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第4章--系统仿真及系统力学(SD)方法上课讲义

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系统仿真及系统动力学(SD)方法课件

系统仿真及系统动力学(SD)方法课件
详细描述
在因果关系图中，用箭头表示因果关系，箭头的方向表示因果关系的方向，即因在先，果在后。流图则更进一步 地描述了系统中各要素之间的信息流动情况，包括物质流、信息流和能量流等。通过绘制因果关系图和流图，可 以更深入地理解系统的结构和行为。
方程式建立与参数设定
总结词
详细描述
仿真模型的建立与实现系统仿真在各 Nhomakorabea域的应用前景
工业领域
系统仿真将在工业生产、工 艺优化、设备维护等方面发 挥重要作用，提高生产效率 和产品质量。
交通领域
系统仿真将应用于交通规划、 物流优化、交通安全等方面， 提高交通系统的运行效率和 安全性。
环保领域
系统仿真将用于环境监测、 生态保护、污染物治理等方 面，为环境保护提供科学支 持。
模型验证与评估
模型验证 模型评估 模型改进
案例一：经济系统模拟
总结词
通过系统动力学方法模拟经济系统的动 态行为，分析经济系统的结构和机制。
VS
详细描述
利用系统动力学模型，模拟经济系统中各 因素之间的相互作用和影响，如供需关系、 价格波动、政策干预等，帮助决策者更好 地理解经济系统的运行规律，预测未来发 展趋势，制定有效的经济政策。
医疗领域
系统仿真将应用于疾病预测、 治疗方案优化、药物研发等 方面，提高医疗水平和治疗 效果。
• 系统仿真过程及分析 • 系统动力学(SD)方法应用案例 • 系统仿真及系统动力学(SD)方法展望
定义与概念
定义
概念
系统动力学的发展历程
起源
系统动力学最早起源于20世纪50 年代，由美国麻省理工学院的 Jay Forrester教授创立。
发展
经过多年的研究和发展，系统动 力学逐渐成为一种成熟的学科领 域，广泛应用于各个领域的系统 分析和仿真。

系统建模与仿真教学全套课件

系统建模与仿真教学全套课件

求解
用传统和现代的数学方法计算求解 模型得出结论，对复杂系统，计算机仿 真是最有力的工具之一。
分析与检验
1、分析模型是否符合要求， 2、检验是否符合客观实际。 往复循环，直至符合要求。
建模的方法
一、建模的方法论 二、常用建模方法
建模的方法论
（一）归纳 （二）演绎 （三）类比 （四）移植
归纳
认识
（1）将目标表述为适合于建模的相应形 式；
（2）拟定模型的规范， （3）模型要素的筛选和确定。 （4）模型关系的确定。找出模型中真正 要做用的关系。将把模型要素与目标联系 成为一个有机的整体，形成模型分析的基 础。
建模
建模的本质是在实际系统与模型之间 建立一种关系 。是将要素原型表示为要素 变量，描述要素间的相互依存和相互依赖 关系，确定约束条件、目标与要素的关系， 部分与部分、部分与整体的关系。
抽象模型(Abstract Model)
是用符号、图表等来描述客观事物所建立的模型。抽 象模型又可分为：
数学模型（Mathematics Model）
用字母、数字、数学符号建立起来的公式、图表、图 像及框图等来描述客观事物的特征及其内在联系的模型。
仿真模型（Simulation Model）
也称模拟模型（Analog Model）——用便于控制的一 组条件代表真实事物的特征，通过模仿性的试验来了解真 实事物的规律。
系统、模型与仿真
一、系统 “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”。
二、模型 模型是实际系统的抽象模型是实际系统
的抽象 模型可分为两大类： 形象模型 抽象模型
❖形象模型（Iconic Model）
❖ 又称物理模型,是采用一定比例 尺按照真实系统的“样子”制作， 与实物基本相似。

