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工业自动化系统的建模和仿真一、引言工业自动化系统的建模和仿真技术将数字化和物理化两种领域联系起来，将设备和系统的各个组成部分进行数字模拟，以评估设备和系统的设计及运行情况。
该技术在现代智能化制造中扮演着重要的角色，并在各个领域得到广泛应用。
二、工业自动化系统建模技术工业自动化系统建模是指对工业自动化系统中各个设备进行抽象化，以便于对其进行数字化仿真。
其基本流程包括：系统建模、参数设置、工艺流程确定和模型校正。
其中系统建模是整个流程的核心，通常包括输入、输出和状态及其相互关系。
该技术的主要目的包括在系统的设计和改进阶段帮助分析师预测系统的性能并进行调整。
（一）建模方法工业自动化系统建模方法主要包括传统的“带公差”和现代CAD 技术两种方法。
带公差法被广泛应用于工程中，可以很好地反映出系统实际情况，并减少了过度的抽象化程度。
而CAD技术则更加注重数据表现和可重用性，通过制定参数表将数字模型实际化。
（二）系统建模在建模中，系统结构分层、逐步离散化，将系统整个运作过程分成各个小步骤进行分析，通过计算机模拟方式生成实际的运行过程。
针对不同的系统，应当选择适合其特定情况的建模方法，以获得最佳的建模结果。
（三）反馈控制工业自动化系统建模及仿真技术还包括反馈控制。
即在系统运行过程中，通过测量实时数据与预设值之间的差距，调整系统的输出。
这项技术的应用给工业生产带来了革命性的影响，使得生产更加智能化、精益化，并提高了生产效率和生产质量。
三、工业自动化系统仿真技术工业自动化系统仿真技术是指在工业自动化系统建模的基础上，对设备和系统的运行过程进行模拟并进行精确的预测。
仿真主要用于分析系统的性能和运行可靠性，以及为后续的改进、优化提供数据基础。
该技术在现代制造、军事训练等领域得到广泛应用。
（一）数字仿真数字仿真技术是将物理系统的运行过程进行数字化，并通过计算机模拟方式生成实际的运行过程。
数字仿真主要有三种类型：离散事件仿真、连续仿真和混合仿真。
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。
Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析教学设计一、教学目标本课程旨在通过【Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析】的教学，使学生掌握如下知识和能力：1.了解数字通信系统基本概念及其发展过程；2.掌握数字通信系统的建模方法和仿真技术；3.能够通过实例分析，掌握数字通信系统的性能分析方法；4.能够设计数字通信系统并进行仿真。
二、教学内容1. 数字通信系统概述•数字通信系统基本概念•数字通信系统的应用领域及其发展历程2. 数字通信系统建模方法•数字信号的基本特性•采样、量化和编码的基本原理•数字调制技术•误差控制编码技术3. 数字通信系统的仿真技术•Simulink仿真环境的基本概念和使用方法•通信系统仿真模型设计方法4. 数字通信系统的性能分析方法•常见数字通信系统的性能参数及其定义•数字通信系统的误码率分析方法5. 数字通信系统设计与仿真实例分析•基于Matlab/Simulink的通信系统建模和仿真实例分析三、教学方法本课程采用主题讲授和案例分析相结合的教学模式。
主要教学方法包括：1.讲授：教师通过课堂讲解授予基本概念、原理和技术，并采取案例分析的方法，使学生逐步领悟和掌握学习内容。
2.实验：采用Matlab/Simulink仿真软件进行数字通信系统建模和仿真实验。
3.课堂讨论：设计选题和应用实践案例的课堂讨论。
四、教学评估本课程的教学评估主要通过期末考试、实验报告和作业完成情况来进行。
1. 期末考试期末考试采用闭卷考试形式，主要测试学生对数码通信系统理论的掌握情况，考核内容覆盖课程中所讲述的主要内容。
2. 实验报告实验报告要求学生通过Matlab/Simulink仿真软件对数字通信系统进行建模和仿真，并撰写学习笔记和所完成实验的结果分析。
3. 作业完成情况教师将根据课堂讨论和布置的作业对学生的学习情况进行评估。
五、教学资源教师将为本课程提供以下教学资源：1.选取优秀的课程设计案例，供学生进行仿真和分析；2.为学生提供Matlab/Simulink仿真软件的操作指导和优秀的资源链接。
（一）基于witness的单服务台排队系统仿真实验一、实验目的：1.了解排队系统的设计。
2.熟悉系统元素Part、Machine、Buffer、Variable、Timeseries的用法。
3.深入研究系统元素Part的用法。
4.研究不同的顾客服务时间和顾客的到达特性对仿真结果的影响。
二、实验设备：计算机、witness仿真软件三、实验过程：1、元素定义（Define）本排队系统共有6个元素，具体定义如下表：2、Part元素可视化设置；Buffer元素可视化设置；Machine元素可视化设置；Variable元素可视化设置；Timeseries元素可视化设置；3、根据实验要求，分别对Part、Buffer、Machine、Timeseries类型的元素进行细节设置四、实验结果：队列积分（jifen0）：25388Guke：Fuwuyuan:Paidui:五、实验过程中遇到的问题及实验总结：通过数据报告可以发现，不同顾客的服务时间和顾客的到达特性，对应的仿真结果有所不同。
