系统仿真与建模2010

No.3 系统检验 模型、样机、模拟仿真、实验、 实践（用以检验系统性能）
输 入 系 统 模 型 参 数 数 果 参 结 验 检 出
输
系统
系统模型 性
系统
系 统 综 合 统 分 析 系
系统
性
系统 1 系统 、 检
系统分析、 表 1 系统分析、综合与检验
项目 功能 目的 系统模型状态 系统分析 系统综合
Ｎo.9 图 3 模型与实体关系、模型的用途和分类
模型
描述事物本 质特征、属 性以及变化 规律和变化 过程
ห้องสมุดไป่ตู้
模型是实体的映象
帮助熟悉、了解事物的特 征与属性，事物发展过程 与规律；传递信息、预测 试验的一种工具，可以构 造多种方案，在一定约束 下，按评价准则择优
分类
实物模型 比例模型 图形模型 模拟模型 数学模型 符号模型
传递函数 B.控制工程中系统的模型 状态方程 信号流程图
C.机电系统建模—功率键合图法 D.机械系统实验建模 已知数入和数出（通过测量） ，求系统特性→系统模型识别
3 仿真及其分类---系统仿真3-1
系统仿真是近几十年发展起来的一门综合性学科， 它为进行系统的研究、分析、决策、设计，以及 对专业人员的培训等提供了一种先进的手段，增 强了人们对客观世界内在规律的认识能力，有力 地推动了那些过去以定性分析为主的学科向定量 化方向发展。在系统研究及人员培训中采用仿真 技术，可大大减少费用、缩短周期。仿真技术已 广范应用于工程及非工程的广大领域，并取得了 巨大的社会及经济效益。
描述系统的模型可能是多种多样的，但反映本质是相同的，模型 之间在一定条件下是可以转化的。
各种方程 — （确定性观察法） 随机方程 — （随机性观察法） （含有空间微分的偏微 分方程） A.根据观察法建模 联立方程 — 微分方程含有时间变量的微观、 动态观察法 差分方程 积分方程 — 宏观观察法（边界状态 和初始条件）
系统建模与仿真是一个系统分析， ● 系统建模与仿真是一个系统分析，系 统综合， 系统检验的反复交叉过程， 统综合 ， 系统检验的反复交叉过程 ， 是 一个永无止境、永远发展的过程。 一个永无止境、永远发展的过程。
系统—分析 综合 检验1-3 系统 分析—综合 检验 分析 综合—检验
●
系统（连续系统＋离散系统）是由 系统 两个以上相互区别、相互作用的单元， 有机地结合起来完成某一功能的综合体， 每一单元也可称为一个子系统，同时它 又是另一大系统的组成部分。系统具有 输入、转换、输出三个要素。
数学仿真3-5
数学仿真的优点是经济，方便、通用性强。 计算机为数学模型的建立与仿真提供了较大 的方便与灵活，它实际上是一个“活的数学 模型”。所以数学仿真也就是在计算机上对 系统的模型进行实验，故常称为计算机仿真。
混合仿真3-6
在对某些系统的研究中，还把数学模型与物 理模型或实物联接在一起进行实验，也即将 系统的一部分建立数学模型，并放到计算机 上，而另一部分构造其物理模型或采用实物， 然后将它们联接成系统进行试验，这种形式 的仿真称为数学－物理混合仿真或半实物仿 真，具有数学与物理仿真的共同优点。
1.电系统建模与仿真概述 电系统建模与仿真概述1-1 电系统建模与仿真概述
● 机电系统三大问题： 机电系统三大问题： 已知输入（激励）和系统特性（ ①已知输入（激励）和系统特性（动态特性或数学模 求响应预测问题→仿真 仿真； 型）求响应预测问题 仿真； ②已知输入和输出，求系统特性，此为系统识别问题； 已知输入和输出，求系统特性，此为系统识别问题； ③已知输出和系统特性，求输入，此为载荷识别问题； 已知输出和系统特性，求输入，此为载荷识别问题；
模 分 No.8 型 类 No.8
● 实物模型：用来模仿实际系统的物理状态和运动状态，缩小尺寸， 目的全是 为了对 真实样 机的抽 象描述 。 ● 图形模型（比例模型、图象模型） ：用各种图表来表示系统的信息 流程和物 理流程 ，是设 计人员 构思的 物化和视 觉化， 是设计思 成 想和 果的主要 表达形 式，如 交通图 、电路 图、机械 图、液 压图等。 ● 数学模型：是用数学方法描述系统变量间的相互作用和因果关系的 模型，它 是用各 种数学 符号、 数值来 描述工程 、管理 、技术、 等 经济 系统中有 关因素 以及它 们之间 的数量 关系。
No.7
输入 对应 参数 系统（或实 际问题） 推断
输入
参数 模型
输出
图 2 模型的图解概念
输出
● 模型是真实系统的简化。 ● 系统和模型都是用参数来表示其特征和属性。 ● 真实系统的输入输出都在模型中表达出来。 ● 当系统和模型都可以认为是输出与输入之间的变换函数时，适当模 型的输出就可用来预测和推断它所代表的真实系统。
物理仿真的优点是：能最大限度的反映系统的物 理本质，具有直观性强及形象化的特点，能将原型 中发生的综合过程在模型中全面反映出来，这些复 杂过程不是简单的数学方程所能表达的。物理仿真 的缺点是：为建造物理模型所需的费用高、周期长、 技术复杂；在物理模型上做实验，修改模型的结构 及参数困难，实验的限制条件多，较容易受到一些 环境条件的干扰。
