计算机仿真_1
计算机仿真
计算机仿真引言计算机仿真（Computer Simulation）是利用计算机模拟真实世界或虚拟系统的过程。
它通过创建数学模型和模拟实验来研究和分析各种现象和系统。
计算机仿真在许多领域中都发挥着重要的作用，包括物理学、工程学、生物学、社会科学和医学等。
计算机仿真的应用物理学仿真计算机仿真在物理学中起着至关重要的作用。
它可以模拟天体运动、流体力学、电磁场以及量子物理等现象。
通过计算机仿真，我们可以对复杂的物理系统进行研究和分析，例如黑洞的形成、星系的演化、飞机的气动特性等。
计算机仿真能够大大加速科学研究的进程，并提供准确的预测结果。
工程学仿真在工程学领域，计算机仿真广泛应用于产品设计、工艺优化和性能评估等方面。
通过创建虚拟模型和模拟实验，工程师可以在计算机上测试和优化设计方案。
这种虚拟的仿真环境可以帮助工程师降低开发成本、节省时间和资源。
例如，在汽车工程中，计算机仿真可以模拟车辆的碰撞试验，优化车身结构，提高安全性能。
生物学仿真计算机仿真在生物学研究中也发挥着重要的作用。
生物学仿真可以模拟生物体内的化学反应、细胞分裂、蛋白质折叠等生物过程。
通过计算机仿真，科学家可以深入研究生物系统的复杂性，加深对生命现象的理解。
同时，生物学仿真还可以用于药物研发、疾病模拟以及基因工程等领域。
社会科学仿真社会科学仿真是计算机仿真在社会学、经济学和人文学科中的应用。
它可以模拟人类社会的行为和互动，分析社会系统的稳定性和变化。
社会科学仿真可以用于研究市场经济、政治决策、交通流动等各种社会现象。
通过计算机仿真，我们可以预测社会系统的发展趋势，提供政策决策的参考。
医学仿真在医学领域，计算机仿真被广泛应用于医疗技术的研发和临床实践中。
例如，计算机仿真可以模拟手术过程，帮助医生进行手术前的模拟操作，提高手术的成功率。
此外，计算机仿真可以模拟人体生理过程，用于研究疾病的发展和治疗方法的优化。
计算机仿真的方法和技术数值模拟数值模拟是计算机仿真的一种重要方法。
基于MATLABSimulink的基带传输系统的仿真-(1)
基于MATLABSimulink的基带传输系统的仿真-(1)通信工程专业《通信原理》课程设计题目基于MATLAB/Simulink的基带传输系统的仿真学生姓名张莎学号1113024109所在院(系)陕西理工学院物理与电信工程学院专业班级通信工程专业1104 班指导教师侯宝生合作者王翊东鲁少龙完成地点陕西理工学院物理与电信工程学院实验室2014年 3 月 12 日通信原理课程设计任务书院(系) 物电学院专业班级通信1104 学生姓名张莎一、通信原理课程设计题目基于MATLAB/Simulink的基带传输系统的仿真二、通信原理课程设计工作自2014年2月24日起至2014年3月14日止三、通信原理课程设计进行地点: 物电学院实验室四、通信原理课程设计的内容要求：1建立一个基带传输系统模型，选用合适基带信号，发送滤波器为平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.5，信道为加性高斯信道，接收滤波器与发送滤波器相匹配。
要求观察接收信号眼图，并设计接收机采样判决部分，对比发送数据与恢复数据波形，并统计误码率。
另外，对发送信号和接收信号的功率谱进行估计，假设接收定时恢复是理想的。
2.设计题目的详细建模仿真过程分析和说明，仿真的结果可以以时域波形，频谱图，星座图，误码率与信噪比曲线的形式给出。
课程设计说明书中应附仿真结果图及仿真所用到的程序代码（MATLAB）或仿真模型图（Simulink/SystemView）。
如提交仿真模型图，需提交相应模块的参数设置情况。
3.每人提交电子版和纸质的说明书及源程序代码或仿仿真文件。
参考文献：[1]邓华.MATLAB通信仿真及其应用实例详解[M].人民邮电出版社.2003年[2]郑智琴.Simulink电子通信仿真与应用[M].国防工业出版社.2002年[3]赵鸿图.通信原理MATLAB仿真教程[M].人民邮电出版社.2010年[4]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].电子工业出版社.2011年[5]达新宇.通信原理实验与课程设计[M].北京邮电大学出版社.2005年[6]邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].清华大学出版社.2008年指导教师侯宝生系(教研室)通信工程系接受论文 (设计)任务开始执行日期2014年2月24日学生签名基于MATLAB/Simulin的基带传输系统的仿真张莎（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1104班，陕西汉中723003）指导教师：侯宝生[摘要]未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或者很低频率开始，称为数字基带信号,不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统。
《计算机仿真教案》课件
