系统工程系统模型与仿真

系统工程学学习总结系统建模与优化的理论与实践系统工程学学习总结——系统建模与优化的理论与实践系统工程学是一门综合性学科，旨在研究和解决复杂系统的设计、开发、运营和优化问题。

在系统工程学的学习过程中，系统建模与优化是一项重要内容，本文将对系统建模与优化的理论与实践进行总结。

一、系统建模系统建模是对待研究对象进行抽象和描绘的过程，旨在找出问题的本质和关键。

它能够帮助我们理解和分析系统的结构、功能和行为，并为系统的优化提供基础。

1. 功能模型功能模型是系统建模中常用的一种方法。

它通过识别和描述系统中各个部分的功能及其相互关系，帮助我们理解系统的整体功能以及子功能之间的依赖关系。

常见的功能模型包括功能流程图和功能树等。

2. 结构模型结构模型主要关注系统中各个组成部分的结构和组织关系。

通过结构模型，我们可以清晰地描述系统中各种组件、模块或对象之间的关系，从而更好地理解系统的内部结构。

常见的结构模型有层次结构图、数据流图等。

3. 行为模型行为模型是描述系统中各个部分的动态行为和相互作用方式的模型。

通过行为模型，我们可以模拟系统中各种状态的变化，分析系统的响应和行为，并发现潜在的问题或优化方案。

常见的行为模型包括状态转换图、时序图等。

二、系统优化系统优化是通过调整系统的各个组成部分、参数或结构，使系统在满足一定约束条件的前提下，达到最优性能或效果。

系统优化不仅依赖于理论的支持，也需要实践中的验证和调整。

1. 数学建模数学建模是系统优化的重要手段之一。

通过建立合适的数学模型，我们可以将复杂的系统问题转化为数学形式，并利用数学工具和方法进行求解和优化。

常用的数学建模方法包括线性规划、动态规划、遗传算法等。

2. 实验设计实验设计是系统优化的另一种重要方式。

通过设计合适的实验方案，我们可以获取系统的观测数据，并利用统计学方法进行分析和优化。

实验设计可以帮助我们验证理论模型的有效性，并找出系统中的潜在问题与改进方向。

3. 模拟与仿真模拟与仿真是系统优化的实践手段之一。

建模与仿真分析在科学研究和工程应用中，建模与仿真是非常重要的工具。

它们可以帮助我们更好地理解现象和系统，并通过模拟来预测实际的行为和结果。

本文将探讨建模与仿真的定义、应用领域以及常用的方法和技术。

一、建模与仿真的定义建模是将一个复杂的实际系统或过程用适当的数学符号、图形、图像或其他形式进行简化和抽象的过程。

它可以将现实世界的复杂性转化为可以处理的数学模型。

建模的目的是为了更好地理解系统的行为，并能通过数学方法进行分析和预测。

仿真是在计算机或其他设备上根据建立的模型进行计算、模拟和实验的过程。

它可以通过对模型进行操作和观察，模拟真实系统的行为和性能。

仿真的目的是为了对系统进行测试、优化和决策支持。

二、建模与仿真的应用领域建模与仿真广泛应用于各个领域，包括工程、物理、生物、经济等。

以下是一些常见的应用领域：1. 工程领域：建模与仿真可用于设计和优化机械、电子、航空航天等系统。

它可以模拟系统的运行情况，帮助工程师进行系统设计和性能评估。

2. 生物医学领域：建模与仿真可用于模拟生物过程、疾病传播和药物作用等。

它可以帮助医生和研究人员理解生物系统的行为，提高疾病诊断和治疗的效果。

3. 物理科学：建模与仿真可用于分子动力学、量子力学和天体物理等领域。

它可以帮助科学家研究物质的性质和宇宙的演化。

4. 经济和金融：建模与仿真可用于预测市场行为、风险评估和投资策略等。

它可以帮助经济学家和投资者做出有效的决策。

三、建模与仿真的方法和技术建模与仿真的方法和技术有很多，下面介绍几种常用的方法：1. 数学建模：将现实系统用数学方程或算法进行描述和表示。

常用的数学方法包括微分方程、线性规划和随机过程等。

2. 计算机建模：利用计算机软件进行系统建模和仿真。

