第一章绪论+第二章系统模型.docVIP

第一章绪论 计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。 系统仿真是上世纪40年代末开始兴起并逐步发展起来的一门新兴学科，随着计算机技术的发展，利用计算机对系统进行仿真越来越受到人们的重视，对系统仿真的理论方法和应用技术的研究也逐步深入。随着计算机技术的发展，系统仿真技术已经成为任何复杂的系统特别是高技术产业在论证、设计、生产试验、评价、检测和训练产品时不可缺少的手段，已经成为研究大规模、复杂系统的有力工具，应用范围越来越广，技术手段越来越先进。 1.1 系统仿真的基本概念 1.1.1系统与模型 系统：有相互联系、相互制约、相互依存的若干部分（要素）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）必须明确系统的整体性。也就是说，它作为一个整体，各部分是不可分割的。整体性是系统的第一特性。 （2）要明确系统的相关性。相关性是指系统内部各部分之间相互以一定的规律联系着，它们之间的特定关系形成了具有特定性能的系统。有时系统各要素之间的关系并不是简单的线性关系，而呈现出复杂的非线性关系。相关性是系统的第二特性，也是目前系统研究的主要问题。 （3）系统的目的性。设计或者综合一个系统，是为了实现预定的目的，也就是说系统具有目的性。一个系统的目的性表现在两个方面：一是系统要完成特定的功能；二是在完成基本功能的同时要使系统达到最优化。 （4）系统的环境适应性。系统并不是孤立的，总是在某一个环境中工作。而环境的变化有可能影响系统的性能，系统也会产生一些作用，使系统之外的物体发生变化。因此还要明确系统的边界和环境。系统的边界（可以是物理的也可以是概念的）包围了所研究的对象的所有部件；位于边界以外的那些部件以及能够在系统特性上施加某些重要影响的因素（但不能从系统内部控制这些影响）构成了系统的环境。而系统的边界并不是固定不变的，是需要根据所研究的目标来确定的哪些属于内部因素、哪些属于外部因素。 1.1.2 系统分类 系统的分类方法很多，主要有以下几种分类方法： （1）根据系统状态的变化分类：静态系统和动态系统 （2）根据系统状态的确定性分为确定性系统和随机系统。 确定性系统是指输出完全由系统的输入以及相应的转换关系（包括决策、措施等）所决定的系统。随机系统是在既定的输入下，系统的输出是非确定的，带有随机的性质。产生随机性的原因是由于在系统的输入过程和转换过程中存在多种难以预知的偶然因素的作用。 （3）按照系统状态随时间变化是否连续分为：连续系统和离散系统。 连续系统系统的状态变量随时间连续变化，就称为连续系统。系统的动态特性可以用微分方程或一组状态方程来描述，也可以用一组差分方程或一组离散状态方程来描述。离散系统系统的状态变化只在时间的离散时刻发生，而且往往又是随机的，这样的系统称为离散系统 （4）其他分类： 常用的分类方法还有：按照方程的类型分为线性系统和非线性系统；按参数类型分为定常系统和时变系统；还可以分为集中参数系统和分布参数系统；按照变量的个数分为单变量系统和多变量系统。 1.1.3 系统模型 1.系统模型 系统模型是系统的某种特定的性能的一种抽象形式。系统模型实质是用某种形式来近似地描述或模拟所研究的对象或过程。模型可以描述系统的本质和内在的关系，通过对模型的分析和研究，达到对原系统的了解。 模型的表达形式一般分为物理模型和数学模型两大类： （1）物理模型 物理模型又分为缩尺模型和模拟模型两种 1）缩尺模型：缩尺模型与实际系统有相似的物理性质，这些模型是按比例缩小了的实物，如：风洞试验的飞机外形和船体外形；用于做动模试验的电力系统装置等。 2）模拟模型：模拟模型是用其它现象或过程来描述所研究的现象或过程，用模型的性质来代表原来系统的性质。如：用电流来模拟热流、流体的流动；用流体来模拟车流等。模拟模型又可以进一步按模型的变量与原系统的变量之间的对应关系分为直接模拟模型和间接模拟模型两种。 还有一种具体模型是与原系统完全一致的样机模型，如：生产过程中试制生产的样机等。 （2）数学模型 数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，即用数学公式（如：函数式、代数方程、微分方程、微积分方程、差分方程）来描述（或表示、模拟）所研究的客观对象或系统中某一方面的规律。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。 因为我们主要介绍利用计算机对一个系统进行仿真研究分析，所以这本书里更侧重于对数学模型的介绍。 根据数学表达式的性质划分，