第1章 系统,模型与模拟
通信系统原理教程(第二版)(王兴亮)第1-3章章 (1)
第1章 绪 论 图1-6 点对点的数字频带传输通信系统模型
第1章 绪 论 2. 数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字 通信系统称为数字基带传输通信系统， 其模型如图1-7所示。
图1-7 数字基带传输通信系统模型
第1章 绪 论
3.
上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带 信号。实际上，在日常生活中，大部分信号(如语音信号)为连续 变化的模拟信号，要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须 在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相 反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的通信系统模型 如图1-8所示。
第1 章
绪论 表 1-3 常用的调制方式
第1章 绪 论
1.2.3 通信的方式
1. 按消息传送的方向与时间分类
通常，如果通信仅在点对点之间进行或一点对多点之间进行， 那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单 工通信、 半双工通信及全双工通信。
所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信方 式，如图1-1（a）所示。单工通信的例子很多，如广播、 遥控、 无线寻呼等。这里，信号(消息)只能从广播发射台、 遥控器和无 线寻呼中心分别传到收音机、 遥控对象和寻呼机上。
第1章 绪 论
图1-1 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 （a） 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式
第1章 绪 论
2.
在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同， 可将通信 方式分为串序传输和并序传输。所谓串序传输，是指将代表信息 的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方 式，如图1-2(a)所示；如果将代表信息的数字信号序列分割成两 路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输， 则称为并序 传输， 如图1-2(b)所示。
通信原理(陈启兴版)第1章课后习题答案
第1章引言1.1 学习指导1.1.1 要点本章的要点有通信系统的数学模型，通信系统的分类及通信方式，信息及其度量，通信系统的主要性能指标。
1.通信系统的数学模型通信系统是指传递消息所需的一切技术设备（含信道）的总和。
通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。
（1）一般模型以图1-1所示的功能框图来表示。
图1-1通信系统的一般模型信息源。
信源所产生的信息可以是声音、图像或文本。
信息源一般包含变换器，将信源的输出变换成电信号。
例如，用作变换器的话筒，可以将语音信号变换成电信号，而摄像机则将图像信号变换成电信号。
这些设备输出的信号一般称为基带信号。
在接收端，使用类似的变换器就可以将接收到的电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。
发送设备。
发送设备将原始基带电信号变换成适合物理信道或其他传输介质传输的形式。
例如在无线电和电视广播中，通信部门规定了各发射台的频率范围，因此，发射机必须将待发送的信息信号转换到适合的频率范围来发送，以便与分配给此发射机的频率相匹配。
这样，由多个无线电台发送的信号就不会彼此干扰。
又如果信道是光纤组成的，那么发送设备就要将处理好的基带信号转换光波信号再发送。
因此发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码调制等过程。
对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。
信道。
信道用于将来自发送设备的信号发送到接收端的物理介质。
信道可以分为两大类：无线信道和有线信道。
在无线信道中，信道可以是大气、自由空间和海水。
有线信道有双绞电话线、同轴电缆及光纤等。
信道对不同种类的信号有不同的传输特性，但都会对在信道中传输的信号产生衰减，信道中的噪声和由不理想接收机引入的噪声会引起接收信号的失真接收设备。
接收设备的功能是恢复接收信号中所包含的消息信号。
使用和发送端相似的变换器将接收到电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。
接收到的信号由于噪声的影响，出现某种程度的恶化，除了完成信号解调这一功能外，接收机还有完成包括信号滤波和噪声抑制等在内的其他一系列外围功能。
系统建模与仿真
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。
系统模型与模型化(结构模型化技术)
✓ 系统构成要素中满足其种二元关系R的要素Si、Sj的要素对 (Si，Sj)的集合，称为S上的二元关系集合，记作Rb，即有： Rb={(Si,Sj)|Si、Sj∈S,SiRSj,i,j=1,2,…,n}，且在一般情况下， (Si,Sj)和(Sj,Si)表示不同的要素对。
系统模型与模型化
第一节 概述 第二节 系统结构模型化技术 第三节 主成分分析及聚类分析 第四节 状态空间模型 第五节 系统工程模型技术的新进