常用的建模软件包括MATLAB、Simulink、ANSYS等。

3. 三维建模：使用三维图形软件创建系统的虚拟模型。

它可以模拟系统的外观、结构和运动。

4. 离散事件仿真：将系统的行为分解为一系列离散的事件，通过模拟这些事件的发生来推断整体系统的行为。

系统建模与仿真实验报告系统建模与仿真实验报告1. 引言系统建模与仿真是一种重要的工程方法，可以帮助工程师们更好地理解和预测系统的行为。

本实验旨在通过系统建模与仿真的方法，对某个实际系统进行分析和优化。

2. 实验背景本实验选择了一个电梯系统作为研究对象。

电梯系统是现代建筑中必不可少的设备，其运行效率和安全性对于整个建筑物的使用体验至关重要。

通过系统建模与仿真，我们可以探索电梯系统的运行规律，并提出优化方案。

3. 系统建模为了对电梯系统进行建模，我们首先需要确定系统的各个组成部分及其相互关系。

电梯系统通常由电梯、楼层按钮、控制器等组成。

我们可以将电梯系统抽象为一个状态机模型，其中电梯的状态包括运行、停止、开门、关门等，楼层按钮的状态则表示是否有人按下。

4. 仿真实验在建立了电梯系统的模型之后，我们可以通过仿真实验来模拟系统的运行过程。

通过设定不同的参数和初始条件，我们可以观察到系统在不同情况下的行为。

例如，我们可以模拟电梯在高峰期和低峰期的运行情况，并比较它们的效率差异。

5. 仿真结果分析通过对仿真实验结果的分析，我们可以得出一些有价值的结论。

例如，我们可以观察到电梯在高峰期的运行效率较低，这可能是由于大量乘客同时使用电梯导致的。

为了提高电梯系统的运行效率，我们可以考虑增加电梯的数量或者改变乘客的行为规则。

6. 优化方案基于对仿真结果的分析，我们可以提出一些优化方案来改进电梯系统的性能。

例如，我们可以建议在高峰期增加电梯的数量，以减少乘客等待时间。

另外，我们还可以建议在电梯内设置更多的信息显示，以便乘客更好地了解电梯的运行状态。

7. 结论通过本次实验，我们深入了解了系统建模与仿真的方法，并应用于电梯系统的分析和优化。

系统建模与仿真是一种非常有用的工程方法，可以帮助我们更好地理解和改进各种复杂系统。

在未来的工作中，我们可以进一步研究和优化电梯系统，并将系统建模与仿真应用于更多的实际问题中。

8. 致谢在本次实验中，我们受益于老师和同学们的帮助与支持，在此表示诚挚的感谢。

系统建模与仿真课程设计1. 引言系统建模与仿真是一门重要的工程技术，广泛应用于工业、制造、军事、医疗等领域。

系统建模与仿真旨在通过研究和模拟现有的系统，从而加以优化和改进，从而更好地满足用户需求。

本文将对系统建模与仿真课程的设计进行介绍和讨论。

2. 课程目标本课程旨在通过教学和实践，让学生掌握系统建模和仿真的基本原理和方法，能够利用建模工具进行系统的建模、仿真和分析，从而提高工程技术能力。

3. 课程内容本课程包含以下内容：3.1 系统建模基础主要介绍系统建模的基本概念、方法和应用场景，包括：•系统和子系统的定义，如何确定系统边界和系统需求•系统建模的分类和目的，如何选择适合的建模方法•系统建模的过程和工具，如何进行系统建模和从建模数据中获取信息•系统建模的质量和评估，如何保证模型正确性和可靠性3.2 系统仿真基础主要介绍系统仿真的基本概念、方法和应用场景，包括：•仿真的分类和应用，如何用仿真方法解决复杂问题•仿真的过程和工具，如何进行仿真实验和获取仿真结果•仿真结果的评估和分析，如何对仿真结果进行统计分析和数据挖掘3.3 系统建模与仿真综合案例通过实践项目解决实际问题，包括：•给定特定问题场景，学生需要自行选择建模方法，构建系统模型，并进行仿真与分析•进行查找资料、设计方案，完善仿真模型、仿真结果分析和出报告等工作4. 教学方法本课程采用“理论讲解与实践结合”的教学方式，主要采用以下教学方法：4.1 讲授理论分析系统建模与仿真理论，关注实用性和应用场景，让学生了解基本概念、方法和工具。

