用图形化技术，通过图形、图表、
动画等形式显示被仿真对象的各种状态，使得仿真数据更加 直观、丰富和详尽，也有利于人们对仿真结果的分析。 另外，应用领域及仿真对象不同，仿真结果的数据形式和分 析方法也不尽相同。
神舟飞船：
神舟飞船模拟飞行图 神舟飞船系统
神舟飞船发射
2012-6-1
神舟飞船海上试验
7
What is Modeling and Simulation?
风洞试验为神舟飞船打造 安全屏障
飞船上的模拟航天员
2012-6-1 8
What is Modeling and Simulation?
建筑的抗震和防风设计：
2012-6-1
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Basic Steps of Modeling and Simulation
离散系统的仿真一般为数值试验的过程，即测试当参数符合 一定概率分布规律时系统的性能指标。离散事件系统的仿真
模型通常是概率模型。
不同类型的离散事件系统（如服务系统、库存系统等）有不
同的仿真方法。
3 仿真结果分析 从仿真试验中提取有价值的信息，以指导实际系统的开发， 是仿真的最终目标。
阶 段 应 用 内 容 对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的 设计方案 建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是 否满意 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪音、可靠性等性能 指标 调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化 概念化设计 设计建模 设计分析 设计优化
1第一章--建模与仿真基本概念
第一章建模与仿真基本概念§1.1 前言1、课程的主要目标本课程的主要内容是介绍建模与仿真的框架工作。
使这些概念在它们之中能以明显的抽象的形式描述出来。
（1）介绍这一领域普遍使用的，而不是某一学科中的具体方法。
（2）为什么要建模与仿真，它能做什么，不能够完成什么。
（3）了解建模与仿真学科最新发展趋势2、课程的主要内容第一章建模与仿真基本概念1.1引言1.2 建模与仿真的基本概念§1.3 模型的非形式描述1.4 建模与仿真的组成要素1.5 仿真的基本概念框架1.6 仿真的发展趋势第二章建模方法论§ 2.1 数学模型§2.2 建模方法学2.3基于计算机的建模方法学2.4 解释结构建模第三章模型的简化§3.1 模型描述变量的简化§3.2 动态系统的模型简化—集结法§3.3 动态系统的模型简化—摄动法第四章系统规范的分层描述和同态关系§41 时基、轨迹和分段§2 I/O关系的观测§3 I/O函数的观测§4 I/O系统§5 从结构到行为§6时不变系统§7 I/O关系观测同态§8 I/O函数观测的同态§9 I/O系统同态§10 结构同态与行为同态第五章随机数的产生§5.1 [0，1]均匀分布随机数的产生§5.2 [0，1]均匀分布随机数的统计检验§5.3 产生各种概率分布的随机数第六章离散时间和连续时间模型的仿真§6.1 状态变量§6.2离散时间模型仿真§6.3 连续时间模型仿真§6.4离散时间和连续时间仿真模型的描述第七章离散事件模型及其仿真策略§7.1离散事件模型§7.2基于事件调度的离散事件模型§7.3基于活动扫描的离散事件模型§7.4杂货店模型的建模与仿真过程分析第八章系统仿真结果分析§8.1终态仿真的结果分析8.2稳态仿真的结果分析§8.3 系统性能测度的估计方法§8.4 方差减小技术第九章基于Agent的建模方法及Swarm仿真§9.1 Agent的基本概念§9.2 基于Agent的建模方法§9.3 Swarm简介§9.4 Swarm应用实例第十章离散事件系统的建模工具—Petri网§10.1 Petri网的基本概念§10.2 着色Petri网§10.3 层次Petri网§10.4 混凝土施工系统的仿真第十一章分布建模与仿真§11.1分布式系统11.2 分布式仿真技术11.3 分布对象计算技术§11.4 分布式交互仿真技术(DIS)3、参考文献1）B．P齐格勒制模与仿真理论，机械工业出版社，1984；2）J．