1、系统模型与仿真,实际的系统描述极为困难:社会、经济、军事大系统，其行为和政策效果往往无法用直接试验的办法得到。有些工程技术问题，虽然可以通过试验掌握系统的部分结构功能和特性，但是往往代价太大， 解决方法：采用系统模型和仿真的方法来研究分析比较复杂的现实系统。,系统模型与仿真,5.1系统模型 5.1.1系统模型的定义与特征 5.1.2建立系统模型的必要性 5.1.3系统模型的分类 5.1.4系统模型的作用 5.2系统建模 5.2.1对系统模型的要求和建模的原则 5.2.2系统建模方法与步骤,系统模型与仿真,5.3系统工程研究中常用的主要模型 5.3.1结构模型 5.3.2网络模型 5.3.3状态
2、空间模型 5.4系统仿真概述 5.4.1系统仿真的概念 5.4.2仿真技术的发展 5.4.3系统仿真分类 5.4.4系统仿真的基本步骤,系统模型与仿真,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真5.5.1连续系统仿真 5.5.2离散事件系统仿真,5.1系统模型,5.1.1系统模型的定义与特征 （1）定义系统模型是采用某种特定的形式（如文字、符号、图表、实物、数学公式等）对一个系统某一方面本质属性进行描述揭示系统的功能和作用，提供有关系统的知识。系统模型一般是现实系统的描述、模仿或抽象，用以简化地描述现实系统的本质属性，是一切客观事物及其运动形态的特征和变化规律的一种定量抽象，是在研究范围内更普遍、更集
3、中、更深刻地描述实体特征的工具。,5.1系统模型,同一个系统根据不同的研究目的，可以建立不同的系统模型。同一种模型也可以代表多个系统。 系统模型由以下几部分组成：1)系统即模型描述的对象；2)目标即系统所要达到的目标；3)组分构成系统的各组成部分；4)约束条件是指系统所处的客观环境及限制条件；5)变量表述系统组分的变量，包括内部变量和外部变量、状态变量（空间、时间）等；6)关联表述系统不同变量之间的数量关系。,5.1系统模型,（2）特征系统模型反映着实际系统的主要特征，但它又区别于实际系统而具有同类问题的共性。一个通用的系统模型应具有如下的三个特征：1）是实际系统的合理抽象和有效的模仿；2）由
4、反映系统本质或特征的主要因素构成；3）表明了有关因素之间的逻辑关系或定量关系。在构造模型时，要兼顾到它的现实性和易处理性。1）考虑到现实性，模型必须包括现实系统中的主要因素。2）考虑到易处理性，模型要采取一些理想化的办法，即去掉一些外在的影响并对一些过程作合理的简化。,5.1系统模型,5.1.2建立系统模型的必要性人类认识和改造客观世界的研究方法一般说来有三种，即实验法、抽象法、模型法。实验法是通过对客观事物本身直接进行科学实验来进行研究的，因此局限性比较大。抽象法是把现实系统抽象为一般的理论概念，然后进行推理和判断，因此这种方法缺乏实体感，过于概念化。模型法是在对现实系统进行抽象的基础上，把
5、它们再现为某种实物的、图画的或数学的模型，然后通过模型来对系统进行分析、对比和研究，最终导出结论。模型法既避免了实验法的局限性，又避免了抽象法的过于概念化，所以成为现代工程中一种最常用的研究方法。,5.1系统模型,系统模型化有两重含义：1）要把需要解决的问题，通过上述分析明确其外部影响因素和内部的条件变量。针对论证之后的系统目标要求，用一个逻辑的或数学的表达式，从整体上说明他们之间的结构关系和动态情况。2）采用模型化技术可以大大简化现实系统或拟建系统的分析过程，它能把非常复杂的系统的内部和外部关系，经过恰当的抽象、加工、逻辑推理，变成可以进行准确分析和处理的东西，从而能得到所需要给出的结论；模
6、型化之所以有用，还因为它能利用模型来模拟和实验以及优化在现实世界中无法实践的事情，从而节省大量的人力、物力和时间，而又无风险之虑,5.1系统模型,在系统工程中广泛地使用系统模型还出自于下面的考虑：（1）系统开发的需要。在开发一个新系统时，由于实际系统尚未建立，只能通过构造系统模型来对系统的性能进行预测，以实现对系统的分析、优化和评价。（2）经济上的考虑。对大型复杂系统直接进行实验其成本是十分昂贵的，采用系统模型就便宜多了。（3）安全上的考虑。对有些系统直接进行实验非常危险，有时根本不允许。（4）时间上的考虑。对于社会、经济、生态等系统，它们的惯性大，反应周期长，使用系统模型进行分析、评价，很快
