8.工程系统建模与仿真
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。
系统建模与仿真实验报告
实验1 Witness仿真软件认识一、实验目的熟悉Witness 的启动；熟悉Witness2006用户界面；熟悉Witness 建模元素；熟悉Witness 建模与仿真过程。
二、实验内容1、运行witness软件，了解软件界面及组成；2、以一个简单流水线实例进行操作。
小部件（widget）要经过称重、冲洗、加工和检测等操作。
执行完每一步操作后小部件通过充当运输工具和缓存器的传送带（conveyer）传送至下一个操作单元。
小部件在经过最后一道工序“检测”以后，脱离本模型系统。
三、实验步骤仿真实例操作:模型元素说明：widget 为加工的小部件名称；weigh、wash、produce、inspect 为四种加工机器，每种机器只有一台；C1、C2、C3 为三条输送链；ship 是系统提供的特殊区域，表示本仿真系统之外的某个地方；操作步骤：1：将所需元素布置在界面：2：更改各元素名称：如;3:编辑各个元素的输入输出规则：4: 运行一周（5 天*8 小时*60 分钟=2400 分钟），得到统计结果。
5:仿真结果及分析：Widget：各机器工作状态统计表：分析：第一台机器效率最高位100%，第二台机器效率次之为79%，第三台和第四台机器效率低下，且空闲时间较多，可考虑加快传送带C2、C3的传送速度以及提高第二台机器的工作效率，以此来提高第三台和第四台机器的工作效率。
6：实验小结：通过本次实验，我对Witness的操作界面及基本操作有了一个初步的掌握，同学会了对于一个简单的流水线生产线进行建模仿真，总体而言，实验非常成功。
实验2 单品种流水线生产计划设计一、实验目的1.理解系统元素route的用法。
2.了解优化器optimization的用法。
3.了解单品种流水线生产计划的设计。
4.找出高生产效率、低临时库存的方案。
二、实验内容某一个车间有5台不同机器，加工一种产品。
该种产品都要求完成7道工序，而每道工序必须在指定的机器上按照事先规定好的工艺顺序进行。
《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。
建模与仿真
1.仿真是基于模型进行的，仿真是对真实世界的模拟。
2.仿真技术：对模型进行试验以便评价、分析和优化系统的技术。
3.物理仿真:是按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理描写模型上进行实验的过程；4.数学仿真:是在对系统进行抽象，并将其特性用数学关系式加以描述得到系统的数学模型的基础上，对数学模型进行实验的过程；5.半实物仿真:是数学仿真与物理仿真的结合甚至实物联合起来进行实验的过程。
6.数学仿真也称为计算机仿真7.电子计算机的诞生与发展对其起了巨大的推动作用（利用计算机实现仿真）。
8.仿真软件的基本功能：包括模型描述与处理、仿真实验的执行与控制、仿真结果的表达与分析。
9.仿真技术已成为战略研究、系统分析、运筹规划、预测决策、宏观及微观管理等领域的有效工具10.阻碍生产系统仿真技术应用的原因：1建模难度大：某些系统如对于大比例系统模型，建模十分复杂 2机时需求大：仿真需要大量的计算机机时 3数据要求高：仿真需要大量实际的、准确的数据，这是一般企业所难以提供的，因此对仿真结果的准确性带来了影响，导致了人们对仿真能力的怀疑。
11.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、定性仿真、智能仿真、智能仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真、网上仿真12.系统：由诸多相互作用、相互依存的要素按照一定规律构成的集合体，它们共同组成具有特定结构和功能的整体。
它具有以下特点：①由两个或两个以上要素组成。
②构成系统的要素之间具有一定的联系，并在系统内部形成特定的结构。
③具有边界（boundary）,进行仿真时必须划清边界。
④系统具有特定的功能，具有存在的价值和作用，并且系统功能受到系统结构和环境的影响13.系统环境：能对系统产生影响且属于系统之外的元素集14.系统分类：①连续系统:指系统状态随时间发生连续性变化的系统。
连续系统的数学模型有常微分方程、偏微分方程、状态空间方程以及脉冲响应函数等形式。
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。
(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。
【系统】生产系统建模与仿真
【关键字】系统《建模与仿真》课程教学大纲(Modeling and Simulation)课程编码：学分：2.5总学时：40适用专业：工业工程先修课程：生产计划与控制、工程统计学、工程数学、运筹学、计算机编程技术一、课程的性质、目的和任务《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。
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。
结合本课程的特点，使学生掌握或提高系统化分析问题和解决问题的能力,为系统化管理生产打下根底。
二、教学基本要求具体在教学过程中要求学生应该达到：1.全面了解本课程的性质与任务、框架内容以及理论和方法；2.掌握仿真的概率统计根底知识。