4.2 课程实践使用典型工具进行实践，让学生掌握软件的操作流程，学会练习建模和仿真实验，并了解数据分析的基本方法。

4.3 案例分析以课程案例为例，分析系统建模与仿真的具体实施步骤，让学生了解如何进行系统建模和仿真实验。

5. 实践项目本课程要求学生完成一项实践项目，主要包括以下内容：•根据题目要求，学生需要自行选择建模方法，构建系统模型，并进行仿真与分析•进行查找资料、设计方案，完善仿真模型、仿真结果分析和出报告等工作实践项目将占据本课程总成绩的50%以上，是课程的重要组成部分。

复杂大系统建模与仿真的可信性评估研究一、概述复杂大系统建模与仿真的可信性评估是当前系统工程领域的重要研究课题。

随着科技的飞速发展，越来越多的领域面临着处理大规模、高维度、非线性等复杂系统的挑战。

如何构建准确、可靠的模型，并通过仿真手段对系统进行深入分析与预测，成为了解决复杂系统问题的关键所在。

复杂大系统建模是指利用数学、物理、计算机等多种手段，对现实世界中的复杂系统进行抽象和描述，以揭示其内在规律和特性。

而仿真则是基于这些模型，通过计算机模拟或物理模拟的方式，重现系统的运行过程，以便对系统进行性能评估、风险预测和决策支持。

由于复杂大系统本身的复杂性和不确定性，建模与仿真过程中往往存在诸多挑战。

例如，模型的结构和参数可能难以准确确定，仿真算法的选择和参数设置也可能影响仿真结果的准确性。

仿真数据的质量和完整性也是影响可信性的重要因素。

对复杂大系统建模与仿真的可信性进行评估，具有重要的理论价值和实践意义。

可信性评估的主要目的是衡量建模与仿真过程的有效性和可靠性，以确保仿真结果能够真实反映系统的实际运行状况。

这包括评估模型的精度、仿真算法的稳定性、仿真数据的可靠性等方面。

通过可信性评估，可以及时发现建模与仿真过程中的问题，为改进模型和提高仿真精度提供指导。

复杂大系统建模与仿真的可信性评估研究具有重要的理论价值和实践意义。

未来，随着计算机技术和数据处理技术的不断发展，相信这一领域的研究将取得更加深入的进展，为解决复杂系统问题提供更加可靠和有效的支持。

1. 复杂大系统建模与仿真的重要性随着科技的飞速进步，我们所面对的系统日益呈现出复杂化和大规模化的特点。

复杂大系统，如社会网络、经济系统、生态环境以及现代工业体系等，不仅内部元素众多、关系错综复杂，而且往往具有动态演化、自适应性等特性。

对这些系统进行深入理解和有效管理成为一项极具挑战性的任务。

建模与仿真作为研究复杂大系统的重要手段，其重要性日益凸显。

建模可以帮助我们抽象出系统的核心结构和运行机制，从而以更加清晰和直观的方式理解系统的行为。

系统建模与仿真概述System Modeling and Simulation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14系统与模型1.1.1系统1.系统的广义定义：x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：电炉温度调节系统例二：商品销售系统经理部［市场部I I采购部仓储部销售部I14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校器、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。

14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。

在电炉温度调芒系统中，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董、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。

X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。

14系统当摆型X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O 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十同态系统：两个系统只有少数具有代表性的输入输出相対应14系统与模型——3.系统的分类X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。

