第二章：低级建模的基础
2.1顺序操作和并行操作
顺序操作和并行操作，是新手们很容易混乱的一个重点。但是为了将低级建模发挥到极限，这一点必须好好的理解。Verilog HDL语言，虽然不同与其他高级语言的优秀结构性，但是作为硬件描述语言的它，最大的优势是并行操作。
顺序操作有如“步骤”概念，如果上一个行为没有完成，下一个行为就没有执行的意义。而并行操作最为不同的是，两个行为都是独立执行，互不影响。那么，我们从一个典型的实验“流水灯实验”，在具体上来理解它们的不同之处。
下图是两种以不同操作方式建立的“流水灯实验”。
1)点亮第一个LED，延迟一段时间。
2)点亮第二个LED，延迟一段时间。
3)点亮第三个LED，延迟一段时间。
4)点亮第四个LED，延迟一段时间。
5)重复第一个步骤。
从上面看来，我们明白“流水灯效果的产生”主要是以“顺序的方式”执行5个步骤。这可能是人类自然的思维方式吧，人类真的是奇怪的动物，虽然人类的大脑是并行操作的，但是人类的思维方式比较偏向“顺序操作”。为什么呢？
如果引用现实中的实例，如果四个LED失去了“指挥者”，那么它们就罢工了！因为它们失去“执行发号”的第二方，这样的情况就如同上面内容如果没有了“1”，“2”，“3”,“4”，“5”的数目字，那么你又如何看懂“流水灯如何产生呢？”
换一句话说，“顺序操作”的代表往往都有一个“指挥者”或者名为“控制器”东西的存在，执行着“工作的次序（步骤）”。
我相信很多学习FPGA的朋友都有学过单片机。学习单片机的时候，可能是C语言或者汇编语言的关系，所以很多朋友在不知不觉中的情况习惯了“顺序操作”这样的概念。新手们常常忽略了，FPGA有存在着“顺序操作”和“并行操作”的概念。如果打从一开始就忽略了它们，往后的日子很难避免遇见瓶颈。
那么换成是“并行操作”的流水灯是如何的呢？结果我们从实验中理解...
实验一：永远的流水灯。
这一个实验，我们要以上图作为基础，建立一个并行操作的流水灯模块。扫描频配置定为100Hz，而每一个功能模块在特定的时间内，将输出拉高。
示意图如下：
从上图我们可以看到，功能模块1在时间的第一个1/4拉高输出，功能模块2在时间的第二个1/4拉高输出，其余的两个功能模块也是以此类推。所以在一个固定的时间周期内（10ms）,每一个功能模块所占的时间都是2.5ms。
实验一源码：
实验一说明：
注：实验文件为路径./Experiment01/之下。建模过程请参考“实验一配置”。
led0_module.v,led1_module.v,led2_module.v,led3_module.v，的源码都是大同小异。第12行是10ms计数器的常量声明。第16~24行是一个计数器，计数器计数范围为10ms。而在28~36行是决定4个功能模块的不同之处。
led0_module.v功能模块是在时间的第一个1/4拉高输出。
led1_module.v功能模块是在时间的第二个1/4拉高输出。
led2_module.v功能模块是在时间的第三个1/4拉高输出。
led3_module.v功能模块是在时间的第四个1/4拉高输出。
而top.v是顶层模块，用来组织这四个功能模块。
实验一总结：
从实验的结果看来利用“并行操作”实现的流水灯，在现实的肉眼中和“顺序操作”没有任何两样。但是从“理解上”就有很大的差别。
led0_module.v功能模块是在时间的第一个1/4拉高输出。
led1_module.v功能模块是在时间的第二个1/4拉高输出。
led2_module.v功能模块是在时间的第三个1/4拉高输出。
led3_module.v功能模块是在时间的第四个1/4拉高输出。
上面的内容表示了，4个功能模块是独立操作的。由于输出在时间上不同，在肉眼中才会看到流水灯的效果。用现实的角度去思考的话，宛如有四个局内人，无不关系，各自只是按照自己的节奏完成自己的工作。在局外人的眼中，他们如同有默契般，不需要“指挥者”也能完成任务。
在这里说一点局外话。“并行操作”的建模程度虽说猥琐。但是在理解上非常适合“FPGA+Verilog HDL”的口味。平常我们在设计程序的时候，在无意识中使用了“顺序操作”的思维，如果“并行操作”也可以无意识般的使用，那么程序设计，会出现许多“可能性”。
2.2倾向并行操作
在2.1章理解了"顺序操作"和“并行操作”的区别之后，这一章我们要讨论并且习惯“并行操作”的思考。
上图是一个组合模块，里边包含了两个功能模块。一是对闪耀灯控制的功能模块，二是对流水灯控制的功能模块。假设我要利用“顺序操作”实现如图的功能模块。实际上是怎样的一个效果呢？
我们以“C语言”作为“顺序操作”的代表，来分析一下过程。.
While(1)//大循环
{
Flash_Funct();//闪耀功能模块
Run_Funct();//流水灯功能模块
}
如果按照上面的代码，程序一开始就会先执行闪耀功能模块（Flash_Funct()），然后再执行流水灯功能模块（Run_Funct()）。但是在现实中，由于控制器的扫描速度很快快，使得人类的肉眼看到错觉“两个模块并行执行着”。事实上，无论控制器的扫描速度怎么快，也是会存在着“上一步延迟”。
亦即Run_Funct()要执行前，必须等待Flash_Funct()执行完毕，Flash_Funct()要重复执行，必须等待Run_Funct()执行完毕。除此之外，在“理解上”，人类的思维也非常习惯化的以“顺序”的方式去理解上面的代码。
1.执行Flash_Funct();
2.执行Run_Funct();
3.重复步骤1.
如此一来我们明白了一个道理，“顺序操作”不能满足上图组合模块的功能要求。
module top_module (......);
flash_module U1//功能模块1实例化
(
......
);
run_module U2//功能模块2实例化
(
......