顾客的到达特性以及顾客的服务时间都影响着排队系统的最大队长、最小队长和平均队长以及平均每位顾客的等待时间。
（二）基于witness的库存系统仿真设计实验一、实验目的：1.熟悉系统元素Track、Vehicle的用法。
2.深入研究系统元素Part的用法。
3.了解库存系统的设计。
4.寻找最佳库存策略。
二、实验设备：计算机、witness仿真软件三、实验过程：1、对元素Part：p、kucun；Buffer：kucun1；Machine：xuqiu；Track：load1、unload1；Vechicle：car；Variable：c、c1、c2、c3；Distribution：ra和Timeseries：kucunliang进行定义和可视化设置；2、对各个元素进行细节设计：（1）对kucun细节设计，如type、interarrival、actions on create等；（2）对kucun1细节设计，capacity和input；（3）对xuqiu细节设计，如type、input、output等；（4）对load1、unload1细节设计（5）对car细节设计，如capacity、speed等；（6）对ra细节设计（7）对Timeseries元素kucunliang细节设计；设计结果如图所示：对仿真钟进行设置，运行100仿真时间单位，进行运行；四、实验结果：五、实验过程中遇到的问题及实验总结：由实验结果可以看出，方案（L=20，S=40）的总费用最少，所以该方案最优。
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。
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-IV2. 连续系统仿真1) 特点● 微分方程()n i t x x x f dtdx n i i,,2,1 ; ,,,,21 == ● 离散化()()()()(),n ,, i kT k x k x k x f k x n i i 21 ; ,,,,121==+● 误差和稳定性0X X X -=∆和步长k截断误差和舍入误差2) 仿真的主要内容● 模型与实际系统的比较 ● 系统的初态、暂态和终态 ● 系统的扰动 ● 系统的输入● 求微分方程的特解或近似曲线3) 分析的手段和工具1） 微分方程的离散化（步长T 选择） 2） 仿真计算 ● 欧拉法()()()()()()k k x k x k x Tf k x k x i i i i ,,,,121 +=+● 梯形法()()()()k k x Tf k x k x i i i ,10+=+()()()()()()[]1,1,211++++=++k k x f k k x f Tk x k x j i i i j i其中，j=0,1,2,…… ● 预报---较正法()()()()k k x Tf k x k x i i i ,10+=+()()()()()()()[]1,1,21101++++=+=+k k x f k k x f Tk x k x k x i i i i i● 龙格---库塔法（泰勒级数展开）()()[]n i K K K K k x k x i i i i i i ,,2,1 226114321 =++++=+()()k i i t k x Tf K ,1=()()T t K k x Tf K k i i 5.0,5.012++= ()()T t K k x Tf K k i i 5.0,5.023++= ()()T t K k x Tf K k i i ++=,5.034● Adams 方法（线性内插和外推）● Tustin 方法（ste Z =）⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=--11112z z T S ● 状态转换法一般地，欧拉法、龙格---库塔法等适合于非线性系统的仿真；Tustin 方法和状态转换法适合于线性系统的仿真。
4) 噪声的生成(见下面“随机数发生器”)5) 输出分析6) 仿真语言或工具CSMP（框图思想、结构语句、数据语句、控制语句）3. 离散事件系统仿真0）问题举例机修车间分为修理区和等待区，修理区每次只能修理一台机器。
送修机器到达时，如修理区空闲，则直接进入修理区接受修理，修好后，由出口取走；如果修理区不空，则放在等待区排队待修。
目前，此车间不能满足本厂的需要，据一年的统计知，机器平均等待时间为60天，平均逗留时间（等待时间加上修理时间）为75天，修理台利用率为0.98。
工厂主管部门拟扩大修理区，再增加一台同样的修理台，以降低送修机器的等待时间，但又担心增加台数，会使修理台的利用率太低（如50%以下），而造成浪费。
因此，想用仿真方法预测一下修理区扩大后的状况。
第一步，明确仿真目的在机修车间问题中，仿真目的是统计计算现在系统和未来系统的平均等待时间、平均逗留时间和修理台利用率。
第二步，系统描述（1）系统组成成份机修车间的系统成份可分为入口（输入过程）、等待区（排队）和修理区（服务过程）三部分。
（2） 描述变量在入口，选用描述变量（u i ,t i 1）表示送修机u i 于t i 1时刻到达。