7、就能得到结果。（5）系统模型容易操作，分析结果易于理解。,5.1系统模型,5.1.3系统模型的分类系统模型按不同观点、不同角度、不同形式有各种分类方法。基本的分类法把模型分为实物模型和抽象模型。 （1） 实物模型 实物模型又可分为原样模型和相似模型1）原样模型 原样模型是一种工程实体，它与客观真实系统相同，例如，在批量生产机床之前，首先要造出样机。2）相似模型 相似模型是根据相似规律建立起来的供研究用的模型，它是现实系统的放大或缩小，看起来与客观真实系统基本相似。如地球仪，地球仪可用来说明大陆、海洋的地理位置以及各国的地理关系等。,5.1系统模型,实物模型在常规工程技术中被广泛采用，但在系统工
8、程中一般多用抽象模型。 （2）抽象模型抽象模型可以分为图式模型、模拟模型和数学模型1）图式模型是指用符号、曲线、图表、图形等抽象表现系统单元之间相互关系的模型。特点：图式模型直观、明了，一眼便可洞察全局，虽然不能完全用它进行定量分析，但为建立系统的数学模型打下了基础。2）模拟模型分为两类：一类为实体模拟模型，一类为计算机模拟模型。实体模拟模型也称为物理模拟模型，它是指用一种原理上相似，而求解或控制容易的系统，代替或描述真实系统。计算机模拟模型是指用计算机操作而根据特定的程序语言描述真实系统的模型（数学模拟）,5.1系统模型,3）数学模型是指用数学方法如数学表达式、图像、图表等描述系统结构和过程
9、的模型，它由常数、参数、变量和函数关系组成，具有以下特点： 它是定量分析的基础； 它是系统预测和决策的工具； 它可变性好，适应性强，分析问题速度快，省时省力，而且便于使用计算机。因此，数学模型解决了对系统进行定量描述的问题，而且为计算机模拟提供了条件，所以它是系统分析中最重要的一种模型。人们通常所说的系统建模，大多数情况下都是指建立系统的数学模型。,5.1系统模型,在系统工程中，最常用的数学模型是运筹学模型，以变量的性质来分主要有两大类：一类是确定性模型，即系统的输出、输入信号和系统参数的性质是确定的，如线性规划模型、非线性规划模型、整数规划模型、目标规划模型、动态规划模型、网络模型、确定性存
10、贮模型等；一类是随机性模型，即系统的输出、输入或系统的性质参数是不确定或不完全确知时建立的模型，如决策模型、对策模型、随机性存贮模型、排队模型随机模拟模型、预测模型等,5.1系统模型,运筹学模型还可分为静态模型和动态模型、连续性模型和离散性模型：静态模型指系统的输出输入关系由同一时刻决定，可以忽略时间变化的模型，数学中的代数方程和逻辑方程式就属于此种模型；动态模型是指系统的输出输入关系是时间的函数，模型中包含有时间或代表时间的步长作为独立变量，如含有时间变量的偏微分方程、积分方程等；连续性模型是在时间上连续变化或动作的模型，微分方程描述的就是这一种；离散性模型是在一定的时间间隔上动作的模型，常
11、用差分方程来表示。,5.1系统模型,5.1系统模型,5.1.4系统模型的作用系统模型在系统工程中占有重要的地位，它的作用主要表现在以下几个方面：（1）直观和定量用系统模型不但能对现实系统的结构、环境和变化过程进行定性地推理和判断，而且可以通过图形及实物等直观的形式比较形象地反映出现实系统的结构、环境和变化过程的规律，尤其重要的是还可以用数学模型对现实系统进行定量分析并得出问题的数学解。 （2）应用范围广、成本低由于用系统模型不必直接对现实系统本身进行实验研究，这样就可以减少大量的研究经费，更便于在实践中推广应用。,5.1系统模型,（3）便于抓住问题的本质特征在现实系统中的有些因素要经过很长的时
12、间才能看出其变化情况，但用模型时，可以很快看出其变化规律。而且通过对模型进行灵敏度分析，可以看出哪些因素对系统的影响更大，从而最迅速地抓住问题的本质特征。 （4）便于优化运用系统模型有利于系统优化，能用统一的判断标准比较方案的优劣，从而选出最优方案。 （5）能够模拟实验模拟就是用模型做实验，因此模拟的先决条件是建立模型。特别是用计算机进行数学模拟，首先要建立数学模型。,5.1系统模型,系统模型也有它的局限性，例如，系统模型本身并不能产生理论概念和实际数据，模型也不是现实系统本身，因此仅靠模型并不能检验出系统分析的结论是否与实际相符，最后还要用实践来检验。,5.2系统建模,5.2.1对系统模型的
13、要求和建模的原则 （1） 对系统模型的要求：现实性、简明性、标准化1）现实性 即在一定程度上能够较好地反映系统的客观实际，应把系统本质的特征和关系反映进去，而把非本质的东西去掉，但又不影响反映本质的真实程度。2）简明性 在满足现实性要求的基础上，应尽量使系统模型简单明了，以节约建模费用和时间。3）标准化 在建立某些系统的模型时，如果已有某种标准化模型可供借鉴，则应尽量采用标准化模型，或对标准化模型加以某些修改，使之适合对象系统。,5.2系统建模,（2） 系统建模原则1）现实性原则 构造的模型能够确切地反映客观现实系统，也就是说，模型必须包括现实系统中的本质因素和各部分之间的普遍联系。2）简化性