《计算机仿真教案》PPT课件第一章：计算机仿真概述1.1 计算机仿真的概念解释计算机仿真的定义强调计算机仿真在科学研究和工程设计中的重要性1.2 计算机仿真的分类介绍连续系统仿真和离散系统仿真的区别列举常见的计算机仿真方法和技术1.3 计算机仿真的应用领域概述计算机仿真在各个领域的应用实例强调计算机仿真在现代社会中的广泛应用第二章：计算机仿真原理2.1 计算机仿真的基本原理解释计算机仿真的基本原理和方法强调计算机仿真需要基于数学模型和算法2.2 计算机仿真的建模方法介绍常见的建模方法，如机理建模、统计建模和机器学习建模强调建模方法的选择和验证的重要性2.3 计算机仿真的求解方法介绍常见的求解方法，如数值求解、符号求解和优化求解强调求解方法的选择和收敛性的考虑第三章：计算机仿真工具3.1 计算机仿真软件介绍概述常用的计算机仿真软件，如MATLAB/Simulink、Ansys和SolidWorks等强调仿真软件的功能和适用领域3.2 计算机仿真软件的使用方法介绍如何使用计算机仿真软件进行仿真的基本步骤强调仿真软件的操作技巧和注意事项3.3 计算机仿真软件的选用原则讨论如何选择合适的计算机仿真软件强调根据实际需求和预算进行合理选择第四章：计算机仿真实验4.1 计算机仿真实验的设计介绍如何设计和规划计算机仿真实验强调实验设计的合理性和可行性4.2 计算机仿真实验的执行介绍如何执行计算机仿真实验强调实验过程中数据的采集和记录的重要性4.3 计算机仿真实验的结果分析介绍如何分析计算机仿真实验的结果强调结果分析的准确性和可靠性第五章：计算机仿真的评估与优化5.1 计算机仿真的评估方法介绍常见的计算机仿真评估方法，如误差评估、效率评估和可信度评估强调评估方法的选择和实施的重要性5.2 计算机仿真的优化方法介绍常见的计算机仿真优化方法，如参数优化、结构优化和算法优化强调优化方法的选择和实施的有效性5.3 计算机仿真的改进与提升讨论如何根据评估和优化结果改进和提升计算机仿真强调持续改进和更新仿真模型的重要性第六章：计算机仿真的可视化6.1 仿真可视化的概念与意义解释仿真可视化在计算机仿真中的作用强调可视化对于理解和分析仿真结果的重要性6.2 可视化工具与技术介绍常用的仿真可视化工具，如Paraview、Maya和Unity等强调不同工具适用于不同类型的仿真数据6.3 可视化应用案例分析通过案例展示如何将可视化应用于仿真数据的展示和分析强调可视化在帮助决策和优化过程中的作用第七章：计算机仿真的并行计算7.1 并行计算基础介绍并行计算的基本概念和原理强调并行计算在提高仿真效率方面的作用7.2 并行仿真方法介绍并行仿真的常见方法和实现策略强调在不同场景下选择合适的并行仿真方法的重要性7.3 并行仿真工具与平台介绍常用的并行仿真工具和平台，如OpenFOAM和ParaView的并行计算功能强调并行仿真工具的选择和配置的重要性第八章：计算机仿真的不确定性分析8.1 不确定性分析的基本概念解释不确定性分析在计算机仿真中的重要性强调不确定性来源和影响因素的识别8.2 不确定性分析的方法介绍常见的不确定性分析方法，如蒙特卡洛模拟和敏感性分析强调不同方法的应用场景和优缺点8.3 不确定性分析的应用案例通过案例展示如何进行不确定性分析并指导仿真的改进强调不确定性分析在提高仿真可靠性和准确性的作用第九章：计算机仿真的验证与验证9.1 验证和验证的基本概念解释验证和验证在计算机仿真中的重要性强调验证和验证对于确保仿真准确性的作用9.2 验证和验证的方法介绍常见的验证和验证方法，如实验验证、理论验证和同行评审强调不同方法的选择和实施的重要性9.3 验证和验证的应用案例通过案例展示如何进行验证和验证并提高仿真的可信度强调验证和验证在仿真研究和应用中的关键作用第十章：计算机仿真的未来发展趋势10.1 新兴技术对计算机仿真影响讨论新兴技术如、大数据和物联网对计算机仿真的影响强调技术发展对仿真方法和工具的推动作用10.2 计算机仿真的跨学科应用概述计算机仿真在跨学科领域中的应用前景强调跨学科合作对仿真研究和应用的重要性10.3 计算机仿真的挑战与机遇讨论计算机仿真面临的挑战和机遇强调持续学习和发展以应对未来仿真领域的变化重点和难点解析一、计算机仿真的概念与分类：理解计算机仿真的定义及其在不同类型系统中的应用是学习仿真的基础。
计算机仿真(第5章 离散事件系统仿真)1
临时实体和永久实体
• 在离散事件系统中，实体分为两大类：临时实体、 在离散事件系统中，实体分为两大类：临时实体、 永久实体。 永久实体。 • 临时实体：按一定规律由系统外部到达系统，在 临时实体：按一定规律由系统外部到达系统， 系统中受永久实体的作用， 系统中受永久实体的作用，按照一定的流程通过 系统，最后离开系统。因此， 系统，最后离开系统。因此，临时实体只在系统 中存在一段时间便自行消失。 中存在一段时间便自行消失。 • 进入商店购物的顾客是临时实体，它们按一定的 进入商店购物的顾客是临时实体， 统计分布规律到达商店， 统计分布规律到达商店，经过服务员的服务后离 开商店。 开商店。 • 永久实体：相应地，永久驻留在系统中的实体称 永久实体：相应地， 为永久实体，它们是系统产生功能的必要条件。 为永久实体，它们是系统产生功能的必要条件。 理发店中的理发员， 理发店中的理发员，交通路口的红绿灯等是永久 实体。 实体。
例1：理发店服务系统 ：