3.掌握供理论模型建模方法。
4.掌握仿真模型的设计与实现方法。
5.熟练应用建模理论,对排队系统、库存系统、加工制造系统进行建模仿真。
三、教学内容与学时分配离散事件系统仿真是仿真技术的重要领域，在规划论证、方案评估、计划调度、加工制造、产品试验、生产培训、训练模拟、管理决策等方面得到广泛应用。
本课程深入地介绍了离散事件系统建模仿真的理论、方法和技术，突出对理论建模方法和计算机实现技术的讲解，对离散事件系统建模仿真的发展和应用情况做了比较详尽的介绍。
具体教学内容如下：第一章绪论 4学时本章分析了系统和制造系统定义、组成与特点，介绍了系统建模与仿真的基本概念和使用步骤，并给出应用案例。
本章教学目标：本章教学基本要求：了解常用术语及常用的仿真软件，了解仿真技术的的发展状况及应用。
理解系统与制造系统的定义及系统建模与仿真的概念及系统、模型与仿真之间的关系。
掌握制造系统建模与仿真的基本概念及基本步骤。
系统工程导论 第五章 系统建模与仿真 第四节系统仿真概述
5.4系统仿真概述
仿真的缺点：
(1)开发仿真软件，建立运行仿真模型是一项艰巨的工作 (2)系统仿真只能得到问题的一个特解或可行解，不可能获得问题的通解 或者是最优解。
(3)仿真建模直接面向实际问题，对于同一问题，由于建模者的认识和 看法有差异，往往会得到迥然不同的模型，自然，模型运行的结果也就 不同。
仿真（Simulation）就是利用模型对实际系统进行实验研究的过 程。但由于安全上、经济上、技术上或者是时间上的原因，对实际系 统进行真实的物理实验是很困难的，有时甚至是不可能时，系统仿真 技术就成了十分重要、甚至是必不可少的工具。
在我国，仿真技术最初是用于航空、航天、核反应堆等少数领域， 后来逐步发展到电力、冶金、机械、电子、通信网络等一些主要工业 部门。现在，系统仿真已逐步扩大应用于社会经济、交通运输、生态 环境、武器装备研制、军事作战、企业管理等众多领域。
第三，系统仿真的输出结果是在仿真过程中，是仿真软件自动给出的。
第四，一次仿真结果，只是对系统行为的一次抽样，因此，一项仿真 研究往往由多次独立的重复仿真所组成，所得到的仿真结果也只是对真实 系统进行具有一定样本量的仿真实验的随机样本。因此，系统仿真往往要 进行多次试验的统计推断，以及对系统的性能和变化规律作多因素的综合 评估。
5.4系统仿真概述
仿真优点： （1）可以研究哪些不可能正确地用解析方法计算的数学模型来描述的 复杂的、带有随机因素的现实世界系统。 （2）系统仿真采用问题导向来建模分析，并使用人机友好的计算机软 件，使建模仿真直接面向分析人员，他们可以集中精力研究问题的内部 因素及其相互关系，而不是计算机编程、调试及实现。 （3）仿真允许人们在假设的一组运行条件下估计现有系统的性能。 （4）仿真比用系统本身做实验能更好地控制实验条件。 （5）仿真使人们能在较短的时间内研究长时间范围的系统（如经济系
系统建模控制与仿真习题及解答
1、工业控制系统可分为几种大类型，各有什么特点?适合的应用领域。
答：工业控制系统可分为分布式控制系统（答：工业控制系统可分为分布式控制系统（DCS DCS DCS）和可编程逻辑控制器（）和可编程逻辑控制器（）和可编程逻辑控制器（PLC PLC PLC）两大类型。
）两大类型。
）两大类型。
分布式控制系统（分布式控制系统（DCS DCS DCS）））是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性的新型控制系统，它具有高可靠性、开放性、灵活性、协调性、易于维护、控制功能齐全等特点，属于过程控制系统，主要控制手段是PID PID，适用于流程工业；，适用于流程工业；，适用于流程工业； 可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（PLC PLC PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它的特点有可靠性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、功能完善、适用性强、易学易用、容易改造、体积小、重量轻、能耗低等，属于离散控制系统，主要控制手段是顺序与逻辑控制，适用于制造业，目前，已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
2、根据自己的理解简述现代控制理论的发展历史，分析为什么现代控制理论在过程控制系统中难以应用？答：现代控制理论是为了分析多输入多输出系统、现代控制理论是为了分析多输入多输出系统、非线性系统和时变系统而出现的，非线性系统和时变系统而出现的，非线性系统和时变系统而出现的，先是贝先是贝尔曼等人提出状态分析法，尔曼等人提出状态分析法，接着卡尔曼等人提出状态空间法，接着卡尔曼等人提出状态空间法，接着卡尔曼等人提出状态空间法，后来，后来，罗森布洛克等人将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，转换关系，与此同时，系统辨识、最优控制、与此同时，系统辨识、最优控制、与此同时，系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。
控制系统建模与仿真实验考核试卷
A.比例控制器
B.积分控制器
C.微分控制器
D.模糊控制器
