《系统建模与仿真》复习题样例 江苏大学

1.信息时代认识世界（科学研究）的三种方法是：理论研究、（_实验研究_）、（__仿真___）。

2.根据系统状态随时间变化是连续性还是间断性的，可将系统划分为（_连续系统_）、（__离散系统__）。

3.系统仿真中的三个基本概念是系统、（__模型_）、仿真。

4.拟对某系统进行研究，首先要对系统作出明确的描述，即确定系统各个要素：实体、属性、活动、（__状态_）、（_事件___）。

•阶段性知识测试5.系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和（__仿真实验__），联系这三个活动的是系统仿真的三要素，即系统、模型和计算机（硬件和软件）。

6.系统仿真的一般步骤是：（1）调研系统，明确问题、（2）（___设立目标，收集数据__）、（3）建立仿真模型、（4）编制程序、（5）运行模型，计算结果、（6）（_统计分析，进行决策__）•阶段性知识测试7.仿真软件发展经历了四个阶段（1）高级程序语言阶段；（2）仿真程序包、初级仿真语言阶段；（3）商业化仿真语言阶段；(4)（_一体化建模与仿真环境_）阶段。

8.常用的仿真软件有Arena、Automod、MATLAB、Promodel、（__WITNESS______）、（______FLEXSIM___）。

9.求解简单系统问题的“原始”方法是（___解析解决____），借助（___实验__）可大大提高该方法的效率和精度。

•阶段性知识测试10.排队系统可简化表示为A/B/C/D/E。

其中A为到达模式；B为（服务模式）、C为服务台数量、D为系统容量；E为排队规则。

11.常见的排队规则有：先到先服务、后到后服务、优先级服务、最短处理时间优先服务、随机服务等。

请以连线方式将下列排队规则名称的中英文对照起来。

先进先出FIFO后进先出LIFO随机服务SIRO最短处理时间优先SPT优先级服务PR•阶段性知识测试12.模型中，习惯称实体为成分。

成分可分为主动成分和被动成分。

请问排队系统中的随机到达的顾客属于（主动）成分（主动/被动）。

1、工业控制系统可分为几种大类型，各有什么特点?适合的应用领域。

答：工业控制系统可分为分布式控制系统（DCS ）和可编程逻辑控制器（PLC ）两大类型。

分布式控制系统（DCS ））是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性的新型控制系统，它具有高可靠性、开放性、灵活性、协调性、易于维护、控制功能齐全等特点，属于过程控制系统，主要控制手段是PID ，适用于流程工业； 可编程逻辑控制器（PLC ）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它的特点有可靠性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、功能完善、适用性强、易学易用、容易改造、体积小、重量轻、能耗低等，属于离散控制系统，主要控制手段是顺序与逻辑控制，适用于制造业，目前，已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

2、根据自己的理解简述现代控制理论的发展历史，分析为什么现代控制理论在过程控制系统中难以应用？答：现代控制理论是为了分析多输入多输出系统、非线性系统和时变系统而出现的，先是贝尔曼等人提出状态分析法，接着卡尔曼等人提出状态空间法，后来，罗森布洛克等人将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，与此同时，系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。

现代控制理论之所以难以在过程控制系统中应用，有以下几个主要原因：1) 现代控制理论获得较好效果的前提是系统内部结构参数完全已知，并且很精确，而过程控制系统中系统参数一般都是经常变化的，在每次重新开机之后系统参数都会发生变化2) 现代控制理论对系统状态变量采用的是微分运算，对各种干扰非常敏感，而过程控制系统中的干扰非常多，因此在过程控制系统中运用现代控制理论经常得不到好的结果，甚至出现错误的结果，现代控制理论适用于航天、实验室等干扰很少的场合3) x Ax Bu ∙=+；y Cx =中，输出并不在闭环内部，因此现代控制理论不能保证输出具有稳定性4) 现代控制理论在解决现实问题中为了保证系统的稳定性，一般会采用模糊化，这样做的代价是大大降低系统的精确性、快速性5) 在过程控制系统中应用现代控制理论后得到的结果往往不如直接运用PID 后得到的结果好3、什么是串级控制系统？其两个回路各有什么特点？答：串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。

第1题——最小二乘法的具体应用例子[题目]已知某一单输入单输出线性系统的差分方程形式为101()(1)()(1)()y k a y k b u k b u k k ξ=--++-+但其参数1a ，0b ，1b 为未知数，且()k ξ为不相关的随机序列。

