系统建模与仿真

系统建模与仿真哈尔滨工业大学（威海）信电学院主讲教师：任倩参考书目1.《系统建模与仿真》,上册,国防工业,郭齐胜,2007年2.《系统建模》,国防工业,郭齐胜,2006年3.《系统仿真》,国防工业,郭齐胜,2006年4.《系统建模原理与方法》,郭齐胜,国防科技大学出版社,2003年5.《控制系统计算机仿真》,电子工业,蒋珉,2006年6.《虚拟现实技术》,电子工业出版社,GrigoreC.Burdea,2005年课程讲义下载：学校ftp:/课件/系统建模与仿真前言课程的重要性：1.科学研究的重要手段：理论研究；科学实验；仿真技术。特点：安全性、经济性、可重复性2.应用范围广；3.课程发展与现状：正在向一级学科发展；很多学校招收仿真方向的硕博士研究生；军队院校设立仿真工程本科专业；本部：航天学院控制与仿真中心，从事军用仿真非标准设备，军/民用仿真控制系统的研制系统建模体系系统建模概念建模数学建模定量建模定性建模定性定量建模理论建模实验建模定性建模方法连续系统建模方法离散事件系统建模方法随机变量模型建模方法基于系统辨识的建模方法基于人工神经网络的建模方法基于灰色系统理论的建模方法基于系统动力学的建模方法基于层次分析法的建模方法基于Agent的行为建模方法√√系统仿真体系系统仿真数学仿真数学物理仿真定量仿真定性仿真面向过程仿真面向对象仿真定性仿真连续系统仿真面向对象建模与仿真半实物仿真分布交互仿真离散事件系统仿真采样控制系统仿真物理仿真仿真置信水平评估√√第1章绪论第2章系统的数学描述第3章连续系统的建模与仿真第4章采样控制系统的建模与仿真第5章基于系统辨识的建模方法第6章虚拟现实与系统仿真课程主要内容第1章绪论主要内容：1.系统的定义、分类2.模型的定义、分类3.数学模型的定义、分类4.数学建模方法学（信息源、途径、原则、过程）5.系统仿真的依据、定义、分类、一般步骤、应用、特点1.1系统1.2模型1.3数学模型1.4数学建模方法学1.5系统仿真主要内容1.1系统1.1.1系统定义1.1.2系统三要素1.1.3系统的分类1.1.1系统定义系统是由相互联系、相互制约、互相依存的若干组成部分结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。1.1.2系统三要素一个系统以特有的表征和内在特性而区别于其他系统，这主要是由构成系统的四方面内容确定的：•实体：系统是实体的集合。所谓实体是指组成系统的具体对象。•属性：组成系统的实体具有一定的属性。所谓属性是指实体所具有的全部有效特性。SKIP•活动：系统处在活动之中。所谓活动是指实体随时间推移而发生的属性变化。•环境：任何系统都将经常受到系统之外因素变化的影响，这种对系统的活动结果产生影响的外界因素称为系统的环境。表示系统所处的界面状况（包括干扰、约束等），包括那些影响系统而不受系统直接控制的全部因素。•系统状态：在任意时刻，系统中实体、属性以及活动的信息总和称为系统在该时刻的状态，常用系统状态的变化来研究系统的动态情况。用来表示系统状态的变量称为状态变量。经理部市场部采购部仓储部销售部商品销售系统比较器调节器电炉温度计温度给定值温度偏差电压扰动温度实际温度电炉温度调节系统BACK1.1.3系统的分类系统特性状态随时间的变化对系统内部特性的了解程度系统内子系统的关联关系子系统的数量工程系统非工程系统连续系统离散事件系统白色系统黑色系统灰色系统系统的物理结构和数学性质线性系统非线性系统定常系统时变系统集中参数系统分布参数系统单输入单输出系统多输入多输出系统小系统大系统巨系统简单系统复杂系统返回主目录1.2模型1.2.1模型定义1.2.2系统建模—why？1.2.3模型分类1.2.1模型定义模型（Model）是一个系统的物理的、数学的或其他方式的逻辑表述，它以某种确定的形式（如文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关于系统的知识。1.2.2系统建模-why?为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验，可以分为两大类：在真实系统上进行；构造模型并用模型试验来代替在系统上的实验。