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第一节 系统模型与模型化概述
❖ 一切客观存在的事物及其运动形态称为“实体” （即原型）。为便于实验、分析和预测，总是 先把所需研究的系统结构型态或运动形态变成 易于考察的形式，即转化为“模型”。
✓ 2、考虑信息的相关性：只应包括系统中与研究目的有 关的信息；
✓ 3、考虑准确性：收集的用以建模的信息要准确；
✓ 4、考虑结集性：将一些个别的实体组成更大实体的程
度。
用户订货
生产管理部门
原料 采购部门
制造车间
装配车间
成品 装运部门
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五、建模一般过程
✓ （1）明确建模目的和要求； ✓ （2）弄清系统或子系统中的主要因素及其相互关系； ✓ （3）选择模型方法； ✓ （4）确定模型结构； ✓ （5）估计模型参数； ✓ （6）模型试运行； ✓ （7）对模型进行实验研究； ✓ （8）对模型进行必要修正。
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系统结构分析
✓ 系统结构分析的具体内容：对系统目的—功能的认识；系统构成
要素的选取；对要素间的联系及其层次关系的分析；系统整体结构的确 定及其解释。
生产系统建模与仿真
第10章 生产系统建模与仿真
本章内容
• • • • 生产系统建模概述 常见生产系统模型 生产系统仿真技术 生产系统仿真实例
1.生产系统建模概述
1.1生产系统模型
– 模型是系统某种特定性能的一种抽象形式。 它是为了某种特定的目的将系统的某一部分 信息进行抽象而构成的系统替代物，是对系 统的简化 – 模型是现实系统的抽象描述，它由一些与所 分析的问题有关的主要因素构成，并表明有 关因素之间的关系
1.生产系统建模概述
• 生产系统的建模原则
– 准确性。模型必须反映现实物理系统的本质规律，数据 必须可靠，公式和图表必须正确，有科学依据 – 可靠性。模型必须反映事物的本质，且有一定的精度。 – 简明性。模型的表达式应明确、简单、抓住本质 – 实用性。模型必须能方便用户，具有实用性，因此要使 模型标准化、规范化 – 反馈性。建模时要注意灵敏问题
1.生产系统建模概述
• 生产系统的一般建模方法
– 优化方法。该方法是依赖精确的数学方程式和严密的数 学过程来分析和评价生产系统的各种可选方案，从数学 上可以证明所得到的解是针对该问题的最优解 – 仿真模型。所谓仿真模型，就是以代数和逻辑语言做出 对系统的模拟，这种模拟通常要利用随机的数学关系。 仿真模型能真实的模拟系统过程，可用于生产系统中的 各种规划 – 启发式模型。启发式模型是以启发式方法为基础建立的 系统模型。启发式方法是指那些能指导问题求解的原理 、概念和经验法则
v jk | y j y k | wij | yi bi |
j 1 i 1
m
n
f 2 (y) =
1 j k m
j 1 i 1 m n
2.常见生产系统模型
• 多设施选址—分配模型
物流系统仿真 第一章PPT课件
Ai,Si 怎么能知道呢?-- 需要进行输入数据的分析
*
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1.2 离散系统模拟的基本方法
计算机模拟的基本过程：
A
系统分析 初建模型
实验性模拟
N 模型合 适否? Y
输入数据 收集分析
实验设计 模拟
建立或修 改模型
输出数据 分析
编制程序
*
A
建立文档
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1.3 模拟语言简介
1. 模拟可使用各种计算机高级语言 2. 专用模拟语言的优点:
1.通用性好. 提供常用的功能模块 2.模块设计原则与模拟过程相仿 3.具有动态存储分配功能, 速度快 4.有标准输出 5.面向过程,简单明了
5)实体: 系统中与研究目的有关的人, 物, 设备等系统 的组成因素。分流动（活动）实体和永久实 体。
1.理发师状态 2.排队长度 3.各顾客到达时间 4.各顾客服务时间 5.模拟钟时间
6)模拟钟: 模拟模型中表示时间的变量。
*
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1.2 离散系统模拟的基本方法
例:单窗口排队系统 (M/M/1)
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1.1 概述
3.模拟模型中常见的术语
1)系统变量: 描述系统特征的各种指标或性能, 常随 时间变化。
2)参数: 表征各种系统变量的值。
例：理发店系统模型
3)系统的状态: 某个指定时刻, 所有系统变量的集合。
的系统变量为：
4)事件: 导致系统状态发生变化的过程。不引起系统 状态变化的过程不称为事件。
通信原理第一章
任何人、任何时候在任何地方以任意的方式进行通信。
1.1.1 通信系统的一般模型（主要培养全局系统的概念） 通信: 从一地向另一地传递和交换信息。
通信系统：实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质基于点与点之间的通信系统的模型用图1 -1 来描述。
送设备信道接收设备受信者噪声源接收端信息源：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为基带信号。
包括：电话机、电视摄像机和电传机、计算机等。
前者是模拟信源，输出模拟信号；后者是数字信源，输出数字信号。
发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。
变换方式是多种多样的，比如：放大、调制、编码等等； 信道：指传输信号的物理媒质。