经过辨识试验，测得5组输入输出数据为(1) 1.5u =，(2) 3.8u =-，(3) 3.1u =，(4) 2.99u =，(5) 5.12u =和(1)0.8y =，(2)0.1y =-，(3)0.45y =，(4)0.34y =，(5)0.12y =。

试求出其最优参数估计。

解：编写MATLAB 程序如下：u(1)=1.5;u(2)=-3.8;u(3)=3.1;u(4)=2.99;u(5)=5.12;y(1)=0.8;y(2)=-0.1;y(3)=0.45;y(4)=0.34;y(5)=0.12;c=10000;P=diag([c,c,c]);f=[-y(1) u(2) u(1)];K=P*f'*inv((1+f*P*f'));x=K*y(3);for n=1:1:2f=[-y(n+1) u(n+2) u(n+1)];%f2P=P-P*f'*inv((1+f*P*f'))*f*P;%P1K=P*f'*inv((1+f*P*f'));%K2x=x+K*(y(n+3)-f*x);%x2end其中x 中存储最终的结果：a1=-0.023;b0=-0.018;b1=0;第2题——以M 文件的形式编写一个MATLAB 仿真程序[题目]给定被控系统模型(1)()0.8()()y k y k u k f k +=++，其中干扰()0.20.1sin 0.01f k k =+，初值(0)0.2y =，(0)0u =。

试编写一个M 文件，对该系统在PD 控制律(1)()()u k u k u k +=+∆12()[()()]{[(1)()][(1)()]}r r r u k B y k y k B y k y k y k y k ∆=-++--+-作用下的输出()y k 进行仿真，将系统的实际输出()y k 与参考输出()r y k 画在同一张坐标图上。

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，也可以进行非实时仿真.（5）易于和实物相连。

1-5什么是CAD技术？控制系统CAD可解决那些问题？答：CAD技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design)，是将计算机高速而精确的计算能力,大容量存储和处理数据的能力与设计者的综合分析，逻辑判断以及创造性思维结合起来，用以加快设计进程，缩短设计周期，提高设计质量的技术.控制系统CAD可以解决以频域法为主要内容的经典控制理论和以时域法为主要内容的现代控制理论。

《系统建模与仿真》作业第一次（共两次）布置作业时间：“经典建模法”结束后 要求交作业时间：从布置日开始不超过1周 作业量：共3道题第1题——体现电气系统经典建模[题目] 在如图所示的电路中，R 表示一个电阻，L 表示一个电感，C 表示一个电容，i 表示电流强度，u 表示输入电压，c u 表示电容器的输出电压。

试写出一个状态空间数学模型。

u图1 典型的RLC 电路第2题——体现机械系统经典建模[题目]如图2是一个文字处理器打印轮轴控制系统的简化图。

打印轮轴由一个直流电动机通过皮带和滑轮进行控制。

假设皮带是刚性的，电动机与皮带轮之间的连接也是刚性的，并定义如下的参数和变量：m ()T t 是电动机的力矩；m ()t 是电动机的角位移；()y t 是打印轮轴的线性位移；m J 式电动机的惯量；m B 是电动机的粘性摩擦系数；K 是扭转轴的刚性系数；r 是滑轮的半径；M 是打印轮轴的质量。

（1）写出系统的微分方程；（2）写出系统的传递函数模型m ()()Y s T s 。

T打印轮轴图2 打印轮轴控制系统简化图第3题——体现热工过程经典建模汽轮机高压加热器疏水系统的原理框图如图3所示，其中各段抽汽的压力大小关系为321p p p >>，抽汽温度大小关系为321T T T >>。

给水流量w 和给水温度T 一般来说为两个随机变量。

三个疏水管道阀门的开度为归一化量，即]1,0[,,321∈u u u 。

三个高压加热器的疏水水位分别为1y ，2y ，3y 。

它们的关系可描述为),,,(111111T w T p f u k y+-= ),,,(22223122T w T p f u k u k y+-= ),,,(T w T p f u k u k y+-=图3 汽机高加疏水系统原理框图式中的),,,(111T w T p f ，),,,(222T w T p f ，),,,(333T w T p f 表示系统的不确定干扰，1k ，2k ，3k ，4k ，5k 表示适当的正常数。

共10题每题10分1、什么是数学建模形式化的表示？试列举一例说明形式化表示与非形式化表示的区别；模型的非形式描述是说明实际系统的本质，但不是详尽描述。

是对模型进行深入研究的基础。

主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设组成。

模型的非形式描述主要说明实体、描述变量、实体间的相互关系及假设等。

例子：环形罗宾服务模型的非形式描述：实体CPU，USR1，…，USR5描述变量CPU:Who,Now(现在是谁)----范围{1,2,…,5}; Who.Now=i表示USRi由CPU服务。