8.在控制系统仿真中，以下哪些方法可以用于求解微分方程？（）
A.欧拉法
B.龙格-库塔法
C.亚当斯法
D.最小二乘法
9.以下哪些因素可能导致控制系统的稳态误差？（）
A.控制器参数设置不当
B.系统模型不准确
2. ABCD
3. ABC
4. ABCD
5. ABC
6. ABC
7. ABC
8. ABC
9. ABCD
10. ABC
11. ABCD
12. ABC
13. ABCD
14. ABCD
15. ABC
16. ABCD
17. ABCD
18. ABCD
19. BCD
20. ABCD
三、填空题
1.初始条件
2.调整时间
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.控制系统的开环传递函数是系统输入与输出之间的数学关系，且与系统的______无关。
2.在控制系统中，______是衡量系统快速性的性能指标。
3.常用的控制系统仿真软件有MATLAB、Simulink和______。
4.控制系统的稳定性分析中，如果所有极点都位于______，则系统是稳定的。
5.在PID控制器中，______环节主要用于消除系统的稳态误差。
6.控制系统的______裕度是指系统在单位反馈条件下，开环增益变化到系统刚好发生振荡时的增益变化量。
7.伯德图法是一种用于分析控制系统稳定性的方法，它通过绘制系统的______和相角曲线来评价系统的性能。
工业工程考研科目
工业工程考研科目工业工程是一门研究如何优化和提高生产系统效率的学科，其在工业生产中起到了至关重要的作用。
工业工程考研科目主要包括以下几个方面的内容：工程概论、生产系统工程、运筹学与优化方法、人因工程学、管理科学与工程决策、工业工程方法学、系统工程与系统仿真、供应链管理、生产计划与控制、质量工程、工业工程前沿等。
1. 工程概论工程概论是工业工程考研科目中的基础课程，它主要介绍了工程学的基本概念、原理和方法。
学习这门课程可以帮助考生全面了解工程学的发展历程、研究内容以及工程实践中的一些基本原则。
此外，工程概论还介绍了一些常用的工程工具和技术，如流程图、质量管理工具等。
2. 生产系统工程生产系统工程是研究如何设计、分析和改进生产系统的学科。
它包括生产系统的建模与仿真、生产过程优化、生产计划与调度等内容。
学习这门课程可以帮助考生了解生产系统的组成、运行和管理，掌握一些常用的生产系统优化方法和工具，如作业分析、工作测量、生产线设计等。
3. 运筹学与优化方法运筹学与优化方法是一门研究如何通过数学模型和优化方法解决实际问题的学科。
它主要包括线性规划、整数规划、动态规划、排队论、网络流等内容。
学习这门课程可以帮助考生了解运筹学的基本原理和方法，掌握一些常用的数学模型和优化算法，如单纯形法、分支定界法、遗传算法等。
4. 人因工程学人因工程学是研究如何使工作系统适应人的特性和需求的学科。
它主要包括人机工程学、人体工程学、心理学等内容。
学习这门课程可以帮助考生了解人因工程学的基本理论和方法，掌握一些常用的人因工程设计原则和评估方法，如人机界面设计、工作负荷评估、人机交互等。
5. 管理科学与工程决策管理科学与工程决策是研究如何运用管理科学理论和方法解决工程管理问题的学科。
它主要包括决策理论、决策模型、决策支持系统等内容。
学习这门课程可以帮助考生了解管理科学的基本理论和方法，掌握一些常用的决策模型和决策分析工具，如层次分析法、模糊综合评价等。
系统建模与仿真课后作业
、系统、模型和仿真三者之间具有怎样的相互关系答：系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真通过对模型的实验以达到研究系统的目的。
、通过因特网查阅有关蒲丰投针实验的文献资料，理解蒙特卡罗方法的基本思想及其应用的一般步骤。
答：蒲丰投针实验内容是这样的：在平面上画有一组间距为a的平行线，将一根长度为L（L<a）的针任意掷在这个平面上，求此针与平行线中任一条相交的概率。
”布丰本人证明了，这个概率是：p=2L/（πa) (π为圆周率)利用这个公式可以用概率的方法得到圆周率的近似值。
所以，蒙特卡罗方法的基本思想就是：当试验次数充分多时，某一事件出现的频率近似等于该事件发生的概率。
一般步骤：（1）构造或描述概率过程（2）以已知概率分布进行抽样（3）建立各种估计量、简述离散事件系统仿真的一般步骤。
（1）阐明问题与设定目标（2）仿真建模（3）数据采集（4）仿真模型的验证（5）仿真程序的编制与校核（6）仿真模型的运行（7）仿真输出结果的统计分析、以第二章图2-5所示的并行加工中心系统为对象，试分别画出相应的实体流图和活动循环图，并比较它们两者有何区别和练习。
（1）实体流图(2)活动循环图、以第二章中图2-5所示的并行加工中心系统为对象，建立Petri 网模型。
3214Petri 网模型的运行过程，并将分析结果同例3-5相比较。
、任取一整数作为种子值，采用第三题中得到的随机数发生器生成随机数序列的前200项数据，并对其统计性能进行检验。
