系統(tǒng)建模與仿真概述SystemModelingandSimulation第_章

系統(tǒng)建模與仿真概述主要內(nèi)容-系統(tǒng)與模型-系統(tǒng)建模-系統(tǒng)仿真-系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)14系統(tǒng)與模型14系統(tǒng)與模型1.1.1系統(tǒng)1.系統(tǒng)的廣義定義：x由相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的若干組成部分（要素）結(jié)合起來(lái)在一起形成的具有特定功能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有機(jī)整體。舉例：宇宙世界，原子分子，電爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，商品銷售系統(tǒng)，等等。

例一：電爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)例二：商品銷售系統(tǒng)經(jīng)理部例二：商品銷售系統(tǒng)經(jīng)理部［市場(chǎng)部II市場(chǎng)部II采購(gòu)部倉(cāng)儲(chǔ)部銷售部I14系統(tǒng)與模型2系統(tǒng)的特性：1）系統(tǒng)是實(shí)體的集合+實(shí)體是指組成系統(tǒng)的具體對(duì)象例如：電爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的比校器、調(diào)節(jié)器、電爐、溫度計(jì)。商品銷售系統(tǒng)中的經(jīng)理、部門(mén)、商品、貨幣、倉(cāng)庫(kù)等。+實(shí)體具有一定的相對(duì)獨(dú)立性，又相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)整體，即系統(tǒng)。14系統(tǒng)與模型2）組成系統(tǒng)的實(shí)體具有一定的屬性屬性是指實(shí)體所具有的全部有效性，例如狀態(tài)、參數(shù)等。在電爐溫度調(diào)芒系統(tǒng)中，溫度、溫度偏差.電壓等都是屬性。在商品銷售系統(tǒng)中，部門(mén)的屬性有人員的數(shù)董、職能范圍，商品的屬性有生產(chǎn)日期、進(jìn)貨價(jià)格.銷售日期.售價(jià)等等。X系統(tǒng)處于活動(dòng)之中+活動(dòng)是指實(shí)體隨時(shí)間的推移而發(fā)生屬性變化。例如：電爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的主要活動(dòng)是控制電壓的變化，而商品銷售系統(tǒng)中的主要活動(dòng)有庫(kù)存商品數(shù)量的變化、零售商品價(jià)格的增長(zhǎng)等。14系統(tǒng)當(dāng)擺型X系統(tǒng)三要素：實(shí)體、屬性與活動(dòng)。系統(tǒng)是在不斷地運(yùn)動(dòng)、發(fā)展、變化的；系統(tǒng)不是孤立存在的；系統(tǒng)邊界的劃分在很大程度上取決于系統(tǒng)研究的目的。系統(tǒng)研究：系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)預(yù)測(cè)o系統(tǒng)描述：同態(tài)、同構(gòu)+同態(tài)：系統(tǒng)與模型之間行為的相似（低級(jí)階段）同構(gòu)：系統(tǒng)與模型之間結(jié)構(gòu)的相似（高級(jí)階段）同態(tài)與同構(gòu)建模+同構(gòu)系統(tǒng)：對(duì)外部激勵(lì)具有同樣反應(yīng)的系統(tǒng)十同態(tài)系統(tǒng)：兩個(gè)系統(tǒng)只有少數(shù)具有代表性的輸入輸出相文寸應(yīng)14系統(tǒng)與模型一一3.系統(tǒng)的分類X按照系統(tǒng)特性分類：+工程系統(tǒng)（物理系統(tǒng)）：為了滿足某種需要或?qū)崿F(xiàn)某個(gè)預(yù)定的功能，采用某種手段構(gòu)造而成的系統(tǒng)，如機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。+非工程系統(tǒng)（非物理系統(tǒng)）：由自然和社會(huì)發(fā)展過(guò)程中形成的，被人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)勞動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐中逐步認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)，如社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等。3.系統(tǒng)的分類X按照系統(tǒng)中起主要作用的狀態(tài)隨時(shí)間變化分類：連續(xù)系統(tǒng)：狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)：狀態(tài)的變化在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生，且隹往又A藍(lán)機(jī)的系統(tǒng)。按照系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)性質(zhì)分類：+線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。+定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)。