包括：大气（自由空间）、明线、电缆或光纤。
模拟信号：凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号。
数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。
通信系统分为模拟通信系统+数字通信系统。
1. 模拟通信系统模型图1-4 模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源课程重点调制器：原始基带信号变换成适合信道传输的信号；从信号与系统的角度：调制器=频带搬移。
调制后的信号称为已调信号、频带信号。
已调信号有三个基本特征：一：携带有完整的基带信息二：适合在信道中传输三：信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。
信道编译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。
为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。
接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。
作用：提高通信系统抗干扰能力。
数字调制与解调 把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。
基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。
通信原理讲义
通信原理讲义第一章绪论1．1 通信系统的组成1．1．1 通信一般系统模型点对点通信模型：反映了通信系统的共性。
连续消息：状态连续变化的消息（如语音、图像），也称为模拟消息。
●消息与电信号之间必须建立单一的对应关系。
通常，消息被载荷在电信号的某以参量上。
数字信号：电信号的参量携带离散消息，该参量离散取值。
模拟信号：电信号的参量携带连续消息，参量连续取值。
●相应的通信系统分成两类数字通信系统模拟通信系统●模拟信号与数字信号之间可以相互转换在信息源中使用模-数（数-模）转换器，接受端使用数-模（模-数）转换器。
●数字通信比模拟通信更能适应对通信技术越来越高的要求（1）数字传输的抗干扰能力强，中继时可以消除噪声的积累；（2）传输差错可以控制；（3）便于使用现代数字信号处理技术对信息进行处理；（4）易于加密处理；（5）可以综合传递各种消息，增强系统功能。
●模拟通信系统模型（点对点）调制器：将基带信号转变为频带信号的设备。
解调器：将频带信号转变为基带信号的设备。
模拟通信强调变换的线性特性，既已调参量与基带信号成比例。
● 数字通信系统模型（点对点） 强调已调参量与基带信号之间的一一对应。
数字通信需要解决的问题：（2） 编码与解码：通过差错控制编码消除噪声或干扰造成的差错； （3） 加密和解密：对基带信号进行人为“搅乱”；（4） 同步：发送和接收节拍一致，包括：位同步（码元同步）和群同步、帧同步、句同步或码组同步。
数字通信模型：1．2 通信系统的分类及通信方式 1．2．1 通信系统分类● 按消息的物理特征分类电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统图像通信系统 ● 按调制方式分类基带传输线性调制载波调制 非线性调制 频带传输 数字调制脉冲模拟调制脉冲调制消息 消息消息消息脉冲数字调制●按信号特征分类模拟通信系统数字通信系统●按传输媒介分类有线无线1．2．2 通信方式分类●点对点通信，按传送方向与时间关系：单工通信：消息只能单方向传输半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发全双工通信：通信双方可同时进行收发●数字通信中，按数据信号码元排列方式：串行传输：数字信号码元序列按时间顺序一个接一个的在信道中传输，适合远距离传输。
通信原理第1章
1.5.1 数字通信系统有效性指标的具体表述
*码元传输速率通常又可称为码元速率、数 码率、传码率、码率、信号速率或波形速率。
码元速率：指单位时间(每秒钟)内传输码
元的数目，用符号RB来表示。
➢码元速率：RB － 波特(B) 码元速率RB与信号的进制数无关，只与 码元宽度Tb有关：
RB
1 Tb
通常在给出系统码元速率时，有必要说 明码元的进制，多进制(N)码元速率RBN与二 进制码元速率RB2之间，在保证系统信息速率 不变的情况下，相互可转换，转换关系式为 :
象等 6. 按收信者是否运动分:固定与移动 7. 按信号复用方式分：TDM、FDM、CDM
1.3.2 通信方式
1. 按消息传送的方向与时间分
A
信道
B
(a)
A
信道
B
(b)
A
信道
B
(c)
(a) 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式
2. 按数字信号排序分
101
发 送 设 备
接 收 设 备
解： 信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次， C出现13次，D出现7次，共有57个。
该信息源总的信息量为 ：
1.5 通信系统的主要性能指标
有效性和可靠性的关系（速度～质量） 模拟通信系统性能指标：
有效性指标：单位时间内传送的信息量 可靠性指标：均方误差 数字通信系统性能指标： 有效性指标：传输速率 可靠性指标：差错率
一种前所未有、方便快捷的通信手段。
(10)因特网。因特网的出现意味着信息时代的到 来，地球变成“地球村”。
通信发展现状和趋势
1)融合趋势：PSTN、CATV、计算机网络三网业务 融合；语音和数据融合；电域与光域融合；移动与 WLAN融合
第一章绪论什么是通信系统？画出数据通信系统的一般模型图，并简要...