14、原则 在满足现实性要求的基础上，在保证必要的精度的前提下，去掉不影响真实性的非本质因素，从而使模型简化，便于求解，减少处理模型的工作量。3）适应性原则 系统应该适应其外界环境的变化，这就要求随着构造模型时的具体条件的变化，模型对环境要有一定的适应能力。4）借鉴性原则 尽量采用标准化的模型和借鉴已有成功经验的模型。这样做，既可以节省时间，提高效率，又可以使系统模型的可靠性增加。,5.2系统建模,5.2.2系统建模方法与步骤 （1） 系统建模方法1)推理法“白箱”系统常用的三种数学模型为：微分方程，建立的主要方法是机理分析法（演绎法）传递函数，建立系统传递函数的主要方法是拉氏变换法状态空间模型，系
15、统的状态空间模型可以在演绎法的基础上，通过适当选取系统的状态变量来建立2)实验法“黑箱”或“灰箱”系统，允许做实验的系统,5.2系统建模,3)统计分析法对于那些属于“黑箱”，但又不允许直接进行实验观察的系统4)混合法大部分系统模型的建造往往是上述几种方法综合运用的结果对信息已知的部分采用演绎法；对信息未知的部分采用归纳法，或者根据已知的物理和结构特性建立某种程度的数学模型利用经过统计处理的输入输出数据来修正模型5)类似法建造原系统的类似模型，如电路系统。,5.2系统建模,（2）建模的步骤1）明确建模的目的和要求。以便使模型满足实际需要，不致产生太大的偏差；2）对系统进行一般语言描述。因为系统的
16、语言描述是进一步确定模型结构的基础；3）弄清系统中的主要因素及其相互关系。以便使模型准确表示现实系统；4）确定模型的结构。这一步决定了模型定量方面的内容；5）估计模型中的参数。用数量来表示系统中的因果关系；6）实验研究。对模型进行实验研究；7）必要修改。根据实验结果，对模型做必要的修改。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,系统工程中常用的一些模型有：结构模型、预测模型、网络模型、状态空间模型等。 5.3.1结构模型结构模型是表明系统各要素间相互关系的宏观模型。一种最方便的办法是用图（有向图）的形式表示这种关系。系统中的每个要素用一个点（或圆圈）来表示。如果要素Pi对要素Pj有影响，则在图中从
17、点Pi到点Pj用一条有向线段连接起来，有向线段的方向从Pi指向Pj。下面介绍有向图的基本概念,5.3系统工程研究中常用的主要模型,(1)邻接矩阵和可达矩阵对于有n 个要素的系统（P1，P2，Pn），定义邻接矩阵A如下：,邻接矩阵与有向图间有着一一对应的关系,5.3系统工程研究中常用的主要模型,邻接矩阵有下列特性： 全零的行所对应的点为汇点（没有线段离开该点），即系统的输出要素； 全零的列所对应的点为源点（没有线段进入该点），即系统的输入要素； 对应于每点的行中1的数目就是离开该点的线段数； 对应于每点的列中1的数目就是进入该点的线段数。邻接矩阵矩阵中第i行第j列的元素为1，则表明从点Pi到Pj
18、有一长度为1的通路。邻接矩阵描述了各点间通过长度为1的通路相互可以到达的情况。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,若在上述矩阵A上加一单位矩阵I，即得：A+I。它描述了各点间经长度为0和1（不大于1）的路的可达情况。(A+I)2描述了各点间经长度不大于2的路的可达情况。必须指出，这里所做的加法和乘法运算均为布尔运算，即1+1=1，1+0=0+1=1，11=1，10=01=0。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,(A+I) r-2(A+I) r-1=(A+I) r= R, rn-1矩阵R称为可达矩阵。它表明了各点间经长度不大于n1的通路的可达情况。对于点数为n的图，最长的通路不能超过n1。,
19、5.3系统工程研究中常用的主要模型,若可达矩阵的元素全为1，这表明图中任一点可到达其他各点。若图中不存在回路，则下列关系应成立：,可达矩阵有一重要特性转移特性即若Pi可达Pj（Pi有一条路至Pj），Pj可达Pk（Pj有一条路至Pk），则Pj必可达Pk。这一特性在建立可达矩阵时要用到。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,5.3系统工程研究中常用的主要模型,(2)可达矩阵的建立求可达矩阵是建立结构模型的第一步。对于有n个要素的系统，必须知道n（n1）个矩阵元素，即对n（n1）个元素成对地加以检查才能完全决定可达矩阵。 (3)从可达矩阵到结构模型需要对可达矩阵给出的各单元间的关系加以划分。举例：,