集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)14系統(tǒng)與模型3.系統(tǒng)的分類X按照系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系分類簡(jiǎn)單系統(tǒng)：組成子系統(tǒng)數(shù)量較少，子系統(tǒng)之間的關(guān)系比較簡(jiǎn)單，或盡管子系統(tǒng)數(shù)量較多，但它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系比較簡(jiǎn)單。例如：一臺(tái)儀器復(fù)雜系統(tǒng)：系統(tǒng)具有眾多的狀態(tài)變量，反饋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸入與輸出呈現(xiàn)非線性特征（高階次、多回路、非線性）復(fù)雜巨系統(tǒng)：子系統(tǒng)數(shù)量極大，種類很多，關(guān)系復(fù)雜例如：星系系統(tǒng)按照子系統(tǒng)的數(shù)量分類+小系統(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)14系統(tǒng)與模犁1?1?2模型1?模型的定義模型是一個(gè)系統(tǒng)的物理的、數(shù)學(xué)的或其他方式的邏輯表述，它以某種確定的形式（如文字、符號(hào)、圖表、實(shí)物、數(shù)學(xué)公式等）提供關(guān)于系統(tǒng)的知識(shí)。14系統(tǒng)與罹型2.模型的分類覽物理模型：根據(jù)一定的規(guī)則（如相似原理）對(duì)系統(tǒng)簡(jiǎn)化或比例縮放而得到的復(fù)制品。*概念模型1）定義：為了某一目的，對(duì)真實(shí)世界及其活動(dòng)進(jìn)行的概念抽象與描述，是運(yùn)用語(yǔ)言、符號(hào)和框圖等形式，對(duì)從所研究的問(wèn)題抽象出的概念進(jìn)行有機(jī)的組合。這些有機(jī)組合的概念就形成了某種概念模型.tl系統(tǒng)與模型2)概念模型的分類從概念模型描述的內(nèi)容來(lái)分類*面向領(lǐng)域的概念模型：將真實(shí)世界劃分成相應(yīng)的領(lǐng)域，再對(duì)每個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行概念建模O*面向設(shè)計(jì)的概念模型：在領(lǐng)域概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)◎如數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)概念模型。(2)從概念模型的用途來(lái)分類★資源概念模型：用作一種資源，支擺進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。主用概念模型：在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，根據(jù)需求和資源概念模型進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出的模型。基于知識(shí)獲取與描述方法來(lái)分類基于表示的概念模型：直接反映與推理機(jī)制關(guān)聯(lián)的符號(hào)級(jí)表示。基于方法的概念模型：面向知識(shí)級(jí)建模分析，提供預(yù)先定義的方法去描述在特定應(yīng)用領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)方法的有關(guān)知識(shí)。基于任務(wù)的概念模型：面向特別種類的任務(wù)，直接刻畫(huà)任務(wù)結(jié)構(gòu)而非執(zhí)行任務(wù)的方法。X數(shù)學(xué)模型1） 定義：對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)特定對(duì)象，為了一個(gè)特定目的，根據(jù)對(duì)象特有的內(nèi)在規(guī)律，做出一些必要的簡(jiǎn)化假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。2） 分類：按照系統(tǒng)的特性來(lái)分：線性與非線性、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、確定性與隨機(jī)性、微觀與宏觀、定常（時(shí)不變）與非定常（時(shí)變）、集中參數(shù)與分布參數(shù)按照研究方法來(lái)分：連續(xù)模型與離散模型、時(shí)域模型與頻域模型、輸入輸出模型與狀態(tài)空間模型，系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模就是：認(rèn)識(shí)系統(tǒng)，并把它表述出來(lái)。121系統(tǒng)建模的信息源建模I）的建模I）的建模I）的建模I）的建模過(guò)程系統(tǒng)模型12系統(tǒng)建罹1.2.2系統(tǒng)建模的途徑分析法/演繹法/理論建模/機(jī)理建模根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，運(yùn)用一些已知的定理、定律和原理推導(dǎo)出描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。