第一章绪论1.什么是通信系统？画出数据通信系统的一般模型图，并简要介绍。
（1）通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒介的总和（2）信源→发送设备→传输系统→接收设备→信宿↑噪声源源系统→→→传输系统→→→目的系统（3）信源：把各种消息转换为原始电信号信宿：把电信号还原成消息发送设备：匹配信源与传输媒介：调制接收设备：完成发送设备的反变换：解调信道：信号传输媒介噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声2.试分析数字通信和模拟通信的优缺点。
（1）模拟通信系统：以模拟信号为传输对象的传输方式称为模拟传输，以模拟信号来传达消息的通信方式称为模拟通信，传输模拟信号的通信系统称为模拟传输系统。
缺点：抗干扰能力差保密性差不能适应计算机通信的需求（2）数字通信系统：以数字信号为传输对象的传输方式称为数字传输，以数字信号来传达消息的通信方式称为数字通信，传输数字信号的通信系统称为模拟数字系统。
优越性：抗干扰能力强{数字信号可多次再生，自动检错、纠错}具有良好的灵活性和通用性便于加密数字通信设备易于大规模集成什么是消息？什么是信息？什么是信息技术（Information technology，IT）？基本概念：1.1948年，晶体管的发明与香农定理的提出激起了数字通信系统的发展2.按照信号特征分类，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。
第二章 练习题1. 信息的概念a) 信息和消息的区别是什么？解：消息具有两个特点：一是能被通信双方所理解，二是可以相互传递信息是指包含在消息中对通信者有意义的那部分内容消息是信息的载体b) 信息量的定义和单位是什么？解：一条消息包含信息的多少称为信息量定义：当底数分别为2，e 和10时，单位为比特，奈特和哈特莱c)设某信源产生a 、b 、c 、d 四个符号，若各符号的出现相互独立，且其出现概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8，试求该信源的平均信息量。
解：H =−12log 212−14log 214−18log 218−18log 218=2.5(b)d) 一个离散信号源每毫秒发出4种符号中的一个，各相互独立符号出现的概率分别为0.4、0.3、0.2、0.1，求该信号源的平均信息量与信息速率。
物流系统建模与仿真
第四章 物流系统建模与仿真
（三）库存控制模型
库存控制要解决三个主要问题： ①确定库存检查周期； ②确定订货量； ③确定订货点（何时订货）。 库存模型必须也只能反映库存问题的基本特 征。同库存控制模型有关的基本概念有需求、 补充、费用和库存策略。
第四章 物流系统建模与仿真
2．排队规则 （1）等待机制：先到先服务，后到先服务， 随机服务，优先服务。 （2）消失机制：主要考虑的是顾客消失的概 率和服务机构的利用率。 （3）混合制：等待空间有限，等待时间有限， 逗留时间有限。
第四章 物流系统建模与仿真
3．服务机构 服务机构中可能是单服务台，多个服务台。
图形模型
流程图 结 方构 框图 图
流图
资金流图 物流图
计算机程序
概念模型
思维型 字句型
描述型
模拟模型
形象模型
实物模型
实体模型 比例模型
第四章 物流系统建模与仿真
第二节 物流系统的建模方法
一、建立物流系统模型的必要性 1）模型比实体要简洁得多，它所表达的因素也只是 现实物理系统中所有因素的主要部分。 2）人们通过建立和不断改进模型，进一步理解和认 识物流系统的真实情况。 3）建立物流系统的模型是物流合理化的重要前提。 4）建立物流系统的模型可以大大简化现有物流系统 或新的物流系统的分析过程，加快物流系统的分析 过程。
第四章 物流系统建模与仿真
3．经济生产批量模型
最优库存周期 ： 经济生产批量 ： 缺货补足时间 ： 结束生产时间 ： 最大库存量 ： 最大缺货量 ：
光纤通信系统的建模与仿真
光纤通信系统的建模与仿真第一章：光纤通信系统的基本原理光纤通信是一种高速传输数据的方式，其基本原理是利用光的全内反射特性在光纤中传输信息。
光纤通信系统由三部分组成：光源、光纤和接收器。
光源是发出光信号的设备，光纤则是把光信号传输到接收器的载体，接收器则把光信号转换为电信号，经过一定处理后输出信息。
在光纤传输过程中，光信号不断衰减，同时还会受到色散、非线性等影响，因此需要建立相应的光纤传输模型进行仿真分析。
第二章：光纤通信系统建模光纤通信系统建模的核心是光纤传输模型，其目的是描述光信号在光纤中的传输过程。
光纤传输模型有两种常见的描述方式：一种是时域描述方法，也就是在时间域内研究光信号的传输规律；另一种是频域描述方法，也就是在频域内研究光信号的传输规律。
时域描述模型主要包括传输矩阵法和传输线法等。
传输矩阵法通过矩阵运算来描述光纤中光信号的传输过程，求得出射光强度与入射光强度的比值，从而得到光信号的传输特性。
