第一章仿真系统讲义

主要参考文献：1.系统仿真技术，国防科大，黄柯棣，98年2.防空导弹武器系统仿真，宇航，方辉煜，95年3.系统仿真导论，清华，肖田元等4.制模与仿真理论，机械，[美]B.P.齐格勒，84年5.系统仿真技术，科学，王正中，86年6.现代飞行模拟技术，国防，周自全，97年7.离散事件系统建模与仿真，国防科大,王维平，97年8.先进仿真技术与仿真环境，国防，熊光楞，97年9.控制系统的数字仿真与计算机辅助设计，华中，涂健，85年10、仿真工程2004年？11.系统仿真学报，系统仿真学会会刊12.计算机仿真

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哈尔滨工业大学控制与仿真中心杨明马萍

哈尔滨工业大学控制与仿真中心第一章、概论1.1系统1.1.1系统的一般概念：

系统概念：具有特定的功能，按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有物体的集合或总和（事物总体）。一般包括：工程系统/非工程系统

自然系统/人工系统简单系统/复杂系统中小系统/大系统

1.1系统（1）

1.1.1系统的一般概念：

一个系统以特有的表征和内在特性而区别于其他系统，这主要是由构成系统的四方面内容确定的：实体：存在于系统中的每一项确定的物体，是系统的具体对象；确定了系统的构成、边界；属性：实体所具有的每一项有效的特征，是描述实体特性的信息（常以状态和参数表征）；也称为描述变量，描述每个实体的特征；活动：在系统内部发生的任何变化过程，是指随时间推移发生的状态变化；定义了系统内部实体之间的相互作用；环境：表示系统所处的界面状况（包括干扰、约束等），包括那些影响系统而不受系统直接控制的全部因素。系统状态：由存在于系统内部的实体、属性、活动组成的整体称为系统状态，常用系统状态的变化研究系统的动态情况。1.1系统（2）

1.1.1系统的一般概念：考虑到系统环境因素，系统活动可分为：内生活动：系统内部发生的活动；外生活动：系统外部发生的活动，即在系统环境中发生，而且对系统有影响的活动。封闭系统：没有外生活动的系统；开放系统：包含外生活动的系统。1.1系统（3）1.1.1系统的一般概念：

如：导弹系统工厂系统实体：弹体、传感器、弹上计算机、车间、部门、订单、零件、成品舵系统、导引头等属性：舵偏角、航向、速度、控制特性、产品类型、订单数量、设备性能、高度、质量等设备数量等活动：舵面的偏转、弹体对舵面的偏转各个车间的生产过程的响应等环境：大气（温度、压力、风）、电磁等市场、原材料供应、劳动力等

1.1系统（4）1.1.2系统分类

可以从不同角度对系统进行分类：按照自然属性：人造系统：工程系统、社会系统等自然系统：太阳系、海洋系统、生态系统等按照物质属性：实物系统：建筑物、计算机、机床、兵器等概念系统：思想体系、管理、规章制度等按照运动属性：静态系统：静态平衡力系等动态系统：人体系统、控制系统、经济系统、动力学系统等1.1系统（5）1.1.2系统分类按照规模和结构状况：简单小系统：数/模转换、稳压、简单控制系统等复杂大系统：军事作战系统、国民经济系统、大型仿真系统等开环系统/闭环系统连续系统/离散事件系统/混合系统工程系统/非工程系统线性系统/非线性系统1.1系统（6）1.1.3连续系统、离散事件系统和混合系统

连续系统：系统状态随时间连续变化的系统，系统“事件”所引起的效应大小和“事件时刻”之间的区别，在数学上都是无穷小量。连续系统中发生的变化主要是平滑的变化，如：导弹飞行过程中的舵面变化、飞行位置的的变化；离散事件系统：系统状态（或参数）只在一些特定时刻被观测并产生相应离散数据，即系统操作和状态只在离散时刻发生，且这些时刻常常是随机的（不确定的）。离散事件系统中发生的变化主要是断续的变化，如：工厂系统中的产品数量、服务系统中的队列长度；1.1系统（7）1.1.3连续系统、离散事件系统和混合系统混合系统：一部分具有连续系统特性，另一部分具有离散事件系统特性，连续-离散混合系统。实际系统往往是混合系统，例如：导弹的一、二级分离（质量变化），工厂中的机器运行等。有些连续系统只在指定的时间间隔采样，这样的系统称为数据采样系统。对于这样的系统，要研究确定采样对系统的影响，特别是在采样收集的信息基础上去控制系统的时候。

