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1、第七章 系统仿真,系统仿真概论 连续系统仿真 离散事件系统仿真 系统动力学,1 系统仿真概论,系统仿真概念 系统仿真分类 蒙特卡罗仿真 系统仿真的基本步骤,系统仿真概念应用领域,系统仿真是近30年来发展起来的一门新兴技术学科。仿真(Simulation)就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。当由于安全上、经济上、技术上或者是时间上的原因，对实际系统进行真实的物理实验很困难，有时甚至是不可能时，系统仿真技术就成了十分重要、甚至是必不可少的工具。特别是随着计算机技术的发展，仿真技术日益受到人们的重视，其应用领域也愈来愈广泛。在我国，仿真技术最初是用于航空、航天、核反应堆等少数领域，后来，逐步发
2、展到电力、冶金、机械、电子、通信网络等十些主要工业部门。 现在，系统仿真已逐步扩大应用于社会经济、交通运输、生态环境、武器装备研制、军事作战、企业管理等众多领域，开始成为分析、设计和研究各种系统的重要手段和辅助决策工具。,系统仿真概念,系统仿真是对实际系统的一种模仿活动，也就是利用一个模型来模仿实际的事物发展变化的规律。 系统仿真的确切概念可以表述如下：系统仿真是指通过建立和运行系统的仿真模型，来模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的规律。在此过程中，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。,系统仿真概念,系统仿真是
3、一种有效的“实验”手段，它为一些复杂系统创造了一种“柔性”的计算机实验环境，使人们在短时间内从计算机上获得对系统运动规律以及未来特性的认识。 需要较好的仿真软件来支持系统的建模仿真过程。 系统仿真的输出结果由仿真软件给出 一次仿真结果，只是对系统行为的一次抽样，因此一项仿真研究往往由多次独立的重复仿真所组成，所得到的仿真结果也只是对真实系统进行具有一定样本量的仿真实验的随机样本。因此，系统仿真往往要进行多次试验的统计推断，以及对系统的性能和变化规律作多因素的综合评估。,系统仿真的优点,系统仿真面向实际过程和系统问题，将不确定性作为随机变量纳入系统变量来处理，建立系统的内部结构关系模型，从而对复
4、杂的、带有多种随机因素的系统，可以方便地通过计算机仿真试验求解，避免了求解复杂的数学模型的困难。这也是目前系统仿真得到广泛应用的最根本的原因。 系统仿真采用问题导向来建模分析，使建模直接面向分析人员，他们可以集中精力研究问题的内部因素及其相互关系，而不是计算机编程、调试及实现。 系统仿真提供了一种有效的实验环境，设想和方案可以通过直接调整模型的参数或结构来实现，并通过模型的仿真运行得到其“实施”结果，从而可以从中选择满意的方案。,系统仿真的缺点,开发仿真软件，建立运行仿真模型需要大量的编程和重复运行试验，耗时、耗力和消耗资金。 系统仿真只能得到问题的一个特解或可行解，不可能获得问题的通解或者是
5、最优解。仿真参数的调整往往具有极大的盲目性，寻找优化方案将消耗大量的人力物力。 仿真建模直接面向实际问题，由于建模者的认识和看法有差异，往往会得到迥然不同的模型。因此，仿真建模常被称为非精确建模，或认为仿真建模是一种“艺术”而不是纯粹的技术。,发展趋势,随着计算机软硬件性能的提高，出现了所谓的图形建模、可视建模方法和工具，从而使仿真建模工作变得轻松、方便； 由于智能化技术的引入，也产生了所谓的自动建模环境，使仿真建模的科学性进一步得到提高。 此外，仿真理论的发展，也使模型的验证、确认、优化工作进一步自动化，仿真的精确性得以提高。 计算机技术中的多媒体技术、灵境技术、分布式网络技术的引入更使系统
6、仿真技术如虎添翼，它们与仿真技术相结合而成为崭新的研究方向。,系统仿真分类,系统仿真可以分成物理仿真、数学仿真和物理数学仿真； 物理仿真是指按相似原理建立具有真实系统物理性质的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程。如专用仿真器、风洞实验模型等。物理仿真的优点是真实感强，直观、形象，但缺点是仿真建模周期长；花费大；灵活性不够好。 数学仿真指建立可计算的系统数学模型，并在计算机上对数学模型进行仿真实验的过程。与物理仿真相比，数学仿真更加经济、灵活、方便。数学仿真也称为计算机仿真。 如果在仿真中同时使用物理模型和数学模型，并将它们通过计算机软硬件接口联接起来进行实验，就称为物理数学仿真，或半实物仿
7、真。,系统仿真分类,根据仿真中使用的计算机类型，系统仿真又可分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真。 模拟仿真是基于同构和相似原理，通过专用的模拟计算机进行仿真实验。模型直观、运算速度快，但精度较差，且通用性和灵活性不好。 数字仿真利用数字计算机和仿真软件进行系统的建模仿真实验的过程。具有自动化程度高，复杂的推理判断能力强以及快速、灵活、方便、经济、较高精度等特点，。 混合仿真是将模拟仿真和数字仿真相结合的一种仿真方法。其主要工具是混合计算机系统，主要包括模拟计算机、数字计算机以及它们之间信息转换(通常是AD、DA转换)界面。它在某些大系统的实时仿真中具有很大优势，混合仿真广泛用于参数优化、最优控制
