第一章 建模与仿真的基本概念
建模与仿真
第1章建模与仿真的基本概念参照P8例子，列举一个你相对熟悉的简单实际系统为例，采用非形式描述出来。
第2章建模方法论1、什么是数学建模形式化的表示？试列举一例说明形式化表示与非形式化表示的区别。
模型的非形式描述是说明实际系统的本质，但不是详尽描述。
是对模型进行深入研究的基础。
主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设组成。
模型的非形式描述主要说明实体、描述变量、实体间的相互关系及假设等。
例子：环形罗宾服务模型的非形式描述：实体CPU，USR1，…，USR5描述变量CPU:Who,Now(现在是谁)----范围{1,2,…,5}; Who.Now=i表示USRi由CPU服务。
USR：Completion.State（完成情况）----范围[0，1]；它表示USR完成整个程序任务的比例。
参变量X-----范围[0，1]；它表示USRi每次完成程序的比率。
i实体相互关系（1）CPU 以固定速度依次为用户服务，即Who.Now为1，2，3，4，5，1，2…..循环运行。
X工作。
假设：CPU对USR的服务时间固定，不（2）当Who.Now=I,CPU完成USRi余下的iX决定。
依赖于USR的程序；USRi的进程是由各自的参变量i2、何谓“黑盒”“白盒”“灰盒”系统？“黑盒”系统是指系统内部结构和特性不清楚的系统。
对于“黑盒”系统，如果允许直接进行实验测量并通过实验对假设模型加以验证和修正。
对属于黑盒但又不允许直接实验观测的系统，则采用数据收集和统计归纳的方法来假设模型。
对于内部结构和特性清楚的系统，即白盒系统，可以利用已知的一些基本定律，经过分析和演绎导出系统模型。
3、模型有效性和模型可信性相同吗？有何不同？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。
它分三个不同级别的模型有效：复制有效、预测有效和结构有效。
不同级别的模型有效，存在不同的行为水平、状态结构水平和分解结构水平的系统描述。
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。
《建模与仿真》教学大纲
《建模与仿真》教学大纲课程名称：建模与仿真课程代码：INDE2038课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第七学期适用专业：工业工程先修课程：概率统计、C语言程序设计后续课程：毕业设计开课单位：机电工程学院课程负责人：大纲执笔人：杨宏兵大纲审核人：一、课程性质和教学目标《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的专业课程之一。
学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。
本课程的教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。
课程以制造型生产企业为核心，通过理论教学和实践环节相结合，阐述了离散事件系统建模与仿真技术在生产企业分析中的基本原理和方法。
其内容涉及计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理、仿真软件的介绍，重点介绍排队系统、库存系统、加工系统以及输入、输出数据分析。
本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理；并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能；使学生了解计算机仿真的基本步骤。
二、课程教学方法1、启发式课堂讨论针对关键知识点、典型题和难题，通过教师提问，鼓励学生回答问题或请到讲台前做题，并请其他学生评判或提出不同的答案或不同的解决方法。
目的是加强学生自主学习的能力和判断能力，培养主动思考的习惯，启发学生的探索精神。
2、重视在教学中加强知识演进的逻辑规律的讲解提高学生的逻辑思维能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。