第4章 系统仿真模型-系统动力学

第4章 系统仿真模型-系统动力学

§4-5 DYNAMO仿真计算
一、 一阶正反馈回路 二、 一阶负反馈回路 三、 两阶负反馈回路
§4-6 系统动力学建模步骤
一、系统动力学模型的建模步骤 二、 DYNAMO仿真流程框图 三、系统动力学模型的评价 课后作业
第六章 系统仿真模型——系统动力学
§6-1 系统仿真的基本概念及其实质 一、基本概念 系统仿真——（Systems simulation）是对真 实过程或系统在整个时间内运行的模仿。 ◆依系统的分析目的进行构思 ◆建立系统模型 ◆建立描述系统结构和行为、具有逻辑和数学性 质的仿真模型 ◆依仿真模型对系统进行试验和分析 ◆获得决策所需信息
第六章 系统仿真模型——系统动力学
§6-2 系统动力学概述 一、系统动力学及其发展
（二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展
1 国外学者SD研究现状
系统动力学在国外的应用非常广泛，其应用几乎遍及 各类系统，深入到各类领域。在商业上模拟复杂竞争 环境中的商业模型；在经济学上解释了SamuelsonHicks模型；在医学研究上模拟不同药物效用对病人的 生理学反映，如测试经过胰岛素治疗后糖尿病病人血 液葡萄糖水平的医学模型；在生物学上模拟并推导了 捕食者——被捕食者问题；还有模拟地区经济模型， 模拟生态系统模型等研究。
一、基本概念 二、系统仿真的实质 三、系统仿真的作用
§4-2 系统动力学概述
一、系统动力学及其发展 二、反馈系统
§4-3 系统动力学结构模型
一、信息反馈系统的动力学特征 二、反馈系统 三、流程图（结构模型）
第六章 系统仿真模型——系统动力学
目 录
§4-4 系统动力学数学模型（结构方程式）
一、基本概念 二、 DYNAMO方程

《系统建模与仿真》教学大纲

《系统建模与仿真》教学大纲

《系统建模与仿真》课程教学大纲课程英文名称：System Modeling and Simulation课程编号：021020090总学时及其分配：24（教学）+8（实验）学分数：2适用专业：工业工程任课学院、系部：能源学院工业工程系一、课程简介系统建模与仿真是工业工程专业本科生的一门重要的选修课，是一门发展中的边缘学科,涉及广泛领域的知识。

系统建模就是采用数学或逻辑关系构造数学模型。

系统仿真就是借助仿真技术将系统模型转换为仿真模型并利用仿真软件对仿真模型进行研究。

二、课程教学的目标针对工业工程专业性质，本课程主要研究企业生产物流模与仿真，是一门实践性较强的课程。

课程介绍生产物流系统的基本特征、系统仿真的基本概念、仿真模型的建立思路、仿真研究的步骤、Flexsim仿真方法、Flexsim生产物流仿真设计示例。

着重讲述Flexsim物流仿真平台在企业生产物流方面的应用。

要求学生会用掌握Flexsim仿真方法、会利用Flexsim进行常见离散事件的仿真设计尤其是企业生产物流仿真设计。

通过系统建模与仿真，可以将复杂的系统简单化，通过研究简化的模型来研究实际系统，从而为研究复杂系统提供了一条较好的途径。

三、课程教学的基本内容及教学安排课程主要讲述生产物流系统的基本特征、系统仿真的基本概念、仿真模型的建立思路、仿真研究的步骤、Flexsim仿真方法、Flexsim 生产物流仿真设计示例。

以下分章阐述：1.（2学时）知识要点：什么是系统仿真；系统仿真的重要性及应用领域；系统仿真的基本概念（系统、模型、仿真）；系统的要素（实体、属性、活动、事件、状态）；模型的定义及分类；系统仿真的一般步骤；系统仿真的产生与发展；仿真软件发展的四个阶段；常用离散系统仿真软件介绍；本课程的学习方法及要求。

目的要求：理解系统仿真的基本概念；理解系统的基本要素；理解并掌握系统仿真的一般步骤；了解系统仿真的发展和仿真软件的发展；了解常用的离散系统仿真软件。

系统仿真及系统动力学方法

系统仿真及系统动力学方法
a. 水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时点； 而速率（R)变量只在一个时段才有意义。
b. 决策者最为关注和需要输出的要素一般被处 理成L变量。
c. 在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量 不能直接相连 。
d. 为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变 量的个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量 在数量上一般是较多的。
5
第一节 系统仿真
3、系统仿真的作用
(3)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。 (4)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。
6
第一节 系统仿真
二、系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型 和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上 编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。
P 100 102 104.04 ┆
PR 2 2.04 2.0808
┆
100
0 一阶正反馈（简单 人口问题）系统输 出特性曲线
18
3、一级负反馈回路
+
I
库存量 —
订货 量
R1
(—) +
库存 差额 D
期望库存Y
L
I
I•K=I•J+DT*R1•JK
R1
。
Z
。
D
（订货调整时间，5）
D R1
I
1000
。I 。Y（6000）
3
第一节 系统仿真
2、系统仿真的实质
(1)它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。
(2)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。