);
endmodule
上面内容是Verilog HDL 语言的实例化过程。在建立实例U1和U2，我们只要确保连接正确而已。在前面说过"并行操作"的功能模块都是独立执行。在“设计上”，编辑flash_module 和run_module 的工作都是“分开进行”，而在“理解上”两个实例都是“独立执行”。
换一句话说，上图的组合模块非常适合使用“并行操作”来建模。不同于“顺序操作”，要实现上图的组合模块，除非依靠“高频扫描”或者“任务调度程序”以外，但是无论怎么“依靠”什么，都不是真正意义上的“并行操作”。
实验二：闪耀灯和流水灯
功能模块
执行频率资源占用闪耀灯功能模块
flash_module.v
10hz (100ms)一位LED 流水灯功能模块
run_module.v 3.3Hz (300ms)三位LED
实验二主要是建立如上图的功能模块。乘着这个实验的时机，来解释一下，一个长久以来美丽的误会。
扫描频率？闪耀频率？
闪耀频率是指一个LED开和关说的周期时间。实验二中的flash_module所制定的输出如上。
扫描频率是指一次完成流水灯动作所的时间周期。实验二中的run_module所制定的扫描输出如上。
回忆以前，记得我在入门单片机的时候，实现的流水灯实验，可能是入门的关系吧？我过分在乎肉眼中所看到的效果，而忘记了这些重要的信息。估计很多人也是吧？但是经过前面2.1章和2.2章的实验创作，要我明白“小小的实验，大大的道理”的道理。原来流水灯实验，不仅是经典，而且包含了很多的知识。有时候做人太注重着外面的世界，不小心之间忘记了心里的世界。
实验二源码：
实验二完成框图：
实验二说明：
注意:详细信息请参考“./Experiment02”下的原项目。建模过程请参考建模视频“video_exp02”。配置过程请参考“实验二配置”
flash_module.v是一个10hz，50%占空比输出的功能模块。说得简单点就是定时开关...代码比较简单。
run_module.v是一个3.3hz扫描频率的流水灯，采用“控制模块”形式编写。16~24行是1ms的计数器。28~36行是基于count1的100ms的计数器。40~52行是3Bit的移位操作，45行表示每间隔100微妙发生一次移位操作。48行，判断移位末期。而51行是移位的代码。
mix_module.v是组合模块，代码很容易明白。自己看着明白吧。
实验二结论：
无论是实验二结果，还是理解上的思维，或者设计上的方向。“并行操作”完全符合实验二的要求。所以：
思维倾向“并行操作”对，VerilogHDL+FPGA理解或者设计是非常重要。
2.3Verilog HDL不是
编程””是“建模
建模””
不是““编程
在初次接触Verilog HDL语言的时候，网上很多朋友都说它和C语言很相似？但是对于这个问题，我真的头疼很久！如果说Verilog HDL与C语言不同，但是是什么地方不同，我却有说不出的感觉。
单片机是一种已经完成的硬件，但是单片机没有“灵魂”，c语言给单片机“灌输灵魂”，单片机才能舞动起来。c语言就是扮演这样的一个角色。不同的是，Verilog HDL语言是一种富有“形状”的语言，它可以描述单片机的任何部分。如UART资源，定时器资源等。
“建模”这一词是指，使用“硬件描述语言”去建立某个资源模块。如果说c语言可以使用“编程”一词，那么Verilog HDL语言使用“建模”这一词更适合不过了。
从理解上，C语言，我们可以使用“代码”的形式去理解“编程”，如：函数的概念，参数的概念，局部全局的概念等。但是“代码的形式”却完全不适合“Verilog HDL语言”。既然“代码的形式”不适合“Verilog HDL语言”，那么“Verilog HDL语言”又该用“什么”去看待？
前面我已经说过，“Verilog HDL语言”是一种富有“形状”的语言。Verilog HDL语言的“建模”更应该有形象和更有具体感。
如果以笔者的角度去了解“建模”......
笔者每次在设计之前，都喜欢将一个一个模块画在纸上，然后再使用连线的方式去完成一个设计。从这一点，我们可以知道笔者是从“图形”去完成设计的准备。换一句话说，笔者是以“形状”的形式作为设计的理解基础。
以“代码”的形式去理解Verilog HDL语言的设计，到底有多大问题？从网上的众多求救贴中，就可以理解这一点。笔者不是完全否定这样的理解形式，毕竟“代码”是语言的基础，而且建模的完整性，都需要“代码级”的微调。
笔者只想告诉一个事实而已。如果着手以“形状”的去理解Verilog HDL语言，以“建模”的去完成Verilog HDL语言的设计。在感觉上Verilog HDL+FPGA是“可所触及”，是一种“实实在在”的感觉，不相等于“编程”时的那种“抽象感”。
“低级建模”中的“建模”，正如上面的内容所说。那么“低级”呢？“低级”这一词原本是指，最基本的也是最简单的。“低级建模”不过是笔者的建模习惯而已，或者说是笔者的“建模风格”而已。在笔者的心中“低级建模”有“万丈高楼从地起”的意思。
接下来的章节都是“低级建模”的故事。一开始的“接触”，可能读者们会出现不适的感觉，情况如同初鸭下水。但是有一点可以肯定的是,自从笔者了解“低级建模”以后，Verilog HDL的设计变得有趣起来了。
笔者相信读者也是一样的......
2.2.44听听低级建模的故事
经过两章的洗礼，这一章就放松放松吧...听听我讲故事。
我大约初学FPGA有两个月左右后，我步入学习FPGA的瓶颈期。那时候，我虽然很好掌握Verilog HDL语言的基础，并且很熟悉RTL级代码，可是我始终有一种“不可触及”的感觉。我到底缺少什么呢？
带着这个问题，我浑浑噩噩的继续学习一段时间。期间我写了“SMG接口设计”和“低级建模·仿顺序操作思路篇”这两本笔记。“低级建模”的影子慢慢的在我脑海中隐现出来。同期间很不幸的，现实中要我陷入巨大改变。就这样一个思路就进入一个死胡同。
2010年6月，我进入莫工厂工作。现实总是残忍，同期我的经济和时间陷入危机，我不得不把所有的精神和时间往工作里抛去。在工厂工作，那种环境真的不是人所为，短短的一个月我被抽去许多学习的动力，兴趣，和感情。
眼下，我察觉到自己的问题。我请了一天假期，回家好好的思考思考。“想着想着，不知不觉我睡着了......
在梦中，“低级建模”不断挣扎，一股又一股的刺痛使我注意了现实中被疏忽的要事。在工作中。一项巨型的项目，需要几个部门共同维护，而且每一个部门都有几个个小组相互支撑，其中每一个小组中又有多少员工互相支持(低级建模的基本思路)。
(⊙o⊙)啊（惊醒）！云之间，失去了一个月的热情，立即回到我的体内。
2010年7月，我放弃了加班的高薪，我用更多的时间去建立“低级建模”的基础。呵呵，我再一次遇见现实的残忍，我没有资源的支持，但是学习的路上总是柳暗花明，这个问题很巧妙的解决了。
到了2010年7月的末期，当我察觉这个思路逐渐成熟的时候，我开着手始写了另一本学习笔记......