在等待区，用Q 1Q 2 Q 3… …Q M 表示排队，M 为队列的长度；（x i , t i 0）表示机器x i 于t i 0时刻进入修理区，其中描述变量t i 0表示机器x i 开始接受修理的时刻。
在修理区，用（x i ,t i 2）表示机器x i 于t i 2时刻修好并离去。
当有一台机器修好离去时，如队列长度M ≠0，则t i 0等于刚离去的那台机器的离去时刻t i-12；当有一台机器u i 到达时，如M =0，则t i 0等于这台机器的到达时刻t i 1。
这样，描述变量(x i , t i 0)就是从属的，可省去。
最后得到该系统的最小描述变量组为： 输入量（u i ,t i 1）t i 1∈(0, 365) (单位：天)状态()⎥⎦⎤⎢⎣⎡221,j j M t x Q Q Q , t j 2∈(0, 365) (单位：天)，x j 正在修理的机器 对于入口，假设在不相重叠的时区区间内机器到达数是相互独立的（无后效性），对充分小的Δt ,在区间[t , t+Δt ）内有一台机器到达的概率与t 无关,而大约与区间长Δt 成正比（平稳性），对于充分小的Δt ，在时间区间[t , t+Δt ）内有两台或两台以上机器到达的概率极小，可以忽略（普遍性），则在时间[0, t ）有n 台机器到达的概率为P n (t )=(λt )n e-λt/n !，即到达的机器服从泊松分布，其中λ表示单位时间平均到达的机器数。
在上述假设下，一般机器到达的时间间隔T = t i+11- t i 1 , 服从负指数分布，其密度函数为⎩⎨⎧<≥=-0 t 00t )(t T e t f λλ在仿真中T 采用截尾指数分布。
在等待区，队列由Q 1Q 2Q 3… …Q M 描述。
采用先来先修理的排对规则，即若又来了一台机器u i 要修理，队列将变成Q 1Q 2Q 3… …Q M u i 。
实际上还有按优先级修理等其他排队规则。
同时为简单起见，假设等待区足够大，即队列长度不限。
在修理区，修理好一台机器所需时间T ，= t i+11- t i 1也服从截尾指数分布。
（3） 参数 泊松参数分布λ （4） 相互关系设当前时刻为t ，则可得t i +11 =t i 1 + T , t i+12 = t i 2+ T ’当机器u k +1在t i +11时刻进入系统后，系统由当前状态S k 生成下一状态S k +1，其中()⎥⎦⎤⎢⎣⎡=221,j j M k t x Q Q Q S 当t k +11< t j 2时，()⎥⎦⎤⎢⎣⎡=++21211,j j k M k t x u Q Q Q S 当t k +11 ≥ t j 2时，()⎥⎦⎤⎢⎣⎡=++2111321,t x u Q Q Q S k M k , M ≥1 ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∅=+++2111,k k k t u S , M =0仿真目的是求平均等待时间、平均逗留时间和修理台利用率，但这些量不直接等于状态变量。
据分析，这些量可由总和等待时间TWT ，总和空闲时间TFT 和到达机器总数NT 换算出来，故尚需设置输出函数如下：=1）离散系统仿真在离散系统仿真中，系统的状态只在随机的时间点上发生阶跃，而在两个时间点之间不发生变化。
其特点有：● 概率模型● 拥挤现象和服务水平 ● 统计分析2）仿真的主要内容● 统计参数（平均等待时间、平均队长、平均服务时间，等等） ● 稳定过程和非稳定过程 ● 方案选择3）仿真原理蒙特卡罗Mante – Carlo 方法论 基本原理：● 随机离散事件TWT k +1 TFT j +1NT k +1TWT k +M*( t k +11- t k 1) 状态每改变一次计算一次 TFT j +( t j +11- t j 1) t j 1时刻修理区为空，且在t j+11时刻产生到达事件时 计算NT k +1 机器到达时计算●仿真时钟及其推进方式●未来事件表●随机数发生器●采集和输出统计数据●事件安排/时间推进的仿真机制4）仿真方法（1）建模方法：●实体流图法●活动周期图法●Petri网方法●Euler网方法（2）仿真策略●事件调度法●活动扫描法●进程交互法（3）仿真模型的计算机实现面向事件仿真模型的实现面向活动仿真模型的实现5）分析的手段和工具（1） 随机数产生器A. 伪随机数发生器[0,1]均匀分布，可采用随机数表、物理方法、数学方法。
● 中值平方法例如，92.0,92,59297777.0,77,5776762222111220========u x x u x x● 中值乘积法例如，种子数=5167，乘数=3729，种子数与乘数之积=19267743,产生的随机数=0.2677● 线性同余法()c az m z i i +=-1mod , 令m z u i i /=例如，取m =16, a =5, c=3, z 0=7, 则()35 16mod 1+=-i i z z于是，z 1=6, u 1=0.375z 2=1, u 2=0.063z 3=8, u 3=0.500……..B. 产生规定分布的随机变量离散事件仿真中常用的规定分布有负指数分布、均匀分布、正态分布、对数正态分布、爱尔郎分布、β分布、γ分布、三角分布、韦伯尔分布、二项分布、泊松分布、经验分布，等。
