控制系統計算機仿真的基本概念為了能全面、正確地理解系統仿真，需要對系統仿真所研究的對象進行概要的了解。這里對與系統仿真相關的知識——系統與系統模型進行簡單的介紹。控制系統計算機仿真的基本概念為了能全面、正確地理解系統仿11.系統

系統是指具有某些特定功能，相互聯系、相互作用的元素的集合。這里的系統是指廣義上的系統，泛指自然界的一切現象與過程。它具有兩個基本特征：整體性和相關性。整體性是指系統作為一個整體存在而表現出某項特定的功能，它是不可分割的。

控制系統及仿真概述課件22.系統模型

系統模型是對實際系統的一種抽象，是對系統本質(或是系統的某種特性)的一種描述。模型可視為對真實世界中物體或過程的信息進行形式化的結果。模型具有與系統相似的特性，可以以各種形式給出我們所感興趣的信息。2.系統模型3

模型可以分為實體模型和數學模型。實體模型又稱為物理效應模型，是根據系統之間的相似性而建立起來的物理模型。實體模型最常見的是比例模型，如風洞吹風實驗常用的翼型模型或建筑模型。數學模型包括原始系統數學模型和仿真系統數學模型。原始系統數學模型是對系統的原始數學描述。仿真系統數學模型是一種適合在計算機上演算的模型，主要是指根據計算機的運算特點、仿真方式、計算方法、精度要求將原始系統數學模型轉換為計算機程序。模型可以分為實體模型和數學模型。實體模型又稱為物理效應模型4數學模型可以分為許多類型。按照狀態變化可分為動態模型和靜態模型。用以描述系統狀態變化過程的數學模型稱為動態模型。而靜態模型僅僅反映系統在平衡狀態下系統特征值間的關系，這種關系常用代數方程來描述。按照輸入和輸出的關系可分為確定性模型和隨機性模型。若一個系統的輸出完全可以用它的輸入來表示，則稱之為確定性系統。若系統的輸出是隨機的，即對于給定的輸入存在多種可能的輸出，則該系統是隨機系統。數學模型可以分為許多類型。按照狀態變化可分為動態模型和靜態模5離散系統是指系統的操作和狀態變化僅在離散時刻產生的系統，如交通系統、電話系統、通信網絡系統等等，常常用各種概率模型來描述。連續系統模型還可分為集中參數的和分布參數的，線性的和非線性的，時變的和時不變的，時域的和頻域的，連續時間的和離散時間的等等。表1.1列出了各種類型的數學模型及其數學描述。離散系統是指系統的操作和狀態變化僅在離散時刻產生的系統，如交6模型類型靜態系統模型動態系統模型連續系統模型離散系統模型集中參數分布參數離散時間數學描述代數方程微分方程狀態方程傳遞函數偏微分方程差分方程離散狀態方程概率分布排隊論模型類型靜態系統模型動態系統模型連續系統模型離散系統模型集中7仿真的概念仿真是以相似性原理、控制論、信息技術及相關領域的有關知識為基礎，以計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統模型對真實系統進行試驗研究的一門綜合性技術。它利用物理或數學方法來建立模型，類比模擬現實過程或者建立假想系統，以尋求過程的規律，研究系統的動態特性，從而達到認識和改造實際系統的目的。仿真的概念8仿真分類按照實現方式的不同可以將系統仿真分為如下幾類：

(1)實物仿真：又稱物理仿真。它是指研制某些實體模型，使之能夠重現原系統的各種狀態。早期的仿真大多屬于這一類。它的優點是直觀形象，至今仍然廣泛應用。但是為系統構造一套物理模型，將是一件非常復雜的事情，投資巨大，周期長，且很難改變參數，靈活性差。

仿真分類9

(2)數學仿真：數學仿真就是用數學語言去表述一個系統，并編制程序在計算機上對實際系統進行研究的過程。這種數學表述就是數學模型。數學仿真把研究對象的結構特征或者輸入輸出關系抽象為一種數學描述(微分方程、狀態方程，可分為解析模型、統計模型)來研究，具有很大的靈活性，它可以方便地改變系統結構、參數；而且速度快，可以在很短的時間內完成實際系統很長時間的動態演變過程；精確度高，可以根據需要改變仿真的精度；重復性好，可以很容易地再現仿真過程。

