动态系统建模与仿真

摘要：经过半个多世纪的发展，仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性学科。本文对建模与仿真技术发展趋势作了比较全面的分析。仿真建模方法更加丰富，更加需要仿真建模具有互操作性和可重用性，仿真建模与可信度评估成为仿真建模发展的重要支柱；仿真体系结构逐渐形成标准，仿真系统层次化、网络化已成为现实，仿真网格将是下一个重要发展方向；仿真应用领域更加丰富，向复杂系统领域发展，并将更将贴近人们的生活。

经过半个多世纪的发展，仿真技术已经成为人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性学科。仿真技术的领域不在局限于某些尖端学科技术研究领域，而成为一项被众多学科领域广泛采用的通用型技术。半个世纪以来，仿真救赎一方面始终是建模技术、计算技术和其他信息技术最先的应用者，另一方面是对计算技术和网络技术等的发展不断提出新的挑战。

在我国建模与仿真方法是随着应用需求的发展不断的进步，近十年来仿真技术发展是沿着以应用需求牵引建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建模与仿真系统又服务于应用良性循环的道路向前发展。

仿真技术研究人员一方面不断地扩展仿真应用领域，另一方面，其他领域研究的丰富成果与不断促使仿真技术人员从新的角度、新的高度、新的广度认识建模与仿真。在近半个世纪的积累和近十年的快速发展的基础上，建模与仿真技术已经成为以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、实验与运行的一门综合性技术。

仿真建模的发展

仿真是基于建模的活动，模型建立、实现、验证、应用是仿真过程不变的主题。随着时代的发展，仿真模型包含的内容大大扩展，建模方法日益多样，模型交互性和重要性变的越来越重要，模型的校核与验证的成功为仿真中必要步骤。

-----------------------------------系统仿真学报杨明张冰王子才哈尔滨工业大学，哈尔滨150001

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。

一）计算机仿真所谓计算机仿真就是建立系统数学模型，并利用该模型在计算机上运行，进行系统科学试验研究的全过程，

如图4-3-2 所示。由图可见．数学模型和仿真计算机是计算

机仿真系统的核心。按照所使用的仿真计算机类型(模拟机

数字机和混合机)不同，计算机仿真被分为模拟仿真、数字

仿真和数—模混合仿真。模拟仿真出现在10 世纪50 年代：

当时模拟机以并行高速运算，可直接联接实物设备，尤其适于解算微分方程的突出优点而风云一时，使模拟仿真成为计算机仿真的主流。但是它存在精度低、元逻辑判断功能和存贮能力．且处理非线性能力差等严重缺陷，终于被后来的混合仿真和数字仿真所排挤，失去进一步发展势头。实际系统模建学数数学模型图4-3-2 仿真模型建立仿

真试验仿真计算

60 年代至70 年代，空间技术发展推动了模拟机与数字技术相结合，从第一台混合计算机用于洲际导弹仿真后出现了混合仿真技术应用的黄金时代。从仿真角度讲，混合机兼备模拟机和数字机在功能和性能上的优点，是复杂大系统实时仿真最理想的工具。然而，由于它结构复杂、价格昂贵，很难在一般场合推广使用。因此至今仅用于像航空、航天等少数部门和复杂大系统的实时仿真。70 年代后，微电于技术和数字计算机的迅速发展，促进了全数字仿真技术的崛起。至此混合仿真逐渐失去了实时仿真的垄断地位，而数字仿真以优良的性能价格比优势成为计算机仿真的主流。80 年代的全数字仿真技术促进了仿真方法学、并行技术、多媒体技术、分布交互式仿真、虚拟现实技术的迅速发展，进而将计算机仿真从传统的工程领域扩展到社会、经济、生态、作战等非工程领域。（二）计算机仿真技术发展的几个主要方面计算机仿真是以多种学科理论为基础，以计算机及相应的仿真软件为工具进行实验研究的理论和方法论体系，是一种综合性高技术和各学科的共用技术。计算机仿真技术的发展涉及到多个方面的技术进步，其中最密切相关的是：仿真计算机、建模与验模、仿真环境、仿真方法学和仿真器研制与使用等。现代仿真（1）现代仿真计算机及系统仿真计算机是计算机仿真的主要工具和核心。正如前述，仿真计算机大体可分三类，即模拟机、数字机和混合机。这些仿真

计算机根据仿真规模和对象的不同，可以单独选用，亦可组合使用。目前，仿真计算机结构体制已形成相当宽的型谱(参见图l—8)供用户选择，并有如下四类配置可以优选，即①分布式计算机系统；②并行处理机系统；②超小型机加外围阵列处理机(PAP)；①混合汁算机系统。除此，为了提高系统仿真效率还出现了各种仿真工作站ADRTS 最具代表性。（2）建模与验模建模既是计算机仿真的重要内容，又是仿真的前提条件。为了获得有效模型，必须进行模型的校核、验证和确认，即所谓验模。仿真界一直在数学模型和仿真模型两个方面的建立和验模上作出了不懈努力，这些工作的主要方面包括：①研究新的建模方法，从而使传统的机理分析建模和实验统计建模，扩充到系统辨识建模、层次分析建模及定性推理建模等；②创造先进建模环境，如计算机辅助建模，利用先进仿真语言建模等；视专家系统在系统建模中的作用，不断完善专家系统的建模知识库，并致力于研制专用于系统建模的专家系统；④加强建模薄弱环节，如模型校核、验证和确认的技术研究工作。为此，一些国家还成立了专门研究机构．统一管理和协调这方面工作。（3）仿真环境提供先进的仿真环境是保证高质量和高效率仿真的极其

重要的方面。为此，仿真界在先进的仿真硬、软环境上努力探索，不断追求．产生了突破性进展，主要表现在：①在20 世纪60 年代以来出现了大量用于不同对象、不同领域的数