解：由第3题可得到一个随机数发生器： a=5 b=9 c=3 m=512取种子值，生成的随机数序列前200项数据如下： nn1500000332326458458t 4t 3 P 1 t 1P 2P 6 P 3 P 5 t 2 P 4(2)t 3发生后 t 4t 3 P 1 t 1P 2P 6 P 3 P 5 t 2P 4(3)t 2发生后 (4)t 1不能发生t 4t 3 P 1t 1 P 2 P 6 P 3 P 5 t 2 P 4 (5)t 4发生后2161882272293245 3413413281228204 4206820291023511 5103103302558510 65186312553505 73333322528480 8168168332403355 9843331341778242 101658122351213189 1161310136948436 12508508372183135 13254349538678166 14247843039833321 15215310540160872 165281641363363 178383421818282 18418418431413389 19209345441948412 2022822845206315 211143119467878 225988647393393 23433433481968432 242168120492163115 25603915057866n n 5133333376828316 52166813277158347 5366315178238238 54758246791193169 55123320980848336 56104824811683147 5712312382738226 58618106831133109 59533218454836 6010810885183183 615433186918406 62158158872033497 63793281882488440 641408384892203155 65192338790778266 661938402911333309 67201347792154812682388340936363 69170316794318318 7083832695159357 7116339796288288 72488488971443419 73244339598209850 74197844299253253 7522131651001268244n n 1011223199126478478 1029984861272393345 10324333851281728192 1041928392129963451 10519634271302258210 106213890131105329 107453453132148148 1082268220133743231 1091103791341158134 110398398135673161 1111993457136808296 11222882401371483459 11312031791382298250 1148983861391253229 11519333971401148124 1161988452141623111 117226321514255846 118107854143233233 1192732731441168144 1201368344145723211 1211723187146105834 122938426147173173 123213385148868356 1244284281491783247 1252143951501238214n n 1511073491764848 152248248177243243 15312432191781218194 154109874179973461 1553733731802308260 1561868332181130327915716631271821398374 1586381261831873337 1596331211841688152 16060896185763251 1614834831861258234 16224183701871173149 1631853317188748236 1641588521891183159 165263263190798286 16613182941911433409 1671473449192204800 168224820019333 16910034911941818 17024584101959393 17120535196468468 17228281972343295 1731431431981478454 1747182061992273225 175103392001128104对上述数据进行参数检验如下：经计算可知，===因此可知统计量=()==()=假定显著性水平，则查表可知故可以认为：在显著性水平时，该随机数序列总体的均值和方差与均匀分布U（0,1）的均值和方差没有显著性的差异。
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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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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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。
系统建模与仿真习题2及答案
系统建模与仿真习题二及答案1. 考虑如图所示的典型反馈控制系统框图(1)假设各个子传递函数模型为66.031.05.02)(232++-+=s s s s s G ，s s s G c 610)(+=，21)(+=s s H 分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法求该系统的传递函数模型。