后者必不可少，原因有四：①系统还处于设计阶段，真实系统尚未建立，需要了解未来系统的性能，只能通过对模型的试验来了解；②在真实系统上进行试验可能会引起破坏或发生故障，如处于运行状态的化工系统、电力系统、火箭系统等；③系统无法恢复，如经济系统，新政策出台，经过一段时间才能看出效果，若造成损失已经无法挽回了；④试验条件无法保证，如多次试验，难以保证每次试验条件相同，或试验时间太长、或费用昂贵。1.2.3模型分类①概念模型所谓概念模型就是为了某一目的，对真实世界及其活动进行的概念抽象与描述，是运用语言、符号和框图等形式，对从所研究的问题抽象出的概念进行有机的组合。②物理模型又称为实物模型，它是根据一定的规则（如相似原理）对系统简化或比例缩放而得到的复制品，因此，其外观与实际系统极为相似，描述的逼真感较强。③数学模型返回主目录1.3数学模型1.3.1定义对于现实世界的一个特定对象，为了一个特定目的，根据对象特有的内在规律，作出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。通过对系统数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。与所讨论的系统的特性有关与研究系统的方法有关线性非线性静态动态随机性确定性微观宏观定常时变集中参数分布参数连续离散时域频域输入输出状态空间1.3.2分类返回主目录1.4数学建模方法学1.4.1建模过程的信息源1.4.2建模的途径1.4.3建模的一般原则1.4.4建模的一般过程1.4.5模型文档1.4.1建模过程的信息源建模过程数学模型先验知识试验数据目的数学建模的信息源①目标和目的一个数学模型事实上是对一个真实过程给出一个非常有限的映象。同一个实际系统可以有很多研究目的，不同的研究目的将规定建模过程不同的方面。②先验知识建模过程是从以往的知识源出发进行开发的。③试验数据在进行建模时，关于系统的信息也能通过对系统的试验与量测而获得。合适的定量观测是解决建模的另一个途径。1.4.2建模的途径①机理建模法/分析法/演绎法/理论建模根据系统的工作原理，运用一些已知的定理、定律和原理，推导出描述系统的数学模型。②实验建模法/测试法/归纳法/系统辨识/系统的动态特性必然表现在变化的输入输出数据中，通过测取系统在人为输入作用下的输出响应，或正常进行时系统的输入输出记录，加以必要的数据处理和数学计算，估计出系统的数学模型。③综合法/混合法将分析法与测试法互相结合的一种建模方法。1.4.3建模的一般原则①简单性在实用的前提下，模型越简单越好。②清晰性在子模型之间除为了研究目的所必须的信息联系外，互相耦合要尽可能少，结构要尽可能清晰。③相关性模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些信息。④准确性信息源的准确性，假设的正确性1.4.3建模的一般原则⑤可辨识性系统的模型必须有确定的描述或表示方式，而在这种描述方式下与系统性质有关的参数必须是唯一确定的解。⑥集合性建立模型还需要进一步考虑的一个因素，是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度。例如，对防空导弹系统的研究，除了能够研究每枚导弹的发射细节和飞行规律之外，还可以综合计算多枚导弹发射时的作战效能。1.4.4建模的一般过程建模者根据建模目的、已掌握的先验知识以及数据，通过目的协调、演绎分析以及归纳程序三种途径构造模型，然后通过可信性分析，最后获得最终模型。1.4.5模型文档模型文档是根据一定的规范对模型的文字描述。是模型开发者与使用者之间信息交流的依据。完善的、规范化的文档能够帮助用户迅速、清晰地了解模型的结构、功能、使用方法和适用范围，而不必重复建模者的所有工作。模型构造可信性分析目的建模过程总框图演绎分析先验知识试验数据目标协调归纳程序最终模型框架定义目的演绎分析先验知识试验数据目标协调归纳程序可信性分析建模过程的框架表示最终模型结构特征化参数估计返回主目录1.5系统仿真1.5.1仿真的依据1.5.2仿真的定义1.5.3系统仿真的必要性1.5.4系统仿真技术的发展1.5.5系统仿真的分类1.5.6仿真的一般步骤1.5.7仿真技术的应用1.5.8仿真的特点1.5.1仿真的依据1.