• 一个理发店只有一个理发员。顾客来到理发店后， 一个理发店只有一个理发员。顾客来到理发店后， 如果有人正在理发就坐在一旁等候。 如果有人正在理发就坐在一旁等候。理发员按先来 先理发的原则为每一个顾客服务， 先理发的原则为每一个顾客服务，而且只要有顾客 就不停歇。 就不停歇。 • 建模目的是考察理发员的忙闲情况（假定顾客到达 建模目的是考察理发员的忙闲情况（ 间隔和理发花费的时间服从一定的概率分布）。 间隔和理发花费的时间服从一定的概率分布）。 • 本例有 类实体：理发员、顾客、顾客队列。 本例有3类实体：理发员、顾客、顾客队列。 类实体 • 理发员：永久实体，其活动为“理发”，有 理发员：永久实体，其活动为“理发” ”“闲 种状态。 “忙”“闲”2种状态。 种状态 • 顾客：临时实体，与理发员共同完成活动，有“等 顾客：临时实体，与理发员共同完成活动， 待服务” 接受服务”等状态。 待服务”、“接受服务”等状态。 • 顾客队列：特殊实体，状态为队列的长度。 顾客队列：特殊实体，状态为队列的长度。
计算机仿真与建模数学建模和仿真技术
计算机仿真与建模数学建模和仿真技术计算机仿真与建模是一种基于数学模型和仿真技术的研究方法，通过使用计算机模拟和实验来预测和分析现实世界的各种现象和系统行为。
该技术在科学研究、工程设计、决策支持等领域具有广泛的应用。
一、数学建模数学建模是计算机仿真与建模的基础，它利用数学模型来描述和解决现实世界中的问题。
数学建模是一种将实际问题转化为数学形式进行描述和求解的方法，通过对问题进行抽象和简化，建立起数学模型，从而得到问题的解析解或数值解。
数学建模通常包括问题的描述、模型的建立、求解方法的选择和模型验证等步骤。
在建立模型时，需要考虑问题的物理背景、相互关系和约束条件，合理选择数学方法和工具，以及对模型进行检验和优化。
二、仿真技术仿真技术是计算机仿真与建模的关键工具，它通过创建虚拟的仿真环境，模拟实际系统的行为和演化过程。
仿真技术可以提供对系统运行状态、特征和性能等方面的详细和准确的信息。
仿真技术通常包括模型构建、参数设置、仿真运行和结果分析等步骤。
在模型构建中，需要根据实际系统的特点和需求，定义系统的组成部分和它们之间的关系；在参数设置中，需要确定各个参数的取值范围和初值；在仿真运行中，需要选择适当的仿真算法和计算机资源，进行模拟计算和结果记录；在结果分析中，需要对仿真结果进行统计分析和可视化展示，以便于对系统的行为和性能进行评估和改进。
三、应用领域计算机仿真与建模数学建模和仿真技术在各个领域都有广泛的应用。
在自然科学领域，如物理学、化学和生物学等，可以利用仿真技术模拟和预测物理过程、化学反应和生物系统的行为；在工程设计领域，如航空航天、汽车制造和建筑结构等，可以使用仿真技术验证和优化设计方案，提高产品性能和可靠性；在社会科学领域，如经济学、管理学和社会学等，可以运用仿真技术模拟和分析人类行为和社会系统的运行规律，为决策提供科学依据。
总结：计算机仿真与建模数学建模和仿真技术是一种重要的研究方法和工程技术，通过数学模型和仿真技术的应用，可以更好地理解和解决现实世界中的问题。
(完整)系统建模与仿真习题答案(forstudents)
第一章习题1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？答：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。
它所遵循的基本原则是相似原理。
1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别?各有什么特点?答：解析法就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析，计算。
它是一种纯物理意义上的实验分析方法,在对系统的认识过程中具有普遍意义。
由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响，其应用往往有很大局限性.仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法.1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？答: 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与计算机。
由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题,统称为建模问题；将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验.1—4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何?.答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的干扰,模拟仿真较数字仿真精度低但模拟仿真具有如下优点：（1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。
（2）仿真速度极快，失真小，结果可信度高。
（3）能快速求解微分方程.模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关.（4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进行非实时仿真.（5）易于和实物相连。
