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1、 系统仿真系统仿真(控制系统仿真控制系统仿真)System Simulation联系方法联系方法n王雷王雷n电二楼电二楼215实验室实验室n3603245n信箱：系楼二楼信箱：系楼二楼课程简介课程简介n系统仿真系统仿真技术涉及到建模理论、计算机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、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。技术、仿真算法与仿真结
2、果分析方法等。本课程还将介绍最新的仿真技术及其应本课程还将介绍最新的仿真技术及其应用。用。本课程有何用处？本课程有何用处？n科研：科研：n控制：机器人、月球车、预测控制控制：机器人、月球车、预测控制n网络：用户行为研究、网络：用户行为研究、P2P网络研究、服务网络研究、服务器集群性能研究器集群性能研究n仿真技术几乎应用于所有的研究与技术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过程、降低成本以及辅助决策主要内容主要内容n系统仿真概论n仿真模型与建模方法论n连续系统仿真方法学n离散事件系统仿真基础n离散事件系统
3、仿真方法学n仿真结果分析n先进仿真技术与应用参考书参考书n系统仿真导论，肖田元等，清华大学出版社，2000n建模与仿真，王红卫，科学出版社，2002n仿真工程，(美)Jim Ledin，机械工业出版社，2003第一章第一章 系统仿真概论系统仿真概论n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本章主要内容本章主要内容n系统n系统模型n系统仿真n仿真的发展一、系统一、系统n定义：相互联
4、系且相互作用的对象的有机组合（本课程的研究对象）n系统特征n均由一些相关的实体组合而成 n实体具有自身的特征：属性 n系统通常是动态的，其变化过程称为活动 n按物理特征分类n工程系统：电气、机械、化工、水利等n非工程系统：经济、交通、管理、生态等n按状态变化方式分类n连续系统n系统状态量随时间连续变化n离散事件系统n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n按复杂程度分类n单变量系统n多变量系统其它分类特征确定系统随机系统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自治系统(autonomous)非自治系统系统无输入变量系统有输入变量闭系统
5、开系统系统无输入、输出变量系统有输入、输出变量无记忆系统有记忆系统系统无状态变量系统有状态变量线性系统非线性系统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、系统模型二、系统模型n研究系统的目的 n了解系统各组成部分间的关系（内部特性）n预测系统在一种新的工作策略下的执行情况（外部行为）n有时不能直接把系统作为试验对象 n不具有可行性：系统未建成、行为预测n代价昂贵：生产过程、大型系统、生态系统n不安全：核试验、碰撞试验、军事演习n其它包括涉及到主观因素影响或者不能复原的试验等等n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
6、究n模型分类（按表示方式）n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n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n复杂系统仿真时往往两者相结合三、系统仿真n仿真的定义变迁n1961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n1978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n1982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n1984年，Oren提出：仿真
7、是一种基于模型的活动系统仿真与计算机仿真系统仿真与计算机仿真n系统仿真的概念n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。n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为什么要进行计算机仿真n便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。n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。n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。n对于
8、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。适合计算机仿真的问题适合计算机仿真的问题n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n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n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n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n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计算机仿真的应用 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
9、。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。长江三峡工程长江三峡工程计算机仿真的应用计算机仿真的应用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。飞机设计飞机设计相似原理与相似理论n系统仿真遵循相似原理：n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 n环境相似：虚拟现实等 n性能相似：数学模型，计算机仿真 n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n几何相似：实物模型等 n模拟：如用电量表示物理量，也称异类相似 n离散化：可以用数
