1、 1 第第 1 章章 系统仿真概论系统仿真概论 1.1 概概 述述 1.1.1 系统、模型与仿真系统、模型与仿真 系统一词最早见著于古希腊原子论创始人得谟克里克特的著作世界大系统一书。 该书论述了关于系统的含义，戈登在总结前人思想的基础上，将系统定义为“按照某些规 律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。现代工程建立系统该尤为重 要，通过为工程建立系统的模型使得该系统在具体实施之前有充分的、量化的依据，减少 在工程在实施过程中的风险，防止重复建设，通过模型对系统的各项经济指标和技术指标 有充分的了解和认识，使资金的风险降低和有效利用，使工程不受被研究系统的规模和复 杂性的限制，保
2、证被研究系统的安全，系统试验的经济性，可用于对未来系统的预测以及 可持续发展以及合理利用方面都有积极的意义。 人们在长期的研究与应用中，创造了适于不同对象研究分析要求的模型描述形式， Oren 进行了总结，将模型形式加以分类如表 1.1 所示： 模型描述变量的轨迹 模型的时间集 合 模型形式 变量范围 连续 离散 空间连续变化模型 空间不连续变化模型 连续时间模型 偏微分方程 常微分方程 离散（变化）模型 离散时间模型 差分方程 有限状态机 马尔可夫链 连续时间模型 活动扫描 时间调度 进程交互 表表 1.1 模型分类模型分类 “建模试验分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义
3、，被 认为是现代仿真技术的一个重要概念。实际上，随着科学技术的进步，特别是信息技术的 迅速发展， “仿真”的技术含义不断的得以发展和完善。无论哪种定义，仿真基于模型这 2 一基本观点是共同的。 综上所述， “系统、模型、仿真”这三者之间有着密切的联系。系统是研究的对象， 模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的试验以达到研究系统的目的。现代仿真技术均是 在计算机支持下进行的，因此，系统仿真也称为计算机仿真。系统仿真有三个基本活动， 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、计算机（包括硬件和软件） 。关系如图 1.1 所示。 图图 1.1 系统、模型、计算
4、机的关系系统、模型、计算机的关系 现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面， 并将其统一到同一 个环境中。在系统建模方面，除了传统的基于物理学、化学、生物学、社会学等基本定律 及系统辨识方面等方法外，现代仿真技术提出了用仿真方法确定系统的模型。仿真建模方 面，除了适应计算机软硬件环境的发展而不断研究和开发出许多新算法和新软件外，现代 仿真技术采用模型与试验分离技术，即模型和数据驱动（data driven） 。任何一个仿真问题 可分为两部分：模型与实验，这一点，现代仿真技术于传统的仿真定义是相同的。在仿真 实验方面，现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开来。一个实验框架定义
5、一组条 件，包括：模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、终止条件、输出说明。 Oren将上述思想加以总结，提出了现代仿真技术的概念框架，如图 1.2 所示： 系统仿真的一般步骤如图 1.3 所示： 系 统 计算机 模 型 系统建模 仿真实验 仿真建模 3 现代仿真技术的概念框架现代仿真技术的概念框架 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤 图图 1.2 与与 1.3 现代仿真技术的概念框架与系统仿真的一般步骤现代仿真技术的概念框架与系统仿真的一般步骤 1.1.2 系统仿真类型系统仿真类型 可以从不同的角度对系统仿真进行分类。比较典型的分类方法是：根据模型的种类分 类；更具仿真所采用的计算机类型
6、分类；根据仿真时钟与实时时钟的比例关系分类；根据 系统模型的特性分类。 1、根据模型的种类分类 根据模型的种类不同，系统仿真可分为三种：物理仿真、数学仿真和半实物仿真。按 照真实系统的物理性质构造系统的物理模型， 并在物理模型上进行试验的过程称为物理仿 真。对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到的系统的数学模型，对 数学模型进行试验的过程称为数学仿真。 半实物仿真即将数学模型与物理模型甚至实物联 合起来进行试验。仿真时将两者连接起来完成整个系统的试验。 仿真问题描述 特定模型: 参数模型 参数值 实验: 实验框架 仿真运行控制 行为产生 模型行为及处理 模型行为(仿真数据) 轨迹行为 结构行为 行为处理：分析、显示 实际系统 建模与形式化 形式建模 仿真建模 程序设计 仿真运行 仿真建模校验 可信否? 正确否? 仿真结果分析 正确否? 结束 4 2、根据仿真计算机类型分类 按所使用的仿真计算机类型也可将仿真分为三类：模拟计算机仿真、数字计算机仿真 和数字模拟混合仿
