02296系统仿真导论复习.doc

PAGE PAGE 27 概述 系统、模型与仿真 系统 系统定义为“按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和”。 一个理发店定义为一个系统。实体有服务员和顾客。顾客按某种规律到达，服务员根据顾客要求，按一定程序为其服务，服务完毕后顾客离去。在该系统中，顾客和服务员相互作用，顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态和理发店的排队状态，而服务员的多少和服务效率也影响顾客接受服务的质量。 实现电机调速的各个实体定义为一个系统，称之为电动机调速系统。系统包括电动机、测速元件、比较元件以及控制器等，他们相互作用以实现按给定要求调节电动机的速度。 在定义一个系统时，首先要确定系统的边界。边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以外的环境的作用称为系统的输出。 描述系统三要素，即实体、属性、活动。实体确定了系统的构成，也确定了系统的边界，属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。 模型 为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验。试验的方法基本上可分为两大类：一种是直接在真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。传统上大多采用第一种方法，随着科学技术发展，尽管第一种方法在某些情况下仍然是必不可少的，但第二种方法日益成为人们更为常用的方法，主要原因在于： 系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，只能通过对模型的试验来了解； 在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，例如对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险； 需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断试验结果的优劣； 试验时间太长或费用昂贵。 因此，在模型上进行试验日益为人们所青昧，建模技术也随之发展起来。 模型分成两大类，一类是物理模型，就是采用一定比例尺按照真实系统的样子制作，沙盘模型就是物理模型的典型例子。另一类是数学模型，就是用数学表达式形式来描述系统的内在规律。 系统模型的一般描述： 一个系统可以定义为如下集合结构： S=（T，X，Ω，Q，Y，δ，λ） 其中： T：时间基，描述系统变化的时间坐标，它为整数称为离散时间系统，为实数则称为连续时间系统。 X：输入集，代表外部环境对系统的作用。通常X被定义为Rn，代表n个实值的输入变量 Ω：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式 Q：内部状态集 Y：输出集，系统通过它作用于环境 δ：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的 λ：输出函数 在实际建模时，要求不同，模型描述的详细程度也不同，具体有： 行为水平，也称输入输出水平，该水平的模型将系统视为一个黑盒，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测量 分解结构水平，将系统看成若干个黑盒连接起来，定义每个黑盒的输入和输出，以及它们相互之间的连接关系 状态结构水平，不仅定义系统的输入输出，还定义系统内部的状态集及状态转移函数。 人们经过长期研究和应用，创造适应不同对象研究分析要求的模型描述形式，总结后模型形式分类如表0。1。  表0。1 模型分类 模型描述变量的轨迹 模型的时间集合 模型形式 变量范围 连续 离散 空间连续变化模型 空间不连续变化模型 连续时间模型 偏微分方程 ? 常微分方程 ? 离散（变化）模型 离散时间模型 差分方程 ? ? 有限状态机 ? 马尔可夫链 ? 连续时间模型 活动扫描 ? ? 事件调度 ? ? 进程交互 ? ? 仿真 1961年, 仿真指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或本质的实现. 1978年, 仿真用能代表所研究的系统的模型作实验 1982年, 所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动 1984年, 给出仿真的基本概念框架”建模—实验分析”的基础上,提出“仿真是一种基于模型的活动”的定义。 综上所述，系统、模型、仿真三者之间有密切关系。 系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的实验到达研究系统的目的。 现代仿真技术均是在计算机支持下进行的，因此系统仿真也称计算机仿真。系统仿真有三个基本活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，联系三个活动的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机（软件和硬件）。 图0。1计算机仿真三要素及三个基本活动 传统上，“系统建模”这一活动属于系统辩识技术范畴，技术仿真则侧重在“仿真建模”，即针对不同形式的系统模型研究其求解算法，使其在计算机上得以实现。至于“仿真试验”这仪活动，往往注重“仿真程序”的检验。 在系统建模方面，除了传统的基于物理学、化学、生物学、社会学等基本定律及系统辩识等方法外，现代仿真技术提出了用仿真方法确定实际系统的模型。 在