传输线法则是通过建立微小元件的等效模型来描述光信号的传输规律。
频域描述模型则主要包括功率谱密度法和传递函数法等，其基本思路是将复杂的光信号分解为一系列频率分量，在频域内研究光信号的传输规律。
第三章：光纤通信系统仿真光纤通信系统的仿真工作是在光纤传输模型的基础上进行的。
光纤传输模型可以借助各种数学工具进行仿真，如MATLAB、OptiSystem等仿真软件。
MATLAB是一种功能强大的数值计算软件，可以用于各种数学建模分析问题，包括光纤传输模型的仿真。
利用MATLAB进行光纤传输模型的仿真，可以结合其MATHEMATICA工具箱来进行高级数学运算，以及各种数值模拟方法进行算法实现。
OptiSystem是一种专业的光学系统仿真软件，可以有效地模拟光学元件的特性，包括光源、光纤、接收器等，同时还支持频域和时域的仿真模式。
第四章：光纤通信系统仿真案例光纤通信系统的仿真可以应用于各种实际场景，以下是一些典型的仿真案例。
(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。
制造系统建模与仿真复习重点
1、系统“三要素”：实体、属性、活动①实体：确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；②属性：也称为描述变量，描述每一实体的特征；③活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。
2、系统的分类（1）静态系统& 动态系统——时域状态（按系统状态是否变化）确定系统& 随机系统——存在随机变量（按有无随机过程）单变量系统& 多变量系统——自由度数量连续系统& 离散随机事件系统——按系统状态的变化与时间的关系（2）根据系统状态是否随时间连续变化，可以将系统分为：连续系统、离散事件系统①连续系统是指系统状态随时间发生连续性变化的系统。
②离散事件系统是指只有当在某个时间点上有事件发生时，系统状态才会发生改变的系统。
由于事件的发生具有随机性，使得离散事件系统的状态具有随机和动态特征，此类系统也常被称为离散事件动态系统（DEDS）。
3、机械制造系统是复杂的离散事件动态系统，它的输入为各种制造资源（如毛坯、半产品、能源、人力等），输出为零件、部件或产品。
机械制造系统的运行过程始终伴随着物料流、能量流和信息流，也称为“三流合一”。
4、系统模型分类①物理模型：采用特定的材料和工艺，根据相似性准则按一定比例制作的系统模型，以便通过试验对系统的某些方面性能作出评估。
②数学模型：采用符号、数学方程、数学函数或数据表格等方法定义系统各元素之间的关系和内在规律，再利用对数学模型的试验以获得现实系统的性能特征和规律。
③物理-数学模型（也称为半物理模型）：一种混合模型，结合了物理模型和数学模型的优点。
5、系统、模型与仿真的关系：系统、模型与仿真三者之间有着密切的联系。
其中，系统是要研究的对象，模型是系统在某种程度和层次上的抽象，而仿真是通过对模型的试验以便分析、评价和优化系统。
6、仿真时钟的推进机制：固定步长时间推进机制、下次事件时间推进机制、混合时间推进机制注：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。
系统建模与仿真
以英尺计的反应距离
100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 以英里/小时计的速率
图2 反应距离和速率的比例性
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计算机测控技术与应用
沈阳航空工业学院 自动控制系
得到总的停止距离为：
表3：测试得到的总的停车距离与公式计算的距离 速率（英里/小时） 总的停止距离（测试） 停止距离（计算） 20 42 43.6
识别并确定变量 3）求解或解释模型； 4）验证模型；
模型的正确性、合理性、可用性
5）实施模型；
6）维修模型；
使用模型
模型是否仍然适用？
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计算机测控技术与应用
沈阳航空工业学院 自动控制系
建模示例：车辆的停止问题
某驾驶规则：
正常的驾驶条件对车与车之间的跟随距离的要求是每10英
里的速率可以允许一辆车的跟随距离，但在不利的天气或道
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计算机测控技术与应用
沈阳航空工业学院 自动控制系
系统的分类
自然系统
社会系统
1、工程系统、非工程系统 2、连续系统、离散事件系统 3、白色系统、灰色系统、黑色系统 4、简单系统、复杂系统 5、小系统、大系统、巨系统 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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一种模型的转换过程是否有效。