(2) 假设系统的受控对象模型为s e s s s G 23)1(12)(-+=，控制器模型为 ss s G c 32)(+=，并假设系统是单位负反馈，分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法能求出该系统的传递函数模型？如果不能，请近似该模型。
解：（1）clc;clear;G=tf([2 0 0.5],[1 -0.1 3 0.66]);Gc=tf([10 6],[1 0]);H=tf(1,[1 2]);G1=feedback(G*Gc,H)G2=G*Gc/(1+G*Gc*H)Gmin=minreal(G2)结果：Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3Transfer function:20 s^8 + 50 s^7 + 83.8 s^6 + 179.3 s^5 + 126 s^4 + 57.54 s^3 + 26.58 s^2 + 3.96 ss^9 + 1.8 s^8 + 25.61 s^7 + 22.74 s^6 + 74.11 s^5 + 73.4 s^4 + 30.98 s^3+ 13.17 s^2 + 1.98 s Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3(2)由于s c e s s s s G s G 232)1(3624)(*)(-++= 方法1：将s e 2-转换为近似多项式。
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电源子模块组
Ø 直流和交流电源、受控电流源、电压源、三相 电源、三相可编程电源、电池模块
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检测元件子模块组
Ø 检测端口，如电流表、电压表和阻抗表， Ø 该组中还包括各种其他扩展的子模块组
电路元件子模块组
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电阻、电容、电感、各种变压器、传输线、 断路器模块 还提供了各种电气元件的三相版本 只提供了串并联R-L-C 单个电阻、电感、电容可以如下设置
电路仿真举例
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利用SimPowerSystems同样可以建模
Ø 比Simscape基础模块库麻烦 Ø Simulink模型：c7mele2.mdl
Ø 必需添加powergui模块
电路仿真举例
Ø 电源由受控电源取代则构造出c7mele3.mdl Ø 提取传递函数矩阵
电力电子子模块组
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译码真值表
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译码器真值表输入
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信号类型转换模块 启动仿真过程，观察译码显示结果
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例：控制与通信中常用的M-序列
Ø 伪随机二进制序列 PRBS
Ø Simulink仿真模型：c7mflip.mdl Ø 仿真结果由stairs()函数绘制
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例：控制与通信中常用的M-序列
Ø 伪随机二进制序列 PRBS
8.1.1 传统框图建模方法的局限性
例1 电路图 ! 3个回路，由 Kirchhoff定律 可以直接建立 起如下方程
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弹簧阻尼机械系统模型
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由Newton定律可以得出 简单系统易于建模，复杂系统需要专业工具 Simscape和Simulink引入的多领域物理建模 理念是解决这样问题的正确方法
Simscape描述的电容、电感
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电容与电感
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数学模型
8.1.5 Sim建立 后缀名ssc Simscape程序
Simscape语言描述的模型步骤
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引导语句：由component、domain关键词引导 对话框参数定义语句：用parameters模块定义该模块 对话框变量参数和物理量单位，要求用户输入这4 个参数及其单位。 变量声明语句：由variables关键词引导 初始设置与参数验证子函数：function setup首先检 测输入的变量值是不是正数，如果不是则给出错误 信息。 模型方程定义：由equations引导，描述数学方程
