系统建模与仿真概述

系统建模与仿真概述SystemModelingandSimulation第一章系统建模与仿真概述主要内容•系统与模型•系统建模•系统仿真•系统建模与仿真技术1.1系统与模型1.1.1系统1.系统的广义定义：由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分（要素）结合起来在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。举例：宇宙世界，原子分子，电炉温度调节系统，商品销售系统，等等。例一：电炉温度调节系统比较器温度计调节器加热炉温度偏差控制电炉的电压温度炉温值温度给定值扰动例二：商品销售系统市场部采购部经理部仓储部销售部1.1系统与模型2系统的特性：1）系统是实体的集合实体是指组成系统的具体对象例如：电炉调节系统中的比较器、调节器、电炉、温度计。商品销售系统中的经理、部门、商品、货币、仓库等。实体具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体，即系统。1.1系统与模型2）组成系统的实体具有一定的属性属性是指实体所具有的全部有效性，例如状态、参数等。在电炉温度调节系统中，温度、温度偏差、电压等都是属性。在商品销售系统中，部门的属性有人员的数量、职能范围，商品的属性有生产日期、进货价格、销售日期、售价等等。系统处于活动之中活动是指实体随时间的推移而发生属性变化。例如：电炉温度调节系统中的主要活动是控制电压的变化，而商品销售系统中的主要活动有库存商品数量的变化、零售商品价格的增长等。1.1系统与模型系统三要素：实体、属性与活动。系统是在不断地运动、发展、变化的；系统不是孤立存在的；系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。系统研究：系统分析、系统综合和系统预测。系统描述：同态、同构同态：系统与模型之间行为的相似（低级阶段）同构：系统与模型之间结构的相似（高级阶段）同态与同构建模同构系统：对外部激励具有同样反应的系统同态系统：两个系统只有少数具有代表性的输入输出相对应1.1系统与模型3.系统的分类按照系统特性分类:工程系统（物理系统）：为了满足某种需要或实现某个预定的功能，采用某种手段构造而成的系统，如机械系统、电气系统等。非工程系统（非物理系统）：由自然和社会发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐步认识的系统，如社会系统、经济系统、管理系统、交通系统等。1.1系统与模型3.系统的分类按照系统中起主要作用的状态随时间变化分类:连续系统：状态随时间连续变化的系统。离散事件系统：状态的变化在离散的时间点上发生,且往往又是随机的系统。按照系统物理结构和数学性质分类:线性系统和非线性系统。定常系统和时变系统。集中参数系统和分布参数系统单输入单输出系统和多输入多输出系统1.1系统与模型3.系统的分类按照系统内子系统的关联关系分类简单系统：组成子系统数量较少，子系统之间的关系比较简单，或尽管子系统数量较多，但它们之间的关联关系比较简单。例如：一台仪器复杂系统：系统具有众多的状态变量,反馈结构复杂,输入与输出呈现非线性特征(高阶次、多回路、非线性)复杂巨系统：子系统数量极大，种类很多，关系复杂例如：星系系统•按照子系统的数量分类小系统、大系统、巨系统1.1系统与模型1.1.2模型1.模型的定义模型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。1.1系统与模型2.模型的分类物理模型：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。概念模型1）定义：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。这些有机组合的概念就形成了某种概念模型.1.1系统与模型2）概念模型的分类（1）从概念模型描述的内容来分类面向领域的概念模型：将真实世界划分成相应的领域，再对每个领域进行概念建模。面向设计的概念模型：在领域概念的基础上，进一步进行相应的概念设计。如数据库设计概念模型。（2）从概念模型的用途来分类资源概念模型：用作一种资源,支撑进一步的开发。主用概念模型：在系统开发过程中，根据需求和资源概念模型进一步开发出的模型。（3）基于知识获取与描述方法来分类基于表示的概念模型：直接反映与推理机制关联的符号级表示。基于方法的概念模型：面向知识级建模分析，提供预先定义的方法去描述在特定应用领域中实现方法的有关知识。基于任务的概念模型：面向特别种类的任务，直接刻画任务结构而非执行任务的方法。数学模型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，做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。2）分类：按照系统的特性来分：线性与非线性、静态与动态、确定性与随机性、微观与宏观、定常（时不变）与非定常（时变）、集中参数与分布参数按照研究方法来分：连续模型与离散模型、时域模型与频域模型、输入输出模型与状态空间模型1.2系统建模系统建模就是：认识系统，并把它表述出来。1.2.1系统建模的信息源建模过程建模目的实验数据先验知识系统模型1.2系统建模1.2.2系统建模的途径（1）分析法/演绎法/理论建模/机理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）测试法/归纳法/实验建模/系统辨识通过测试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1.2系统建模1.2.3模型的可信度可信度水平行为水平、状态结构水平、分解结构水平上的可信度可信度分析应该考虑的问题演绎/归纳/目的中的可信性1.2系统建模1.2.4建模的一般原则简单性清晰性相关性准确性可辨识性集合性1.2系统建模1.2.5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。