A斯普里特等，计算机辅助建模与仿真，科学出版社，1991 3）冯允成等，离散系统仿真，机械工业出版社，19984）王维平等，离散事件系统建模与仿真，国防科技大学出版社，1997 5）达庆利，大系统理论与方法，东南大学出版社，19896）Hamilton等，Distributed simulation, CRC Press, 19977）许国志等编系统科学上海科技教育出版社，20008）詹姆希迪，大系统建模与控制，科学出版社，19869）宋承龄，王章德，系统仿真，国防工业出版社，198910）王正中，系统仿真技术，科学出版社，198611）袁崇义，佩特里网，东南大学出版社12）王众托，系统工程引论，电子工业版社13）G eoffrion, An introduction to structured modelling, Management Science V ol. 33: 547-589, 198714）P eterson, Petri Mets theory and the modeling of systems, prentice-trall,1981Murata, petri Nets: properties, analysis and application, proceedings of IEEE, V ol. 77: 545-589, 1989§1.2 建模与仿真的基本概念1、建模与仿真的作用和历史发展在计算机出现之前，科学研究中的绝大部分工作是利用数学手段或其它方法对事物或真实世界的描述，也就是建模活动。
第一章 绪论 《系统建模与仿真》PPT课件
分相邻两工件均在弯道与分别位于
弯道和直道两种情况讨论。对于前 者有：
a l L1(r) 2r arctan r b
对于分别位于弯道和直道的情况，
则有：
l L2 (r) a
r 2 b2 2r arctan
rb r b
例如，一个长为l，质量为m单摆，单摆的运动是简谐运动，其周期 是
T 2 l
系统建模与仿真的发展历史及趋势
年代
1600～1940
20世纪40年代
20世纪50年代中 期
20世纪60年代
20世纪70年代
20世纪70年代中 期
20世纪70年代中 期
20世纪80年代中 期
20世纪90年代
发展的主要特点 在物理科学基础上的建模 电子计算机的出现 仿真应用于航空领域
工业控制过程的仿真 包括经济、社会和环境因素的大系统仿真 系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统
从题目给的已知条件，可以列出以下情况：
2的倍数加1＝3、5、7……119； 3的倍数加2＝5、8、11……119； 4的倍数加3＝7、11、15……119；
5的倍数加4＝9、14、19……119； 6的倍数加5＝11、17、23……119；
119
7的倍数加0＝7、14、21、……119。
多面体的顶点数、面数与棱数
不适合仿真的规则
1.当问题可用普通方法解决时，不应使用仿真。 2.问题可得到解析解时，不应使用仿真。 3.如果直接实验更为简单，不应使用仿真。 4.如果成本超过仿真节约的费用，不使用仿真。 5.如果没有足够的资源，不使用仿真。 6.如果没有足够的时间，不使用仿真。 7.如果无数据可用，甚至无法估计，则不建议使用仿真。 8.如果没有足够的时间或无人可用，则仿真是不适合的。 9.如果对仿真有不合理的预期（如要求过多过快，或对 仿真德能力被过高估计），则仿真是不适合的。 10.如果系统行为太复杂或不可定义，则不适合使用仿 真
第一章 系统建模与仿真概述
第一章系统建模与仿真概述系统：系统是由两个以上相互区别或相互作用的单元有机的结合在起来，完成某一功能的综合体。
系统的特征：1.系统的整体性2.系统的层次性3.系统的相关系4.系统的目的性5.系统对环境的适应性系统：模型：模型是对系统的特征要素，有关信息和变化规律的一种抽象表述、它反映了系统某些本质属性，描述了系统各要素间的相互关系，系统与环境之间的相互作用。
模型的意义：1.客观实体系统很难做试验，或者根本不能做实验。
2.对象问题虽然可以做试验，但是利用模型更便于理解。
3.模型易于操作，利用模型的参数变化来了解现实问题的本质和规律更加经济方便。
系统模型的种类：抽象模型和形象模型抽象模型：数学模型图形模型计算机模型概念模型形象模型：模拟模型实体模型建立模型的步骤：1.弄清问题，掌握实际情况2.搜集资料3.确定因素之间的关系4.构造建模5.求解模型6.检验模型的正确性系统建模预防针的一般方法和步骤（P17）仿真的发展趋势：建模方法面对对象仿真分布交互仿真人工智能与计算机仿真虚拟现实仿真Internet网上仿真第二章商贸物流系统建模与仿真商贸流通在社会经济中的地位与作用：1，商贸流通是连接生产和消费的纽带；2，商贸流通对生产具有反作用；3，商贸流通是国民经济现代化的支柱。
商贸活动的内容：1，商流，对象物所有权转移的活动称为商流。
2，物流，是指事物从供给方向需求方的转移。
3，资金流，主要是指资金流的转移过程，包括付款，转账等过程，是整个商贸活动的目的。
4，信息流，指商品信息的提供，商品促销信息，技术支持，售后服务等内容，也包括诸如询单价，报单价，付款通知单，转账通知单等商业贸易单证以及交易方的支付能力和支付信誉。