1.1系统（8）1.1.4系统研究的类型

分三类：系统分析、系统设计、系统假设。

系统分析：目的是为了了解现有系统或拟建系统的性能和潜力。分析的方法是可以用系统做试验，但实际上往往先建立一个系统模型，将研究该模型所得的结果，用来分析实际系统的性能。

系统设计：是为了得到具有所需要的某些性能的系统，利用建立模型中得到的知识，对系统进行设计，是系统达到需要的性能。

系统假设：是用于建立社会、经济、政治、医学系统研究模型的特有方法。这些系统的某些特征是知道的，但是产生这些特征的规律是完全不知道的。根据有关规律并和已知的系统性能合理的、良好的相匹配的假设模型，可以更好地帮助了解和研究系统。系统工程则是把系统分析和系统设计有机地结合起来，先了解现有系统的实际情况，后改进或自行设计新的系统。1.2模型1.2.1系统模型

模型：一个系统（实体、现象、过程）的物理的、数学的或其他逻辑的表现形式。

系统模型是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述，是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终结果，它具有与系统相似的数学描述或物理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的信息。

数学模型是描述实际系统内、外部各变量间相互关系的数学表达式。1.2模型（1）1.2.1系统模型系统模型可以各种可用的形式（数学的或实体的（物理的））给出被研究系统的信息，它具有与系统相似的数学描述或物理属性，通常用系统模型来指导对系统的研究；系统模型不应该比研究目的所要求的更复杂，模型的详细程度和精度必须与研究目的相匹配；1.2模型（2）

1.2.1系统模型（续）：用来表示一个系统的模型并不是唯一的，对于同一个系统当研究目的不同，所要求收集的与系统有关的信息也是不同的；由于关心的方面不同，对于同一个系统就可能建立不同的模型；对于多数研究目的，建立系统模型并不需要考虑系统的全部细节，一个好的模型不仅是用来代替系统，而且是这个系统的合理简化，与此相联系的是要正确地确定模型的详细参数和精度。1.2模型（3）1.2.1系统模型-性质

模型是当今重要科学术语之一，相对于现实世界或实际系统而言,模型应能够反映被替代系统的表征和特性，具有如下主要性质：

等效性（普遍性）：指同一个模型可以从各个角度反映不同的系统。（或者说一种模型与多个系统可能具有相似性。）相对精确性：近似度和精确性不可超出应有限度和许可条件；过于粗糙的模型将失去过多系统特性而变得无用，太精确的模型往往会非常复杂，甚至给模型研究带来困难。满意的模型应该具有考虑诸种条件折衷下的是和精确性。可信性：必须经过检验和确认，成为代表实际系统的有效模型，即具有良好的置信度。异构性：同一系统的模型可以具有不同的结构和形式，研究中将选择最方便、合理的。通过性：可以视为“黑箱”，通过向其输入信息并获取信息建立起模型的输入-输出概念。1.2模型（4）1.2.1系统模型-why?为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验，可以分为两大类：在真实系统上进行；构造模型并用模型试验来代替在系统上的实验。后者必不可少，原因有四：系统还处于设计阶段，真实系统尚未建立需要了解未来系统的性能，只能通过对模型的试验来了解；在真实系统上进行试验可能会引起破坏或发生故障，如处于运行状态的化工系统、电力系统、火箭系统等；系统无法恢复，如经济系统，新政策出台，经过一段时间才能看出效果，若造成损失已经无法挽回了；试验条件无法保证，如多次试验，难以保证每次试验条件相同，或试验时间太长、或费用昂贵。1.2模型（5）1.2.2系统模型的分类：对于系统模型，有许多分类方法：（1）按模型形式分：实体模型（物理效应）---物理仿真静态模型—系统处于平衡状态时属性的取值动态模型—用来描述系统状态变化的过渡过程，表示系统活动随时间变化的结果数学模型---数学仿真（计算机仿真）静态模型动态模型1.2模型（6）1.2.2系统模型的分类（1）：（2）按基本的数学描述分：

静态系统模型代数方程，如：系统稳态解动态系统模型连续集中参数：微分方程、传递函数、状态方程，如：工程动力学、系统动力学……

分布参数：偏微分方程，如：热传导场……

离散时间离散：差分方程、Z变换、离散状态方程，如：计算机数据采集系统……

离散事件：概率分布、排队论，如：交通系统、市场系统、电话系统……1.2模型（7）1.2.2系统模型的分类（2）：（3）按对模型的求解方法分类：

用解析法求解的模型用数值法求解的模型1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念（仿真）仿真二字,顾名思义，是指模仿真实事物的意义。只能讨论目前公认的系统仿真问题。仿真的定义：1966年雷诺在专著中定义：仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或系统（或者它们的某些部分）在若干周期内的特征。仿真：随时间实现模型的方法。仿真是一种基于模型的活动---Ören于1984年提出的。

