第2章 系统建模与仿真的基本原理

系统的建模与仿真摘要：系统的建模与仿真是一种现代的工程手段，可以帮助工程师在设计和测试新系统之前进行可靠的探索和预测。

本文将介绍系统建模和仿真的基本概念、实现方法以及其在各个领域的应用。

关键词：系统建模；仿真；探索；预测；应用一、引言系统的建模与仿真是一种现代的工程手段，可以帮助工程师在设计和测试新系统之前进行可靠的探索和预测。

系统建模是将现实中复杂的系统抽象为可以用计算机程序进行描述、分析和预测的数学模型；仿真是在计算机上通过运行建立的数学模型来模拟真实系统的行为。

系统建模与仿真的应用涉及到各个领域，例如，航空航天、汽车工业、制药业等。

本文将介绍系统建模和仿真的基本概念、实现方法以及其在各个领域的应用。

二、系统建模系统建模是将现实中复杂的系统抽象为可以用计算机程序进行描述、分析和预测的数学模型。

系统建模的目的是帮助工程师理解系统的行为，探索设计方案和调试错误。

系统建模的基本步骤包括：（1）确定系统的物理对象和变量系统的物理对象是指在系统中具有实际物理意义的元素，例如，机器上的零部件、航空器的传感器等；系统的变量是指描述系统中特定元素状态、性能或行为的测量值或变量。

（2）选择适当的数学模型根据所要研究的系统属性，选择适当的数学模型。

模型可以是基于物理学、数学、统计学或概率论等方面的。

相应的模型纲要应明确表明模型的输入和输出变量。

（3）根据模型的纲要建立模型使用适当的数学软件或编程语言来建立模型。

模型描述了系统元素之间的关系和动力学行为，并且可以为各种输入变量的不同值生成预测结果。

（4）验证模型准确度将模型与现实系统的行为进行比较，以评估模型的准确性。

三、仿真仿真是在计算机上通过运行建立的数学模型来模拟真实系统的行为。

根据仿真所关心的问题，可以将仿真分为过程仿真（process simulation）、物理仿真（physical simulation）和Agent仿真。

过程仿真是对系统过程活动的建模仿真；在物理仿真中，计算机正在模拟真实物体的运动和行为；代理仿真是指以一种状态轮廓来表示代理，仿真管理代理之间的相互作用和机械造作。

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。

2013－2014学年第二学期《系统建模与仿真理论与实验报告》班级学号姓名成绩系统建模与仿真理论与实验报告一、认识仿真1、什么是仿真定义一：从仿真对象牛津辞典：仿真是一种通过相似模型或者装置来模拟某种情形或者系统行为方式的技术，用来更便捷地获取信息或者用来训练人员。

定义二：从技术本身着眼计算机仿真是指在计算机上设计，并生成拥有许多变量的替代模型，模型中的这些变量与现实世界或者设计中的系统中的变量具有相同的动态运行法则。

”定义三：从仿真的作用和功效着眼仿真是一个将对现实复杂系统的运作规律利用计算机方式有选择地，有针对性地在计算机内表达出来，并通过有目的的实验改善外部世界的有效手段。

它是一个融合多种学科知识，又服务于多种学科的复合型应用，它是一个可以研究因果关系、预测未来发展的有效工具之一。

2、仿真的本质对有限资源分配、占用、释放方式进行研究的试验工具资源包括：时间资源、设备资源、人力资源、空间资源…从理解到改善快速实验，测试多种建议想法；低成本，无风险，不需要中断正常运作；图形动画界面，有效的沟通工具3、管理离散系统特点(1描述了大部分现实系统随时间变化的演变(2仿真的运行是由在不确定时间点上发生的事件驱动(3仿真时间是跳跃的，间隔不一定相等，有时是不确定的(4因为是模拟随时间变化的演变，因此需要包含延迟模块，包括作业、运输，或者广义的活动4、随机性在计算机虚拟中如何实现随机性在计算机虚拟中通过随机变量来实现的，随机变量又可分为离散型随机变量和连续型随机变量。

（1）离散事件仿真：①描述了大部分现实系统随时间变化的演变②仿真的运行是由在不确定时间点上发生的事件驱动③仿真时间是跳跃的，间隔不一定相等，有时是不确定的④因为是模拟随时间变化的演变，因此需要包含延迟模块，包括作业、运输，或者广义的活动⑤在ExtendSim 中，主要由Item 模块库中的模块搭建而成，如果仿真中需要传递数据或信息，还可能包含Value 模块库中的模块。

