系统模型、系统优化及系统仿真的相互关系

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。

控制系统数字仿真题库一、填空题1. 定义一个系统时，首先要确定系统的边界；边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以为环境的作用称为系统的输出。

2．系统的三大要素为：实体、属性和活动。

3．人们描述系统的常见术语为：实体、属性、事件和活动。

4．人们经常把系统分成四类，它们分别为：连续系统、离散系统、采样数据系统和离散-连续系统。

5、根据系统的属性可以将系统分成两大类：工程系统和非工程系统。

6．根据描述方法不同，离散系统可以分为：离散时间系统和离散事件系统。

7. 系统是指相互联系又相互作用的实体的有机组合。

8．根据模型的表达形式，模型可以分为物理模型和数学模型二大类，其中数学模型根据数学表达形式的不同可分为二种，分别为：静态模型和动态模型。

9、采用一定比例按照真实系统的样子制作的模型称为物理模型，用数学表达式来描述系统内在规律的模型称为数学模型。

10．静态模型的数学表达形式一般是代数方程和逻辑关系表达式等，而动态模型的数学表达形式一般是微分方程和差分方程。

11．系统模型根据描述变量的函数关系可以分类为线性模型和非线性模型。

12 仿真模型的校核是指检验数字仿真模型和数学模型是否一致。

13．仿真模型的验证是指检验数字仿真模型和实际系统是否一致。

14．计算机仿真的三个要素为：系统、模型与计算机。

15．系统仿真的三个基本活动是系统建模、仿真建模和仿真试验。

16．系统仿真根据模型种类的不同可分为：物理仿真、数学仿真和数学-物理混合仿真。

17．根据仿真应用目的的不同，人们经常把计算机仿真应用分为四类，分别为：系统分析、系统设计、理论验证和人员训练。

18．计算机仿真是指将模型在计算机上进行实验的过程。

19. 仿真依据的基本原则是:相似原理。

20. 连续系统仿真中常见的一对矛盾为计算速度和计算精度。

21．保持器是一种将离散时间信号恢复成连续信号的装置。

22．零阶保持器能较好地再现阶跃信号。

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。

《系统工程学》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.系统工程学的研究对象主要是：A. 自然系统B. 人造系统C. 社会系统D. 生态系统2.下列哪项不是系统工程的基本特点？A. 整体性B. 综合性C. 科学性D. 分散性3.在系统工程方法中，下列哪一项不属于霍尔三维结构？A. 时间维B. 逻辑维C. 知识维D. 资源维4.系统分析的主要目的是：A. 系统设计B. 系统优化C. 系统评价D. 问题诊断5.下列哪项不是系统模型的基本类型？A. 物理模型B. 数学模型C. 概念模型D. 仿真模型6.在系统评价中，常用的方法之一为：A. 成本效益分析B. 敏感性分析C. 可靠性分析D. 所有选项都是7.系统工程中的“黑箱”方法是指：A. 不考虑系统内部结构的方法B. 只考虑系统输入和输出的方法C. 只考虑系统内部结构的方法D. 同时考虑系统内部结构和外部环境的方法8.下列哪项不是系统工程在项目管理中的应用？A. 项目计划制定B. 项目风险分析C. 项目团队组建D. 项目质量控制9.系统仿真在系统工程中的主要作用是：A. 系统分析B. 系统设计C. 系统实验D. 系统评价10.系统工程方法在军事领域的主要应用是：A. 武器系统设计B. 战术策略制定C. 军事演习组织D. 所有选项都是二、填空题（每空2分，共20分）1.系统工程学是一门研究系统的______、设计、制造、试验和使用的工程技术学科。