3、加强计算机辅助设计、分析将Flexsim仿真软件引入教学中。
应用计算机辅助设计、分析，能方便的改变系统结构参数，认识复杂系统的动态响应。
三、课程教学内容及学时分配第一章概论（2课时）教学目的：了解系统仿真技术的发展历史；掌握系统仿真技术的特点；理解系统仿真的应用；掌握系统仿真的优势与局限性；熟悉系统仿真的相关技术；了解系统仿真的研究热点和发展方向；教学重点：系统仿真的应用；系统仿真的优势与局限性；系统仿真的相关技术；教学难点：系统仿真的应用；第二章系统仿真基本知识（6课时）教学目的：了解生产系统的基本特征；理解掌握系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；了解系统仿真的类型；理解离散系统与连续系统的区别；熟悉生产系统建模的方法与仿真研究的步骤；深入理解排队论的基本概念，熟悉排队系统的组成与排队模型的分类，掌握到达模式与服务机构刻画的参数，熟悉排队规则与队列的度量；熟悉几种常用的到达时间间隔和服务实践的理论分布（定长分布、泊松分布、埃尔朗分布、正态分布等）；掌握M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；掌握库存系统模型；熟悉库存系统；掌握库存系统模型；熟悉库存系统仿真及仿真结果分析；教学重点：系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；离散系统与连续系统的区别；生产系统建模的方法与仿真研究的步骤；排队论的基本概念，排队系统的组成与排队模型的分类；几种常用的到达时间间隔和服务实践的理论分布（定长分布、泊松分布、埃尔朗分布、正态分布等）；M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；库存系统仿真方法；教学难点：系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；离散系统与连续系统的区别；排队论的基本概念；M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；库存系统仿真；第三章随机数与随机变量（3课时）教学目的：理解掌握随机变量（离散、连续），以及连续随机变量的密度函数的概念；掌握随机变量的数字特征；理解掌握随机数的概念，熟悉产生连续均匀分布随机数的几种方法，掌握计算机产生随机数的方法；熟悉随机数的统计检验；掌握各种离散分布随机数的产生方法；熟悉非均匀连续分布随机数及其产生方法。
生物过程建模与仿真
生物过程建模与仿真生物过程建模与仿真是一种将生命科学和计算机科学结合起来的交叉学科，它通过将生物学过程分解成多个小部分并对其进行分析，从而理解和预测生物学过程。
本文将介绍生物过程建模与仿真的基本概念、应用、挑战和未来发展方向。
一、基本概念生物过程建模与仿真旨在将生物学复杂的过程分解成多个小部分，并以数学模型的形式表示。
这些模型可以用来预测生物学过程的结果或调查生物学过程的某一方面。
例如，可以用模型研究细胞周期、代谢网络等。
生物过程建模与仿真的过程可以分为两个阶段。
首先，需要对生物学过程进行系统地研究，了解哪些因素对生物学过程的运作有影响。
其次，需要将这些因素数学化，并建立模型。
根据模型的形式和复杂程度，可以使用不同的仿真技术对其进行仿真和验证。
二、应用生物过程建模与仿真可以应用于生命科学领域的多个方面，如临床、生产和研究。
例如，生物过程建模与仿真技术可以用于药物研发，验证新药的有效性和安全性。
此外，生物过程建模与仿真还可以用于设计合成生物学的基因调控系统，从而控制生物学过程。
生物过程建模与仿真还可以应用于临床医疗。
例如，可以使用生物过程建模与仿真技术对患者进行逐步治疗，预测治疗结果，并优化治疗方案。
三、挑战生物过程建模与仿真面临着一些挑战和限制。
其中之一是数据的质量和可用性。
生物学数据经常是缺失、不完整、散乱和不可靠的。
此外，生物学过程的复杂性也给建模和仿真带来了很大的挑战。
生物学过程具有多层次的结构和多种互动方式，因此需要使用多学科方法来研究和建模。
四、未来发展方向未来的生物过程建模与仿真的发展方向包括将不同层次的模型集成在一起，以更好地理解生物学过程。
