系统仿真-PPT课件

自治系统(autonomous) 系统无输入变量 非自治系统 系统有输入变量 闭系统 开系统 无记忆系统 有记忆系统 线性系统 非线性系统 系统无输入、输出变量 系统有输入、输出变量 系统无状态变量 系统有状态变量 系统的输入输出满足齐次性和叠加性 系统的输入输出不满足齐次性和叠加性
二、系统模型

本课程有何用处？

科研：

控制：机器人、月球车、预测控制 网络：用户行为研究、P2P网络研究、服务 器集群性能研究

仿真技术几乎应用于所有的研究与技术 领域，它可以缩短研发周期、改进生产 过程、降低成本以及辅助决策
主要内容



系统仿真概论 仿真模型与建模方法论 连续系统仿真方法学 离散事件系统仿真基础 离散事件系统仿真方法学 仿真结果分析 先进仿真技术与应用
参考书



系统仿真导论，肖田元等，清华大学出 版社，2000 建模与仿真，王红卫，科学出版社， 2019 仿真工程，(美)Jim Ledin，机械工业出 版社，2019
第一章 系统仿真概论

系统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，以计算机和其它专用物理效应设 备为工具，利用系统模型对真实或假想 的系统进行试验，并借助于专家经验知 识、统计数据和信息资料对试验结果进 行分析研究，进而做出决策的一门综合 性的和试验性的学科
研究系统的目的

了解系统各组成部分间的关系（内部特性） 预测系统在一种新的工作策略下的执行情况 （外部行为） 不具有可行性：系统未建成、行为预测 代价昂贵：生产过程、大型系统、生态系统 不安全：核试验、碰撞试验、军事演习

有时不能直接把系统作为试验对象




其它包括涉及到主观因素影响或者不能复原 的试验等等
系统仿真与计算机仿真


系统仿真的概念 计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算 机对一个系统的结构和行为进行动态演示, 以 评价或预测一个系统的行为效果,为决策提供信 息的一种方法.它是解决较复杂的实际问题的一 条有效途径。 现在一般认为系统仿真等同于计算机仿真
为什么要进行计算机仿真


复杂系统仿真时往往两者相结合
三、系统仿真

仿真的定义变迁




1961年，G.W. Morgenthater首次定义仿真：在实 际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实 现 1978年，Korn的著作《连续系统仿真》定义：用能 代表所研究的系统的模型作实验 1982年，Spriet扩充定义：所有支持模型建立与模 型分析的活动即为仿真活动 1984年，Oren提出：仿真是一种基于模型的活动

按物理特征分类


按状态变化方式分类 连续系统

系统状态量随时间连续变化 系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的 驱动而发生变化

离散事件系统


按复杂程度分类 单变量系统 多变量系统
其它分类 确定系统 随机系统
特征 系统输入和输出变量间有完全确定的函数关系 系统内部或环境存在不确定因素并影响输出变量
本章主要内容

系统 系统模型 系统仿真 仿真的发展
一、系统


定义：相互联系且相互作用的对象的有机组合 （本课程的研究对象） 系统特征

均由一些相关的实体组合而成 实体具有自身的特征：属性 系统通常是动态的，其变化过程称为活动 工程系统：电气、机械、化工、水利等 非工程系统：经济、交通、管理、生态等
系统仿真
(控制系统仿真) System Simulation
联系方法

王雷 电二楼215实验室 3603245 wanglustc.edu 信箱：系楼二楼
课程简介

系统仿真技术涉及到建模理论、计算机 软件、数值方法、嵌入式系统、网络、 工程设计等方面的知识，是学科交叉发 展的结果。通过本课程的学习，学生可 以掌握仿真工程的相关内容，包括建模 技术、仿真算法与仿真结果分析方法等。 本课程还将介绍最新的仿真技术及其应 用。

即从可行性、经济性以及安全性等角度 考虑，需要在能模拟实际系统或待设计 系统的系统模型上进行研究

模型分类（按表示方式）


物理模型：实体模型。实际系统尺寸上缩小 或放大后的相似体。描述的逼真感强，但建 模费用大，不易试验，修改参数或结构困难 数学模型：用数学形式描述实际系统的结构 和性能，可以描述系统的静态或动态特性。 建模费用低，可反复试验
相似原理与相似理论

系统仿真遵循相似原理：


源自文库
几何相似：风洞试验等，工作原理相同、质 地相同，但几何尺寸不同 环境相似：虚拟现实等 性能相似：数学模型，计算机仿真

在具体实现时，则基于相似理论，对应 仿真的不同层次
相似理论



适合计算机仿真的问题





难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数 学模型的有效方法． 虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计 算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求 解方法． 希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以 估计某些参数对系统行为的影响． 难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是 唯一可行的方法，例如太空飞行的研究． 需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中 寻找最优方案．
计算机仿真的应用
长江三峡工程
三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。 但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。
计算机仿真的应用
飞机设计
飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。 实际的风洞试验费用巨大。 使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。


便于重复进行试验，便于控制参数，时间短， 代价小。 可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效 果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的 结果比较之中，选择最佳模型。 对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但 无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统 运行的数值结果。 对于随机性系统，可以通过大量的重复试验， 获得其平均意义上的特性指标。