20、5.3系统工程研究中常用的主要模型,2) :区域划分将系统分成若干个相互独立的、没有直接或间接影响的子系统。在可达性矩阵中，可将元素组成可达集和先行集定义如下：,1) :关系划分这种划分把所有各单元分成可达关系R与不可达关系两大类。如果ei到ej是可达的，则有序对（ei,ej）属于R类，如果ei到ej是不可达的，则有序对（ei,ej）属于 类。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,将底层单元B定义为：,分析：如果ei是底层单元，则先行集A(ei)中包含它本身以及与ei有强连接的单元（ei与ej的关系具有对称性，则称ei与ej具有强连接性，即两要素互为可达的）。可达集中包含它本身以及与ei有强连
21、接的单元和可从ei到达的单元，从定义中可以看出， R(ei)A(ei)，即要素ei可达的要素一定多于或者等于先行的要素，且先行集合中的要素一定为可达集中的要素。这样得到的共同集合一定是入度等于零或者入度与出度的差小于等于零的元素，即哪些源的集合，,5.3系统工程研究中常用的主要模型,以M为可达矩阵的区域划分表如表5-1所示：,由表可知： Be3, e7,由表5-1可知：R(e3)=e3,e4,e5,e6，R(e7)=e1,e2,e7，R(e3)R(e7) 所以e3、e7分属两个不同的区域，系统可达性矩阵可划分为两个区域,5.3系统工程研究中常用的主要模型,下面，从这些要素考虑，找出与他们在同一
22、部分的要素。今有属于B的任意两个元素t1、t2，如果R(t1)R(t2) ,则元素t1和t2属于同一区域；反之，如果R(t1)R(t2) ，则元素t1和t2属于不同区域。系统的单元集就划分为若干区域。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,对可达矩阵进行初等变换行和列的顺序变更，化成对角分块矩阵的形式：,5.3系统工程研究中常用的主要模型,3) :级别划分级别划分是在每一区域里进行的。将系统要素以可达矩阵为准则，划分成不同级（层）次。,最上层单元：R(ei) R(ei) A(ei) 分析：在一个多级结构中的最上级的单元，没有更高的级可达，所以它的可达集R(ei)中只能包括它本身和与它同级的强连接
23、单元。这个最上级的单元的先行集A(ei)则包括它本身，可以到达它的下级单元，以及与它同级的强连接单元。这样一来，A(ei)与R(ei)的交集，对最上级单元来说，就和它的R(ei)相同，从而得出ei为最上级单元的条件。得到最上级各单元后，把他们暂时去掉，再用同样的方法便可求得次一级诸单元，这样继续下去就可以一级级地把各单元划分出来。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,由表5-1中取出P1，得,区域P2进行级别划分：第一级为e5，第二级为e4,e6，第三级为e3。 同样区域P1进行级别划分，得第一级为e1，第二级为e2，第三级为e7，用公式表示为：,5.3系统工程研究中常用的主要模型,通过级别划
24、分，将可达矩阵按级别进行变化，可得,5.3系统工程研究中常用的主要模型,4） ：是否强连接单元的划分如果某单元不属于同级的任何强连接部分，则它的可达集就是它本身，这样的单元称为孤立单元，否则称为强连接单元。则各级上的单元可以分成两类：一类是孤立单元类；另一类是强连接单元类。上例中e4,e6为强连接单元,5) 缩减可达矩阵M系统S的任意两个单元ei和ej，如果在同一最大回路集中，那么可达性矩阵M相应行和列上的元素相同。因此，可以把这两个单元当作一个系统单元看待，从而削减相应的行和列，得到新的可达性矩阵M和新的系统S ，M叫做M的浓缩阵。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,结构模型图,5.3系统
25、工程研究中常用的主要模型,例5-1 建立人口系统影响人口增长问题的结构模型。经研究认为，影响人口增长的主要因素有：期望寿命、医疗保健水平、国民生育能力、计划生育政策、国民思想风俗、食物营养、环境污染程度、国民收入、国民素质、出生率、死亡率。 （1）影响人口增长因素间的关系可以归纳如下：,5.3系统工程研究中常用的主要模型,期望寿命是总人口的前因关系,期望寿命是医疗保健水平的后果关系,影响人口增长因素间的关系,5.3系统工程研究中常用的主要模型,（2）根据图示关系建立可达矩阵,5.3系统工程研究中常用的主要模型,（3）可达矩阵的分解。各单元的可达集R(Pi)和先行集A(Pi)如表所示：,5.3系