1-5什么是CAD技术？控制系统CAD可解决那些问题？答：CAD技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design)，是将计算机高速而精确的计算能力,大容量存储和处理数据的能力与设计者的综合分析，逻辑判断以及创造性思维结合起来，用以加快设计进程，缩短设计周期，提高设计质量的技术.控制系统CAD可以解决以频域法为主要内容的经典控制理论和以时域法为主要内容的现代控制理论。
1什么是仿真
• 控制系统工具箱 • 系统辨识工具箱 • 鲁棒控制工具箱 • 多变量频域设计工具箱 • 分析与校正工具箱 • 神经网络工具箱 • 最优化工具箱 • 模糊控制工具箱等
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0.3 计算机仿真技术的应用
计算机仿真已被广泛应用于各个 领域，它在系统研究中的重要性在于 它不仅经济而且安全可靠。通过仿真 研究可以预测系统的特性以及外界干 扰的影响，从而可以对制订控制方案
和控制决策提供定量依据。 • 工程系统 • 非工程系统
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一、工程系统
• 如控制系统的设计、分析和研究；电力系 统的可靠性研究；化工流程的模拟；造船、 飞机、导弹等研制过程。
• 50年代初，出现了通用的模拟计算机。 • 50年代末，数字计算机有了很大发展，
加上这时期在微分方程数值解的理论方 面又有很大的发展，所以在几种高级语 言（如FORTRAN，ALGOL等）出现以后， 在50年代末期，数字计算机便在非实时 仿真方面开始得到广泛的应用。
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• 1958年为满足高速动态系统仿真的要求， 出现了第一台专用的模拟/数字混合计算 机，它是用来解决导弹轨迹的计算问题。
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四、当前仿真研究的前沿课题
• 主要有仿真与人工智能技术的结合、分布 式仿真与仿真模型的并行处理、图形与动 画仿真、建模环境与仿真支持系统等。
• 控制系统的仿真是一门涉及到控制理论、 计算数学和计算机技术的综合性科学。
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0.4 控制系统计算机辅助设计 （CAD）的主要内容 及其应用
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1. 控制系统CAD的主要内容 根据所使用的数学工具，控制系统的分析与设 计方法可以分为如下的两大类：变换法（频域 法）和状态空间法（时域法）。
一、仿真的意义
计算机仿真技术：第1章 仿真技术综述
定理、定律或公式，经过分析和演绎，找出系统内部 各部分或环节之间的相互关系，推导出系统的数学模 型。
❖ 系统辨识 根据系统的输入和输出的观测信息来估
计它的数学模型。
❖ 综合法 综合法就是将解析和实验结合起来的建模
方法。
三、仿真
仿真，就是模仿真实的事物，也就是用一个模型来模仿真实
(1) 对于一个大型的仿真系统，有时系统中的某一部分很难建立 其数学模型，或者建立这部分的数学模型的代价昂贵，精度也难 以保证。例如，在红外制导系统仿真时，其红外制导头以及各种 物理场的模型建立是相当困难的。为了能准确地仿真系统，这部 分将以实物的形式直接参与仿真系统，从而避免建模的困难和过 高的建模费用。
（3）有序性和动态性
比如，生命是一种高度有序的结
构，它所具有的复杂功能组织，
与现代化大工业生产的“装配
C •
线”非常相似，这是一种结构
B•
上的有序性，对任何系统都是
适用的。又如图1.1.1所示，一 A• 个非平衡系统如果经过分支点A、
B到达C，那么对C态的解释就
必须暗含着对A态和B态的了解。
这就是系统的动态性。
无论什么系统均具有4个重要的性质： 整体性 相关性 有序性 动态性
（1）系统的整体性。各部分是不可分割的。就好像人体，它
由头、身躯、四肢等多个部分组成，如果把这些部分拆开，就 不能构成完整的人体。至于人们熟悉的自动控制系统，其基本 组成部分(控制对象、测量元件、控制器等)同样缺一不可。整体 性是系统的第一特性。
上一节我们讲过，仿真就是模仿一个真实系统，所遵循的 基本原则就是相似原理。根据相似论的研究方法和仿真技术的 研究方法，在建立物理系统的模型时，我们认为物理系统和模 型应该满足几何相似、环境相似和性能相似中的一种或几种。
计算机仿真技术与CAD第1章仿真软件-MATLAB
频域分析
通过傅里叶变换等方法，将 时域信号转换为频域信号， 进而分析电路的频率响应特
性。
传输函数分析
对于线性时不变电路，可以 通过求解传输函数来分析电 路的性能，如幅频特性、相 频特性等。
非线性电路仿真设计实例
非线性电阻电路仿真
通过搭建包含非线性电阻元件的 电路模型，并使用MATLAB进行 仿真分析，可以研究非线性电阻 对电路性能的影响。
02
三维线图与曲面图
使用plot3()函数绘制三维线图， 通过surf()或mesh()函数绘制三 维曲面图。
03
视图调整与色彩映 射
利用view()函数调整三维图形视 角，通过colormap()函数设置色 彩映射。