第8章
工程系统建模与仿真
第8章 工程系统建模与仿真
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更复杂的工程系统当然可以从底层建模， 但非专业人士很难建模，可以采用现成专 业工具直接建模仿真 建模方便、仿真结果可靠 主要内容
Ø 物理系统建模仿真模块集Simscape简介 Ø 电气系统模块集简介 Ø 电子线路及其仿真 Ø 电机与拖动系统仿真 Ø 机械系统建模与仿真
数字端子线路仿真举例
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例
Ø 用两种方法可以分别建立仿真模型 Ø 模型1: c7mdig1.mdl Ø 模型2: c7mdig2.mdl
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例：译码线路仿真
Ø 输入信号：4路二进制输入信号 Ø BCD码译码用7段发光二极管LED显示 Ø 采用Gauges模块集 Ø 仿真模型：c7mled.mdl
主要模块
Ø 二极管、晶闸管模块、 可关断可控硅、 场效 应管和绝缘栅二极管等模块。 Ø 每个模块均有一个m输出端口，从该端口可以 得出模块内部所有的信号，该信号可以直接连 接到Simulink的输出模块上 Ø 通用电桥模块是实用模块，可以仿真整流器和 逆变器
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可以直接用于电力电子线路仿真
电机模块组、 应用模块组、附加模块组
8.3.4 电力电子系统仿真
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晶闸管整流电路
Ø 晶闸管常用通用电桥模块 Ø 触发器常用同步六脉冲发生器模块 Ø 仿真模型：c7ma2d.mdl
8.3.4 电力电子系统仿真
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带有输出负载的系统仿真
Ø Simulink模型：c7ma2d2.mdl Ø 观察不同触发角下的整流效果
8.3.5 将Spice模块嵌入 Simulink仿真模型
8.1 物理系统建模仿真模块集 Simscape简介
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专业建模
Ø 电路系统可以根据Kirchhoff定律 Ø 简单机械运动可以根据Newton运动定律
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主要内容
Ø Simscape简介 Ø Simscape基础模块库简介 Ø 两类信号及其相互转换 Ø Simscape模块定义语言入门 Ø 复杂电路网络建模与仿真
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电机子模块组：
Ø 直流机、异步机、 同步机、步进电机
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应用模块组
Ø 电机拖动模块组、柔性交流输电系统模块组、 分布式资源库等
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附加模块组
Ø 包括检测模块、离散检测模块、控制模块、离 散控制、相位测定等模块组
8.3 电子线路及其仿真
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SimElectronics从MATLAB 2008b开始提供 早期版本连三极管也不能仿真 主要内容
磁模块组
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磁元件子模块组Magnetic Elements
Ø 磁阻模块、电磁转换模块、磁阻力模块、 变磁阻模块
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磁输入源 Magnetic Sources
Ø 磁通输入源、磁动势源、可控输入源
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磁传感器 Magnetic Sensors
Ø 磁通传感器、磁动势传感器
热学模块组
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热元件模块组 Heat Element
8.1.3 Simscape基础模块库简介
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基础模块库Foundation Library
Ø 电模块组Electrical Ø 力模块组Mechanical Ø 液压模块组Hydraulic Ø 气动模块组Pneumatic Ø 磁模块组Magnetic Ø 热模块组Thermal Ø 与物理信号转换的模块组Physical Signals
Utilities： Simulink模块和物理信号直接相 互转换的模块
Ø PS-Simulink Converter Ø Simulink-PS Converter