2.5低级建模的资源
低级建模有讲求资源的分配，目的是使用“图形”来提高建模的解读性。
图上是低级建模最基本的建模框图，估计大家在实验一和实验二已经眼熟过。功能模块（低级功能模块）是一个水平的长方形，而控制模块（低级控制模块）是矩形。组合模块，可以是任意的形状（随意正方形）。注意功能模块和控制模块都包含“模块名”和“.v文件名”，相反组合模块只含“.v文件名”。
每一个“低级建模资源"的任务如自身命名一样。功能模块的例子有“flash_module.v”,控制模块的例子有“run_module.v”，和“mix_module.v”是组合模块。
一个完整的建模都是由图上的基本资源“组合再组合”。当然低级建模有一个问题，就是建模量很大，但是这个问题是见仁见智，因为不同的人都有不同的组合习惯。除此之外，低级建模有一个必须遵守的准则就是“一个功能模块（控制模块）仅有一个功能”。为什么这个准则那么重要呢？
因为低级建模是利用“图形”来表达一个完整的模块。其中，模块与模块之间是以“信号”来表达关系。
假设一个例子：一个老板对一个员工命令。老板（控制模块），和员工（功能模块）。如果从另一种角度去思考，“老板发号”，“员工干活”。“连线”表示了他们是“宾主关系”。
又或者另一个例子：一个老员工对一个新手员工发号。在现实中，老员工是来打工的（功能模块），新手也是来打工的（功能模块）。但是老员工有时也需要新手来支持。如上框图，那么从“连接”上推断，结果即可“一目了然”，亦即“老手新手关系”
上面两个例子，表示了我非常提倡“一个功能模块（控制模块）仅有一个功能”。因为如此，会大大的提升解读性，初次之外也使得建模更容易更多样化。
单单两个例子是无法说明白“低级建模”的好处，我们以一个简单实验，从设计中理解。实验三：消抖模块之一
图上是一个简单的按键消抖模块。设计的方法主要是由“电平检查模块”和“10ms延迟模块”组合合成。
设计的思路如下：
1）一但检测到按键资源按下（高电平到低电平变化），“电平检查模块”就会拉高H2L_Sig电平，然后拉低。
2）“10ms延迟模块”，检测到H2L_Sig高电平，就会利用10ms过滤H2L_Sig，拉高输出
3）当按键被释放“电平检测模块”，会拉高L2H_Sig电平，然后拉低。
4）“10ms延迟模块”，检查到L2H_Sig就会利用10ms过滤H2L_Sig,然后拉低输出。
实验三源码：
一、基本概念 1、数字正弦载波调制 在通信中不少信道不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓数字正弦载波调制。 2、数字正弦载波调制的分类。 在二进制时, 数字正弦载波调制可以分为振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式。如黑板所示。 2、高斯白噪声信道 二、实验原理 1、实验系统组成 2、实验系统结构框图
图 1 2FSK信号在高斯白噪声信道中传输模拟框图 各个模块介绍p12 3、仿真程序 x=0:15;% x表示信噪比 y=x;% y表示信号的误比特率，它的长度与x相同FrequencySeparation=24000;% BFSK调制的频率间隔等于24KHz BitRate=10000;% 信源产生信号的bit率等于10kbit/s SimulationTime=10;% 仿真时间设置为10秒SamplesPerSymbol=2;% BFSK调制信号每个符号的抽样数等于2 for i=1:length(x)% 循环执行仿真程序 SNR=x(i);% 信道的信噪比依次取中的元素 sim('project_1');% 运行仿真程序得到的误比特率保存在工作区变量BitErrorRate中 y(i)=mean(BitErrorRate); end hold off% 准备一个空白的图 semilogy(x,y);%绘制的关系曲线图，纵坐标采用对数坐标 三、实验结论
图 4 2FSK信号误比特率与信噪比的关系曲线图 系统建模与仿真（二） ——BFSK在多径瑞利衰落信道中的传输性能 一、基本概念 多径瑞利衰落信道 二、实验原理 1、实验系统组成
系统建模与仿真习题二 1. 考虑如图所示的典型反馈控制系统框图 (1)假设各个子传递函数模型为 66.031.05 .02)(232++-+=s s s s s G ，s s s G c 610)(+=，2 1)(+=s s H 分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法求该系统的传递函数模型。 (2) 假设系统的受控对象模型为s e s s s G 23 )1(12 )(-+=，控制器模型为 s s s G c 32)(+=，并假设系统是单位负反馈，分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法能求出该系统的传递函数模型？如果不能，请近似该模型。 2. 假定系统为： )(0001)(111000100001024269)(t u t x t x ????? ???????+????????????----= [])(2110)(t x t y = 请检查该系统是否为最小实现，如果不是最小实现，请从传递函数的角度解释该模型为何不是最小实现，并求其最小实现。 3. 双输入双输出系统的状态方程：
)(20201000)()(20224264)(75.025.075.125 .1125.15.025.025.025.125.425.25.025.1525.2)(t x t y t u t x t x ??????=????? ???????+????????????------------= （1）试将该模型输入到MATLAB 空间，并求出该模型相应的传递函数矩阵。 （2）将该状态空间模型转化为零极点增益模型，确定该系统是否为最小实现模型。如果不是，请将该模型的传递函数实现最小实现。 （3）若选择采样周期为s T 1.0=，求出离散后的状态方程模型和传递函数模型。 （4）对离散的状态空间模型进行连续变化，测试一下能否变回到原来的系统。 4. 假设系统的传递函数模型为： 222 )(2+++=s s s s G 系统状态的初始值为?? ????-21，假设系统的输入为t e t u 2)(-=。 （1）将该传递函数模型转化为状态空间模型。 （2）利用公式 ?--+=t t t A t t A d Bu e t x e t x 0 0)()()()(0)(τττ求解],0[t 的状态以及系统输出的解析解。 （3）根据上述的解析解作出s ]10,0[时间区间的状态以及系统输出曲线。 （4）采用lsim 函数方法直接作出s ]10,0[时间区间的状态以及系统输出曲线，并与（3）的结果作比较。 5. 已知矩阵 ???? ??????----=212332110A （1）取1:1.0:0=t ，利用expm(At)函数绘制求A 的状态转移矩阵，看运行的速度如何？ （2）采用以下程序绘制A 的状态转移矩阵的曲线，看运行的速度如何？ clc;clear; A=[0 1 -1;-2 -3 3;2 1 -2]; t=0:0.1:2; Nt=length(t);
第二章：低级建模的基础 2.1顺序操作和并行操作 顺序操作和并行操作，是新手们很容易混乱的一个重点。但是为了将低级建模发挥到极限，这一点必须好好的理解。Verilog HDL语言，虽然不同与其他高级语言的优秀结构性，但是作为硬件描述语言的它，最大的优势是并行操作。 顺序操作有如“步骤”概念，如果上一个行为没有完成，下一个行为就没有执行的意义。而并行操作最为不同的是，两个行为都是独立执行，互不影响。那么，我们从一个典型的实验“流水灯实验”，在具体上来理解它们的不同之处。 下图是两种以不同操作方式建立的“流水灯实验”。 1)点亮第一个LED，延迟一段时间。 2)点亮第二个LED，延迟一段时间。 3)点亮第三个LED，延迟一段时间。 4)点亮第四个LED，延迟一段时间。 5)重复第一个步骤。 从上面看来，我们明白“流水灯效果的产生”主要是以“顺序的方式”执行5个步骤。这可能是人类自然的思维方式吧，人类真的是奇怪的动物，虽然人类的大脑是并行操作的，但是人类的思维方式比较偏向“顺序操作”。为什么呢？ 如果引用现实中的实例，如果四个LED失去了“指挥者”，那么它们就罢工了！因为它们失去“执行发号”的第二方，这样的情况就如同上面内容如果没有了“1”，“2”，“3”,“4”，“5”的数目字，那么你又如何看懂“流水灯如何产生呢？” 换一句话说，“顺序操作”的代表往往都有一个“指挥者”或者名为“控制器”东西的存在，执行着“工作的次序（步骤）”。 我相信很多学习FPGA的朋友都有学过单片机。学习单片机的时候，可能是C语言或者汇编语言的关系，所以很多朋友在不知不觉中的情况习惯了“顺序操作”这样的概念。新手们常常忽略了，FPGA有存在着“顺序操作”和“并行操作”的概念。如果打从一开始就忽略了它们，往后的日子很难避免遇见瓶颈。 那么换成是“并行操作”的流水灯是如何的呢？结果我们从实验中理解...