【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。

电力系统的建模与仿真电力系统是现代社会中不可或缺的重要基础设施之一。

为了保障电力系统的运行安全与稳定，建模与仿真技术成为了不可或缺的手段。

本文将从电力系统建模与仿真的基本原理、方法与应用三个方面进行探讨。

一、基本原理电力系统建模的基本原理是建立电力系统的宏观模型，分析系统中各个部分的动态响应，并通过数学模型来计算各个参数的变化。

这一过程分为系统分析和系统建模两个部分。

系统分析是指根据电力系统的运行特点，将系统分为各个子系统，分别进行各项特性分析。

根据电力系统的运行机理，系统可以分为发电机组、输电线路、配电变压器等多个组成部分，并在此基础上分别分析各个子系统的特性、质量等，并将所得结果以数学方程的形式表示出来。

系统建模是基于系统分析，将各个子系统集成为一个整体电力系统的过程。

建模是基于系统分析和动态响应特性，建立电力系统的数学模型，用于计算与预测系统各个参数的变化规律。

采用数学模型进行电力系统建模，可以实现各种系统情景、方案以及控制策略的仿真。

二、建模方法电力系统建模方法有多种，包括机械方法、电气等效法、物理模型法、数学模型法等。

其中，数学模型法因其高效、精确等特点，成为电力系统建模的主要手段。

数学模型法基于电气逻辑、控制关系及电力系统传输线路特性，将电力系统的各个部分建立数学关系，实现电力系统的动态仿真。

常用的数学模型方法包括状态空间法、频域法、时间域法等多种方法。

状态空间法主要是建立电力系统中特定系统的模型，并通过建立的模型来计算其特征参数。

频域法主要是利用热节点法、复数方法等理论来建立电力系统的数学模型，用于控制系统稳定性、扰动分析等方面的计算。

时间域法主要是利用差分方程、微分方程等数学模型，对电力系统的动态过程进行模拟和仿真。

三、应用电力系统建模与仿真应用广泛，主要表现在以下几个方面：（1）电力系统稳定性分析，通过建立电力系统的数学模型，分析电力系统在各种扰动情况下的稳定性，以评估电力系统的动态响应特性和运行风险。

机械系统的动态建模与仿真机械系统的动态建模与仿真是现代工程领域中非常重要的一项技术。

通过建立数学模型，工程师们能够在计算机上进行仿真，预测和评估机械系统的性能。

这种技术广泛应用于机械设计、控制系统优化以及故障分析等领域。

本文将探讨机械系统动态建模与仿真的原理、方法以及在实际工程中的应用。

一、建模方法机械系统的动态建模是指将实际物理系统转化为数学模型的过程。

常用的建模方法有基于物理原理的方法和基于数据的方法。

基于物理原理的建模方法是根据机械系统的力学原理和几何关系来推导数学模型。

例如，对于一个弹簧-质量系统，可以利用胡克定律推导出弹簧的力学方程，并结合牛顿第二定律得到质点的运动方程。

这种方法的优点是模型参数具有明确的物理意义，对系统的分析更加直观，但是推导的过程相对复杂。

基于数据的建模方法是通过实验数据来建立数学模型。

在现实工程中，往往会通过传感器采集到机械系统的状态数据，例如位移、速度和加速度等。

利用这些数据，可以采用系统辨识的方法，如最小二乘法或者神经网络等，来拟合得到数学模型。

这种方法的优点是建模过程相对简单，适用于大型复杂系统，但是对实验数据的质量要求较高。

二、仿真技术机械系统的仿真是指在计算机上模拟机械系统的运行过程，以预测系统的响应和评估系统性能。

常用的仿真技术包括数值计算方法和离散事件仿真方法。

数值计算方法是基于微积分和数值解方法来求解微分方程，得到系统的状态随时间的演变。

最常用的数值解方法有欧拉法和龙格-库塔法等。

这些方法可以精确地模拟机械系统的动态特性，但是计算量较大，对计算机性能要求较高。

离散事件仿真方法是将连续时间的系统状态离散化为一系列事件，通过事件模拟系统的运行过程。

这种方法在仿真过程中只模拟系统状态发生变化的时刻，减少了计算量。

常用的离散事件仿真软件有MATLAB/Simulink和Arena等。

三、应用案例机械系统的动态建模与仿真在实际工程中有广泛的应用。

以下是一些常见的应用案例：1. 机械设计优化：在设计机械系统时，可以通过仿真对不同参数的组合进行评估，找到最优的设计方案。