8、以及统计寻优和统计计算等方面。,系统仿真分类,根据研究的系统对象性质，系统仿真又可分为连续系统仿真和离散系统仿真。 连续系统指系统状态随时间连续变化的系统，通常用一组方程式描述。如微分方程、差分方程等。注意差分方程形式上是时间离散的，但状态变量的变化过程本质上是时间连续的，如人口的变化、导弹运动、化工过程等。 在离散事件系统中，表征系统性能的状态只在随机的时间点上发生跃变，且这种变化是由随机事件驱动的，在两个时间点之间，系统状态不发生任何变化。离散事件仿真就是通过建立过程模型，并在计算机上人为构造随机事件环境，以模拟随机事件的发生、终止、变化的过程，最终获得系统状态随之变化的规律和行为。,蒙特
9、卡罗仿真,系统仿真的基本步骤,问题描述与定义,仿真模型建立 数据采集,模型确认？,仿真程序编制与验证,模型确认？,仿真试验设计,正式仿真运行,形成报告 提供决策,仿真输出数据 统计分析,是,是,否,否,2连续系统仿真,3离散事件系统仿真,随机离散事件 离散事件系统仿真原理,随机离散事件,随机离散事件是一系列按时序、随机发生的具体事实，它们只能在离散的可数时刻上 发生，这些事实一旦出现，将使系统中一个或若干个状态变量发生瞬间变化。由于这些事实的发生具有离散性和随机性，因此称为随机离散事件,随机离散事件,例：某加工系统由两个工作站构成，各种不同的零件按一定的概率分布(如泊松分布)到达，顺序在两个站
10、上加工，在加工站1和加工站2上的加工时间也都是按一定概率分布的随机变量(如分别为正态分布和分布)。这类系统实际上是一种串联的随机服务系统,随机离散事件,离散事件系统仿真原理,离散事件系统有两个重要特征，即状态的动态变化以反映这种变化规律的离散性或随机件。 因此，离散事件系统仿真原理也表现在两个方面，即仿真时钟及其推进方式和表达随机变化的未来事件表,仿真时钟及其推进方式,离散系统仿真是动态仿真，需要不断地计量和记录各种事件的发生时间，并进行时间统计。仿真时钟是离散事件系统仿真中不可缺少的组成都分，它是随着仿真的进程而不断更新的时间机构。 通常在仿真开始时将仿真时钟置零，随后仿真时钟不断地给出仿真
11、时间的当前值。仿真时间是仿真模型中的时间指示，它代表仿真模型运行的真实时 间，但是它并不是仿真运行过程所占用的CPU时间。 在作排队系统仿真时，其时间单位可能是分钟，而对于宏观经济系统的仿真，则随机离散事件的发生时间可能以月或年来表示。,面向事件的仿真时钟,在这种方式下，仿真时钟并不是连续地推进的，而是按照下一个事件预计将要发生的 时刻，以不等距的时间间隔向前推进的，即仿真时钟每次都跳跃性地推进到下一事件发生的时刻上去。为此，必须将各种事件按发生时间的先后次序进行排列，时钟时间则按事件顺序发生的时刻推进。每当某一事件发生时，需要立即计算出下一事件发生的时刻，以便推进仿真时钟。这个过程不断地重复
12、，直到仿真运行满足规定的终止条件时为止，如某一特定事件发生或达到规定的仿真时间等。通过这种时钟推进方式，可对有关事件的发生时间进行计算和统计。,面向时间间隔的仿真时钟,在这种时钟推进方式中，首先要根据模型的特点确定时间单位，仿真时钟按很小的时间区间等距推进，每次推进需要扫描所有的活动，以检查在此时间区间内是否有一个事件发生，若有事件发生，则记录此时间区间，从而可以得到有关事件的时间参数。这种推进方式要求每次推进都要扫描所有正在执行的活动。 面向事件的仿真时钟多用于离散事件系统仿真，而面向时间间隔的仿真时钟既可用于连续系统仿真，也可用于离散系统仿真。它们的主要差别在于仿真效率有所不同。,两种仿真
13、时钟推进方式示例,设某单服务台排队系统，顾客按泊松流到达，其到达间隔时间分为别A1，A2，A3，每个顾客的服务时间服从负指数分布，相应的服务时间分别为S1，S2，S3。 Ai和Si都是在仿真过程中按照它们的概率分布而随机地产生出来的。在这种排队系统中只有两类随机离散事件，即顾客到达事件(EA)和顾客服务结束离开系统事件(ED)，这些事件的发生过程如图所示.,示例,某一随机服务系统设有一个服务台，根据以往统计资料表明，顾客是按泊松分布来到系统的，平均每小时有 15个顾客来到，即=15/60=1/4，也就是说，平均每隔4分钟有一顾客来到系统。又知服务台服务时间服从负指数分布，平均每小时能为7.5个顾客进行服务，就是说=7.5/60=1/8，即平均每个顾客所需服务时间为8分钟。现要求通过数字机仿真，研究该服务系统顾客来到情况及排队等待服务情况，并据此确定该系统应配置多少服务台才较为合理。,仿真步骤,建立一个仿真模型。 确定定该随机服务系统的服务规则。这里采用“先来先服务”的规则来进行仿真。 要确定仿真时间按何种方式累计的问题。可分为单位累计仿真时间和单位时间来累计仿真时间。 确定仿真试验的最大延续时间Tmax。,程序框图,顾客排队等待情况,随机数表,1个窗口仿真结果,2个窗口仿真结果,