(2)數學仿真：數學仿真就是用數學語言去表述一個系統，并10(3)半實物仿真：又稱數學物理仿真或者混合仿真。為了提高仿真的可信度或者針對一些難以建模的實體，在系統研究中往往把數學模型、物理模型和實體結合起來組成一個復雜的仿真系統，這種在仿真環節中存在實體的仿真稱為半實物仿真或者半物理仿真。這樣的仿真系統有飛機半實物仿真、射頻制導導彈半實物仿真等，并且許多模擬器也屬于半實物仿真。(3)半實物仿真：又稱數學物理仿真或者混合仿真。為了提高仿11計算機仿真計算機仿真是在研究系統過程中根據相似原理，利用計算機來逼真模擬研究對象。研究對象可以是實際的系統，也可以是設想中的系統。在沒有計算機以前，仿真都是利用實物或者它的物理模型來進行研究的，即物理仿真。物理仿真的優點是直接、形象、可信，缺點是模型受限、易破壞、難以重用。計算機仿真12計算機作為一種最重要的仿真工具，已經推出了模擬機、模擬數字機、數字通用機、仿真專用機等各種機型并應用在不同的仿真領域。除了計算機這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應用的轉臺，各種風洞、水洞等；另一類是用于培訓目的的各種訓練仿真器，如培訓原子能電站、大型自動化工廠操作人員和訓練飛行員、宇航員的培訓仿真器、仿真工作臺和仿真機艙等。

計算機作為一種最重要的仿真工具，已經推出了模擬機、模擬數字機13計算機作為一種最重要的仿真工具，已經推出了模擬機、模擬數字機、數字通用機、仿真專用機等各種機型并應用在不同的仿真領域。除了計算機這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應用的轉臺，各種風洞、水洞等；另一類是用于培訓目的的各種訓練仿真器，如培訓原子能電站、大型自動化工廠操作人員和訓練飛行員、宇航員的培訓仿真器、仿真工作臺和仿真機艙等。計算機作為一種最重要的仿真工具，已經推出了模擬機、模擬數字機14仿真的作用仿真技術具有很高的科學研究價值和巨大的經濟效益。由于仿真技術的特殊功效，特別是安全性和經濟性，使得仿真技術得到廣泛的應用。仿真的作用15歸納起來，仿真技術的主要用途有如下幾點：(1)優化系統設計。在實際系統建立以前，通過改變仿真模型結構和調整系統參數來優化系統設計。如控制系統、數字信號處理系統的設計經常要靠仿真來優化系統性能。(2)系統故障再現，發現故障原因。實際系統故障的再現必然會帶來某種危害性，這樣做是不安全的和不經濟的，利用仿真來再現系統故障則是安全的和經濟的。歸納起來，仿真技術的主要用途有如下幾點：16(3)驗證系統設計的正確性。(4)對系統或其子系統進行性能評價和分析。多為物理仿真，如飛機的疲勞試驗。(5)訓練系統操作員。常見于各種模擬器，如飛行模擬器、坦克模擬器等。(6)為管理決策和技術決策提供支持。(3)驗證系統設計的正確性。17計算機仿真的一般過程計算機仿真的一般過程可以表述如下：(1)描述仿真問題，明確仿真目的。(2)項目計劃、方案設計與系統定義。根據仿真目的確定相應的仿真結構(實時仿真還是非實時仿真，純數學仿真還是半物理仿真等)，規定相應仿真系統的邊界條件與約束條件。(3)數學建模：根據系統的先驗知識、實驗數據及其機理研究，按照物理原理或者采取系統辨識的方法，確定模型的類型、結構及參數。注意要確保模型的有效性和經濟性。計算機仿真的一般過程計算機仿真的一般過程可以表述如下：18(4)仿真建模：根據數學模型的形式、計算機類型、采用的高級語言或其它仿真工具，將數學