此外，未来的研究还将更加注重模型的验证和验证模型的实际应用。
随着计算机技术和数据采集技术的快速发展，生物过程建模与仿真在未来将有更重要的作用。
总之，生物过程建模与仿真是一种有趣和充满挑战的十分前沿的研究领域。
它为生命科学的研究提供了新的视角和工具，并为未来生物学的研究和应用提供了更多的机会。
网络仿真与建模
网络仿真与建模网络仿真与建模是一项重要的技术和方法，它通过使用计算机模拟和模拟网络行为，以实现对现实世界网络环境的研究和测试。
本文将介绍网络仿真与建模的基本概念、应用领域以及方法和工具。
一、基本概念1.1 网络仿真网络仿真是指利用计算机技术对网络环境进行模拟和模拟的过程。
通过将网络的各个组成部分（例如主机、路由器、链路等）抽象为数学模型，并根据一定的规则和算法进行模拟和计算，以研究和测试网络的性能、可靠性、安全性等方面的问题。
1.2 网络建模网络建模是指将实际的网络系统抽象为数学模型的过程。
通过分析网络的特性、结构、功能和行为等方面的信息，建立相应的数学模型，以描述和分析网络的特性和行为，并通过模拟和计算来预测和验证网络的性能和行为。
二、应用领域2.1 网络性能评估网络仿真与建模可以用于评估网络的性能，例如带宽利用率、时延、丢包率等指标。
通过建立网络模型，并进行仿真和计算，可以分析网络在不同负载下的性能情况，找到瓶颈和优化方案。
2.2 网络规划与设计网络仿真与建模可以用于网络的规划和设计。
通过建立网络模型，并模拟和计算不同方案下的网络性能和资源利用情况，可以为网络的规划和设计提供参考和决策支持。
2.3 网络安全分析网络仿真与建模可以用于网络安全的分析和评价。
通过建立网络模型，并模拟和计算不同攻击场景下的网络行为和响应情况，可以评估网络的安全性，并提供相应的安全策略和防护措施。
三、方法和工具3.1 离散事件仿真离散事件仿真是一种常用的网络仿真方法。
它基于事件驱动的模型，通过模拟和计算事件的发生和处理过程，以实现对网络行为和性能的模拟和分析。
3.2 随机过程模型随机过程模型是一种常用的网络建模方法。
它基于随机过程的理论，通过建立和分析网络行为和性能随机变量的数学模型，以描述和预测网络的行为和性能。
3.3仿真工具目前有许多网络仿真工具可供使用。
例如，NS-2是一个广泛使用的开放源代码网络仿真工具，它提供了丰富的网络模型和协议，能够模拟复杂的网络环境和行为。
系统建模与仿真课程设计
系统建模与仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解系统建模与仿真的基本概念，掌握建模与仿真的基本原理；2. 使学生掌握运用数学模型描述实际问题的方法，提高解决实际问题的能力；3. 帮助学生了解不同类型的建模与仿真方法，并能够根据实际问题选择合适的建模与仿真方法。
技能目标：1. 培养学生运用计算机软件进行建模与仿真的操作能力；2. 提高学生分析问题、解决问题的能力，使学生能够独立完成简单的系统建模与仿真实验；3. 培养学生的团队协作能力，能够与他人合作完成复杂的系统建模与仿真项目。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对系统建模与仿真的兴趣，培养学生主动探索、勇于创新的科学精神；2. 培养学生具备严谨、求实的学术态度，提高学生的学术素养；3. 引导学生关注建模与仿真在工程技术领域的应用，增强学生的社会责任感和使命感。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程旨在通过理论教学与实践操作相结合，使学生在掌握基本知识的基础上，提高实际操作能力。
课程目标分解为具体的学习成果，以便后续的教学设计和评估。
通过本课程的学习，学生将能够运用所学知识解决实际问题，为未来的学术研究和职业发展打下坚实基础。
二、教学内容1. 系统建模与仿真基本概念：包括系统、模型、仿真的定义及其相互关系，介绍建模与仿真的发展历程；2. 建模与仿真原理：讲解建模与仿真的基本原理，如相似性原理、逼真度原理等；3. 数学模型构建：介绍常用的数学模型及其构建方法，如差分方程、微分方程等；4. 建模与仿真方法：分析不同类型的建模与仿真方法，如连续系统仿真、离散事件仿真等；5. 计算机软件应用：介绍常用的建模与仿真软件，如MATLAB、AnyLogic 等，并进行实际操作演示；6. 系统建模与仿真实践：结合实际案例，指导学生运用所学知识进行系统建模与仿真实验；7. 教学内容安排与进度：按照教材章节顺序，制定详细的教学大纲，明确各章节的教学内容和进度。