1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念（系统仿真）系统仿真：用一个人造的系统（称为仿真系统）去模仿一个真实或设想的系统行为，以对其进行研究。也可以理解为是对系统模型进行随时间演化试验的活动，或是利用系统模型展现类似系统运行的过程或特性的活动。中国学者：系统仿真就是在计算机上或（/和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的、或数字-物理效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。系统仿真是通过研究模型来揭示原型（实际系统）的形态特征和本质，从而达到认识实际系统的目的。1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念（理论依据）理论依据：相似论

相似：指各类事物间某些共性的客观存在。相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界的特性和共同规律。

采用相似技术来建立实际系统的相似模型，这是相似理论在系统仿真中基础作用的根本体现。1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念（仿真学科）系统仿真学科（文传源）：系统仿真是建立在相似理论、控制理论（系统理论）和计算机技术基础上的综合性和试验性学科。系统仿真学科：1946年电子微分分析器的诞生，开创了系统仿真的新纪元，系统仿真逐渐成为以相似论、系统科学、计算机科学、系统工程理论、概率论、数理统计和时间序列分析等多个学科理论为基础的新兴的综合性学科。1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念系统仿真是近年来迅速发展的一门新兴学科,现代的仿真系统已经成为任何复杂的系统，特别是高技术产业不可缺少的研究、设计、评价和训练的手段，并得到了有效的应用。仿真是广泛用于系统研制、使用各个阶段的一种极其重要的技术，用以评价和复现真实系统。1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念（仿真系统、仿真技术）仿真系统：是指实现仿真任务的软件和设备。按仿真任务要求，实现被仿真系统模型，以进行仿真试验的一套软件、硬件系统，包括仿真设备、参与被仿真系统操作的人员或部分被仿真系统组件。仿真技术：是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制、系统工程等多个高技术领域的知识。

1.3系统仿真1.3.1系统仿真概念

（数字）仿真过程中，任何一步计算得到的即时值都表示在指定的时间内，已被模型化了的系统的状态。假如是实体模型（物理效应模型）而不是数学模型（计算机模型），则即时值是对实体的测量的结果，而不是通过数值计算求得的结果。考虑到有数学模型与实体模型两种情况，从这个侧面又可以认为：系统仿真是在全部时间内，通过对系统状态模型性能的观察来求解问题的技术。这样的定义，可以足够广泛地概括动态数学模型和动态实体模型的应用。

1.3系统仿真（续4）1.3.2系统仿真的必要性

优化系统设计：在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计；对系统或系统的某一部分进行性能评价；

节省经费：仿真试验只需要在可重复使用的模型上进行，所花费的成本远比在实际产品上做试验低；

系统故障诊断：系统发生故障后，设法使之重演，以便判断故障产生的原因；

1.3系统仿真（续4）1.3.2系统仿真的必要性

避免试验的危险性：某些试验有危险，不允许进行，而仿真试验可以避免危险性；

进行假设检验：仿真可以预测系统的特性，也可以预测外部作用对系统的影响；

训练系统操作人员；

为管理决策和技术决策提供依据。

1.3系统仿真（续5）1.3.3系统仿真的分类根据模型种类分类：数学仿真：计算机仿真，包括模拟机仿真、混合机仿真、数字机仿真物理仿真：物理效应仿真，指的是研制某些硬件结构（实体模型、物理效应模型），使之可重现系统的各种状态而不必采用昂贵的原型半实物仿真：在某些系统研究中，常把数学模型、实体模型（物理效应模型）和系统的实际设备（实物）联系在一起运转，组成仿真系统，这种仿真系统称为半实物仿真（硬件在回路仿真HIL-HardwareintheLoop）人在回路仿真软件在回路仿真：实物上的专用软件，也称为嵌入式仿真

1.3系统仿真（续5）1.3.3系统仿真的分类根据仿真计算机类型分类：模拟计算机仿真：本质上是一种通用的电气装置，20世纪50-60年代普遍采用的仿真设备，是一种并行仿真。数字计算机仿真：将系统模型用计算机程序来实现，通过运行程序来得到数学模型的解。数字模拟混合仿真：数字计算机技术水平较低时采用，模型分为两部分，分别在模拟计算机和数字计算机上运行，两个计算机之间利用AD/DA转换装置交换信息。

1.3系统仿真（续5）1.3.3系统仿真的分类根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类：实时仿真：仿真时钟与实际时钟完全一致，即模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同。仿真系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真，如各种训练仿真器，也称为在线仿真。亚实时仿真：