第四章：系统仿真及系统力学方法PPT优秀课件

第四章：系统仿真及系统力学方法PPT优秀课件

The Limits to Growth,D.
Meadows,1972”,“Toward Global
Equilibrium D.Meadows,1974”) 。这些成果引
起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力
学正是在这一番论战中，加速壮大成熟起来。
通信网络： Comnet III等。
Arena
Extend
Automod
SimProcess
FlexSim
Some Useful Links
Arena, / Extend, /
2、系统仿真的实质
(1)它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。 (2)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。 (3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演 变及其发展过程。
（二）系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结 构模型和量化分析模型，并将其转换为 适合在计算机上编程的仿真模型，然后 对模型进行仿真实验。 系统根据其模型表示可以分为： ✓ 连续系统 ✓ 离散事件系统
连续系统
连续系统：其服从于物理学定律（电学、 力学、热学），其数学模型可表示为传 统意义上的微分方程或差分方程。 其系统的状态变量随时间而发生连 续变化。
Extend试用版： /prods_demo.html Witness, / AutoMod学生版 /academic/studentresources.asp AutoMod，/ Promodel（Academic)： /academic/ Flexsim

《系统仿真技术》课件


系统仿真的基本步骤
问题定义与模型建立
明确仿真目的，根据实际系统建立数学模型。
仿真模型实现
将数学模型转化为计算机程序，实现仿真模型的计算。
仿真实验与数据收集
运行仿真模型，收集实验数据，用于后续分析和评估。
结果分析
对实验数据进行统计分析，得出结论，支持决策制定。
系统仿真的常用方法
蒙特卡洛方法
基于概率统计的随机抽样技术，常用于解决复杂系统 的仿真问题。
特点
系统仿真技术具有高度逼真性、可重 复性和可控制性，能够模拟真实系统 的运行过程和行为，为系统设计、优 化和决策提供有力支持。
系统仿真技术的应用领域
航空航天
模拟飞行器、航天器的性能和 行为，优化设计。
交通运输
模拟交通流、车辆性能和交通 规划，提高交通效率和安全性 。
工业生产
模拟生产过程、设备和工艺， 优化生产效率和产品质量。
电力系统
分析电力系统的稳定性、 优化电网的运行和管理策 略。
06
CHAPTER
系统仿真技术在解决实际问 题中的应用
系统仿真技术在生产制造中的应用
01
生产调度仿真
通过仿真技术模拟生产线的运行 情况，优化生产调度，提高生产 效率。
02
工艺流程仿真
03
质量控制仿真
对生产制造过程中的工艺流程进 行模拟，发现潜在问题，优化工 艺参数。
03
02
仿真实验
根据建立的模型进行仿真实验，模 拟系统的运行过程。
系统优化
根据分析结果对系统进行优化和改 进。
04
混合系统仿真的应用实例
制造系统
分析制造过程的性能、优 化生产线的布局和管理策 略。
物流系统

系统工程学系统动力学(课堂PPT)


因果箭 A
＋
－
B
A
B
A
B
因果链
B
D
＋
＋＋
A
C
B
D
－
－＋
A
C
反馈回路
系统的 性质 行为
订货 速度
＋
＋
－
库存 差额
库存
－
量
因果关系图和流图 （1） 10
因果关系图和流图 （2）
库存量 +
-
订货量
（ -）
库存差额
期望
库存
+
11
因果关系图和流图 （3）
+ +
出生 人口
（+）
- 人口
总量
（）
死亡 人口
+ （平均）出生率
8
非线性
1. 原因与结果非线性 2. 时空分离性—滞后 3. 随机性
2、系统动力学
2.3、建模流程
明确目的
认识系统的结构、预测系统行为、 设计最佳参数、合理进行决策
确定系统边界
封闭的社会系统
因果关系分析
系统结构
建立SD模型
流程图、方程式
仿真实验
结果分析
模型修正
9
三、SD结构模型化原理
1 因果关系
(出生人口) (人口总量) (死亡人口)
R1
R2
P
C1（出生率）
C2（死亡率）
19
组织改善
。 组织 缺陷
组织 绩效
3 系统动力学原理
决策
信息
行动
信息
(Rate) 源
速率变 量
反馈回路
流 （行动）