物理学中的建模与仿真：物理过程的数学建模与计算机仿真
02
物理建模的分类
• 解析建模：通过数学公式直接描述物理 现象，如牛顿运动定律 • 数值建模：通过计算机程序模拟物理现 象，如有限元法 • 混合建模：结合解析建模和数值建模， 如有限差分法
计算机仿真的基本原理与方法
计算机仿真的方法
• 基于物理的仿真：直接模拟物理现象，如分子动力学模拟 • 基于数学的仿真：通过数学模型模拟物理现象，如有限元法 • 混合仿真：结合基于物理的仿真和基于数学的仿真，如有限差分法
仿真结果的可视化与验证
01
仿真结果的可视化
• 数据可视化：如散点图、折线图、饼图 等 • 图像可视化：如位图、矢量图、三维图 形等 • 动画可视化：如模拟动画、过程动画、 交互动画等
02
仿真结果的验证
• 实验验证：通过实验数据与仿真结果进 行对比，验证仿真模型的准确性 • 理论验证：通过理论分析与仿真结果进 行对比，验证仿真模型的正确性 • 工程验证：通过工程实践与仿真结果进 行对比，验证仿真模型的可靠性
05 物理学建模与仿真的未来发展
物理学建模与仿真的新兴技术
新兴技术的应用
• 智能建模：如基于人工智能的自动建模、自适应建模等 • 智能仿真：如基于人工智能的仿真优化、仿真预测等 • 智能验证：如基于人工智能的误差估计、误差控制等
新兴技术
• 人工智能：利用机器学习、深度学习等技术提高建模与仿真的精度和效率 • 高性能计算：利用并行计算、分布式计算等技术提高建模与仿真的计算能力 • 虚拟现实：利用虚拟现实技术实现仿真结果的可视化和交互操作
物理学建模与仿真的挑战与机遇
挑战
• 模型复杂性：随着物理现象的复杂化， 建模难度不断增加 • 计算性能：随着仿真精度的提高，对计 算性能的要求不断提高 • 数据可用性：随着数据量的增长，数据 可用性和数据质量成为关键问题
建模与仿真VVA
技术说明 软件开发
实现
数据输入
问题求解
特特特特特特
特殊应用
（虚拟、设备、人、仿真器）
2020/3/17
飞行器工程系 单家元博士
6
5.1 VV&A基本概念
VVA工作过程
仿真大纲校 验
导弹制导系统 特特特特
概念模型 特特特特
仿真大纲
概念模型校 验
正式模型 特特特特特
数学仿真模型
特特特特 数学仿真结果
2020/3/17
飞行器工程系 单家元博士
8
5.2 模型校核
5.2.1 系统仿真误差源校核
仿真模型校核：数学模型建立时作了多种假设和简 化，忽略了一些次要的、不可观察的因素，而仿真 模型则是在此基础上的二次简化。
仿真算法校核：编制仿真程序时由所采用的算法本 身引起的截断误差和舌入误差。
置信度评估
理论模型有效性确认、仿真软件校核与验证、运行 有效性确认、数据有效性确认、内部安全性确认
2020/3/17
飞行器工程系 单家元博士
5
5.1 VV&A基本概念
VVA工作模式
建模对象 目标和要求
特特特特 特特特特特特
概念模型 （假设、算法、结构等）
校验与验证计划
特特特特 特特特特
数学仿真模 型验证
数学模型校验
物理效应模型 校验
仿真模型校验
特特特特Βιβλιοθήκη 半实物仿真 系统校验半实物仿真系统 特特特特特
半实物仿真结果
仿真确认
半实物仿真系 统验证
实际飞行结 果
特特特特
物理效应模型 特特特特
物理仿真结果
物理仿真模型 验证
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。
IE 20
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。
IE
17
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。
建模仿真文档
建模仿真1. 引言建模仿真是通过建立数学模型并进行计算机模拟，以评估和预测特定系统的行为和性能。
在不同领域，建模仿真被广泛应用于产品设计、流程优化、风险分析等方面。