26、统工程研究中常用的主要模型,区域划分先行集和可达集的交集A(Pi)R(Pi)等于先行集A(Pi)的元素集T2,6,7,8,9。因为R(2)R(6)R(7)R(8)R(9)=12，所以属于同一区域（最低层）。 2)级别划分按照前面的方法反复进行可以得到L112 L2=10,11 L3=1,3,4,5 L4=2,6,7,8,9 3) 强连接划分可以判定L3中，4、5单元为强连接单元,5.3系统工程研究中常用的主要模型,由于单元P4和P5在可达矩阵中行和列的元素完全相同，为最大回路集，现取P4为代表单元，删去P5相应的行和列，即的缩减得可达矩阵M,5.3系统工程研究中常用的主要模型,（4）绘制系统的
27、多级递阶结构图,5.3系统工程研究中常用的主要模型,（5）解释结构模型,5.3系统工程研究中常用的主要模型,5.3.2网络模型常用的网络模型有：最短路、最大流、最小费用流和随机网络模型等，这里主要介绍最小费用流和随机网络两种模型。其它的模型在“运筹学”课程中介绍。 (1)最小费用流模型 例如，工厂可选择不同路线将产品送到仓库。1）运送路线不同，每单位数量产品的运费也不一样。2）每条路线只能运送一定量的产品。 问题：如何运送产品（即通过哪些路线）使得总的运输费用为最省？,5.3系统工程研究中常用的主要模型,用起点s表示工厂，终点t表示仓库。两条或更多的路线的交点用一个节点来表示。节点间的每个路段
28、用一条边来表示。每条边的容量是该路段所能运送的最大重量，费用是该路段运送单位重量所需的费用。 问题就归结为从起点s到终点t的最小费用流问题,5.3系统工程研究中常用的主要模型,例5-2 某工厂s的产品可经两地a和b运往仓库t。产品到a后，可直接送往t，也可经b到t。从工厂s到a最多可运送2t产品，每吨运费为100元。从s到b最多可运送1t产品，每吨运费为300元。从a到b和t最多可分别运送2t和4t产品，每吨运费分别为100元和300元。从b到t最多可运送2t产品，每吨运费为100元，问工厂如何安排运输路线在最大可能运送产品情况下使运费最省？,5.3系统工程研究中常用的主要模型,最小费用流算法
29、如下：算法中给网络的每个节点赋以整数P(x)。P(x)称为节点数。起点s的P(s)=0，终点t的P(t)=P，对其他所有节点x，0P(x)P。边（x，y）只有满足下列条件时才能有流的变化：P(y)- P(x)=a（x，y），这里的a（x，y）是边（x，y）上的费用。如果找到一条从s到t的路，其每条边都满足P(y)- P(x)=a（x，y）的条件，则一单位流量从s到t所需费用为P。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,算法的步骤如下：1) 开始，令每条边上的流量为零 令P(x)=0（对所有节点x)2) 决定哪些边的流量可变化 令I是满足下列条件的边的集合： P(y)- P(x)=a（x，y）和f
30、（x，y）0 令N是所有不在IR的边的集合。3) 流变化 根据第2）步中定义的I、R、N来找最大流。当V个单位流已从s送到t，或没有更多的流可从s送到t，则结束；否则，转第4）步。4)节点数变化 考虑流增加算法所作出的最后一次着色，使每个未着色的节点x的节点数增加1，回到第2)步。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,开始时，所有节点数为0，除s外，所有节点均未着色。结果如表所示。,由表可知，节点t已着色，沿边 (s, a)，(a, b)，(b, t) 送2单位流量。因此， f（s，a）= f（a，b）= f（b, t）=2。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,再进行迭代，其结果如表所示,沿
31、边 (s, b)，(a, b)，(a, t) 从s到t送1单位流量。因此， f（s，a）=2， f（s，b）=1，f（a，t）=1，f（b，t）=2。,5.3系统工程研究中常用的主要模型,这时,从s到t的流量已达最大，因为从着色点到未着色点的边（s，a）和（s，b）都有已饱和。因此，现有的3单位的流量是最小费用下的最大流。 总费用=（21）+（13）+（11）+（13）+（21）=1100元,5.3系统工程研究中常用的主要模型,(2)随机网络（GERT）模型 GERT(Graphical Evaluation and Review Technique的缩写)是60年代中期发展起来的处理随机网络