模型的验证(Validation)：是在适用范围内针对建模与仿真
对象,模型具有理想的精度。
模型的确认(Accreditation)：指对模型或仿真是否可被接
受使用。通过认证,以确保仿真模型能比较精确地反映真实 系统的特性。因此,在模型验证和校核的基础上还应进行静 态检查、动态调试和人工校对。
生理系统建模与仿真讲课文档
下人体器官的耐受性实验；
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▪ （3）可作为一种预研的手段，为真实系 统运行奠定基础
➢ 例如：可通过进行大量的仿真实验找出系统的变 化规律，然后再进行少量活体实验进行验证，这 样既可节约大量实验经费，缩短实验周期，又可 减少危险性和提高效率。
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▪ 鉴于这一基本事实，把通过模型的方法对 事物的表述称为模型空间。
▪ 同时，由于模型是基于某一真实系统而构 造的，因此，在模型空间所得出的问题的 解就与真实空间同一问题的解有必然的联 系。
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第28页，共65页。
真实系统
模型空间
真实系统的解
模型空间的解
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缺点：
▪ 仅强调外部观测和系统在某一方面的 整体功能
▪ 无法描述系统的内部结构、局部细节 以及作用机理
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2．推导方法 ▪ 推导方法适用于那些内部结构和机理已
部分地被人们所认识的系统（灰箱）。 ▪ 我们可以根据这类系统的物理化学过程
以及解剖学与生物学知识，分析推导出 描述系统功能和特性的模型。
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心 脏 模 型
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血管铸型
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用乒乓球做肾脏血管铸型标本
1. 先将猪肾洗净，用生理食盐水冲洗动脉，移除血块
2. 准备胶液：将乒乓球剪碎加入丙酮，乒乓球对丙酮的比例 约为1:10。数分钟后乒乓球会溶解形成炼乳状沉在底部。 将炼乳状的胶液倒入针筒内。
25
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一个模型的建立需要： ▪ 实际条件理想化； ▪ 具体事物抽象化； ▪ 复杂系统简单化
通信原理第1章 绪论
I0 I1 I2 I3 log2 4 2 b
评注 概率相同，每个符号蕴含的信息量也相同；
二进制的每个码元含 1 （b) 四进制的每个码元含 2 （b)
每个四进制符号可用 2 个二进制符号表示。
推广：M进制的每个码元含 log2M （b)
2.离散信源的平均信息量
——信源中每个符号所含信息量的统计平均值。 设
按传输方向和时间划分
单工通信：
发端 信道 (a) 单工方式 发端 (A） 信道 收端 (A） (b) 半双工方式 发端 (A） 收端 (B） 收端 (B） 发端 (B） 收端
（单向）
半双工通信：
（双向、不同时）
全双工通信：
（双向、同时）
收端 (A）信道A 信Fra bibliotekB发端 (B）
(c) 全双工方式
H与热力学中的熵形式一样，故称为信源的熵。
M
例
【1-3】 四进制信源（0，1，2， 3）， P(0)=3/8， P(1)= P(2)= 1/4， P(3)=1/8， 试求信源的平均信息量。
解
1 H p ( xi ) log 2 p ( xi ) i 1
M
1 I log 2 P( x)
x1 , , x i , , x M P ( x ), , P ( x ), , P ( x ) 且 i M 1
P( x ) 1
i i
M
则 统计独立的M个符号的离散信源的平均信息量为
1 H p ( xi ) log 2 (b / 符号） p ( xi ) i 1
RB B
(Baud/Hz)
Rb b B
b log 2 M
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系统是按照某些规律结合起来的，相互作用、相互依 存的所有元素的集合。
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“元素”：强调的系统不仅是有形的物理系统，也可以是抽象的、概念 的系统，例如，计算机，仿真的对象即可以是它的硬件系统，也可以 是它的软件系统。