本文将介绍建模仿真的基本概念、方法和应用，并分析其优势和局限性。
2. 建模概述2.1 建模定义建模是指通过一定的抽象和约束，将复杂的现实问题转化为数学模型的过程。
数学模型是对问题的一种抽象，在模型中用数学符号表达问题的各个方面。
建模是仿真的前提，为后续仿真计算提供数据和工具。
2.2 建模方法建模方法可以分为几种不同的类别，常用的包括：•数理统计法：根据收集到的数据，通过统计方法建立模型。
•物理模型法：通过对系统运行规律的物理解释，建立物理模型。
•仿生建模法：借鉴生物系统的特点和原理，建立仿生模型。
•数学统计法：根据问题的数学描述，建立数学模型。
•系统动力学法：通过描述系统各组成部分之间的相互关系，建立动力学模型。
2.3 仿真概述仿真是对建立的数学模型进行计算机模拟，以获得系统在不同条件下的行为和性能。
通过仿真，可以评估系统的可行性，做出决策，优化设计，降低风险等。
3. 建模仿真应用建模仿真广泛应用于不同领域，如：3.1 产品设计与优化在产品设计过程中，建模仿真可以帮助分析产品的结构、性能与生产过程等方面。
通过仿真模拟，可以预测产品在实际使用中的性能表现，并优化设计以满足需求。
3.2 流程优化与决策支持在生产流程、供应链管理等方面，建模仿真可以模拟不同方案的操作、资源投入与产出等指标。
通过仿真结果，可以比较各方案的优劣，为决策提供支持，优化流程、提高效率。
3.3 风险分析与预测在金融、工程、医学等领域，建模仿真可以用于风险分析与预测。
通过仿真模拟，可以评估风险的可能性与影响程度，帮助制定风险管理策略。
4. 建模仿真工具4.1 常用建模软件•MATLAB：MATLAB是一种功能强大的数值计算和仿真软件，广泛应用于科学、工程和金融等领域。
•Simulink：Simulink是MATLAB的扩展工具箱，用于建立与仿真动态系统的模型。
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
11
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》
24
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
1-什么是仿真
二、仿真软件的发展
• 近四十年来，仿真软件充分吸收了仿真 方法学、计算机、网络、图形/图像、多 媒体、软件工程、系统工程、自动控制、 人工智能等技术成果，从而得到了很大 发展。 • 仿真软件也从初期的机器代码，经历较 高级的编程语言，面向问题描述的仿真 语言，发展到模块化概念，并进而发展 到面向对象编程，图形化模块编程等。
14
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
15
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。
7
一、硬件的发展
• 40年代出现了模拟计算机，这时的计算 机大都是用来设计飞机的专用计算机。 • 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。
第一章 绪 论
• 0.1 仿真技术简介
1
一、仿真的意义
把实际系统建立成物理模型或数学模型进 行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到 实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究， 简称仿真。
2
二、仿真的定义
• 仿真------就是用模型（物理模型 或数学模本原则
16
二、非工程系统
• 如用于研究社会经济、人口、污染、生物、 医学系统等。 • 由于其应用广泛及卓有成效，在国际 上成立国际仿真联合会（International Association for Mathematic and Computer in Simulation-IAMCS）。
建模与仿真课程设计总结
建模与仿真课程设计总结一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握建模与仿真的基本概念，理解其在工程与科学领域中的应用。