32、的一种网络技术，是应用于系统分析的一种近似化的方法。 例5-3 这是一个稿件处理（审查）随机网络模型，作者将稿件寄至编辑部，经内部处理（登记、复制）后分别寄给审稿人甲和乙审查。并且规定，只有两位审稿人同时认为该稿可用后才能采用，甲和乙两者之一认为不能采用就退稿。稿件处理模型如图所示,5.3系统工程研究中常用的主要模型,随机网络的特点： 1）网络的支路不一定都实现； 上例中，每个审稿人对稿件的意见只能是采用或不采用两者之一。 2）多个汇节点（即有多种结果）；上例中，对稿件审查有两种结果（采用与退稿）。 3）网络中有反馈环 即节点可以重复出现； 4）节点实现的工序不一定等于终接在该节点上的工序；
33、它可以小于终接在该节点上的工序。上例中，对于退稿事件，只要审稿人甲或乙两者之一认为不用即可实现。 5）概率分布不同； 6）两节点间有支路,5.3系统工程研究中常用的主要模型,5.3.3状态空间模型 例5-5 电话公司第七年增加了u (t)百万元的新资金，0.75 u (t)用于安装新的交换设备（地区服务），0.25 u (t)用于安装新的传输电缆，以增加长途通信服务能力。每年对每一元交换设备的价值要损失20分，对每一元价值的电缆要收益15分。收益将用于了下一年购买更多的交换设备。现计算公司在第七年的总价值。 取 状态变量x1(t)第七年交换设备的全部价值；状态变量x2(t)第七年电缆的全部价值
34、。 则 第七年公司的总价值 y(t) = x1(t)+x2(t)又由所给条件，得出状态方程：x1(t+1) = 0.8x1(t)+0.15x2(t)+0.75u (t)x2(t+1) = x2(t)+0.25u (t),5.4系统仿真概述,系统仿真（系统模拟）是设计系统的计算机模型，并利用它进行实验以了解系统的行为或评估系统运用的各种策略的过程。 5.4.1系统仿真的概念系统仿真是近30年来发展起来的一门新兴技术学科。仿真（Simulation）就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。但由于安全上、经济上、技术上或者是时间上的原因，对实际系统进行真实的物理实验是很困难的，有时甚至是不可能时，
35、系统仿真技术就成了十分重要、甚至是必不可少的工具。 在我国，仿真技术最初是用于航空、航天、核反应堆等少数领域，后来逐步发展到电力、冶金、机械、电子、通信网络等一些主要工业部门。现在，系统仿真已逐步扩大应用于社会经济、交通运输、生态环境、武器装备研制、军事作战、企业管理等众多领域。,5.4系统仿真概述,系统仿真的确切概念可以表述如下：系统仿真是指通过建立和运行系统的计算机仿真模型，来模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的运行规律，以实现在计算机上进行试验的全过程。在这个过程中，通过对仿真运行过程的观察与统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。
36、例如，在某项作战行动计划中，需要制定我军的攻击方案和策略。根据敌我双方的兵力、武器装备、后勤支援系统的情况等，按照作战规律，建立起敌我双方的作战模型。采用不同情况下设想的作战方案，在计算机上进行仿真试验，就可以获得不同作战方案时，敌我双方战斗力（如兵力、装备、阵地等）指标的变化情况，为指挥官最后确定作战方案提供多方位、多方案的决策依据。,5.4系统仿真概述,从以上的概念和实际问题看到：首先，系统仿真是一种有效的“实验”手段，它为一些复杂系统创造了一种“柔性”的计算机实验环境，使人们有可能在短时间内从计算机上获得对系统运动规律以及未来特性的认识。第二，系统仿真实验是一种计算机上的软件实验，因此它
37、需要较好的仿真软件（包括仿真语言）来支持系统的建模仿真过程。第三，系统仿真的输出结果是在仿真过程中，是仿真软件自动给出的。第四，一次仿真结果，只是对系统行为的一次抽样，因此，一项仿真研究往往由多次独立的重复仿真所组成，所得到的仿真结果也只是对真实系统进行具有一定样本量的仿真实验的随机样本。因此，系统仿真往往要进行多次试验的统计推断，以及对系统的性能和变化规律作多因素的综合评估。,5.4系统仿真概述,仿真优点： （1）可以研究哪些不可能正确地用解析方法计算的数学模型来描述的复杂的、带有随机因素的现实世界系统。 （2）系统仿真采用问题导向来建模分析，并使用人机友好的计算机软件，使建模仿真直接面向分