交通系统建模与仿真学习总结 《道路交通系统建模与仿真》是面向交通工程、交通运输、车辆工程等专业高年级学生的必修专业基础课。它为该专业学生进一步学习、研究道路交通问题打下了基础。其目的是通过对系统仿真的一般理论和研究方法的学习，了解应用系统仿真技术对各种道路交通问题进行仿真的基本方法，同时通过开发型试验，培养该专业学生今后从事交通工程、交通运输研究、应用的基本技能。 这门课对数学以及计算机程序编写都有较高的要求，但经过一个学期的学习，通过老师的讲解、多媒体教案的演示以及小组讨论完成作业，我对道路交通系统建模与仿真有了一些初步的认识和粗浅的理解，下面我把学习的心得体会作如下总结。 一、系统建模 随着智能交通系统(ITS)在全球范围内的兴起，作为其核心内容之一的交通仿真正成为国内外的研究热点。传统的交通仿真系统存在对道路、交通环境信息的管理能力不足等问题，而地理信息系统(GIS)作为一种新兴的、迅速发展的技术，具有很强的信息管理能力和信息可视化能力。 系统建模主要向我们介绍了传统的科学方法与建模、系统建模以及建模的一些方法。 系统建模是通过计算机技术开发一些软件通过程序语言实现对一些实体系统进行模拟来达到研究学习的目的。系统的建模有很多种软件和语言，其中一种为UML（统一建模语言）。 公认的面向对象建模语言出现于70年代中期。从1989年到1994年，其数量从不到十种增加到了五十多种。在众多的建模语言中，语言的创造者努力推崇自己的产品，并在实践中不断完善。但是，OO方法的用户并不了解不同建模语言的优缺点及相互之间的差异，因而很难根据应用特点选择合适的建模语言，于是爆发了一场“方法大战”。90年代中，一批新方法出现了，其中最引人注目的是Booch 1993、OOSE和OMT-2等。此外，还有Coad/Y ourdon方法，即著名的OOA/OOD，它是最早的面向对象的分析和设计方法之一。该方法简单、易学，适合于面向对象技术的初学者使用，但由于该方法在处理能力方面的局限，目前已很少使用。概括起来，首先，面对众多的建模语言，用户由于没有能力区别不同语言之间的差别，因此很难找到一种比较适合其应用特点的语言；其次，众多的建模语言实际上各有千秋；第三，虽然不同的建模语言大多类同，但仍存在某些细微的差别，极大地妨碍了用户之间的交流。因此在客观上，极有必要在精心比较不同的建模语言优缺点及总结面向对象技术应用实践的基础上，组织联合设计小组，根据应用需求，取其精华，去其糟粕，求同存异，统一建模语言。 二、关于仿真技术 所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。 系统仿真的实质是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。 仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。 仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天
【习题】 一、单项选择 1、从供选择的答案中选出与下列有关软件需求分析叙述相对应的正确答案，将其编号填入到相应的括弧（）内。 开发软件时对提高软件开发人员工作效率至关重要的是( A ① )。软件工程中描述生存周期的瀑布模型一般包括计划、( B ① )、设计、编码、测试、维护等几个阶段，其中设计阶段在管理上又可以依次分成( C ③ )和( D ⑥ )两步。 供选择的答案： A．①程序开发环境②操作系统的资源管理功能③程序人员数量④计算机的并行处理能力 B．①需求分析②需求调查③可行性分析④问题定义 C、D．①方案设计②代码设计③概要设计④数据设计⑤运行设计⑥详细设计⑦故障处理设计⑧软件体系结构设计 2、软件开发费用只占软件生存期全部费用的_B___。 A. 1/2 B. 1/3 C. 1/4 D. 2/3 3、在软件开发过程中大约要花费__C__%的工作量进行测试和调试。 A. 20 B. 30 C. 40 D. 50 4、准确地解决“软件系统必须做什么”是__B__阶段的任务。 A. 可行性研究 B. 需求分析 C. 软件设计 D. 程序编码 5、软件生存期中时间最长的是_D__ 阶段。 A. 需求分析 B. 软件设计 C. 软件测试 D. 软件运行/维护 6、在软件生存期的模型中，_D__适合于大型软件的开发，它吸收了软件工程中“演化”的概念。 A .喷泉模型 B. 基于知识的模型 C. 瀑布模型 D. 螺旋模型 7、在软件生存期中，用户的参与主要在_A___。 A. 软件定义阶段、 B. 软件开发阶段、 C. 软件维护阶段、 D. 整个软件生存期过程中 8、在软件开发过程中的每个阶段都要进行严格的__D___，以尽早发现在软件开发过程中产生的错误。 A. 检验 B. 验证 C. 度量 D. 评审 9、在软件开发和维护过程中需要变更需求时，为了保持软件各个配置成分的一致性，必须实施严格的__B___。 A. 产品检验 B. 产品控制 C. 产品标准化 D. 开发规范 10、实践表明，采用先进的开发技术可提高软件开发的生产率，还可提高软件的__D__ 。 A. 可靠性 B. 可使用性 C. 安全性 D. 可维护性 11、为了提高软件开发过程的___A_，有效地进行管理，应当根据软件开发项目的总目标及完成期限，规定开发组织的责任和产品标准。 A. 可见性 B. 生产率 C. 安全性 D. 有效性 12、随着开发小组人数的___A__，因交流开发进展情况和讨论遇到的问题而造成的通信开销也急剧增加。 A. 增加 B. 降低 C. 稳定 D. 不稳定 13、为保证软件开发的过程能够跟上技术的进步，必须不断地灵活地改进软件工程__C__。 A. 原则 B. 工具 C. 过程 D. 方法 二、填空题 10、瀑布模型是将各个活动规定为依（软件生存期）连接的若干阶段的模型。它规定了各阶段的活动由前至后，相互衔接的固定次序，如同瀑布流水，逐级下落。 11、螺旋模型将开发过程分为几个螺旋周期。在每个螺旋周期内分为四个工作步骤：（制定计划）、（风险分析）、开发实施、（用户评估）。 12、喷泉模型是一种以（用户要求）为动力，以（对象）为驱动的模型。它使开发过程具有迭代性和无间隙性，适用于（面向对象）开发方法。
系统建模与仿真习题三及答案 1.已知系统 )24(32)(21+++=s s s s s G 、2 103)(2+-=s s s G 求G 1(s)和G 2(s)分别进行串联、并联和反馈连接后的系统模型。 解： clc;clear; num1=[2 3]; den1=[1 4 2 0]; num2=[1 -3]; den2=[10 2]; G1=tf(num1,den1); G2=tf(num2,den2); Gs1=series(G1,G2) Gp1=parallel(G1,G2) Gf=feedback(G1,G2) 结果： Transfer function: 2 s^2 - 3 s - 9 ------------------------------ 10 s^4 + 42 s^3 + 28 s^2 + 4 s Transfer function: s^4 + s^3 + 10 s^2 + 28 s + 6 ------------------------------ 10 s^4 + 42 s^3 + 28 s^2 + 4 s Transfer function: 20 s^2 + 34 s + 6 -------------------------------- 10 s^4 + 42 s^3 + 30 s^2 + s – 9 2.某双闭环直流电动机控制系统如图所示：