图像处理基本操作
图像读取与显示
使用imread()函数读取图像文件，通过imshow()函 数显示图像。
应仿真等。
多领域融合仿真：随着多学科 交叉融合的不断深入，
MATLAB有望进一步拓展其在 多领域融合仿真方面的能力， 提供更加全面、综合的解决方
案。
实时仿真和硬件在循环（HIL）仿真： 随着实时仿真和硬件在循环（HIL） 仿真技术的不断发展，MATLAB有望 提供更加高效、精确的实时仿真和 HIL仿真支持，满足复杂系统仿真的
利用系统的输入输出数据，通过一定 的数学方法确定系统的模型结构和参 数。这种方法不需要了解系统的内部 机制，但需要大量的实验数据。
03
混合建模法
结合机理建模和系统辨识的方法，充 分利用已知的系统信息和实验数据， 建立更准确的系统模型。
线性系统时域分析法
经典控制理论
基于传递函数和频率响应的方法，通过求解系统的微分方程或差分方程，得到系统的时域响应。这种方法适用于 单输入单输出（SISO）线性定常系统。
信号检测与估计理论计算机仿真题 (1)
信号检测与估计理论计算机仿真题
1 由M个接收机接收同一入射电磁波，每个接收机接收信号为：
2 通过计算机运用MUSIC、ESPRIT、GEESE等方法进行非相关源的模拟测向并比较各种算法的性能。
3 通过计算机仿真非平稳噪声（噪声协方差矩阵为对角阵，但对角元素值不一样）以及色噪声（噪声协方差矩阵不为对角阵）对MUSIC、ESPRIT、GEESE等方法性能的影响。
注：1 原则上要求独立设计，联合设计最多不超过两人；
2 提交仿真报告(论述清楚主要设计步骤)，报告保存为Office word 2003版本；
3 用文件夹打包提交所有仿真程序和仿真报告；
4 文件夹和文件名命名为：学号+姓名.doc（如果两人联合，文件加及文件命名如上，但是文件中必须有合作者学号和姓名）；
5 资料提交到ligun@（邮件主题写XXX同学信号检测估计计算机仿真报告，以免被邮件系统过滤为垃圾邮件）；
6 报告提交截止日期：2013年11月30日12:00，过期不候；
7 雷同资料一律视为无效。
计算机仿真技术1.课程概述
• 课时
– 课堂教学：27学时 – 实验：3x3学时
• 答疑
– 电气楼812
• 考试
– 课程结束后第一或第二周
• 成绩
– 考试×60％ ＋平时×40％
4/11/2015 10:10:29 AM 4
课程简介
课程内容
• Matlab基础
• 工作空间（workspace）
– 用于查看变量Leabharlann • 编辑器（editor）
– 用于编辑M文件
4/11/2015 10:10:29 AM
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MATLAB简介
基本概念
• • • • 工作方式 主要数据类型 主要文件类型 数据的可视化
4/11/2015 10:10:29 AM
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MATLAB简介
基本概念
• Matlab – Matrix Laboratory，Math Works公司 • 特点
– 科学计算软件 – 解释型编程语言 – 集成工作环境 – Simulink仿真环境 – 工具箱
4/11/2015 10:10:29 AM
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MATLAB简介
界面
帮助菜单
工作路径 Current Folder
• 工作方式
– 命令行，程序，图形交互
• 主要数据类型 • 主要文件类型 • 数据的可视化
4/11/2015 10:10:29 AM
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MATLAB简介
基本概念
• 工作方式
– 命令行，程序，图形交互
• 主要数据类型
– 双精度型多维矩阵，字符串
• 主要文件类型 • 数据的可视化
Simulation with Arena( 中文)第1章
第1章什么是仿真仿真（simulation）是模仿实际系统行为的一类广泛方法和应用手段，通常借助计算机和相应的软件来实现。
事实上，“仿真”一词具有非常宽泛的含义，其思想可应用于各种不同的领域和行业。
目前，随着计算机和软件前所未有的高速发展，仿真变得越来越普及和功能强大。
本书为读者较为全面地阐述了仿真的一般理论，特别讲述了一种专用仿真工具软件Arena的使用。
本书第1章和第2章介绍了仿真的一般思想和逻辑，第3－9章着重讲述Arena 的使用。
然而，我们并不准备把本书作为包罗Arena一切的一本完整的参考手册（Arena的在线帮助系统具有此项功能）。
第10章告诉读者如何把Arena与外部文件及其它应用程序相集成，并对Arena的一些高阶功能进行了总结评述；第11章介绍了如何应用Arena对连续系统和离散/连续混合系统加以建模；第12－13章讨论了有关如何对仿真试验进行计划、如何对结果加以解释、以及如何管理仿真项目等问题。
附录A是一个为《华盛顿邮报》实施的仿真项目的详细记述；附录B给出了近期“Arena建模学生竞赛”中几个相当复杂的问题，该竞赛是由美国工业工程师协会（Institute of Industrial Engineers）与Rockwell软件公司（先前的System Modeling公司）联合举办的；附录C提供了仿真所必须的概率论与数理统计知识的快速复习；附录D描述了Arena用到的各种概率分布；附录E提供了软件的安装指南。