系统工程：系统仿真及系统动力学(SD)方法


（二）系统仿真方法(1)
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模 型，并将其转换为（或作为）适合在计算机上编程的仿真模 型，然后对模型进行仿真实验。 由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型有很大差别， 所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法 和离散系统仿真方法。
（二）系统仿真方法(2)
（1）因果关系图（因果反馈回路） 因果箭→因果链→因果（反馈）回路
+
利息 (元 /年 ) 利率 (+) 银行 货币
+
2、因果关系图和流图 （2）
+ 库存量
库存差额 期望
库存
订货量
（ ）
+
2、因果关系图和流图 （3）
+ 出生 人口 （+） + （平均）出生率 人口 总量 （ ）
-
死亡 人口
-
（平均）死亡率
2、因果关系图和流图 （3）
+ + 人口 总量 出生 人口
（+） +
（ ）
-
死亡 人口
（平均）出生率
-
2、因果关系图和流图 （4）
+ 组织改善 组织绩效
组织缺陷
（ ）
-
+
3、流图--流图符号（1）
实物流
①
流
信息流 R1 R1
②
速率变量 L1
③ ④
水准变量 辅助变量 (
。 )
A1
。
3、流图--流图符号（2）
System Dynamics, SD/ J.W. Forrester(MIT)
1、
由来与发展
Industrial Dynamics (ID), 1959