10、字计算机计算 n等效：在数学描述层次上相似，常见的仿真器 n感觉相似：虚拟现实等 n思维相似：逻辑思维、形象思维、灵感思维 n生理相似：如人体生理系统数学模型 例：例：模拟计算仿真模拟计算仿真n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。n模拟电子计算机。n模型与原型之间状态运动规律特性相似列写图1所示电网络以ui(t)为输入量，uo(t)为输出量的微分方程和图2所示 弹簧-质量-阻尼器机械位移系统在外力F(t)作用下，位移x(t)的运动方程。列写电网络微分方程。设回路电流为i(t)根据回路电压定理：根据电容特性：因此：列写机械位移系统微分方程。根据力平衡方程：从微分方程上
11、看：两类系统在状态运动规律上相似。因此，可以用电网络模拟机械位移系统的状态运动规律。仿真的分类(1)n根据模型的种类分类n物理仿真：电力系统仿真、风洞试验等，实物仿真；早期常用 n数字仿真：基于计算机的仿真，本课程的内容；各种学科、工程领域n半实物仿真：军事领域、水利工程等重要、大型应用 仿真的分类(2)n根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类n实时仿真：仿真时钟(仿真时模型采用的时钟)与实际时钟(实际动态系统的时间基)完全一致；常用于训练仿真器，称为在线仿真n亚实时仿真：仿真时钟慢于实际时钟，即模型仿真的速度慢于时间系统运行的速度；常用于离线分析，称为离线仿真n超实时仿真：仿真时钟快于实际时钟
12、；如大气环流仿真、交通系统仿真等仿真的分类(3)n根据系统模型的特性分类n连续系统仿真n离散事件系统仿真n研究对象的特征完全不同n研究方法本质上不同n是本课程研究的两个重点内容n连续系统仿真n系统状态量随时间连续变化（包括由于数据采集是在离散时间点上进行时所产生的非连续数据）n数学模型形式 n连续模型（微分方程描述）n离散时间模型（差分方程描述）n基本特点：能用一组方程式描述n一般的物理系统、工程系统均属此类（连续流程工业、石油、化工、医药等）n离散事件系统仿真n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（状态是在两个事件之间保持不变即离散变化）n数学模型：一般不是数学方程，而用
13、流程图或者网络图描述 n当前的研究热点，如城市交通系统、计算机网络、生态系统，管理系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统等 系统仿真的研究内容 n仿真三要素：系统、模型、计算机 n联系三者的三个基本活动 n系统建模：一直是研究的重点，技术成熟，包括抽象的公式、定理等，需要结合相关专业知识n仿真建模：难点之一，先要设计算法使系统模型能被计算机所接受，然后编程，再在计算机上运行，由此产生仿真算法、仿真软件，技术也较为成熟 n仿真试验及结果分析：最有实际意义，但常常被忽略，技术难点多 系统仿真的基本步骤 n系统仿真过程即建立模型并通过模型在计算机上的运行对模型进行检验、修正和分析的过程。与软件开发类
14、似，可以分为若干阶段。系统仿真的过程In系统定义：求解问题前，先要提出明确的准则来描述系统目标及是否达到的衡量标准，其次必须描述系统的约束条件，再确定研究范围，即哪些实体属于要研究的系统，哪些属于系统的环境n构造模型：抽象真实系统，并规范化，确定模型要素、变量、参数及其关系，表达约束条件；要求以研究目标为出发点，模型性质尽量接近原系统，尽可能简化，易于理解、操作和控制 n数据准备：收集数据，决定使用方式，数据完整性、有效性检验，用来确定模型参数 系统仿真的过程IIn模型转换：用计算机语言（高级语言或者专用仿真语言）描述数学模型 n模型运行：获取被研究系统的信息，预测系统运行情况，一般是动态过程
15、，常反复运行以获得足够的实验数据 n分析并评论仿真结果：仿真技术包括了某些主观的方法，如抽象化、直观感觉和设想等，在提交仿真报告前，应全面分析和论证仿真结果；分析的基本目标n确定仿真试验中获得的信息是否充分、有效n精简和归纳仿真数据以辅助决策 系统仿真的应用n系统仿真反映出新的科学技术的时代特征，它的应用为各个领域带来新气象和成果。n应用的领域主要包括：n系统设计：计算机辅助设计与仿真n系统分析：分析与优化n教育与训练：载体操纵型、过程控制型、博弈决策型n产品开发及制造：虚拟产品开发，虚拟制造，CIMS具体应用场合n 航空管理,公交车的调度,n 飞机设计,动画设计,n 三峡的安全、生态,道路的
16、修建,n 医疗保险,国债的发行,n 家居装修,炼钢的温度估计,n 发电厂的操作训练,飞行员训练，n 流行疾病的检测和预报。系统仿真的历史与发展 年代发展的主要特点 1940在物理科学基础上的仿真，如风洞试验中的飞机比例模型20世纪40年代计算机出现，仿真工具的革命50年代仿真应用于航空领域60年代工业控制过程的仿真70年代包括经济、社会和环境因素的大系统仿真70年代中期系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM系统80年代系统仿真与更高级的决策结合，如决策支持系统DSS80年代中期集成化建模与仿真环境90年代以后可视化建模与仿真，VR，分布交互仿真，并行仿真系统仿真技术展望n分布交互仿真(
17、DIS，HLA)n在分布式交互系统（DIS）和高层体系结构（HLA）上，建立在一个广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统实现互操作和重用的框架及规范n以军事应用为主n虚拟现实(Virtual Reality)仿真n其核心是建模与仿真，通过建立模型，对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现，从根本上改变人与计算机的关系n飞行器模拟、虚拟战场、虚拟样机、虚拟制造等都是虚拟现实技术的典型应用n面向对象仿真(Object-Oriented Simulation)n结合面向对象技术实现仿真n建模方法学(Modeling Methodology)n从建模的方法学来看，除了典型的机
18、理建模及系统辨识方法外，近年来正积极发展模糊优化法、人工智能辅助建模方法学及混合模式（multi-paradigm）的建模方法学等n建模和仿真的VVA(Verification,Validation,Accreditation)技术n模型和仿真过程的校核、验证与确认技术n仿真软件与算法仿真软件与算法n仿真算法经历了从串行算法到并行算法的发展过程。目前非实时串行算法已相当完善，研究重点是实时、并行与定性算法n仿真软件的发展分为六个阶段：通用程序设计语言、仿真程序包及初级仿真语言、完善的商品化的高级仿真语言、一体化建模与仿真环境、智能化建模与仿真环境以及支持分布交互仿真的综合仿真环境nInternet网上仿真(P2P、普适计算)n基于高速、宽带、异步、多媒体网络通信及分布计算技术的发展，使分布计算环境成为仿真计算机平台的重要发展方向