利用feedback( )函数求系统的总模型。 解： 模型等价为： 编写程序： clc;clear; s=tf('s'); G1=1/(0.01*s+1); G2=(0.17*s+1)/(0.085*s); G3=G1; G4=(0.15*s+1)/(0.051*s); G5=70/(0.0067*s+1); G6=0.21/(0.15*s+1); G7=(s+2)/s; G8=0.1*G1; G9=0.0044/(0.01*s+1); sys1=feedback(G6*G7,0.212); sys2=feedback(sys1*G4*G5,G8*inv(G7)); sys=G1*feedback(sys2*G2*G3,G9) 结果： Transfer function:
系统建模与仿真 开课对象：工业工程开课学期：6 学分：2学分；总学时：48学时；理论课学时：40学时； 实验学时：0 学时；上机学时：8学时 先修课程：概率论与数理统计 教材：系统建模与发展，齐欢，王小平编著，清华大学出版社，2004.7 参考书： 【1】离散事件系统建模与仿真，顾启泰，清华大学出版社 【2】现代系统建模与仿真技术，刘兴堂，西北工业大学出版社 【3】离散事件系统建模与仿真，王维平，国防科技大学出版社 【4】系统仿真导论，肖田元，清华大学出版社 【5】建模与仿真，王卫红，科学出版社 【6】仿真建模与分析(Simulaton Modeling and Analysis)(3rd eds.)，Averill M. Law, W.David Kelton，清华大学出版社/McGraw-Hill 一、课程的性质、目的和任务 建模与仿真是当代现代科学技术的主要内容，其技术已渗透到各学科和工程技术领域。本课程以一般系统理论为基础，让学生掌握适用于任何领域的建模与仿真的一般理论框架和基本方法。 本课程的目的和任务是使学生： 1．掌握建模基本理论； 2．掌握仿真的基本方法； 3．掌握一种仿真语言及仿真软件； 4．能够运用建模与仿真方法分析、解决工业工程领域的各种常见问题。 二、课程的基本要求 1．了解建模与仿真的作用和发展，理解组成要素。 2．掌握建模的几种基本方法，及模型简化的技术手段。 3．掌握建模的一般系统理论，认识随机数的产生的原因及统计控制方式。 4．能对离散事件进行仿真，并能分析运行结果。 三、课程的基本内容及学时分配 第一章绪论（3学时） 1．系统、模型、仿真的基本概念
第二章过程建模本章学习要求 1. 掌握基本概念及常用模型的描述形式 2. 掌握建模步骤及设计方法 3. 了解实验建模的方法 4. 掌握由图表法求模型参数 5. 掌握由计算法求模型参数 过程控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定的。过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等等的重要依据。前馈控制、最优控制、多变量解耦控制等更需要有精确的过程数学模型，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。研究过程建模对于实现生产过程自动化具有十分重要的意义。 被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。例如各种加热炉、锅炉、热处理炉、精馏塔、化学反应器等等。 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。 第一节基本概念 一、过程的输入输出描述 分析： 被控过程W o (s)是多个输入量（u(t),f 1 (t),f 2 (t)…f n (t)），单个输出量（y(t)）的物理系统。函数的关系表达式如下： ∑ = + = n i i i s F s W s U s W s y 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 二、静态与动态特性 1、静态特性——输入量与输出量之间的关系，用放大系数K 表示。 2、动态特性——输出量y随时间的变化而变化，用时间常数T 描述。 三、物料与能量平衡原理 在静态情况下，单位时间流入过程的物料或能量等于其流出的物料或能量。 在动态情况下，单位时间流入过程的物料或能量与流出的物料或能量之差等于过程储存量的变化率。四、自衡与无自衡对象（过程） 自衡对象：在扰动作用下，平衡状态被打破后，不通过自动仪器调节，建立新的平衡状态。 无自衡对象：在扰动作用下，平衡状态被打破后，自身不能建立新的平衡状态。 五、建模的途径 1、机理建模 对于一些比较简单的物料或能量变化和机理比较清楚的被控过程，根据过程的机理和物料（能量）平衡的关系，应用理论计算的方法建立被控过程的数学模型。 2、实验建模 对于多数的工业过程来说，一般都比较复杂，用机理建模的方法很难反映实际的情况，目前主要采用实验建模方法有过程辨识和参数估计。
研究生学位课 《工程系统建模与仿真》实验报告 （2017 年秋季学期） 姓名 学号 班级研一 专业机械电子 报告提交日期 哈尔滨工业大学
报告要求 1.实验报告统一用该模板撰写： (1)实验名称 (2)同组成员（必须写） (3)实验器材 (4)实验原理 (5)实验过程 (6)实验结果及分析 2.正文格式：小四号字体，行距单倍行距； 3.用A4纸单面打印；左侧装订； 4.报告需同时提交打印稿和电子文档进行存档，电子文档请发送至： xxx@https://www.doczj.com/doc/0715141249.html,。 5.此页不得删除。 评语： 教师签名： 年月日
实验一报告正文 一、 实验名称 TH －I 型智能转动惯量实验 二、 同组成员（必须写） 17S 三、 实验器材（简单列出） 1. 扭摆及几种有规则的待测转动惯量的物体 2. 转动惯量测试仪 3. 数字式电子台秤 4. 游标卡尺 四、 实验原理（简洁） 将物体在水平面内转过一角度θ后，在弹簧的恢复力矩作用下物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。 根据虎克定律，弹簧受扭转而产生的恢复力矩M 与所转过的角度θ成正比，即 M ＝－K θ （1） 式中，K 为弹簧的扭转常数，根据转动定律 M ＝I β 式中，I 为物体绕转轴的转动惯量，β为 角加速度，由上式得 M I β= （2） 令2I K ω= ,忽略轴承的磨擦阻力矩，由式（1）、（2）得 222d K dt I θβθωθ==-=- 上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性，角加速度与角位移成正比， 且方向相反。此方程的解为： c o s () A t θωφ=+ 式中，A 为谐振动的角振幅，φ为初相位角，ω为角速度，此谐振动周期为 22T π ω = = （3） 由式（3）可知，只要实验测得物体扭摆的摆动周期，并在I 和K 中任何一个量已知时即可计算出另一个量。 五、 实验过程（简洁） 1. 用游标卡尺测出实心塑料圆柱体的外径D 1、空心金属圆筒的内、外径D 内、 D 外、木球直径D 直、金属细杆长度L ；用数字式电子秤测出各物体质量m （各测量3次求平均值）。
第九讲系统建模与仿真(2) 四、仿真 1. 仿真(模拟)(Simulation)概念 1）定义 利用模型复现实际系统中发生的本质过程, 并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统. 2）分类 物理仿真：即实物仿真, 如风洞 计算机仿真(数学仿真): 模拟数字混合 半实物仿真: 控制器(实物)+计算机上实现的控制对象 3）建模、仿真与计算机 建模与仿真的五个组成部分（实际系统、试验框架、基本模型、集总模型、计算机模型）