【关键字】系统《建模与仿真》课程教学大纲(Modeling and Simulation)课程编码：学分：2.5总学时：40适用专业：工业工程先修课程：生产计划与控制、工程统计学、工程数学、运筹学、计算机编程技术一、课程的性质、目的和任务《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。

学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。

本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理。

并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能。

使学生了解计算机仿真的基本步骤。

结合本课程的特点，使学生掌握或提高系统化分析问题和解决问题的能力,为系统化管理生产打下根底。

二、教学基本要求具体在教学过程中要求学生应该达到：1.全面了解本课程的性质与任务、框架内容以及理论和方法；2.掌握仿真的概率统计根底知识。

3.掌握供理论模型建模方法。

4.掌握仿真模型的设计与实现方法。

5.熟练应用建模理论,对排队系统、库存系统、加工制造系统进行建模仿真。

三、教学内容与学时分配离散事件系统仿真是仿真技术的重要领域，在规划论证、方案评估、计划调度、加工制造、产品试验、生产培训、训练模拟、管理决策等方面得到广泛应用。

本课程深入地介绍了离散事件系统建模仿真的理论、方法和技术，突出对理论建模方法和计算机实现技术的讲解，对离散事件系统建模仿真的发展和应用情况做了比较详尽的介绍。

具体教学内容如下：第一章绪论 4学时本章分析了系统和制造系统定义、组成与特点，介绍了系统建模与仿真的基本概念和使用步骤，并给出应用案例。

本章教学目标：本章教学基本要求：了解常用术语及常用的仿真软件，了解仿真技术的的发展状况及应用。

理解系统与制造系统的定义及系统建模与仿真的概念及系统、模型与仿真之间的关系。

掌握制造系统建模与仿真的基本概念及基本步骤。

系统的模型、仿真与优化三者之间的关系宇宙间任何复杂的事物都是由系统构成的，简单的、复杂的；单一的、交织的等。

人类社会文明的进步必然要跟世间的万物发生关系，这也就表明人们会不可避免的跟万物间的系统发生干涉，包括对系统的认识、了解、改造等。

当然，想要改造系统，或者创造一个新生的系统，很多时候并不能理想的去直接与所要干涉的系统工程发生关系，因为有时候所涉及的系统往往过于复杂或者抽象。

因此，通过建立一个可以直观感知，甚至是触碰的系统模型，并在对模型的研究中得出一些对原始系统的结论似乎是一种更为行之有效的办法。

对系统改造的最终目的是为了实现系统的最优化，从而输出最优解。

由于系统的某些实际原因使得不能对系统直接进行研究，因此需要建立系统模型，并通过对模型系统的仿真，从而得出实际系统的最优解。

由此看来：建立合理的系统模型是一切系统活动的前提；对模型系统的仿真是系统研究的手段；而使系统最优化并得出系统的最优解则是这一系列系统活动的最终目的。

系统模型是指以某种确定的形式（如文字、符号、图表、实物、数学公式等），对系统某一方面本质属性的描述。

对系统模型而言：一方面，根据不同的研究目的，可对同一系统可建立不同的系统模型，另一方面，同一系统模型也可代表不同的系统。

系统模型的特征有以下三个：（1）它是现实系统的抽象或模仿；（2）它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的；（3）它集中体现了这些主要因素之间的关系。

因此，要想更贴近实际的对一个系统进行研究就必须建立一个合理的系统模型。

系统仿真，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。

其利用计算机来运行仿真模型，模拟系统的运行状态及其变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，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。

系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。

系统是指相互联系又相互作用的对象的有机组合。

系统的划分：非工程系统是指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。

工程系统是指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种子段构造而成的系统。

模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。

系统模型可以定义为：为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系统有关信息的实体。

建模需要完成两方面内容一是建立模型结构；二是提供数据。

模型分类：实物模型、图示模型、计算机（模拟）模型、数学模型系统模型结构的性质：①相似性②简单性③多面性仿真是对现实世界的过程或实际系统随时间运行的模仿。

系统、模型与仿真三者之间有着十分密切的关系，系统是研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包含建立模型及对模型进行试验两个过程。