2.系统工程方法的核心思想是______。

3.在系统工程中，系统的基本特性包括整体性、关联性、______和动态性。

4.系统工程V模型包括需求分析、系统设计、______、系统集成和系统验收等阶段。

5.在系统评价中，常用的指标包括经济效益、社会效益、环境效益和______。

三、判断题（每题2分，共20分）1.系统工程学只研究人造系统，不研究自然系统。

（）2.系统工程方法是一种自下而上的方法。

（）3.系统分析是系统工程方法的第一步。

1.系统工程的研究对象是：组织化的大规模复杂系统;2.系统的定义：由两个以上的有机联系、相互自作用的要素组成,具有特定功能、结构很环境的整体;3.该定义的四个要点：系统及其要素、系统和环境、系统的结构、系统的工程;4.系统的一般属性：整体性是系统最基本、最核心的特性、是系统性最集中的体现;、关联性构成系统的要素是相互联系、相互作用的、环境适应性、目的性、层次性;简答：1.说明系统的一般属性的含义,并据此归纳出若干系统思想或观点;整体性：是系统最基本、最核心的特性,是系统性最集中的体现;关联性：构成系统的要素是相互联系、相互作用的；同时,所有要素均隶属于系统整体,并具有互动关系; 环境适应性：环境的变化必然引起系统功能及结构的变化;系统必须首先适应环境的变化,并在此基础上使环境得到持续改善;目的性、层次性系统思想或观点：比如：从综合系统的整体性和目的性,可归纳出整体最优的思想;5.系统工程所研究对象系统的复杂性主要表现在：系统工程工程和属性多样性,由此带来的多层目标间经常会出现相互消长、或冲突的关系；系统通常由多维且不同质的要素所构成；一般为人—机系统,而人及其组织或群体表现出固有的复杂性；由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益复杂化和动态化;大会莫复杂性系统还具有规模庞大及经济性突出等特点;6.系统的类型：自然系统和人造系统；实体系统和概念系统；动态系统和静态系统；封闭系统和开放系统举例：现在工业企业及其生产经营活动具有许多系统性特征;首先,工业企业及其生产经营是一个由人、财、物信息等基本要素构成的整体性系统；其次工业企业是一个投入—产出系统;第三,工业企业是个开放系统;第四,宫爷爷接生产经营过程形成一个具有自适应能力的动态系统过程;7.系统工程的概念：指是从整体出发、合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法和技术的总称,属于一门综合性的工程技术;8.系统工程是一门交叉性的学科9.系统工程方法的思想和及应用要求：需要确立系统的观点系统工程工作的前提、总体最优及平衡协调的观点目的、综合运用方法和技术的观点解决问题的手段、问题导向和反馈控制的观点有效的保障;10.系统工程方法的特点：系统工程是一门交叉性的学科;系统工程是一般采用先决定整体框架、后进入内部详细设计的程序；系统工程试图通过将构成事物的要素加以适当配置来提高整体工程,其核心思想是“综合即创造”；系统工程属于“软科学”；科学性与艺术性兼容；多领域,多科学的理论、方法与技术的集成；定性分析与定量分析有机结合；需要有关各方面的人员,组织等的协作;11.系统工程方法论：指分析和解决系统开发、运作及管理实践中的问题所遵循的工作程序、逻辑步骤和基本方法;踏实系统工程思考问题和处理问题的一般方法和总体框架;12.系统工程的应用领域：工程项目管理系统工程;研究工程项目的总体设计、可行性、国民经济评价、工程进度管理、工程质量管理、风险投资分析、可靠性分析、工程成本效益分析等;13.霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、结合化、最优化、程序化和标准化等特点,是系统工程方法论的重要基础内容;14.霍尔三维：时间维：是系统工程的工作阶段或进程;系统工程工作从规划到更新的整个过程或寿命周期分为七个阶段：规划阶段、设计阶段、分析或研制阶段、运筹或生产阶段、系统实施或“安装”阶段、运行阶段、更新阶段;逻辑维：是指系统工程每阶段工作所应遵循的逻辑顺序和工作步骤;一般分为七步：百名问题、系统设计、系统综合、模型化、最优化、决策、实施计划;知识维和专业维15.霍尔三维结构核心内容是最优化;其特点:强调目标明确、核心内容是最优化、认为现实问题基本上度可以归纳为工程系统问题、应用定量分析手段求最优解、研究方法上的整体性三维、技术运用上的综合性知识维、组织管理上的科学性时间维和逻辑维、系统工程工作的问题导向性;16.切克兰德方法论主要内容和工作过程：认识问题、根底定义、建立概念模型、比较及探索、选择、设计与实施、评估与反馈;17.霍尔三维结构和切克兰德方法论的异同点：相同点：均为系统工程方法论,均以问题为起点、具有相应的逻辑过程不同点：霍尔方法论主要以工程系统为研究对象,而切克兰德方法论更适合对社会经济和经营管理等“软”系统问题研究；前者的核心的问题是优化问题,而后者的核心内容是比较学习；前者更过的是关注定量分析,后者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法; 18.系统分析的定义：指是运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与定量两结合的分析,为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程19.系统分析的基本要素：问题、目的及目标目的具有整体性和唯一性,目标具有从属性和多样性、方案、模型、评价、决策者简答：.4、系统分析的要素有哪些并简述各自的含义;系统分析的6个基本要素：问题：一方面代表研究对象,或称对象系统；另一方面表示现实系统与目标系统的偏差;目的及目标：目的是对系统的总要求,具有整体性和唯一性；目标是系统目的的具体化,具有从属性和多样性;方案：方案是达到目的及目标的途径;模型：由说明系统本质的主要因素及其相互关系构成;是研究与解决问题的基本框架,起到帮助认识系统、模拟系统和优化与改造系统的作用,是对实际问题的描述、模仿和抽象;评价：即评定不同方案对系统目的的达到程度;决策者：系统问题中的利益主体和行为主体;5、如何正确理解系统分析的程序系统分析的基本过程：认识问题→探寻目标→综合方案→模型化→优化或仿真分析→系统评价→决策;并非对所有问题进行系统分析都要履行这些环节,而是要根据实际问题的需要有所侧重或只涉及其中一部分环节;但认识问题、综合方案、系统评价等过程通常必不可少;6、初步系统分析有何意义如何做好这项工作认识问题、探寻目标及综合方案构成了初步的系统分析;What：研究哪些问题,问题与哪些因素相关why：为什么要研究该问题,期望达到的状态是什么where：系统边界和环境如何when：分析的是什么时候的情况who：问题与谁直接相关how：如何实现系统的目标状态这些是使系统分析走上正轨的过程,又是使系统分析人员和决策者一起进入角色的过程;8、进行系统分析的原则和要求有哪些为什么1坚持问题导向：帮助决策者解决实际问题,是系统分析的目的2以整体为目标：以整体最优为核心的系统观点是系统分析得前提条件;3多方案模型分析和选优：对多个方案进行模型化及优化或仿真计算,尽可能得到定量化的分析结果,是系统分析的核心内容;4定量分析和定性分析相结合：系统分析的基本手段;5多次反复进行：系统分析成功的重要保障;20.系统分析的程序：认识问题、探寻目标、综合方案、模型化、优化或仿真分析、系统评价、决策;前三个为初步分析定性分析,第四五个为规范分析定量分析,第六七个为综合分析评价21.应用系统分析的原则：坚持问题导向、着眼整体、权衡优化、方法集成其主要特点及相应的要求：坚持问题导向、以整体为目标、多方案模型分析和选优、定性与定量分析相结合、多次反复性进行;22.创新方案的产生技术：提问法、头脑风暴法、德尔菲法、群体决策支持系统、情景分析发;23.模型的三个特征：它是现实世界部分的抽象或模仿、它是由那些与分析的问题有关因素构成的、它表明了有关因素间的相互关系;24.模型化就是为了描述系统的构成和行为,对实体系统的各种因素进行适当筛选,用一定方式数学、图像等表达系统实体的方法;简答：1、系统模型有哪些主要特征模型化的本质和作用是什么主要特征：它是现实世界部分的抽象或模仿；它是由那些与分析问题有关的因素构成的；它表明了有关因素间的相互关系;模型化的定义：为描述系统的构成和行为,对实体系统的各种因素进行适当筛选,用一定方式数学、图像等表达系统实体的方法;本质：利用模型与原型之间某方面的相似关系,在研究过程中可以用模型来代替原型,通过对模型的研究得到关于原型的一些信息;作用：模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达;这种表达是简洁的、形式化的;模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础,这会导致对科学规律、理论、原理的发现;利用模型可以进行“思想”试验;。