系统仿真及系统力学(SD)方法

利用深度学习算法对仿真数据进行学习，提高仿真精度和效 率。
强化学习在仿真优化中的应用
通过强化学习算法，自动调整仿真参数，实现更高效的仿真 过程。
数据驱动的仿真模型
利用大量数据训练模型，提高仿真模型的预测能力。
高性能计算在系统仿真中的应用
并行计算
利用多核处理器或多台计算机同时进行仿真计算， 提高计算效率。
决策支持
为决策者提供仿真结果和数据支持，辅助决策制定和实施。
03
系统仿真流程
问题定义与模型建立
明确仿真目的
确定仿真目标，明确需要解决的问题，以及 预期的仿真结果。
建立数学模型
根据系统特性和需求，建立相应的数学模型， 描述系统的动态行为。
确定系统边界
确定仿真系统的范围和边界，明确系统输入 和输出。
根据仿真结果和实际需求，制定相应的优化 方案。
结果分析
对仿真结果进行深入分析，提取有价值的信 息，为系统优化提供依据。
方案实施与效果评估
将优化方案应用于实际系统，评估实施效果， 并进行持续改进。
04
系统仿真工具与技术
离散事件仿真
定义
离散事件仿真是一种基于事件时间轴的仿真方法，通 过模拟事件的发生和影响来评估系统性能。
02
系统力学(SD)方法介绍
系统力学的基本概念
系统
由相互关联、相互作用的元素组成的整体。
力学
研究物质和能量在空间和时间中如何运动和 变化的科学。
系统力学
运用力学原理和方法研究系统行为和性能的 科学。
系统力学的主要流派
经典力学派
以牛顿定律为基础，研究系统运动和变化的 规律。
统计力学派
以概率论和统计方法为基础，研究系统微观 状态和宏观性质之间的关系。
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④ 绘制SD流图。
3、举例
R1（利息1） 银行货币 L1
C1(利率)
R1(订货量)
库存量 I
（库存差额） D
Y(期望库存)
(出生人口) (人口总量) (死亡人口)
R1
R2
P
C1（出生率）
C2（死亡率）
组织改善
。 组织 缺陷
组织 绩效
某经营单一商品的零售店的订货策略问题
顾客购货 销售
零售店
订货 供应
(3)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。
(4)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。
（二）系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结 构模型和量化分析模型，并将其转换为 适合在计算机上编程的仿真模型，然后 对模型进行仿真实验。
(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变 及其发展过程。
3、系统仿真的作用
(1)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。
(2)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。
系统仿真方法基本上分为两大类: 连续系统：系统中的状态变量随时间 连续地变化的系统。 离散系统（离散事件动态系统）：系 统中的状态变量只在一些离散的时间点 上发生变化的系统。
在以上两类基本方法的基础上，还有 一些用于系统(特别是社会经济和管理系 统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动 力学方法、蒙特卡洛法等。
1.因果关系流图 （1）因果箭
A
B
（a）
+
A
B
—
A
B
（b）
（c）
（2）因果链
B
D
+ ++
AC
(+) （a）
B
D
- -+
AC
(+) （b）
B
D
- -+ -
AC E
(-) （c）
（3）因果（反馈）回路
+
利息 （元/年）
（+）Βιβλιοθήκη +（a）利率
银行 货币
库存量
-
+
（-）
库存差
订货
+
期望库存 （b）
人口
总数
系统动力学方法通过建立系统动力学 模型(流图等)、利用DYNAMO仿真语言 在计算机上实现对真实系统的仿真实验， 从而研究系统结构、功能和行为之间的 动态关系。
（三）系统动力学的发展及特点
1、由来与发展
Systems Dynamics, SD/ J.W. Forrester(MIT)
• Industridl Dynamics (ID), 1959
一、SD的基本原理
决策
信息
行动
系统 状态
SD的基本工作原理
SD 的四个基本要素、两个基本变量和 一个基本核心（思想）：
SD 的四个基本要素——状态或水准、信息、决策 或速率、行动或实物流
SD 的两个基本变量——水准变量（Level）、速 率变量（Rate）
SD 的一个基本思想——反馈控制
二、因果关系流图和流程图
a. 水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时点；而速率（R)变量只 在一个时段才有意义。
b. 决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成L变量。 c. 在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量不能直接相连 。 d. 为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变量的个数。故在实际系
统描述中，辅助（A）变量在数量上一般是较多的。
+ +
-
-
年出生 +
人数
+
年死亡 人数
人口系统的两重反馈回路
工业
+
+
资本
-
+
-
投资 +
折旧
经济系统的两重反馈回路
2.流图
①流
实物流 信息流
R1
② 速率变量
R1
③ 水准变量
L1
④ 辅助变量
( )。
。
A1
（3）流图绘制程序和方法
① 明确问题及其构成要素； ② 绘制要素间相互作用关系的因果关系图。注意一定要形成 回路； ③ 确定变量类型（L变量、R变量和A变量）。将要素转化为 变量，是建模的关键一步。在此，应考虑以下几个具体原则：
• Principles of Systems, 1968
• Urban Dynamics (UD), 1969
• World Dynamics (WD), 1971
• SD, 1972
• [美]彼得·圣吉（PeterM·Senge）著，第五项修炼—学习型组织的艺术与 实务，上海三联书店， 1998。作者简介：1970年从斯坦福大学获工学学士
工厂
零售店
+
订货
+
—
零售店 —
销售
零售店 库存
工厂未
+
供订货
—
+
工厂 生产
计划 产量
+
工厂生 产能力
+
因果关系和反馈回路
零售 店订 货率
工厂 生产 率
工厂未供 订货量
（a）
工厂 生产 率
零售店 库存
（b）
零售 店销 售率
D3 S1
零售 店订 货率
Y
工厂未 供订货
D2
计划 产量
生产 能力
S2
工厂 生产 率
D1
零售 店销 售率
零售店 库存
后进入MIT攻读管理硕士学位，在此期间被Forrester教授的SD整体动态搭 配的管理新理念所吸引。1978年获得博士学位后，一直和MIT的工作伙伴及 企业界人士一道，孜孜不倦地致力于将SD与组织学习、创造原理、认知科学 等融合，发展出一种人类梦寐以求的组织蓝图—学习型组织。
2、研究对象及其结构特点
4、工作程序
认识 界定 要素及其因 问题 系统 果关系分析
建立结 建立数 仿真 比较与 政策 构模型 学模型 分析 评价 分析
流图
DYNA MOY
方程
SD工作程序示意图
第二节 系统动力学结构模型化原理
系统动力学结构模型
定性模型：反应系统各 组成部分关系的流图
定量模型：由流图抽象出 的反应系统动态动态方程 的方程式
（1）研究对象——社会（经济）系统 （2）该类系统特点
① 抉择性——具有决策环节（人、信息） ② 自律性——具有反馈环节 ③ 非线性——具有延迟环节
（3）SD将社会系统当作非线性（多重）信息反 馈系统来研究
3、模型特点
（1）多变量 （2）定性分析与定量分析相结合 （3）以仿真实验为基本手段和以计算机为工具 （4）可处理高阶次、多回路、非线性的时变复杂 系统问题。
第4章--系统仿真及系统力学 (SD)方法
2、系统仿真的实质
(1)它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。
(2)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。