计算机（系统）仿真包括三个要素，即系统、模型和计算机。

系统仿真的分类系统仿真根据模型不同，可以分为物理仿真、数学仿真和物理—数学仿真（半实物仿真）；根据计算机的类别，可以分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；根据系统的特性；可以分为连续系统仿真、离散时间系统（采样系统）仿真和离散事件系统仿真；根据仿真时钟与实际时钟的关系，可以分为实时仿真、欠实时仿真和超实时仿真等。

静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着不可或缺的角色。

在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化没有随机输入的模型为确定性模型，严格预约时间与固定服务时间的运作过程即属此类。

在随机模型中，至少存在一部分随机输入，例如在银行中，顾客的到达时间与服务时间都是随机变化的。

用通用语言编程进行仿真手工进行仿真通用程序语言（Fortran，C）来编写写计算机程序用以对复杂的系统进行仿真。

还开发出了各种支撑软件包用于帮助完成各种例行程序，例如表处理、模拟时间的跟踪以及统计记录等。

《系统建模与仿真》课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：0904071课程中文名称：系统建模与仿真课程英文名称：System Modeling & Simulation课程性质：专业选修课程考核方式：考查开课专业：自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化、探测制导与控制技术、生物医学工程开课学期：7总学时：24 （其中理论24学时，实验0学时）总学分：1.5二、课程目的《系统建摸与仿真》是测控技术与仪器等专业学生的一门选修课。

《系统建摸与仿真》课程以实验建摸方法为主要内容，包括经典实验建摸和以平稳随机过程理论为基础的现代实验建摸方法。

课程目的和任务：为本科高年级学生继续深造、开阔知识面，开设本课程；通过学习，使测控技术与仪器等的本科生掌握《系统建摸与仿真》基础理论、实验建摸基本方法，为今后从事系统建摸等工作、学习自适应控制等奠定扎实的基础。

三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）本课程要求学生有较好的“自动控制理论”基础和“线性代数”、“随机过程”等工程数学基础。

本课程将使学生掌握和了解以下主要基础理论和基本技能：干扰模型及随机过程；系统实验建摸基础；最小二乘法及其改进算法；模型阶次检验；闭环系统的参数辩识；神经网络建模；基于灰色系统理论的建模方法。

在教学中，注重培养学生的分析问题和解决问题的能力。

四、教学内容与学时分配第一章绪论（2学时）动态系统数学模型；建摸基本步骤与方法；连续时间系统的连续模型与离散模型。

第二章干扰模型及随机过程（4学时）干扰及干扰特性；随机过程基础；离散时间白噪声；工程中常用干扰随机模型；谱分解定理。

第三章系统建摸基础（2学时）过渡过程法；频率响应法与傅立叶分析；相关技术与频谱分析。

第四章最小二乘法（6学时）最小二乘算法；最小二乘估计的主要性质；最小二乘估计的递推算法；缓慢变化参数的估计方法；最小二乘法举例。

第五章最小二乘法改进算法（2学时）辅助变量法；广义最小二乘法；增广最小二乘法。

系统建模与仿真习题二及答案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)(+=，21)(+=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 ss 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。

解：（1）clc;clear;G=tf([2 0 0.5],[1 -0.1 3 0.66]);Gc=tf([10 6],[1 0]);H=tf(1,[1 2]);G1=feedback(G*Gc,H)G2=G*Gc/(1+G*Gc*H)Gmin=minreal(G2)结果：Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3Transfer function:20 s^8 + 50 s^7 + 83.8 s^6 + 179.3 s^5 + 126 s^4 + 57.54 s^3 + 26.58 s^2 + 3.96 ss^9 + 1.8 s^8 + 25.61 s^7 + 22.74 s^6 + 74.11 s^5 + 73.4 s^4 + 30.98 s^3+ 13.17 s^2 + 1.98 s Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3(2)由于s c e s s s s G s G 232)1(3624)(*)(-++= 方法1：将s e 2-转换为近似多项式。