阅读完本书以后，读者应能应用Arena对各种系统进行建模，并能成功且有效地从事仿真研究。
本章讲述了仿真的一般概念。
1.1节提出了一些应如何研究系统模型的一般思路，并给出了几个例子说明仿真在什么情况下有用。
1.2节包含了有关仿真及其普及性的更具体的信息，介绍了仿真的长处（及一项短处），并尝试对人们所作的各种仿真加以分类。
1.3节简要介绍了实现仿真的几种方式。
最后，1.4节追溯了仿真手段和应用场合的发展变化。
(完整版)第一章系统仿真的基本概念与方法
第一章控制系统及仿真概述控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。
这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。
它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。
计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。
第一节控制系统仿真的基本概念1．系统：系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。
“系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。
工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。
非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。
2．模型：模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。
通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。
模型分为物理模型和数学模型两种。
数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。
3．系统仿真：系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。
更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。
要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。
对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。
那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。
用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。
而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。
我们这里讲的是后一种仿真。
数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。
通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。
计算机仿真包括三个基本要素：系统、模型与计算机。
计算机仿真技术-Chapter1
举例
R udc L
i + u P0/u
C
(1)建模 专业知识：电路理论
边界 输入：电源电压udc，负载P0/u 状态(输出)：电容电压u，电感电流i
数学模型
确定参数
P0 1 u (i ) C u 1 (u dc Ri u ) i L
实验框架 研究目的：R、L、C参数匹配与稳定域的关系 2 2 P L / Cu0 R udc / 4P 小扰动稳定 0 0
主要软件：
ANSOFT：电磁场仿真 ANSYS：电磁、声、热等的仿真 主要应用： 电机内部电磁场计算
电磁兼容分析
散热设计等
3.4 Matlab/Simulink
开放的环境、灵活简便的语言、强大的扩展性能 丰富的第三方产品 简便易用 Simpowersystems可用于电气系统的仿真
亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟， 模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度。 亦称为离线仿真。
超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟， 模型仿真的速度快于实际系统运行的速度。
2 系统仿真的一般步骤
建立模型 专业背景知识 确定模型边界：限定研究范围 建立数学模型 获取模型参数：实际系统和假想系统 确定实验框架：仿真的目的
提供了大量的器件模型。
强大的系统分析功能。
可通过参数、传递函数、状态方程等自建器件模型。 存在问题 器件模型主要为小功率电子器件，大功率电力电子器
件误差较大。
功能扩展能力一般。 仿真算法的收敛性问题。
3.1.2 Saber
主要优点
系统级仿真：电、机、热、控制等。