38、析人员，他们可以集中精力研究问题的内部因素及其相互关系，而不是计算机编程、调试及实现。 （3）仿真允许人们在假设的一组运行条件下估计现有系统的性能。 （4）仿真比用系统本身做实验能更好地控制实验条件。 （5）仿真使人们能在较短的时间内研究长时间范围的系统（如经济系统），或在扩展时间内研究系统的详细运行情况。,5.4系统仿真概述,仿真的缺点： (1)开发仿真软件，建立运行仿真模型是一项艰巨的工作 (2)系统仿真只能得到问题的一个特解或可行解，不可能获得问题的通解或者是最优解。(3)仿真建模直接面向实际问题，对于同一问题，由于建模者的认识和看法有差异，往往会得到迥然不同的模型，自然，模型运行的结果
39、也就不同。 (4)随机仿真模型每运行一次，仅对一组特定的输入参数产生模型的真实特性的估计。 (5) 如果模型的表示是没有证实的系统，则仿真结果对实际系统提供的有用信息是很少的。,5.4系统仿真概述,5.4.2仿真技术的发展仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。 仿真的发展主要得益于如下几种因素:首推是数字计算机技术的快速发展第二是半实物仿真非标设备研制有了
40、长足的进步第三是视景生成及图形显示技术的发展第四是系统仿真本身建模、校模与验模的理论和方法的成熟。,5.4系统仿真概述,除去技术基础之外，更重要的则是社会需求。促使系统仿真全面向更高、更全面发展的因素有三个： 第一是军事需求，在当前战争仍然是作为解决国际之间利害冲突的重要手段的条件下，发展先进武器是各个国家共同的策略。鉴于仿真具有明显的安全、可靠、保密、应用灵活和高效费比的优点，它可应用于武器发展的全过程；1994年1011月份北大西洋组织进行的代号为“大西洋决心94”的世界规模的作战演习是基于分布式交互仿真(DIS)的成功先例。仿真与训练正在对武器发展策略、武器的运用、战场指挥与决策、甚至演
41、习与作战方式起着愈来愈大的影响；,5.4系统仿真概述,第二是节省经费，尽管在直接数字统计上有着一定因难但仿真技术可以节约经费是个明白的事实。以“爱国者”导弹射击指挥训练器的应用为例，开发该系统需1300万美元，而建立战术系统本身则需1亿美元，投资并不算多，但每次训练就可以为军方节约9千美元。学员与设备的比例也由2：1变为4：1，即大大减少了对指挥官和设备的需求，而演练效果十分逼真，（学员操作中手心冒汗的紧张程度也和真的一样）从而达到非常好的训练效果。 至于作战仿真取代真实的作战演习而带来的物力、人力、时间方面的效益更是巨大，此外它的保密性、可重复性和灵活适用性也是真实演习无法比拟的。不仅军事上
42、，在国民经济各个部门如交通、动力、化工、制造以至农业、社会科学都可以借助于仿真手段获得巨大的经济效益，从而达到“多、快、好、省”的目标。,5.4系统仿真概述,第三是特殊需求，对于那些不允许或因代价太高而难于通过实验而达到研究目的问题，仿真可以说是唯一的手段或途径。如当前的核武器实验、载人航天试验、高能武器试验。通过少量试验取得足够可靠的模型条件下，人们就可以实现对这些投资高、风险大、动用人力物力多的系统的仿真研究。正是由于这些需求和技术实现的可能，系统仿真已经有了如下几个方面的明显变化。其一是仿真规模由小到大、从局部向全面发展其二是由以实物及外场试验为主向以数学模型及试验室内仿真为主其三是由军
43、用转向了国民经济各个方面的应用,5.4系统仿真概述,5.4.3系统仿真分类 三个基本要素系统对象、系统模型以及计算机工具。 系统仿真最基本的分类方式有以下三种 （1）根据系统模型的基本类型，系统仿真可以分成物理仿真和数学仿真和物理数学仿真。 （2）根据仿真中所用的计算机类型，系统仿真又可分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真。 （3）根据研究的系统对象的性质，系统仿真可分成连续系统仿真和离散事件系统仿真。,5.4系统仿真概述,5.4.4系统仿真的基本步骤(1) 问题描述与定义首先要在分析调查的基础上，明确要解决的问题，以及实现目标。确定描述这些目标的主要参数（变量）以及评价准则。根据以上目标，要清晰
44、地定义系统边界，辨识主要状态变量和主要影响因素，定义环境及控制变量（决策变量），同时，给定仿真的初始条件，并充分估计初始条件对系统主要参数的影响。 (2) 建立仿真模型 在离散系统仿真建模中，主要应根据随机发生的离散事件、系统中的实体流以及时间推进机制，按系统的运行进程来建立模型；而在连续系统仿真建模中，则主要根据内部各个环节之间的因果关系、系统运行的流程，按一定方式建立响应的状态方程或微分方程来实现仿真建模。,5.4系统仿真概述,(3) 数据采集 有些数据往往是某种概率分布的随机变量的抽样结果；因此，需要对真实系统的这些参数，或类似系统的这些参数作必要的统计调查，通过分布拟合、参数估计以及假