实际系统：行为描述（可观测变量、不可观测变量） 试验框架：假设或条件集合，同模型有效性之间相关 基本模型：在试验框架下，解释实际系统的行为 集总模型：基本模型的简化 计算机：复杂（仿真） 4）基本要素 ●对仿真问题的描述 ●行为产生器 ●模型行为及其处理 5）仿真的发展阶段 ●模型驱动的仿真 ●含实物的仿真 ●人在回路中的仿真 6）仿真的发展趋势 ●面向对象仿真 ●定性仿真 ●智能仿真 ●分布交互仿真 ●可视化仿真 ●多媒体仿真 ●虚拟现实仿真 ●Internet网上仿真
7）仿真的对象 ●系统过于复杂（如存在过多的随机因素），难以采用解析法求解 时，通过仿真可得到系统的动态特征。 ●系统实际运行费用过高或无法作实际运行时，借助仿真可以得到 系统的有关参数。 优化设计、安全性和经济性、预测、完善系统模型、重复实验 8）仿真的一般过程 9）仿真的分类
●物理仿真，模拟机仿真，数字仿真，数字机与模拟机混合仿 真，仿真器仿真 ●连续和离散系统仿真 ●静态和动态系统仿真 ●稳态和终态仿真 ●确定性和随机性仿真 10）仿真的输出类型 ●确定型和随机型 ●连续观测值和离散观测值 ●连续分布和离散分布观测值 ●一元和多元输出 ●稳态型仿真和终止型仿真输出 11）仿真的局限性 1) 往往只能得到特解，而得不到通解 2) 结果往往是间接的，而不是直接的 12）仿真的技术工具 连续系统仿真：DYNAMO, CSMP 离散事件系统仿真：GPSS, SIMSCRIPT, SIMULA, GPSS-F 混合仿真：GASP-IV
概念-10 填空-20 数学运算-30 绘图--20 论述-20 系统建模与仿真基本概念 描述系统“三要素”：实体、属性、活动 ――实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界； ――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。 按照系统的时间特性对系统的分类 连续系统：系统的状态是随时间连续变化的。可以使用微分方程或一组状态方程来描述。有时，在连续系统中可能要使用一些离散的数据，这时也可以用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系统离散的时刻发生，而且往往又是随机的。是人造系统中比较常见的一种系统形式。如：管理系统、计算机系统、软件系统、交通系统等 混合系统：系统中既有连续成份又有离散成分。一般为人造系统与自然系统相互作用而生成的新系统。如：连续过程的生产系统、流体机械等。 建立系统模型的原因：1-复杂系统设计。如：软件设计 2-更新或优化设计。如：高效低噪声的风扇的设计 3-情势推演或者游戏。如：兵棋推演 4-低成本预测。如：设计效果预测 5-在线设计。如：单片机仿真系统 系统仿真的基本步骤
系统的定义：为了达到某种目的的一组具有特定的功能、彼此互相联系的若干要素的有机整体。 系统的两种分类方法： 系统分类之1——按照系统的生成方式：自然系统、人造系统 系统分类方法之2——按系统中起主导作用的变化是否连续：连续系统、离散系统 系统的特点： 第1——系统的整体性。系统由许多要素组成的，各部分是不可分割的。（最小原则） 第2——系统的相关性。系统内部的各个要素之间互相以一定的规律联系着，它们之间的特定关系就形成了特定定能的系统（依赖原则） 系统模型：是为了研究系统的一种表示，是系统的内在规律及它与外界的相互作用关系的描述。 模型的分类及其描述：物理模型、数学模型 物理模型：又称实体模型，是实际系统在尺寸上的缩小或放大后的相似体 数学模型：用数学方程（常用代数方程和微分方程的组合）或其它图形与符号手段来描述实际系统的结构和性能的方法。与时间有关称为动态模型，与时间无关则称为静态模型。 数学模型的特点 “数学模型”是人们对自然世界的一种抽象理解，它与自然世界/现象/问题具有“性能相似”的特点，人们可利用“数学模型”来研究/分析自然世界的问题与现象，以达到认识世界与改造世界的目的。 模型验证 在仿真实验过程中，其结果的有效性取决于“系统模型”的可靠性；因此，模型验证是一项十分重要的工作，它应该贯穿于“系统建模—仿真实验”这一过程中，直到仿真实验取得满意的结果。 模型验证的内容 验证“系统模型”能否准确地描述实际系统的性能与行为；
第一章系统建模与仿真概述 系统：系统是由两个以上相互区别或相互作用的单元有机的结合在起来，完成某一功能的综合体。 系统的特征：1.系统的整体性 2.系统的层次性 3.系统的相关系 4.系统的目的性 5.系统对环境的适应性系统： 模型：模型是对系统的特征要素，有关信息和变化规律的一种抽象表述、它反映 了系统某些本质属性，描述了系统各要素间的相互关系，系统与环境之间的相互 作用。 模型的意义：1.客观实体系统很难做试验，或者根本不能做实验。 2.对象问题虽然可以做试验，但是利用模型更便于理解。 3.模型易于操作，利用模型的参数变化来了解现实问题的本质和规 律更加经济方便。 系统模型的种类：抽象模型和形象模型 抽象模型：数学模型图形模型计算机模型概念模型 形象模型：模拟模型实体模型 建立模型的步骤： 1.弄清问题，掌握实际情况 2.搜集资料 3.确定因素之间的关系 4.构造建模 5.求解模型 6.检验模型的正确性 系统建模预防针的一般方法和步骤（P17） 仿真的发展趋势：建模方法面对对象仿真分布交互仿真人工智能与 计算机仿真虚拟现实仿真 Internet网上仿真 第二章商贸物流系统建模与仿真 商贸流通在社会经济中的地位与作用：1，商贸流通是连接生产和消费的纽带； 2，商贸流通对生产具有反作用； 3，商贸流通是国民经济现代化的支柱。 商贸活动的内容： 1，商流，对象物所有权转移的活动称为商流。 2，物流，是指事物从供给方向需求方的转移。
3，资金流，主要是指资金流的转移过程，包括付款，转账等过程，是 整个商贸活动的目的。 4，信息流，指商品信息的提供，商品促销信息，技术支持，售后服务 等内容，也包括诸如询单价，报单价，付款通知单，转账通知单等商业贸易单证以及交易 方的支付能力和支付信誉。 预测：所谓预测就是人们对某一不确定的或未知事件的表述。 预测的作用：从变化的事物中找出使事物发生变化的变化的固有规律，寻找和研究各种变化现象的背景及其演变的逻辑关系，从而去揭示事物未来的面貌。 判断预测方法：一，部门负责人评判预测法；二，销售人员估计法；三，德尔菲法；四， 历时类比法。 德尔菲法：依靠技术专家小组背靠背景来判断，来代替面对面的会议，是不同专家将分歧的幅度和理由都能够表达出来，经过客观分析以求达到客观规律的一致意见。 时间序列预测技术：一，移动平均预测法（计算题p30例2）； 二，指数平均预测法。 DRP：是分销需求计划的简称，它是MRP原理和技术在流通领域中的应用。该技术主要解决分销物资的应用和调度问题，其基本目标是合理进行分销物资和资源配置，以达到既有效 地满足市场需求优势的配置费用最省的目的。 *DRP的基本概念 1.库存：指仓库或物流中心实际存在的物资数量。 2.安全库存：为便于生产经营活动正常进行，防止因需求货供应的波动 引起缺货或停工待料，经常在仓库各项目保持一定数量的计划库存量， 成为安全库存。 3.期初和期末库存：指在论述的时间段开始和结束时本单位的实际库存。 4.进货提前期：指从发出订货到所定货物运回并入库所需要的时间长度。 5.送货提前期：指从接收订单到货物送到用户手中并接收入库的时间长度。 6.在途物资：指供应商已经接受订单备货，但尚未来到本单位入库的物资。 7.订货批量：指一次订货所订的物资数量。 8.时间周期：就是根据实际需要划分的时间段信息，如一日，周，月划分。 9.计划期：是指DRP尽心运算的整个时间段，可能是一个月，一个季度 或一年，他可划分为几个计划周期。 10.物流中心：从事物流活动的具有完善的信息网络的场所或组织。 BOD简介：B OD是MRP中物料清单BOM的概念和结构在分销领域的运用，它同BOM在产品结构树中连接各零件和成品一样，在供应方和各个需求方之间架起了一座沟通的桥梁。 DRP在分销网络中的运作原理（p43DRP原理图）