更灵活的MAST语言。
应用
第1章 Simulink系统仿真 绪论
表1.2 Simulink的部分软件工具包
DSP Blockset Fixed-Point Blockset Power System Blockset Dials & Gauges Blockset Communications Blockset CDMA Reference Blockset CDMA Nonlinear Control Design Blockset Motorola DSP Developer’s Kit TI DSP Developer’s Kit 数字信号处理工具包 定点运算控制系统仿真工具包 电力电动系统工具包 交互图形和控制面板设计工具包 通讯系统工具包 CDMA通讯系统设计和分析工具包 非线性控制设计工具箱 Motorola DSP开发工具箱 TI DSP开发工具箱
数学模型可以分为许多类型。按照状态变化可分
为动态模型和静态模型。用以描述系统状态变化过程 的数学模型称为动态模型。而静态模型仅仅反映系统 在平衡状态下系统特征值间的关系，这种关系常用代 数方程来描述。按照输入和输出的关系可分为确定性 模型和随机性模型。若一个系统的输出完全可以用它 的输入来表示，则称之为确定性系统。若系统的输出 是随机的，即对于给定的输入存在多种可能的输出， 则该系统是随机系统。
仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能 是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。 它的功能可以概括为以下几点： (1) 为仿真提供算法支持。 (2) 模型描述，用来建立计算机仿真模型。 (3) 仿真实验的执行和控制。 (4) 仿真数据的显示、记录和分析。 (5) 对模型、实验数据、文档资料和其它仿真信息的 存储、检索和管理(即用于仿真数据信息管理的数据库 系统)。
环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统
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4、计算机仿真软件－MATLAB
可将不易建模的部分以实物形式参与仿真，从而避 免了建模的困难； 进一步检验系统数学模型的正确性和仿真的精确性
可检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统 的性能指标及可靠性，准确调整系统的参数和控制规律。 在航空航天、电力系统等研究中十分重要。
C、按仿真时钟
与实际时钟 T 的比例分
T
4、系统仿真的分类
A、按系统的模型特征分：
（1）连续系统仿真： 对系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研 究，数学模型包括：连续模型（微分方程）、离 散时间模型（差分方程）及连续—离散混合模型。 仿真方法主要是微（差）分方程的数值求解方法。
（2）离散事件系统仿真： 对系统状态只在一些时间点上由随机事件的驱 动而发生变化的系统进行仿真称为离散事件系统 仿真。其数学模型多用流程图或网络图来描述。
数 学 模 型
静态模型
连续系统模型
动态模型
离散系统模型
三、系统仿真
一个较流行于工程技术界的定义是：仿真是 通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计 中的系统。这种定义适用于概括了所有工程的 (技术的)或非工程的(非技术的)系统。
1、系统、模型和仿真之间的关系
①系统是研究的对象； ②模型是系统的抽象； ③仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的 目的。
一、系统
1、定义：由相互联系、相互制约、相互依存 的若干部分结合在一起形成的具体特定功能和运 动规律的有机整体。 2、系统的三要素：
①实体——组成系统的具体对象；
②属性——实体所具有的每一种有效特性（状 态和参数）； ③活动——系统内对象随时间推移而发生的状 态变化。
3、系统的性质 ①整体性 ②相关性 ③ 目的性
系统仿真技术是从50年代诞生的。近三十年来，随 着计算机技术的飞速发展，出现了许多优秀的计算机应 用软件，还有专用的仿真语言。
仿真软件发展的三个阶段：
１、软件包阶段 ：一般由Basic语言或Fortran语言编成 某类仿真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编 写上。 ２、交互式语言阶段：60年代---70年代出现了一些专用 的仿真语言，虽然有了人机交互，但应用起来仍不是十 分方便，必须有严格的格式 。 ３、面向对象的程序环境阶段：采用Visual C++等语言 开发出实用的、具有良好人机交互功能的软件。还有一
（2）数字计算机仿真： 数字计算机仿真是基于数值计算原理的仿真， 它的主要工具是：数字计算机和相应的数字仿真 软件。 应用数字计算机仿真的首要步骤是必须把数 学模型离散化，因为数字计算机本身就是一个离 散系统。 （3）混合计算机仿真： 由模拟计算机和数字计算机通过一套A/D、 D/A接口组成，具有模拟计算机的快速性和数字 计算机的高精度和灵活性的优点。