測(cè)試法/歸納法/實(shí)驗(yàn)建模/系統(tǒng)辨識(shí)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)在人為輸入作用下的輸出響應(yīng)，或正常進(jìn)行時(shí)系統(tǒng)的輸入輸出記錄，加以必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)計(jì)算，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。綜合法1,2系統(tǒng)建模123模型的可信度x可信度水平行為水平'狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平、分解結(jié)構(gòu)水平上的可信度X可信度分析應(yīng)該考慮的問(wèn)題演繹/歸納/目的中的可信性1,2系統(tǒng)建槌1.2.4建模的一般原則性性簡(jiǎn)性清性相性準(zhǔn)性集可詢1,2系統(tǒng)建槌125建模的一般過(guò)程建模者根據(jù)建模目的、已掌握的先驗(yàn)知識(shí)以及數(shù)據(jù)通過(guò)目的協(xié)調(diào)、演繹分析以及歸納程序三種途徑構(gòu)造模型，然后通過(guò)可信性分析，最后獲得最終模型。模型分解第一種分解：模型二集合結(jié)構(gòu)（靜態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)）第二種分解：模型二集合結(jié)構(gòu)（框架、結(jié)構(gòu)、參數(shù)）進(jìn)一步，我們將模型構(gòu)造具體分解為三個(gè)步驟：框架定義、結(jié)構(gòu)特征化和參數(shù)估計(jì)。1,2復(fù)雜系統(tǒng)建模（定性+定量）1）開(kāi)發(fā)思想，形成概念，通過(guò)定性分析、研究，明確研究的方向、目標(biāo)、途徑、措施，并將結(jié)果用準(zhǔn)確簡(jiǎn)練的語(yǔ)言加以表達(dá)（語(yǔ)言建模）2）對(duì)語(yǔ)言模型中的因素及各因素之間的關(guān)系進(jìn)行剖析，找出影響亭物發(fā)展的前因后果，并將這種因果關(guān)系用框圖裹示出來(lái)3） 對(duì)各環(huán)節(jié)的因果關(guān)系進(jìn)行量化研究，初步得出低層次的概念量化關(guān)系，即為量化模型4） 進(jìn)一步收集各環(huán)節(jié)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，利用所得數(shù)據(jù)序列，建立動(dòng)態(tài)模型。5）對(duì)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行系統(tǒng)研究和分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)、機(jī)理、參數(shù)的調(diào)螯，進(jìn)行系統(tǒng)重組，達(dá)到最優(yōu)配置、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的目的。+建立五種模型：語(yǔ)言模型9網(wǎng)絡(luò)模型9量化模型9動(dòng)態(tài)模型9優(yōu)化模型建模過(guò)程是一個(gè)不斷反饋、多次循環(huán)的過(guò)程。1.2.6模型文檔定義：才艮據(jù)一定的規(guī)范對(duì)模型的文字描述。+在模型開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，通過(guò)編寫(xiě)模型文檔，可以加深建模者對(duì)模型的認(rèn)識(shí)，有助于消除模型的不完全性、不明確性和不一致性，提高建模的規(guī)范化程度。+模型文檔是模型開(kāi)發(fā)者與使用者之間信息交流的依據(jù)。+完善的、規(guī)范化的文檔能夠幫助用戶迅速、清晰的了解模型結(jié)構(gòu)、功能.使用方法和適用范圍，而不必重復(fù)建模者的所有工作。1,2系統(tǒng)建模數(shù)學(xué)模型文檔的參考示例：綜述模型開(kāi)發(fā)目的模型功能模型性質(zhì)（隨機(jī)/確定，動(dòng)態(tài)/靜態(tài)，離散事件/連續(xù)/混合）假設(shè)及適用范圍理論依據(jù)主矣假設(shè)及理由主要簡(jiǎn)化計(jì)算及依據(jù)模型的應(yīng)用條件或使用限制對(duì)預(yù)期使用目的的適應(yīng)性[3]模型描述模型的結(jié)構(gòu)與功能模型變量說(shuō)明[321]輸入變童說(shuō)明（包括外部控制變量或干擾變餐）輸出變董說(shuō)明關(guān)鍵輸入/輸出變童隨機(jī)變量及分布函數(shù)的類型與參數(shù)[3?4]模型參數(shù)和常數(shù)說(shuō)明[3.5]與其他模型的輸入/輸出聯(lián)系[3?6]形式化描述（數(shù)學(xué)關(guān)系'邏輯關(guān)系'知識(shí)規(guī)則等）[4]質(zhì)量保證模型在其他項(xiàng)目中的應(yīng)用情況及效采模型在開(kāi)發(fā)中參考其他模型的情況假設(shè)條件和簡(jiǎn)化對(duì)模型的形響分析[44]分布函數(shù)類型及參數(shù)選取方法[4.5]模型參數(shù)取值的依據(jù)[46]模型算例輸入條件設(shè)置驅(qū)動(dòng)方式[463]穩(wěn)態(tài)特性分析樣本數(shù)據(jù)采集方法結(jié)呆比較[4.6.5.1]原型系統(tǒng)/參考系統(tǒng)的情況原型系統(tǒng)/參考系統(tǒng)的樣本數(shù)據(jù)采集方法[4.5.63]結(jié)果對(duì)比曲線[4.7]對(duì)模型精度的認(rèn)識(shí)[4.8]知名專家對(duì)模型的評(píng)價(jià)軟件工具：EdrawMindmapo系統(tǒng)仿壹1.3.1仿真概念的提出人們?cè)谡J(rèn)識(shí)自然、利用自然的過(guò)程中，為了更好地完成這一能動(dòng)過(guò)程，需要對(duì)物質(zhì)世界，乃至非物質(zhì)世界進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。