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第1章 系统,模型与模拟
本章主要内容：
1.1 概述 1.2 离散事件模拟的基本方法 1.3 模拟语言简介
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第1章 系统,模型与模拟
1.1 概述
1.系统:与研究目的相关的人,设备,设施等实体
的集合，系统的范围具有明确的限定。
1) 不同的研究目的有不同的系统规模，范围和界限。研究目的决 定了系统的界限.
Ai,Si 怎么能知道呢?-- 需要进行输入数据的分析
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1.2 离散系统模拟的基本方法
计算机模拟的基本过程：
A
系统分析 初建模型
实验性模拟
N 模型合 适否? Y
输入数据 收集分析
实验设计 模拟
建立或修 改模型
输出数据 分析
编制程序 A
建立文档
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顾客事务的数目及到达率； 出纳员的人数，处理事务的原则和速率； 排队线平均长度，每个顾客的平均等待时间。
实例
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启动 顾客到达 顾客选择等待线并排队 顾客等待 某出纳员已空 出纳员处理顾客的事务 顾客离去 出纳员变空闲
结束
2002.6
CONTENT CONTENT ENTRIES ENTRIES ZERO TIME/TR TIME/TR NUMBR
1
2
0.33
26
10 38.46 5.81
9.44
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简单的银行服务系统
客户到达
银行系统 （出纳员）
客户离去
仿真实体为：顾客、出纳员、排队线等。 决定仿真实体的属性为：
有连续量（电压比较器）的系统
“系统”举例
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1.1 概述
2.模型 按一定研究目的，对所研究系统
准确的描述。
按描述手段，模型有如下几类:
1)文字式模型 2)框图式模型 3)数学式模型 4)图解式模型 5)混合式模型
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到达 排队 1
SEVER
服务 1
离开
GPSS 模拟程序 :
SIMULATE
GENERATE 18,6
QUEUE
1
SEIZE
1
DEPART 1
ADVANCE 16,4
RELEASE 1
TERMINATE 1
START
25
END
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单窗口排队系统 GPSS 输出
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1.3 模拟语言简介
1. 模拟可使用各种计算机高级语言 2. 专用模拟语言的优点:
1.通用性好. 提供常用的功能模块 2.模块设计原则与模拟过程相仿 3.具有动态存储分配功能, 速度快 4.有标准输出 5.面向过程,简单明了
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决定加工顺序
形式，并以文件形式存入磁盘。接着 便自动地确定出最优的加工顺序，同 时也确定了需要使用的机床、夹具、 计算生产时间 刀具等切削条件及附加信息计算出生 产时间，然后打印输出。整个过程中，
打印输出
系统在数据库软件的支持下不断地以 各种不同的数据文件和磁盘进行信息 交换。
可行性检验 检验最终状态 存入单元图形 决定加工顺序 显示加工顺序 添加附加信息 计算生产时间 形成各种工艺信息
之间的关系对应的是图上的边。
系统
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例1 空炮塔控制系统
+E R1Fra bibliotekR12
-E
瞄准具
误差 差 动 电压 放大器
功率 放大器
伺服 电动机
减速器
炮塔 +E
R2
-E
炮塔轴方向是系统输出量，瞄准具轴的方向为输入量，电位器R1和R2用来测 量两轴之间的误差角，当误差角不为零时，差动放大器将产生误差信号，该信号
1
1
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2
1
26
3
0
25
4
0
25
5
0
25
6
0
25
7
0
25
FACILITY AVERAGE NUMBER UTILIZATION ENTRIES
1
0.87
25
AVERAGE SEIZING PREEMPTING TIME/TRAN TRANS.NO. TRANS.NO.