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仿真参数设置模块、双向连接模块和连接 端口模块
电路建模与仿真
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电路图 Simulink模型 c7mele1.mdl 数值解和解析解 的比较
Ø 其中包含Spice语言支持模块的嵌入
8.3.2 模拟电子线路仿真举例
三极管放大线路 ! Simulink仿真 模型：c7mtri1.mdl ! 三极管元件内部参数 ! 输入信号为三角波 ! Simulink仿真 模型：c7mtri2.mdl ! 周期信号发生
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运算放大器线路建模与仿真
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8.4 电机与拖动系统仿真
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直流电机双闭环控制调速系统
Ø 底层建模不易：机械方程、电方程 Ø 通常简化成线性模型，不精确 Ø 采用专业建模工具可以用一个模块表示电机， 更精确、更方便、更省事
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本节主要内容
Ø 直流电机拖动系统仿真 Ø 交流电机拖动仿真
8.1.6 复杂电路模型的化简
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电路图
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L=7, Simulink建模
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线性模型（等效电阻）提取
8.2 电气系统模块集简介
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电气系统仿真模块集
Ø Power Systems Blockset，现SimPowerSystems Ø powerlib打开模块集 Ø 图形用户界面模块powergui，必需放置
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SimElectronics不是最好最专业的电子线路 仿真工具，考虑将Spice模型嵌入仿真模型 三种嵌入方法
Ø 免费工具
! http://ave.dee.isep.ipp.pt/jcarlos/matlab ! 不足之处：只能整体翻译
Ø 第三方工具SLSP (Simulink Spice Interface)
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气动模块组
Ø 气动孔模块、隔热杯、气动阻性管、气动-机 械转换器、气动舱、 旋转气动滑阀舱、气 动压力源、气动流速源及可变源、气动质量热流传感器模块、气动压力-温度传感器
8.1.4 两类信号及其相互转换
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两类信号
Ø 常用的Simulink信号 Ø 物理模型对应的物理信号（PS 信号）
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力学模块组
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机构库：齿轮箱、杠杆机构、轮轴机构 平动元件库：理想平动质量模块、平动摩 擦力模块、 阻尼平动模块、平动弹簧模块 和平动硬停模块、机械平动参考点 转动元件库：转动惯量、摩擦力模块、弹 簧、阻尼模块和硬停 输入源库：力、转矩、角速度、速度 传感器库：理想的力、转动、转矩、平动 传感器
Ø 传导性热传递模块、对流性热传递模块、 辐射传热模块、热质量模块
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输入、输出模块组
Ø 理想热流源模块、理想温度源模块、理想 热流传感器、理想温度传感器模块
液压、气动模块组
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液压模块组
Ø 液压孔模块、气动阻性管、线性流体阻力、 液压-机械转换器、液压舱、液压滑阀舱等， 液压压力源、液压流速源、液压流速传感器 模块、液压压力传感器
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电气系统模块集 SimPowerSystems
多领域物理建模
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允许用户像组装实际硬件系统那样把相应的模 块组装起来，构造出整个的仿真系统 系统的数学模型在组装过程中自动建立起来 Simscape及相关模块集是Simulink在物理模型 仿真层次上进行的有意义的尝试 在建立模型时，无需对相关领域的背景知识和 数学模型等有深入的了解，可以对自己不熟悉 领域的研究对象进行直观建模和仿真分析 Simscape语言允许用MATLAB语言扩展元件库