模型分解第一种分解：模型=集合结构（静态结构、动态结构）第二种分解：模型=集合结构（框架、结构、参数）进一步，我们将模型构造具体分解为三个步骤：框架定义、结构特征化和参数估计。1.2系统建模复杂系统建模（定性+定量）1）开发思想，形成概念，通过定性分析、研究，明确研究的方向、目标、途径、措施，并将结果用准确简练的语言加以表达（语言建模）2）对语言模型中的因素及各因素之间的关系进行剖析，找出影响事物发展的前因后果，并将这种因果关系用框图表示出来3）对各环节的因果关系进行量化研究，初步得出低层次的概念量化关系，即为量化模型4）进一步收集各环节输入数据和输出数据，利用所得数据序列，建立动态模型。1.2系统建模5）对动态模型进行系统研究和分析，通过结构、机理、参数的调整，进行系统重组，达到最优配置、改善系统动态品质的目的。建立五种模型：语言模型网络模型量化模型动态模型优化模型建模过程是一个不断反馈、多次循环的过程。1.2系统建模1.2.6模型文档定义：根据一定的规范对模型的文字描述。在模型开发的过程中，通过编写模型文档，可以加深建模者对模型的认识，有助于消除模型的不完全性、不明确性和不一致性，提高建模的规范化程度。模型文档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、清晰的了解模型结构、功能、使用方法和适用范围，而不必重复建模者的所有工作。1.2系统建模数学模型文档的参考示例：[1]综述[1.1]模型开发目的[1.2]模型功能[1.3]模型性质（随机/确定，动态/静态，离散事件/连续/混合）[2]假设及适用范围[2.1]理论依据[2.2]主要假设及理由[2.3]主要简化计算及依据[2.4]模型的应用条件或使用限制[2.5]对预期使用目的的适应性1.2系统建模[3]模型描述[3.1]模型的结构与功能[3.2]模型变量说明[3.2.1]输入变量说明（包括外部控制变量或干扰变量）[3.2.2]输出变量说明[3.2.3]关键输入/输出变量[3.3]随机变量及分布函数的类型与参数[3.4]模型参数和常数说明[3.5]与其他模型的输入/输出联系[3.6]形式化描述(数学关系\逻辑关系\知识规则等)[4]质量保证[4.1]模型在其他项目中的应用情况及效果[4.2]模型在开发中参考其他模型的情况[4.3]假设条件和简化对模型的影响分析[4.4]分布函数类型及参数选取方法[4.5]模型参数取值的依据[4.6]模型算例[4.6.1]输入条件设置[4.6.2]驱动方式[4.6.3]稳态特性分析[4.6.4]样本数据采集方法[4.6.5]结果比较[4.6.5.1]原型系统/参考系统的情况[4.6.5.2]原型系统/参考系统的样本数据采集方法[4.5.6.3]结果对比曲线[4.7]对模型精度的认识[4.8]知名专家对模型的评价软件工具：EdrawMindmap1.3系统仿真1.3.1仿真概念的提出人们在认识自然、利用自然的过程中，为了更好地完成这一能动过程，需要对物质世界，乃至非物质世界进行实验研究。例如：进行一项工程设计规划一次军事演习分析人口发展趋势在这些过程中，人们经常要进行：实验、分析、计算、决策等步骤。然而实验分析对某些真实系统可能是不允许的。通常的原因有：系统还处于设计阶段。并没有真正建立起来，因此不可能在真实系统上进行试验。在真实系统上做试验会破坏系统的运行。如果人是系统的一部分时，由于他知道自己是试验的一部分，其行动往往会与平时不一样；因此会影响实验的效果。在实际系统上做多次试验，很难保证每一次的操作条件都相同。试验时间太长或费用太大或有危险。无法复原。因此，在实践中出现了用模型来代替真实系统做仿真实验的方法，以解决上述无法直接对真实系统进行实验分析的问题。1.3.2系统仿真的定义：“仿真”一词译自英文的“simulation”。有关它的定义有多种说法，我们定义为:通过对模型的实验以达到研究系统本质的目的，或用模型对系统进行实验研究的过程。系统、模型、仿真三者之间的关系系统是研究的对象模型是系统的抽象，是仿真的桥梁实验是仿真的手段1.3.3仿真的依据1、相似原理空间相似、时间相似、功能相似、动态特性相似、信息相似2、相似方法模式相似方法、模糊相似法、组合相似方法、坐标变换相似方法3、相似方法的实现时间与逻辑相似、几何相似、环境相似（力学环境、光学环境、电磁环境）1.3系统仿真1.3.4仿真的分类：1）根据系统模型的特性分类连续系统仿真、离散事件系统仿真2）根据所采用的技术分类面向对象仿真、面向agent仿真、分布交互仿真等1.3系统仿真1.3.5系统仿真的一般过程：1）对模型的形式化处理2）仿真建模3）程序设计4）模型运行5）进行仿真实验，处理仿真结果。1.3系统仿真1.3.6系统仿真技术的应用1、系统分析2、系统设计3、系统观测4、系统预测5、系统训练1.3.7系统仿真技术的特点安全性、经济性、可重复性。1.3系统仿真1.3.8仿真系统1）定义：由计算机模型及其载体计算机系统和物理效应模型及设备、部分实物组成的系统模型综合实验平台。2）分类：数字仿真系统、半物理仿真系统、物理仿真系统。系统仿真是一门建立在相似理论，控制理论，系统科学和计算机基础上的综合性和试验性学科。它涉及到多学科领域的知识与经验。1.4系统建模与仿真技术1.4.1系统建模与仿真技术的含义以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、实验、运行、评估、维护和报废活动的一门多学科的综合性技术。1.4系统建模与仿真技术1.4.2系统建模与仿真技术体系1.建模技术2.建模与仿真支撑系统技术3.仿真应用技术1.4系统建模与仿真技术1.4.3系统建模与仿真技术研究与应用中值得关注的若干问题1.网络化仿真技术2.综合自然环境仿真技术3.