16.04
QUEUE MAXIMUM AVERAGE TOTAL ZERO PERC. AVERAGE $AVERAGE TABLE
已知: 1.顾客的到达间隔时间呈均匀分布, 均值为 18 分钟,
方差为 6 分钟. 2.顾客的服务时间呈均匀分布, 均值为 16 分钟, 方 差为 4 分钟.
求解:
1. 顾客的平均等待时间 2. 平均排队长度 3. 服务台的利用率
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单窗口排队系统 GPSS 程序
打印结果 停止
“系统”举例
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几何形状文件 切削数据文件 标准时间数据文件
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例4
急诊室系统
表示一个由护士、病 房及医生构成的排队系统， 病人根据病情，分为五类， 按一定的到达规律随机地 来到急诊室就医，对于1 类紧急病人，将直接送入 急诊病房等待获得病床后 就诊，2~5类病人在通过 护士的检查，办理挂号及 作必要的记录后，2~4类 病人都进入病房，5类病 人在护士处便可得到医疗 服务，不必进入病房便可 离院。
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1.2 离散系统模拟的基本方法
解:
平均排队长度 = 排队面积求和/模拟时间 平均等待时间 = 各顾客等待时间求和/模拟的顾客数
因此, 对于单窗口排队系统，模拟之前应已知:
1.每个顾客的到达时间间隔 A1,A2,A3,…（一般是随机数） 2.每个顾客的服务时间 S1,S2,S3,…（一般是随机数） 3.模拟的顾客数 (模拟长度) 4.模拟的初始条件
1.1 概述
按所描述系统的不同，模型可分为如下几类：
1.连续系统模型 2.离散系统模型 （本课程的重点） 3.混合式模型
离散系统举例：
具有一个理发师的理发店是一个 典型的排队系统。常称为单窗口排队 系统。而排队系统是最常见的离散系 统之一，单窗口排队系统是研究离散 系统的一支麻雀。
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的组成因素。分流动（活动）实体和永久实 5.模拟钟时间 体。
6)模拟钟: 模拟模型中表示时间的变量。
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1.2 离散系统模拟的基本方法
例:单窗口排队系统 (M/M/1)
(只有一个理发师的理发店,模型见前页)
假设: 顾客到达间隔时间 A1, A2, A3, ... 顾客的服务时间 S1, S2, S3, ...
“按照某些规律结合起来”是为了把仿
真的研究对象最大限度地加以扩展。系
统内部各元素的相互作用规律可以是已
d
知的、略知的或者是模糊的，甚至是未
知的。
b
一个实际系统的元素往往非常多，元
c
素之间是相互关联的，这样的系统可以
通过图论中的连通图对应起来：系统对
f
应的是一个图，元素对应的是图上的点，
a e
而元素之间的规律作用、关系和点与点
GPSSR/PC V1.1 IN1.LST=IN1.GPS
9-MAR-1997 19:48
PAGE 2
RELATIVE CLOCK
459
ABSOLUTE CLOCK
459
BLOCK COUNTS BLOCK CURRENT TOTAL BLOCK CURRENT TOTAL BLOCK CURRENT TOTAL
经过功率放大后，驱动伺服电动机转动，以减小误差角，达到随时瞄准的状态。
“系统”举例
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例2 模、数转换系统
输入电压
比较器
脉冲源
门 控 电 路
脉冲 计数器
数字输出
D/A电路
当计数器所表示的数值经D/A电路变成电压后，与输入电压进行比较，比较 器的输出将反映出三种可能情况：相等、大于和小于。门控电路将根据相应的情 况开放或关闭脉冲源送来的脉冲信号，使具有可逆计数功能的计数器作增量、减 量或保持的操作，其结果是系统的数字将随时与输入电压的大小一致。
GPSS 语言的发展：
1961年 1965年 后来 我们使用
IBM 公司发表第一个 GPSS 文本 公布 GPSS III - 扩展GPSS GPSS V ，GPSS 66，GPSS/1100 …
GPSS/PC
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1.3 模拟语言简介