预测：所谓预测就是人们对某一不确定的或未知事件的表述。
预测的作用：从变化的事物中找出使事物发生变化的变化的固有规律，寻找和研究各种变化现象的背景及其演变的逻辑关系，从而去揭示事物未来的面貌。
判断预测方法：一，部门负责人评判预测法；二，销售人员估计法；三，德尔菲法；四，历时类比法。
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模型类型示例
1.2 模型及其分类
• 模型分类及其特性
实物模型
图式模型
模拟模型
数学模型
分析的速度 抽象性 改变和调整的方便程度 +
现实性 费用 调整难度 +
图1.1 各种模型特性比较
Why do we need build these models?
• 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。
2.1 系统仿真分类
• （2）连续和离散：
• 提纲
一、系统模型
➢ 1.1 系统 ➢ 1.2 模型及其分类 ➢ 1.3 系统模型的性质 ➢ 1.4 建立模真
➢2.1 系统仿真 ➢2.2 如何实施仿真 ➢2.3 仿真的适用性 ➢2.4 仿真的优缺点 ➢2.5 应用领域 ➢2.6 系统仿真的一般步骤 ➢2.7 系统、模型与仿真的关系
2.1 系统仿真分类
• （3）确定和随机：
• 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。
• 一个模型中也可以同时包括确定的和随机的输入成分，哪些属于确定因素、哪些 属于随机因素是建模时要考虑的重要问题。
1.3 系统模型的性质
• 系统模型结构的性质：
• 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，这就是真实系统与 模型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。
• 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。
• 在有的模型中，既有连续变化的成分，也有离散变化的因素，这种模型被称为混 合模型（Mixed continuous-discrete model），例如在炼油厂，储油罐中 的压力是连续变化的，但会在离散时间点上发生间歇。
2.3 仿真的适用性—不适应情况
• 第五条和第六条：进行仿真研究的决定性资源是人员和时间。如果没有足够的资 源或时间，就不应使用仿真。有经验的分析师是非常重要的资源，因为他具有判 断模型应该达到的详细程度和怎样去验证和确认模型的能力和经验。如果缺少了 训练有素的模型开发人员，将可能导致开发出错误的模型，以及该错误模型产生 的不可靠结果。另外，时间的分配不能够太少，以至开发人员被迫在设计时，对 模型进行压缩处理。要想获得有意义的结果，时间进度表的安排应该有足够的时 间允许必要改动以及验证和确认活动
针长 0.80 0.60 0.75 0.83
投针次数 5000 3204 1030 3408
相交次数 2532 1218 489 1808
π的估计值 3.15956 3.15665 3.15951
3.14159292
实验动画
2.3 仿真的适用性—适应情况
• 对复杂系统内部的相互作用和复杂系统的子系统内部的相互作用的研究和实验。 • 可以仿真信息、组织及环境的变更，以观察这些改变对模型行为的影响。 • 在仿真模型设计过程中获取的知识可能具有很大的价值，可对被研究系统的改进提出
1.1系统的定义
• 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。 • 从广义上讲，系统的概念是非常广阔的，大到无穷的宇宙世界，小到分
子原子，都称之为系统。 • 从仿真角度来说：使用仿真软件构件的实际运作对象。
• 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。
的准确性 • ④可辨识性：模型结构必须具有可辨识的形式。所谓可辨识性是指系统
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 相关的参数必须有唯一确定的解。 • ⑤集合性：是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度，即模型的集 合性。
二、 系统仿真
2.1 系统仿真的定义
• 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机初等理 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 型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据 和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验 性学科。