物流系统建模与仿真考前复习题1、名词解释（5*4分）（1）系统：系统是由若干可以相互区别、相互联系而又相互作用的要素所组成，在一定的阶层结构形成中分布，在给定的环境约束下，为达到整体的目的而存在的有机集合体。

（2）物流系统模型：物流系统模型是对物流系统特征要素、有关信息和变化规律的一种抽象表达，描述了系统各要素之间的相互关系、系统与环境之间的相互作用，以反映系统的某些本质。

（3）系统仿真：应用数学模型、相应的实用模型的装置、计算机系统、部分实物的仿真系统，对某一给定系统进行数学模拟、半实物模拟、实物模拟，以便分析、设计、研究这种给定系统；或者利用这种仿真训练给定系统的专业人员。

（4）离散事件系统：指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。

离散事件动态系统，本质上属于人造系统（4）实体：实体是描述系统的三个基本要素(实体、属性、活动)之一。

在离散事件系统中的实体可分为两大类：临时实体及永久实体。

在系统中只存在一段时间的实体叫临时实体。

这类实体由系统外部到达系统，通过系统，最终离开系统。

临时实体按一定规律不断地到达(产生)，在永久实体作用下通过系统，最后离开系统，整个系统呈现出动态过程。

（5）事件：事件就是引起系统状态发生变化的行为。

从某种意义上说，这类系统是由事件来驱动的。

在一个系统中，往往有许多类事件，而事件的发生一般与某一类实体相联系，某一类事件的发生还可能会引起别的事件发生，或者是另一类事件发生的条件等，为了实现对系统中的事件进行管理，仿真模型中必须建立事件表，表中记录每一发生了的或将要发生的事件类型和发生时问，以及与该事件相联的实体的有关属性等。

（6）仿真时钟：仿真钟用于表示仿真时间的变化。

离散事件动态系统的状态是在离散时间点上发生变化的，并且由于引起状态变化的事件发生时间的随机性，仿真钟的推进步长是随机的。

如果两个相邻发生的事件之间系统状态不发生任何变化，则仿真钟可以跨过这些“不活动”周期。