2. 引导学生学会运用数学知识构建简单的数学模型，并能够运用相关软件进行仿真实验。
3. 帮助学生理解模型参数对仿真结果的影响，提高数据分析与处理能力。
技能目标：1. 培养学生运用计算机软件进行建模与仿真的实际操作能力。
2. 培养学生独立思考、解决问题的能力，以及团队协作的能力。
3. 提高学生将理论知识应用于实际问题的能力，培养创新思维。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对建模与仿真技术的兴趣，激发学生的学习热情和探究精神。
2. 引导学生认识到建模与仿真技术在国家经济发展和国防建设中的重要作用，增强学生的责任感。
3. 培养学生严谨的科学态度，树立正确的价值观，认识到科技发展对社会的贡献。
本课程针对高年级学生，结合学科特点和教学要求，旨在提高学生运用数学和计算机技术解决实际问题的能力。
课程目标具体、可衡量，有助于教师进行教学设计和评估，同时促进学生全面、持续的发展。
二、教学内容1. 建模与仿真基本概念：介绍建模与仿真的定义、分类及应用领域，让学生对建模与仿真技术有整体的认识。
相关教材章节：第一章 建模与仿真概述2. 数学建模方法：讲解线性规划、非线性规划、微分方程等数学建模方法，并举例说明。
相关教材章节：第二章 数学建模方法3. 仿真软件介绍：介绍MATLAB、Python等常用仿真软件的使用方法，指导学生进行实际操作。
相关教材章节：第三章 仿真软件及其应用4. 模型参数分析：分析模型参数对仿真结果的影响，引导学生掌握参数调整方法。
相关教材章节：第四章 模型参数分析5. 实践项目：分组进行实践项目，让学生运用所学知识解决实际问题，提高实际操作能力。
相关教材章节：第五章 实践项目6. 数据分析与处理：培养学生分析仿真数据、处理结果的能力，提高学生的数据分析水平。
相关教材章节：第六章 数据分析与处理教学内容按照教学大纲进行安排，确保科学性和系统性。
计算机建模与仿真
第一章绪论基本概念系统：按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。
模型：从特定应用角度，表达对象系统特征与特性的形式。
仿真：用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。
对象系统：仿真、分析与研究的对象。
仿真系统：实施仿真的系统。
仿真分类：根据实现手段分类：物理仿真、数字仿真、混合仿真根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类：实时仿真、亚实时仿真、超实时仿真根据仿真对象状态时间特性分类：连续系统仿真、离散事件系统仿真相似理论是仿真的理论基础。
相似而非相同相似需要抓住重点特征重点特征因观察角度而改变1. 物理模型仿真几何相似：模型与原型的尺寸成比例，角度相等。
运动相似：模型流动与原型流动的流速场相似。
即速度三角形几何相似：动力相似：在原型流动和模型流动中，对应点作用有同样性质的力（即同名力），并且方向相同，大小成比例。
2. 模拟计算仿真用相对比较容易实现与调整的电气、电子系统对其它物理系统进行仿真。
3、数字仿真建立原型的数学模型。
直接对原型的数学、逻辑模型求解，分析原型的状态运动规律。
仿真技术的发展1.物理模拟2.模拟计算机仿真3.数字计算机仿真仿真的应用1. 仿真在科学研究中的应用2. 仿真在系统设计中的应用3. 仿真在系统分析中的应用4. 仿真在教育与培训中的应用5. 仿真在产品开发与制造过程中的应用第二章 动态系统建模理论动态系统建模理论自动控制理论：通过模型研究控制系统的特性，如稳定性、性能等。
电路理论：通过模型研究电路的特性。
介绍常规的建模方法：如微分方程、传递函数、方框图、状态方程等。
建模步骤：(1) 运用专业知识进行系统分析系统总体结构系统组成部件部件工作原理及相互间的联系与作用系统工作原理(2) 描述部件的特性(3) 根据部件间的相互联系与作用，建立系统模型(4) 化简建立系统微分方程的方法：(1) 根据系统的结构与工作原理画出系统方块图。
(2) 分别列写组成系统各元件的微分方程。
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。