pP(Xl
sin)
2lsin 2dxd2l
2
0 0 a
a
2l ap
若我们独立重复地作 n 次投针试验，记 n ( A) 为 A 发生的次数。 fn ( A) 为 A
在 n 次中出现的频率。假如我们取 fn ( A) 作为 p P(A) 的估计，即 pˆ fn ( A) 。
然后取 ˆ
2l afn ( A)
编著
• 网络资料：
• 冬季仿真会议网站： • witness网站：
课程目的
1. 掌握随机数及随机变量的产生和检验方法 2. 掌握离散事件系统建模的三种方法的应用 3. 能够使用事件调度法编制简单的系统仿真模型 4. 掌握系统建模与仿真工具WITNESS的应用 5. 能够对仿真结果进行统计分析
第01讲 系统建模与仿真概述
1.4 建立模型时应遵循的基本原则
• 建立模型时应遵循的基本原则
• ①清晰性：一个复杂的系统是由许多子系统组成的，对应的系统模型也 是由许多子模型构成的。在子模型之间除了研究目的所必需的信息联系 外，相互辐合要尽可能少，结构要尽可能清晰。
• ②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。 • ③准确性：建立系统模型时，应该考虑所收集的、用以建立模型的信息
2.2 如何实施仿真
• 手工进行仿真
• 蒲丰实验
• 用通用语言编程进行仿真
• 利用通用程序语言（Fortran，C）来编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。
• 优点：具有很高的灵活性，易于定制功能，不论是模型结构还是仿真运行操作方面。 • 缺点：由于每次建模时都要编写大量代码，因此极为枯燥和痛苦，而且容易出错；而且即使需
相互作用。
2.3 仿真的适用性—不适应情况
• 第一：当问题可通过普通方法解决时，就不应使用仿真。举个例子，一个自动打 标签设备为以100人/小时的速率随机抵达的客户服务，该设备的服务速度是平 均12人/小时。为决定最少所需的服务器数份，并不需要用仿真。只需计算 100/12 =8.33,就表明需要9台或更多的服务器。
• 第七条：仿真需要数据，有时需要大量的数据。如果无数据可用，甚至数据都无 法估计，则不建议使用仿真。
• 第八条：如果负责人有不合理的预期，如果他要求过多过快，或者如果仿真的能 力被过高估计，则仿真也是不适合的。
¶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。
• 第二：当问题可以通过解析解决时，就不应使用仿真。 • 第三：如果直接进行实验更为简便，则不应使用仿真。例如，对一个可以免下车
的路边快餐店，接收订单的人员配备手持终端及语音通信设备，为确定再增加一 个订单接收站对客户等待时间的影响，实验的开销更低一些。 • 第四：如果成本超过仿真节省的开销，则不使用仿真。完成一个仿真需要很多步 骤.正如将在2.8节所讨论的那样，这些步骤必须深入地完成。如果仿真成本估计 为20000美元，而仿真只节省10 000美元，则建议不要将资金投入到仿真系统 中。
建议。 • 改变仿真的输入并观察产生的输出，可以使我们深入了解哪些变量是最重要的，以及
了解变量间是如何相互作用的。 • 仿真可以作为教学设备来增强解析求解方法学的能力。 • 仿真可以用于在新设计或策略实施前进行实验，以便为可能发生的事情做好准备。 • 仿真可以用于验证解析解。 • 对机器的不同能力进行仿真有助于确定其需求。 • 设计用于训练的仿真模型使得学习成为可能，无需费用及现场指导。 • 动画显示仿真运行中的系统，从而使计划具有可视性。 • 现代系统(工厂、晶圆生产厂、服务组织等)非常复杂，只能通过仿真来处理其内部的
要对模型进行一点变动，也会花费相当多的时间重新建模。
• 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苛刻、严格的语法要求。
• The dynamic representation of a real system by a model which behaves in the same manner as the system itself.
2.1 系统仿真分类
• （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 却扮演着不可或缺的角色。
• 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。