相似是指各类事物间某些共性的客观存在。2.相似性原理：是系统仿真学科最主要的基础理论之一。就是按某种相似方式或相似原则对各种事物进行分类，获得多个类集合；在每一个类集合中选取一个具体事物并对它进行综合性的研究，获取有关信息、结论和规律性的东西；这种规律性的东西可以方便地推广到该集合的其他事物中去。3.相似方式①几何相似就是几何尺寸按一定的比例放大或缩小，这样按结构尺寸比例缩小得到的模型，称为缩比模型，由于其外形相似，又有肖像模型之称。②环境相似/感觉信息相似包括运动感觉信息相似，视觉感觉信息相似，音响感觉信息相似等。③性能相似/数学相似/动态特性相似是指不同的问题可以用相同的数学模型来描述。④思维相似思维是人脑对客观世界反映在人脑中的信息进行加工的过程。人的思维方式包括逻辑思维和形象思维，在模拟人的行为的仿真实验中，应遵循思维相似的原则。逻辑思维相似主要是应用数理逻辑、模糊逻辑等理论，通过对问题的程序化，应用计算机来仿真人的某些行为，例如：专家系统、知识库、企业管理ERP等。形象思维相似主要是应用神经网络等理论来模拟人脑所固有的大规模并行分布处理能力，以模拟人的瞬时完成对大量外界信息的感知与控制的能力。⑤生理相似为了有效地对人体本身进行模拟，以推进现代医学、生物学、解剖学等的发展，生理相似理论已有长足的发展（如人体生理系统数学模型Human），但是，由于人体生理系统是一个十分复杂的系统，甚至还有许多机理至今尚未搞清楚，所以生理相似理论还不完善，这也是当今仿真技术中一个重要的交叉学科。对整个人体进行分解研究是一种较为有效的办法。首先分系统、分器官，逐个进行建模，然后将各个部分通过通过输入/输出联系起来构成整个人体系统。返回子目录1.5.2仿真的定义1.仿真二字，顾名思义，是指模仿真实事物的意义。比较有代表性的定义有如下几个：a.1961年，摩根扎特（Morgenthater）首次对“仿真”进行了技术性定义：即“在实际系统尚不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。b.1984年，奥伦（Oren）在给出了仿真的基本概念框架“建模－实验－分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。c.综合国内外学者对仿真的定义，可以对系统仿真做如下定义：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，以计算机和其他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，并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。综上所述，系统、模型和仿真三者之间有着密切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真则是通过对模型进行实验以达到研究系统的目的。2.系统仿真三要素和3项基本活动从以上分析可以看出，系统仿真实质上包括了3个基本要素：系统、模型和计算机。联系这3个要素的基本活动是：系统建模、仿真建模和仿真实验。这些关系如图所示：系统模型计算机系统建模仿真建模仿真实验仿真三要素及3项基本活动返回子目录1.5.3系统仿真的必要性①优化系统设计：在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计；②对系统或系统的某一部分进行性能评价；③节省经费：仿真试验只需要在可重复使用的模型上进行，所花费的成本远比在实际产品上做试验低；④系统故障诊断：系统发生故障后，设法使之重演，以便判断故障产生的原因；⑤避免试验的危险性：某些试验有危险，不允许进行，而仿真试验可以避免危险性；⑥进行假设检验：仿真可以预测系统的特性，也可以预测外部作用对系统的影响；⑦训练系统操作人员；⑧为管理决策和技术决策提供依据。返回子目录1.5.4系统仿真技术的发展上世纪50年代：仿真技术研究还主要借助于模拟计算机;70年代：数字计算机进入了这一研究领域，我国自行设