例如：進(jìn)行一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)規(guī)劃一次軍事演習(xí)分析人口發(fā)展趨勢(shì)在這些過(guò)程中，人們經(jīng)常要進(jìn)行：實(shí)驗(yàn)、分析、計(jì)算、決策等步驟。然而實(shí)驗(yàn)分析對(duì)某些真實(shí)系統(tǒng)可能是不允許的。通常的原因有：X系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)階段。并沒(méi)有真正建立起來(lái)，因此不可能在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)。在真實(shí)系統(tǒng)上做試驗(yàn)會(huì)破壞系統(tǒng)的運(yùn)行。如果人是系統(tǒng)的一部分時(shí)，由于他知道自己是試驗(yàn)的一部分，其行動(dòng)往往會(huì)與平時(shí)不一樣；因此會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的效果。在實(shí)際系統(tǒng)上做多次試驗(yàn)，很難保證每一次的操作條件都相同。試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)或費(fèi)用太大或有危險(xiǎn)。無(wú)法復(fù)原。因此，在實(shí)踐中出現(xiàn)了用模型來(lái)代替真實(shí)系統(tǒng)做仿真實(shí)驗(yàn)的方法，以解決上述無(wú)法直接對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的問(wèn)題。132系統(tǒng)仿真的定義;132系統(tǒng)仿真的定義;“仿真” 詞譯自英文的“simulation”。有關(guān)它的定義有多種說(shuō)法，我們定義為：通過(guò)對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)本質(zhì)的目的，或用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程。+系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系X系統(tǒng)是研究的對(duì)象冥模型是系統(tǒng)的抽象，是仿真的橋梁-實(shí)驗(yàn)是仿真的手段133仿真的依據(jù)1、相似原理空間相似、時(shí)間相似、功能相似、動(dòng)態(tài)特性相似、信息相似2、 相似方法模式相似方法、模糊相似法、組合相似方法、坐標(biāo)變換相似方法3、 相似方法的實(shí)現(xiàn)時(shí)間與邏輯相似、幾何相似、環(huán)境相似（力學(xué)環(huán)境、光學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境）I:?鬲舍交仿真1.3.4仿真的分類：1） 根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類連續(xù)系統(tǒng)仿真.離散事件系統(tǒng)仿真2） 根據(jù)所采用的技術(shù)分類面向?qū)ο蠓抡妗⒚嫦騛gent仿真、分布交互仿真等1=3 童統(tǒng)伎真1.3.5系統(tǒng)仿真的一般過(guò)程:1） 對(duì)模型的形式化處理2） 仿真建模3） 程序設(shè)計(jì)4） 模型運(yùn)行5） 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，處理仿真結(jié)果。卜？帝統(tǒng)伎真1.3.6系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)觀測(cè)4＞系統(tǒng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)訓(xùn)練1.3.7系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點(diǎn)妥全性.經(jīng)濟(jì)性.可重復(fù)性。!:? 1.3.8仿真系統(tǒng)1）定義：由計(jì)算機(jī)模型及其載體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和物理效應(yīng)模型及設(shè)備、部分實(shí)物組成的系統(tǒng)模型綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2）分類:數(shù)字仿真系統(tǒng)、半物理仿真系統(tǒng).物理仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真是一門(mén)建立在相似理論，控制理論，系統(tǒng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上的綜合性和試驗(yàn)性學(xué)科。它涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。L4L4侮窗吾蕨技術(shù)Sv1-4-1系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的含義X以相似原理.模型理論、系統(tǒng)技術(shù).信息技術(shù)以及建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，