1-什么是仿真
• （3） 高级仿真语言阶段: 1970～1980年间 商用的连续系统仿真语言SSLIV、DAREP、 ACSL,以及离散事件系统仿真语言GPSSIV、 SIMCRIPⅢ和SLAM等。 • （ 4 ）一体化建模与仿真环境软件 : 如美国 Pritsket 于 1989 年推出的 TESS ，它是具有数 据库 , 而且能将数据存储与检索，脚本仿真 / 数据采集，数据分析报告和图形生成，脚本 动画，网络模型输入，运行控制，数据管理 等八个部分组成一体化仿真软件环境。
8
• 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。 • 60年代初期，出现了混合计算机商品。 • 近年以来，由于计算机技术的飞速发展， 数字计算机已有可能解决高速动态系统 的实时仿真问题，所以模拟/数字混合计 算机将被数字计算机所取代。
14
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
15
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。
22
2. 控制系统CAD的应用
(1) 控制系统CAD可以广泛地应用于工业生产部门。 (2) 控制系统CAD对于从事自动控制的研究人员来 说也是必部可少的工具和手段。 (3) 控制系统CAD在控制系统教学中的应用也是十 分明显的。
23
0.5 基于MATLAB的控制系统 仿真的现状
24
1.是目前国际控制界最流行的仿真语言 2.设计控制系统
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
建模仿真图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。
低水平有效（只能描述实际系统过去的行为和试验，不能说明实际系统将来的行为）（2）预测有效：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尚不明白。
（3）结构有效：不但搞清实际系统内部之间的工作关系，且了解了实际系统的内部分解结构。
是模型有效的最高级别，不但能重复被观测的实际系统的行为，且能反映实际系统产生这个行为的操作过程。
1.2.4 仿真关系计算机执行模型所规定的指令的真实性。
程序问题与模型问题不能混谈。
1.2.5 建模与仿真工作表示内容建模与仿真内容规范如下：1、模型与针对模型构造的假设的非形式描述。
2、模型结构形式描述。
3、执行仿真的程序设计。
4、仿真试验、试验结果及分析。
5、模型应用的范围、有效性。
6、现在模型与过去的和将来的模型关系。
1.2.6 系统仿真的分类1.2.6.1 根据计算机分类(1) 模拟以汁算机仿真。
模拟机使用一系列运算器(如放大器、积分器、加法器、乘法器、函数发生器等)和无源器件：(如系数器等)相互连接成仿真电路。
由于各运算器并行操作，所以运算速度快，实时性好。
其缺点是计算精度低，线性部件为千分之几。
徘线性运算误差在日分之机，而且排题工作繁复，模型变化后更改困难。
(2) 数字计算机仿真。
即将系统模型用一组程序来描述，并使它在数字计算机运行。
数字计算机精度高，一般可以达到所期望的有效数字位，且可以对动态特征截然不同的各种动态系统进行仿真研究，但运算速度慢(串行运算)。
(3)模拟数字混合仿真。
混合仿真系统有两种基本结构：一种是在模拟机基础上增加—些数字逻辑功能，称为混合模拟机；另一种是由模拟机、数字机及其接口组成(图1．6)，两台计算机之间利用D／A及A／D转换，交换信息，称为数数字模拟混合计算机。
20世纪50年代一70年代，模拟机仿真和模拟数字混合仿真十分流行，在数字机速度不断增长的情况下数字仿真速度慢的缺点已得到克服，现在已逐渐被数字仿真所取代。
1.2.6.2 根据仿真系统的结构和实现手段不同分类(1) 数学仿真。
实际系统全部山数学模型代替，并把数学模型变成仿真模型，在计算机上对实际系统进行研究的过程。
(2) 物理仿真。
又称物理效应仿真，指的是研制某些硬件结构(实体模型)，使之可重现系统的各种状态，而不必采用昂贵的原型。
(3)半实物仿真。