第一章习题 1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？ 答：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。 它所遵循的基本原则是相似原理。 1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别？各有什么特点？ 答：解析法就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析，计算。它是一种纯物理意义上的实验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响，其应用往往有很大局限性。 仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法。 1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？ 答: 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与计算机。由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模问题；将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。 1-4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何？。 答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的干扰，模拟仿真较数字仿真精度低 但模拟仿真具有如下优点： （1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。 （2）仿真速度极快，失真小，结果可信度高。 （3）能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。 （4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进
系统建模仿真技术的历史现状和发展趋势分析 工程133 胡浩3130212026 【摘要】：经过半个多世纪的发展,仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性技术学科。本文对建模与仿真技术发展趋势作了较全面分析。仿真建模方法更加丰富,更加需要仿真模型具有互操作性和可重用性,仿真建模VVA与可信度评估成为仿真建模发展的重要支柱;仿真体系结构逐渐形成标准,仿真系统层次化、网络化已成为现实,仿真网格将是下一个重要发展方向;仿真应用领域 更加丰富,向复杂系统科学领域发展,并将更加贴近人们的生活。 工程系统的仿真，起源于自动控制技术领域。从最初的简单电子、机械系统，逐步发展到今天涵盖机、电、液、热、气、电、磁等各个专业领域，并且在控制器和执行机构两个方向上飞速发展。 控制器的仿真软件，在研究控制策略、控制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持。随着执行机构技术的发展，机、电、液、热、气、磁等驱动技术的进步，以高可靠性、高精度、高反应速度和稳定性为代表的先进特征，将工程系统的执行品质提升到了前所未有的水平。相对控制器本身的发展，凭借新的加工制造技术的支持，执行机构技术的发展更加富于创新和挑战，而对于设计、制造和维护高性能执行机构，以及构建一个包括控制器和执行机构的完整的自动化系统也提出了更高的要求。 AMESIM软件正是能够提供平台级仿真技术的工具。从根据用户需求，提供液压、机械、气动等设计分析到复杂系统的全系统分析，
到引领协同仿真技术的发展方向，AMESIM的发展轨迹和方向代表了工程系统仿真技术的发展历程和趋势。 一、系统仿真技术发展的现状 工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求。因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展到了协同仿真阶段。其主要特征表现为： 1、控制器和被控对象的联合仿真：MATLAB＋AMESIM，可以覆盖整个自动控制系统的全部要求。 2、被控对象的多学科、跨专业的联合仿真：AMESIM＋机构动力学＋CFD＋THERMAL＋电磁分析 3、实时仿真技术 实时仿真技术是由仿真软件与仿真机等半实物仿真系统联合实现的，通过物理系统的实时模型来测试成型或者硬件控制器。 4、集成进设计平台 现代研发制造单位，尤其是设计研发和制造一体化的大型单位，引进PDM/PLM系统已经成为信息化建设的潮流。在复杂的数据管理流程中，系统仿真作为CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，与上下游工具配合。
第二章过程建模 ?本章提要 1.过程建模的基本概念 2.单容过程的数学模型的建立 3.多容过程的数学模型的建立 4.用响应曲线法辨识过程的数学模型 5.用相关统计法辨识过程的数学模型 6.用最小二乘参数估计方法的系统辨识 ?授课内容 第一节基本概念 在过程控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型对于实现生产过程自动化有着十分重要的意义。 一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。 1.基本概念 ?被控过程-----指指正在运行中的多种多样的工艺生产设备。(P11) ?被控过程的数学模型-----指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用 下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。(P11) ?过程模型的两种描述形式： ●非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系 统的设计和综合不方便）。 ●参量形式：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传 递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程和观察方程等）。 ?过程控制系统方框图： ?内部扰动（基本扰动）-----通常是一个可控性良好的输入量，选作为控制 作用，即调节器的输山量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内， 所以对系统的性能起决定作用。 ?外部扰动------其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～f n（t））。外部扰动 对过程控制也有很大影响。 ?输入量-----（u1(t)、u2(t)、、、u n(t)，f1(t)、f2(t)、、、f n(t)）