第一节 计算机仿真的基本概念
系统仿真是通过系统模型的试验去研究一个 已存在或正在研究设计的系统的过程。它不是系 统原型的复现，而是按研究的侧重面或实际需要 对系统简化提炼，以利于抓住问题的本质或主要 矛盾。 用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真， 它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。 而由数学模型在计算机上进行实验研究的 仿真一般则称为数字仿真。又称计算机仿真。
（2）数学仿真： 首先建立系统的数学模型，并将数学模型转 换成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到研 究系统运行的目的。 特点是方便灵活、经济、通用，发展迅速。
（３）物理－数学（半实物）仿真 将系统的一部分用数学模型描述，用计算机 运行仿真计算模型，另一部分以实物（或物理模 型）方式引入仿真回路。 半实物仿真特点：
些专用软件，MATLAB就是其中一个成功的范例。
工程实际对仿真技术提出的新需求：
１、减少模型的开发时间； ２、提高模型建立的精度和实验的精度； ３、改进人与人、人与计算机的通信。
本课程主要讲授内容 １、系统建模的基本方法与模型处理技术 ２、连续系统的数字仿真程序通用算法 －数值积分仿真方法学 ３、连续系统模型的离散化处理技术
4、系统分类
①静态系统和动态系统；
②确定系统和随机系统；
③连续系统和离散系统；
④其它分类： 线性系统和非线性系统；定常系统和时变系 统；单变量系统和多变量系统等。
二、系统模型
是系统某种特定性能的一种抽象形式。 模型的表达形式有物理模型和数学模型两类。
数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式， 是用数学公式来描述所研究的客观对象或系统中 的某一方面的问题。
2、计算机仿真的三个基本要素： 系统、模型与计算机。
系统
数学模型建立
仿真实验
模型
仿真模型建立
计算机
计算机仿真的三要素及三个基本活动
3、系统仿真的三个基本活动
①数学模型建立：实际上是一个模型辩识的过程。 所建模型常常是忽略了一些次要因素的简化模型。
②仿真模型建立：即是设计一种算法，以使系统 模型能被计算机接受并能在计算机上运行。显然， 由于在算法设计上存在着误差，所以仿真模型对 于实际系统将是一个二次简化模型。 ③仿真实验：即是对模型的运算。需要设计一个 合理的、服务于系统研究的仿真软件。
（3）混合系统仿真： 当系统的数学模型是由上述两类模型混合 构成时，称为混合系统仿真。其仿真方法是将 上述两类方法综合于一体。 （4）系统动力学仿真： 当对象的数学模型是用系统动力学方程式来 描述时，该系统的仿真称为系统动力学仿真。
B、按参与仿真的模型种类分：
（1）物理仿真 按照实际系统的性质构造系统的物理模型进 行试验研究，直观形象、逼真；但投资大、周期 长，又不易修改。
5、系统仿真的一般步骤
①建立系统的数学模型； ②转换成仿真模型； ③编写仿真程序； ④对仿真模型进行修改校验， 看与实际系统是否一致， 确认模型的正确性。 ⑤运行仿真程序，在不同的 初始条件和参数下，对系 统进行反复分析和研究。
6、系统仿真的应用
①系统分析与设计； ②系统理论研究； ③专职人员培训； 系统仿真的目的及其作用： 优化设计 经济性 安全性： 预测性
第二节 计算机仿真的发展
因为仿真是一门综合性技术学科，它涉及 到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技术 等，所以它的发展也是与其它技术的发展紧密相 连。主要看一下仿真软件的发展，一般分成三个 阶段。
系统仿真软件是一类面向仿真用途的计算机 应用软件，其主要功能： 1.模型描述的规范与处理；
2.仿真试验的执行控制； 3.资料结果的分析、显示及文档化； 4.模型、程序、数据、图形的存储、检索与管理
超实时仿真
亚实时仿真
实时仿真 仿真
非实时仿真
T T
D、按计算机类型分：
（1）模拟计算机仿真： 模拟仿真是基于数学模型相似原理的一种方 法。模拟计算机由一些基本的模拟运算部件组成， 这些运算部件有：积分器、加法器、系数器、函 数发生器、乘法器等。
模拟计算机是并行运算的，运算速度快，但 精度不高，由于它可以实现传递函数为1/s的积 分运算，可以方便地求解微分方程。
MATLAB 与系统仿真
请大家先看一组图片
神州飞船模拟训练仓
模拟飞船监控室
大型火力发电厂
火电仿真机
火电仿真机
火电仿真机
火电仿真机
第一章 概述
第一节 计算机仿真的基本概念 第二节 计算机仿真的发展 本课程主要讲授内容
第一章 概述
计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟 实际环境进行科学实验的技术。 它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可 多次重复使用的优点，已成为对许多复杂系统进 行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。 计算机仿真技术是以数学理论为基础，以计 算机和各种物理设施为工具，利用系统模型对实 际的或设想的系统进行实验仿真研究的一门综合 技术。