在某些系统研究中常把数学模型、实体模型(物理效应模型)和系统的实际设备(实物)联系在一起运转，组成仿真系统(图1．7)，这种仿真称为半实物仿真。
1．3 模型的非形式描述1、基本概念是说明实际系统的本质，但不是详尽描述。
是对模型进行深入研究的基础。
主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设组成。
2、非形式描述的格式模型的非形式描述主要说明实体、描述变量、实体间的相互关系及假设等。
格式：实体Com.1Com.2 着重描述实际系统的概念部分…Com.m描述变量Con.1V ar.11…V ar.1nCon.2 说明每个变量表征符号及其范围集，并阐述变量的作用。
V ar.21…V ar.2n…Com.mV ar.n1…V ar.nnPARPar.1…参变量Par.m实体间的相互关系3、例子略1.4 建模与仿真活动的组成要素建模与仿真活动由五个要素组成：实际系统、实验框架、基本模型、集总模型和计算机。
1.4.1 实际系统：行为输出变量观察阻挡层图 1.4 实际系统的变量描述建模者所关心的是实际系统的输入输出行为。
因此，可把实际系统抽象为可观测的数据源，即系统的行为。
把一个实际系统抽象为图1.4，对建模而言主要关心实际系统的描述变量，假设这些变量是系统的已知、描述和控制的变量。
1.4.2 实际系统：有效性实验框架可刻画为观测实际系统和做有关实验的环境的一个有限集，这个有限集是实际系统输入-输出行为的一个子集，它是某种假设、限制条件。
实际系统的输入-输出对偶同每个实验框架有关。
如果杂某个标准内，产生的输入—输出对偶与框架的所有输入输出对偶是一致的，那么这个模型对这个实验框架是有效的。
所以，一个模型对某个实验框架是有效的，而对另一个实验框架不一定是有效的。
可见，一个模型的有效性与实验框架有关。
1.4.3 基本模型：假想的完全解释基本模型是能解释实际系统的所有输入输出行为的模型。
即对所有可允许的实验框架，基本模型是有效的。
因此基本模型要提供实际系统行为的完全解释，必须期待它包含许许多多的实体和相互关系。
1.4.4 集总模型：简化由于基本模型过于复杂，所以就构造一个对实验框架有效的相对简单的模型，称集总模型，它通常是从基本模型或根据实验者对实际系统的设想，按照把各个实体集总在一起并简化它们的相互关系而构造的模型。
1.4.5 计算机：复杂性计算机可以处理复杂模型。
在模型的计算机仿真中需要消耗计算机资源和建模者的人力资源，应考虑和权衡的资源有：1、仿真时间。
2、计算机程序中描绘模型结构和储存状态变量值所需的空间。
3、将模型变换成描绘模型的程序，包括从高级语言到机器语言的转换、编译和汇编等有关的辅助操作。
4、排除程序故障、调整参量和其他关于程序及实验框架两者使模型有效性等所包括的时间和工作。
1.5 仿真的基本概念框架近20年来，对模型的研究及如何来建立模型已成为仿真活动所关心的问题。
现代仿真是这样过程，它为了分析与研究已经存在的或尚未建成的系统，先建立该系统的模型，再将其安放到计算机上进行实验。
仿真的重点包括“模型”和“实验”两个方面，仿真是一种基于模型的活动，仿真的基本概念框架为“建模—实验—分析”。
仿真包括3个基本要素：对仿真问题的描述、行为产生器和模型行为及其处理。
图1.5 仿真研究的基本要素1、对仿真问题的描述包含模型和实验两个组成部分。
数学模型又由两个部分组成：一个参数模型及一组参数值。
实验也分成两个部分：实验框架和仿真游行控制。
2、行为产生器是一套对模型进行实验的软件，比如连续系统仿真中的饿仿真计算程序。
由它产生一组随时间变化的系统状态变量的数据。
3、模型行为及其处理模型行为有三种类型：点行为、轨迹行为及结构行为。
轨迹行为可从各种仿真中获得。
结构行为只可以从可变结构系统模型中获得，即这种系统模型的静态结构及动态结构是可变的。
点行为则是指模型行为的一种特定属性，如最小值、最大值、振荡次数、上升时间、稳定时间等等。
行为处理包括对行为进行分析及显示。
1.6 仿真的发展趋势1、建模方法学2、面向对象仿真3、分布交互仿真4、人工智能与计算机仿真5、虚拟现实仿真6、Internet网上仿真作业：参照P8例子，列举一个你相对熟悉的简单实际系统为例，采用非形式描述出来。