?输出量-----（y1(t)、y2(t)、、、y n(t)） ?通道-----被控过程输入量与输出量之间的信号联系。 ?控制通道-----控制作用与被控变量之间的信号联系。 ?扰动通道-----扰动作用与被控变量之间的信号联系。 注：x(t)为系统的设定值（给定值、比较值） ?单输入单输出系统------ ?多输入单输出系统------ ?多输入多输出系统------需要解耦控制 ?过程的阶跃响应曲线： 注：大多数被控过程特性的特点是被控量的变化往往是不振荡的、单调的、有时延的和惯性的。 上图表示在输入扰动x（其实应该是u或f）作用下，输出y（被控量）的具有时延的响应。 ?自衡过程-----过程对扰动的响应有时延，被控量变化最后达到新的平衡， 即过程具有自平衡能力。如图2—2(a)所示； ?无自衡过程-----被控量不断交化最后不再平衡下来，过程无自平衡能力。 如图2—2(b)所示。 2.建立过程数学模型的目的 ●设计过程控制系统和整定调节器参数。 过程控制系统设计时选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探索最优工况以及调节器参数的最佳整定都是以被控过程的数学模型为重要依据的。 ●指导生产工艺设备的设计。 确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而提出对生产设备的结构设计的合理要求和建议。 ●进行仿真试验研究。 不需要建造小的物理模型，只要根据过程的数学模型通过计算机进行仿真试验研究。 3.被控过程数学模型的应用与要求 ?被控过程数学模型的部分应用与要求可见表2—l所示。
控制系统数字仿真与CAD第二章习题答案 2-1 思考题： （1）数学模型的微分方程，状态方程，传递函数，零极点增益和部分分式五种形式，各有什么特点？ （2）数学模型各种形式之间为什么要互相转换？ （3）控制系统建模的基本方法有哪些？他们的区别和特点是什么？ （4）控制系统计算机仿真中的“实现问题”是什么含意？ （5）数值积分法的选用应遵循哪几条原则？ 答：（1）微分方程是直接描述系统输入和输出量之间的制约关系，是连续控制系统其他数学模型表达式的基础。状态方程能够反映系统内部各状态之间的相互关系，适用于多输入多输出系统。传递函数是零极点形式和部分分式形式的基础。零极点增益形式可用于分析系统的稳定性和快速性。利用部分分式形式可直接分析系统的动态过程。 （2）不同的控制系统的分析和设计方法，只适用于特定的数学模型形式。 （3）控制系统的建模方法大体有三种：机理模型法，统计模型法和混合模型法。机理模型法就是对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理的分析简化建立起来的各物理量间的关系。该方法需要对系统的内部结构和特性完全的了解，精度高。统计模型法是采用归纳的方法，根据系统实测的数据，运用统计规律和系统辨识等理论建立的系统模型。该方法建立的数学模型受数据量不充分，数据精度不一致，数据处理方法的不完善，很难在精度上达到更高的要求。混合法是上述两种方法的结合。 （4）“实现问题”就是根据建立的数学模型和精度，采用某种数值计算方法，将模型方程转换为适合在计算机上运行的公式和方程，通过计算来使之正确的反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿真结果。 （5）数值积分法应该遵循的原则是在满足系统精度的前提下，提高数值运算的速
2012-2013学年系统建模与仿真大作业（论文）要求 1、期末大作业按分组方式进行，每组4-6人，自行组合。 2、要求学生自行选题，选题符合系统建模与仿真应用的领域，必须是现实的系 统，现实中存在一定的问题，可以进行数据的采集、系统分析等。需要撰写报告，做PPT进行开题答辩。开题报告包括：题目、小组成员组成及分工、选题的目的及意义、国内外研究情况、研究的内容和方法、技术路线和预期结果、进度计划、所需条件及落实情况。 3、论文内容覆盖模拟系统的问题定义和目标、建模与模拟、模拟分析和分析报 告等几部分。 4、论文规范格式要求：论文由封面、中文摘要、关键词、正文、参考文献几个 部分组成。 1）封面格式 (1).标题：长度≤20字，1号楷体 (2).专业姓名等：项目名称“3号楷体”，所填内容中文用“3号楷体”，2）摘要格式 (1).置于目录页之前 (2).摘要字数≤200字， (3).摘要正文为“小4号宋体”，35字/行，32行/页 (4).中文摘要要有中文论文标题，上下各空一行，加在“摘要”之前， 字体与“摘要”一样均为“3号黑体” (5).中文摘要中，关键词为3~5个，另起一行；“关键词”应为黑体， 关键词之间分隔符应为全角“；” 3）目录 （1）标题为“3号黑体”，上下各空一行； （2）“前言、摘要”为“小4号黑体”，“Abstarct”为“小4号Times New Roman”； （3）每章标题为“4号黑体”，每节标题为“4号宋体”且缩进； （4）目录需带“致谢、参考文献、附录”等项目 4）正文格式 (1).一级标题为“3号黑体”，上下各空一行 (2).二级标题为“小3号黑体”，前后空12磅
《系统辨识》 实验手册 哈尔滨工业大学控制与仿真中心 2018年5月
目录 实验1 白噪声和M序列的产生---------------------------------------------------------- 2 实验2 脉冲响应法的实现---------------------------------------------------------------- 5 实验3 递推最小二乘法的实现---------------------------------------------------------- 9 附录实验报告模板---------------------------------------------------------------------- 13
实验1 白噪声、M 序列的产生 一、实验目的 1、熟悉并掌握产生均匀分布随机序列方法以及进而产生高斯白噪声方法 2、熟悉并掌握M 序列生成原理及仿真生成方法 二、实验原理 1、混合同余法 混合同余法是加同余法和乘同余法的混合形式，其迭代式如下： 11 1(*)mod /n n n n x a x b M R x M +++=+?? =? 式中a 为乘子，0x 为种子，b 为常数，M 为模。混合同余法是一种递归算法，即先提供一个种子0x ，逐次递归即得到一个不超过模M 的整数数列。 2、正态分布随机数产生方法 由独立同分布中心极限定理有：设随机变量12,,....,,...n X X X 相互独立，服从同一分布，且具有数学期望和方差： 2(),()0,(1,2,...)k k E X D X k μσ==>= 则随机变量之和1 n k i X =∑的标准化变量 : () n n n k k k X E X X n Y μ --= = ∑∑∑近似服从(0,1)N 分布。 如果n X 服从[0, 1]均匀分布，则上式中0.5μ=，2 1 12 σ= 。即 0.5n k X n Y -= ∑近似服从(0,1)N 分布。