不 断 修 改 逐 次 完 善 试 验 体 实 体 实 述
描
模型是对实体的 按分类
实体 在的事物、发展变化过程 变化规律 事物的
在的事物 、发展变化过程与规律
No.10 构模思路 No.10 图 4 构模过程图
原始参数
结果
反馈
分析、综合、检验的反复交叉性 分析、综合、检验的反复交叉性 No.5
● “分析”是相对于“综合”而言，如对某一机电系统而言， 检查性能是分析，而设计该系统则是“综合” 。 一般来讲， “分析”先于“综合” ，对现有系统可在“分析”后 加以改善，达到重新“综合” ；对于尚未存在的系统，可收集 其它类似系统的资料，通过模拟试验加以“分析”后进行重新 “综合” 。在分析和综合的基础上，应该再加以“检验” 。
No.4
系统检验
提供满足设计对象全 检验方案 、参数组 提供在综合条件下，系 面性能和功能指标的 合的合理 性、科学 统特征的直接度量 方案和参数组合 性和最佳性 固定的 变化的 固定的（检验通过） 变化的（反馈修正）
输入输出特征
一组输入对应一组输出 一组输入输出特性作 一组参数 作为检验 作为设计依据 为设计的指标 的根据 系统参数改变后输入特 系统如何改变才改善 实践（验）考察结 性的影响、分析有唯一 系统特性综合才能最 果的正确性 性 佳化 利用输出系统的响应的 利用输出系统响应的 利用数据 反馈来肯 反馈来改变系统模型 定或修改 系统模型 反馈来改变输入变量 本身 参数
1. 机电系统建模与仿真概述 机电系统建模与仿真概述1-2
●
系统建模与仿真是一门关于系统分析， 系统建模与仿真是一门关于系统分析， 系统综合和系统检验的一门课程， 系统综合和系统检验的一门课程 ， 尽管 到目前还没有形成完整的体系， 到目前还没有形成完整的体系 ， 但已在 各行业、各学科中得到广泛应用。 各行业、各学科中得到广泛应用。
仿真的定义3-2
较为流行的定义是："系统仿真就是建立系统的 动态模型并在模型上进行实验（或试验）。这个 定义强调了仿真不是直接地对系统或过程进行实 验研究，而应建立系统的模型，利用模型对系统 进持间接的实验研究。这就是说，伉真是一种实 验──广义实验。 另一种定义是：仿真是对真实系统或过程在 整个运行时间内的模仿。这个定义则突出了仿真 是对真实系统或过程的运动规律或信息传递规律 在特定条件下的相似再现。
2. 模型 建 No.6 与 模
●对 电 统 模 化 是 行 统 析 系 综 、 统 机 系 的 型 ， 进 系 分 、 统 合 系 检 验 前 和 础 的 程 基 。 ●模 ： 是 来 述 观 物 对 和 程 一 面 质 型 凡 用 描 客 事 、 象 过 某 方 本 特 征 属 ， 物 展 化 过 与 律 均 为 型 与 性 事 发 变 的 程 规 的 称 模 。 ●模 用 描 系 的 构 形 及 息 递 规 ， 系 型 于 述 统 结 、 态 信 传 的 律 是 统 的 种 观 照 缩 ， 分 系 和 报 统 性 以 确 一 客 写 或 影 是 析 统 预 系 特 ， 及 定 如 控 系 行 的 利 具 何 制 统 为 有 工 。
系统—分析 综合 检验1-4 系统 分析—综合 检验 分析 综合—检验
● 分析 就是在思维活动中，把认识对象的整 体分解为部分、特性、因素而加以认识的逻辑方 法。 ● 综合 就是在思维活动中，将认识对象的各 个部分、特性和因素联系起来作为一个统一整体 加以认识的逻辑方法。 ● 检验 就是在思维活动中，将对象分析和综 合的结果，按照最佳化的标准加以考查。
广泛搜集背景材 料 （成文、不成文、 实验、实践的各 种资料信息）
数学模型 物理模型
求出数值解
修正系数 修正模型
用于实际反复实践 逐步得出较满意的模型
建模是一项最广泛的收集资料、反复验证、反复修改、不断完善的一 个过程。
建模方法 No.11 建模方法 No.11 建模方法
数字仿真--混合仿真3-10
数字仿真能够很好地解决上述问题，并逐渐地取代 模拟计算机。但是由于一般的数字计算机是“串行” 运算的，即一般只有一个中央处理机进行运算，所 以运算速度比较低，对于一些反应较快的系统进行 “实时”仿真，以及解决参数优化问题时有一定困 难。 数字－模拟混合仿真综合了数字仿真与模拟仿真的 优点，克服了它们各自的缺点，所以适于快速地进 行多次仿真研究，特别适宜参数寻优、统计分析等 方面的应用。另外，由于系统中既有数字机又有模 拟机，因而能用于与实物联接的“实时仿真”。但 混合的价格昂贵，限制了它的广泛应用。图5表示一 个数字－模拟混合计算机系统
机电系统建模与仿真内容提要0-1
1. 2. 3. 4. 5. 6. 系统建模与仿真概述 模型与建模 仿真及其分类 仿真研究步骤 系统仿真的特点 数字仿真程序