45、设检验等步骤，确定这些随机变量的概率密度函数。 (4) 仿真模型的确认 在仿真建模中，所建立的仿真模型能否代表真实系统，这是决定仿真成败的关键。按照统一的标准对仿真模型的代表性进行衡量，这就是仿真模型的确认。三步法确认，第一步由熟知该系统的专家对模型作直观和有内涵的分析评价，第二步是对模型的假设、输入数据的分布进行必要的统计检验，第三步是对模型作试运行，观察初步仿真结果与估计的结果是否相近，以及改变主要输入变量的数值时仿真输出的变化趋势是否合理。,5.4系统仿真概述,(5) 仿真模型的编程实现与验证 (6) 仿真试验设计 因为仿真一般包括随机事件、概率分布等，一系列仿真的运行实质上是统计实验，
46、因此要加以设计。 (7) 仿真模型的运行 经过确认和验证模型，就可以在试验框架指导下在计算机上进行运行计算。 (8) 仿真结果的输出与分析,5.4系统仿真概述,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,5.5.1连续系统仿真 （1）连续时间模型 连续系统的数学模型表示方法有很多种，但基本上可分为三大类：连续时间模型、离散时间模型及连续离散混合模型。1）微分方程2）传递函数3）权函数（脉冲过渡函数）4）状态空间描述 （2）常微分方程数值解法 常用的数值积分方法即单步法、多步法和预报校正方法,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,1）单步法欧拉（Euler）法龙格库塔（Runge-Kutta）法 2）多步
47、法亚当斯巴什福思（Adams-Bashforth）显式公式亚当斯莫尔顿（Adams-moulton）隐式公式 3）预估校正法四阶Adams显式公式作为“预估” 而把四阶Adams隐式公式作为“校正”汉明（Hamming）法：预估、修正、校正,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,（3）离散相似法数值积分方法是把微分方程模型化成不同的迭代算式，迭代算式中的系数每一步都要重新计算，因此，一般计算量比较大。离散相似法，即将连续系统进行离散化处理，用离散化模型代替连续系统数学模型。实质上，它就是以常系数差分方程近似“等效”原来的常系数微分方程。差分方程可以直接用迭代方法在数字计算机上求解。,5.5 连续
48、系统仿真与离散系统仿真,5.5.2离散事件系统仿真离散事件系统是状态变量只在一些离散的时间点上发生变化的系统。常见的离散事件系统有排队系统、库存系统等。离散事件系统的一个主要特征是随机性。对离散事件系统模型可以进一步分为动态和静态两类。对静态系统仿真也被称为蒙特卡罗法，它是对每一时间点上的系统进行仿真。动态系统仿真是系统在整个运行时间内的仿真。,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,(1)静态离散系统仿真蒙特卡罗（Monte Carlo）法是通过随机模型，利用一连串的随机数作为输入，对相应的输出参数进行统计计算的一种数值计算方法蒙特卡罗法的理论基础是概率论中的大数定理，即在相同的条件下，对事件A
49、进行n次独立的实验，当n无限增大时，事件A的n个观测值的平均值依概率收敛于其数学期望值。在用蒙特卡罗法进行随机模拟时，一个重要的环节就是用随机数来获得随机变量的现实值。随机数可以由种种不同的方法产生，最简单的方法是掷骰子或者抽取扑克牌，也可以由随机数表中任取或者由电子计算机产生。,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,举例来说，某商店为了估算每天的营业额，对商店每天接待顾客数和每位顾客的购货金额做了100天的统计如表所示。,据此可以列出相应的概率分布，今若以随机数01、02、98、99、00来表示上述概率分布,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,5.5 连续系统仿真与离散系统仿真,仿真过程： 在做好上式准备工作之后，就可以任意取随机数如取得随机数为10，则从每天接待顾客人次概率分布和随机数取值表中可知，这天来商店的顾客在4049人次之间，取平均数为45人次。又任意取得随机数为39，则从每位顾客购货金额概率分布和随机数取值表中可知，每位顾客的购货金额在1019元之间，取平均数为15。如仿真延续时间定为30天，则分别任意取随机数30次，再求得每天接待顾客平均人数乘上每位顾客平均购货金额，再除以30，即得到每天的平均营业额。,