USR：Completion.State（完成情况）----范围[0，1]；它表示USR完成整个程序任务的比例。

参变量-----范围[0，1]；它表示USRi每次完成程序的比率。

实体相互关系（1）CPU 以固定速度依次为用户服务，即Who.Now为1，2，3，4，5，1，2…..循环运行。

（2）当Who.Now=I,CPU完成USRi余下的工作。

假设：CPU对USR的服务时间固定，不依赖于USR的程序；USRi的进程是由各自的参变量决定。

2、模型描述变量化简的四种方法比较；建模过程中，在能满足建模的前提下，系统的描述变量应是愈简单愈好。

模型描述变量一般有以下四种方法：（1）、淘汰一个或多个实体、描述变量或相互关系规则；建模者决定淘汰那些次要因素，只要忽略的因素不会显著地改变整个模型行为，相反却使不必要的复杂了。

淘汰一个实体可能要淘汰或修改其他实体：淘汰一个实体，需要淘汰所有涉及这个实体的描述变量；淘汰一个描述变量，需要淘汰或修改涉及该变量的相互关系。

（2）、随机变量取代确定性变量；在一个确定性模型中，相互关系的规则控制着整个描述变量的值。

有些随机值也是由相互关系的规则确定，为了使模型相对简化，可利用概率原理，用随机变量来取代某些变量的相互关系规则，从而将影响变量转换成随机变量。

（3）、粗化描述变量；描述变量是描述模型实体条件的一种方法，变量可能出现的值表示在某一时间可找到这个实体的一种可能条件，其变量的范围集是变量可能出现的所有值的集合。

《系统建模与仿真》试题
1、名词解释（每题5分，共计20分）
（1）系统：
（2）连续系统：
（3）离散事件系统：
（4）系统仿真过程：
2、什么是系统建模与仿真技术？（6分）
3、画图说明计算机仿真的三要素及三个基本活动。

（8分）
4、什么是数学模型的有效性？解释复制有效、预测有效和结构有效的含义。

（8分）
5、动态数学模型求解的实时性要求是什么？常用哪些方法提高实时性？（8分）
6、什么是数值积分方法的截断误差、舍入误差及稳定性？（8分）
7、简述离散事件系统的基本要素有哪些？（8分）
8、请画图示意系统仿真的基本步骤。

（8分）
9、请画图示意系统建模的基本步骤。

（8分）
10、试建立人口Logistic(逻辑)模型，并说明模型中何参数为自然增长率，为什么？（8分）
11、假设某个银行只有一个营业窗口开放，顾客随机性的进入银行，然后按照先后次序排队等候服务。

营业员服务顾客的时间也是一个随机变量，假定顾客到达的时间和每位顾客接受服务的时间都已给出，并且已填写在下面的表格中，采用“手工”的方式模拟这个系统。

直到第10位顾客服务完成后离开系统。

（10分）
根据仿真结果回答下列问题：
（1）顾客在系统中的平均滞留时间（从进入到离开的时间）（2）顾客的平均排队等待时间
（3）营业员处于空闲状态的百分比。

《系统建模与仿真》复习题样例一、单项选择题(每题0.5分,共32题)1、WITNESS建模过程中，需要修改布局窗口的名称和背景颜色，可以通过下列哪个菜单操作完成（）。

----序号473A、VIEW->Screen EditorB、Window->Interact BoxC、Window->ControlD、Window->Designer Elements2、在程序执行时，根据不同的条件，选择执行不同的程序语句，用来解决有选择、有转移的诸多问题的结构是.（）。

----序号237A、顺序结构B、循环结构C、分支结构D、模块结构3、零件（part）到达系统的时间间隔规律在零件详细设计对话框的（）中进行设置。

----序号148A、typeB、first arrivalC、inter arrivalD、to4、机器（machine）元素的静态显示图标是由（）显示项目确定的----序号99A、nameB、iconC、styleD、text5、图标代表的是那种类型的元素（）。

----序号461A、FluidB、PipeC、ProcessorD、Tank6、在Index型输送链中对其长度进行设置需要在conveyor详细设计对话框中的（）进行设置。

----序号168A、length in partsB、index timeC、actions on finishD、from7、如果要对容器的轮廓进行可视化设计以便能看到流体经过该容器，我们需要对容器的（）属性进行设置。

----序号309A、tankB、contentsC、mixD、laborqueue8、一系统中有一流体（fluid）元素oil，系统运行100min后检查该流体在某一处理器Processor 中的在制品库存，所用到的函数是（）。

----序号301A、VcontsB、VwipC、VinD、Vout9、下列哪个图标表示作业员Labor元素（）。

《系统建模与仿真》复习题样例江苏大学《系统建模与仿真》复习题样例：考试内容主要但不限于如下内容一、单项选择题(每题.5分,共32题)1、下列哪个图标表示输送链Conveyor元素（C）。

----序号17A、 B、 C、 D、2、某条生产线生产产品A，生产速率为1件/3分钟，生产的产品将送入仓库Buf 存储起来，假设生产线产出的第一件A在仿真时刻3，则运行至仿真时刻60，统计进入Buf的零件A的数量可以使用下面的函数(B)。

----序号507A、NPARTS(Buf)B、NPARTS(A)C、NPARTS2(Buf,A,1)D、APARTS(Buf)3、一次能处理多个部件，即n个部件输入n个部件输出的是：（B ）。

----序号218A、单处理机B、批处理机C、装配机D、生产机4、在模型中有一属性元素process_time，表示不同的零件在某一机器上所需要的加工时间，那么，在机器详细设计中，对机器的加工时间cycle time栏中应输入（）----序号144A、process_timeB、process_time（）C、matchD、cycle time5、对缓冲器（buffer）中几个缓冲区用矩形框框起来的可视化设计，其所需要使用的可视化属性是（B ）。

----序号134A、nameB、rectangleC、patchD、part queue6、零件（part）到达系统的时间间隔规律在零件详细设计对话框的（ C）中进行设置。

----序号148A、typeB、first arrivalC、inter arrivalD、to7、有3个零件nut一次性进入系统缓冲区buf1中等待机器加工，机器加工该零部件的时间为3分钟，则计算Bmaxtime（buf1）的结果是（）。

----序号261 A、3 B、6 C、8 D、98、可以用于机器（machine）输入（from）规则的是（ A）。

----序号80A、pullB、pushC、sendD、take9、下列哪个图标表示时间序列曲线Timeseries元素（A ）。

系统建模与仿真习题一及答案1. 有源网络如图所示（1） 列些输出0u 与输入1u 之间的微分方程。

（2） Ω=101R 、Ω=52R 、Ω=23R 、Ω=34R 、F C 2=，在零初始条件下，将（1）中的微分方程表示为传递函数、状态空间形式、零极点增益形式。

（3）求（2）中方程在输入1u 为单位阶跃响应下的输出曲线。

解：（1） 由运算放大器的基本特点以及电压定理)4()3()(1)2()()1(2132021421320111R i R i u dt i i Cu R i i u R i u R i u c c -=+=+++==⎰（3）式代入（2）式得：42121320)()(1R i i dt i i C R i u ++++=⎰ （5）消去中间变量21,i i 有13142430114131230111120)(1u R R R R R R u u R R dt u R R R R u R u C u R R u ++++++=⎰ 两边求导整理后得（2）代入数据可以得到微分方程为：11007.02.610u u u u--=+ 程序如下：clc;clear;num=[-6.2 -0.7]; den=[10 1]; Gtf=tf(num,den) Gss=ss(Gtf) Gzpk=zpk(Gtf)结果：Transfer function: -6.2 s - 0.7 ------------ 10 s + 1状态空间形式： a =x1 x1 -0.1 b =u1 x1 0.125 c =x1 y1 -0.064 d =u1 y1 -0.62Continuous-time model.Zero/pole/gain: -0.62 (s+0.1129) ---------------- (s+0.1)（3）由（2）知系统的传递函数为-6.2 s - 0.7 ------------ 10 s + 1系统的输入信号为单位阶跃函数，则其Laplace 变换为1/s ，这样系统的输出信号的Laplace 变换为Y(s)=-6.2 s - 0.7 ------------ 10 s^2 + s编写程序，将其表示为（R,P,Q ）形式 clc;clear; s=tf('s')Gtf=(-6.2*s-0.7)/(10*s^2+s) [num,den]=tfdata(Gtf,'v') [R,P,Q]=residue(num,den) R =0.0800 -0.7000 P =-0.1000 0 Q = []于是得到：7.008.0)(1.0-=-t e t y 绘制曲线程序： clc;clear; t=0:0.1:100;y=0.08*exp(-0.1*t)-0.7; plot(t,y)2.已知系统的框图如下：其中：G1=1/(s+1)，G2=s/(s^2+2)，G3=1/s^2，G4=(4*s+2)/(s+1)^2，G5=(s^2+2)/(s^3+14)。