系统模型建立的方法论-

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1、计算机仿真技术主讲教师：张春燕课件制作者：张春燕上次课重点内容回顾1、什么叫系统？试举例说明。 2、系统具有哪些特点？ 3、系统性能好坏的评价指标有哪些？4、简述系统模型的定义、类型及特征？5、简述计算机仿真的定义、类型、作用及总体流程图？6、什么叫系统仿真？上次课重点内容回顾系统：为实现规定功能以达到某一目标而构成的相互 关联的一个集合体或装置(部件)。 例如：数控机床伺服系统等。1、什么叫系统？试举例说明。l系统具有以下四个特点：l系统是由部件组成的，部件处于运动状态；l部件之间存在着联系；l系统行为的输出也就是对目标的贡献，系统各主量和的贡献大于各主量贡献之和，即系统的观点1+12；l系

2、统的状态是可以转换的，在某些情况下系统有输入和输出，系统状态的转换是可以控制的。2、系统具有哪些特点？判断一个系统的好坏可以由以下四点观察： l目标明确。每个系统（部件）均为一个目标而运动。系统的好 坏要看它运行后对目标的贡献。因而目标明确是评价系统的第 一指标。 l结构合理。子系统的联接方式组成系统的结构。联接清晰，路 径通畅，冗余少等，以达到合理实现系统目标的目的。 l接口清楚。子系统之间有接口，系统和外部的联接也有接口， 好的接口其定义应十分清楚。 l能观能控。通过接口，外界可以输入信息，控制系统的行为， 可以通过输出观测系统的行为。只有系统能观能控，系统才会 有用，才会对目标作出贡献。

3、 3、系统性能好坏的评价指标有哪些？系统模型的定义：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。 系统模型的特征：（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。 系统模型的分类：物理模型、数学模型 4、简述系统模型的定义、类型及特征？5、简述计算机仿真的定义、类型、作用及总 体流程图？计算机仿真（Computer Simulation ）定义：借助高速、大存储量数字计算机及相关技术，对复杂真实系统的运行过程或状态进行数字化模拟的技术。 计算机仿真的分类： 根据计算机分

4、类模拟计算机仿真、数字计算机仿真、模拟数字混合计 算机仿真 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系实时仿真、欠实时仿真、超实时仿真 根据系统模型的特性连续系统仿真、离散事件系统仿真5、简述计算机仿真的定义、类型、作用及总 体流程图？5、简述计算机仿真的定义、类型、作用及总 体流程图？仿真技术物理试验理论研究可能性只要能建立系 统模型，就能 进行系统尚未建立，则不可 能；有的自然系统实验 周期太长，也不可能有的系统无法建立解 析模型，因此，不可 能利用解析方法 安全性无危险有危险（人身、设备 ）无危险经济 性花费不多费用很大花费少耗时性中等长短准确性可以做到很准确十分准确要做较多假设，有 较大误差 方

5、便性可以做到十分方 便受现场 限制，不方便方便5、简述计算机仿真的定义、类型、作用及总 体流程图？结果分析分析对象/系统建立物理模型建立数学模型建立计算机仿真模型设置边界条件等仿真结束满意不满意软件：建模：CATIA、Pro/E 、UG、CAXA实体设 计等；仿真：Matlab、Adams 、Absqus、DELMIA等 。6、什么叫系统仿真？系统仿真（System Simulation）定义：是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机、仿真软件、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。第2章 系统

6、模型建立的方法论u 系统与建模u 系统建模的方法论u 系统建模在机械行业的应用u 系统建模的实践/举例u 小结u 作业通过本章学习，熟悉系统模型建立的目的、作用、依据、可信性以及系统建模的途径、类型，能应用本章介绍的方法对简单机械系统建立相应的数学模型。学习要求：u 系统建模的目的仿真是离不开模型的，建立有效的计算机仿真模型是保证系统仿真得以顺利实现的基础，本节的建模主要是建立数学模型。数学模型的定义：是利用数学语言（符号、式子与图象）模拟现实的模型。u 系统与建模数学建模的定义：把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为数学模型，求出模型的解，验证模型的合理性，并用该数学模型所提供的解答来解释现

7、实问题，我们把数学知识的这一应用过程称为数学建模。实际问题进行抽象、简化、假设 确定变量和参数、明确目标建立数学模型、求出数学解用实际统计数据、资料进行比较与实际相符合吗交付使用、产生社会及经济效益否是建立数学模型的流程图或步骤尽管数学建模已有了很久的历史，数学建模课程却还是很年轻的一门课程。在70年代末和80年代初，英国著名的剑桥大学专门为研究生开设了数学建模课程，差不多同时，欧美一些发达国家开始把数学建模的内容列入研究生、大学生以至中学生的教学计划中去，并于1983年开始举行两年一度的“数学建模教学和应用国际会议”进行定期交流。数学建模教学及其各种活动发展异常迅速，成为当代数学教育改革的主

8、要方向之一。u 系统与建模数学建模一般借助于数学软件.如：Mathematica、 Matlab、SAS、MathCADMaple 数学建模软件介绍u 系统与建模MATLAB是基于矩阵的一种计算工具，它已经成为世界 各国高校和研究人员中最为流行的软件之一。它提供了丰富 可靠的矩阵运算、数据处理、图形绘制、图像处理等便利工 具，并且由于Matlab的广泛应用，很多理论的创始人在 MATLAB上开发了相关的工具箱，现在MATLAB附带的各 方面工具箱有：控制系统、通讯、符号运算、小波计算、偏 微分方程、数据统计、图像、金融、LMI控制、QFT控制、 数字信号处理、模糊控制、模型预估控制、频域辨识、

9、高阶 谱分析、统计学、非线性控制系统、图像处理、神经元网络 、m 分析、信号处理、插值、优化、鲁棒控制、控制系统设 计、系统辨识等等，并且MATLAB提供了图形化的时域仿真 程序-Simulink，在高校中还开发有：振动理论、化学统计学、语音处理等等方面的工具箱。 matlab软件介绍u 系统与建模使用MATLAB，工作效率可能有成百上千倍的提高，使得 研究工作真正是在做研究，而不是在编程。使用MATLAB大大 简化了学习和研究中编程量，比如：使用C或者Fortran编写一 个优化的程序，一般需要几百行或者几千行的程序，并且在首 次写程序时还可以能需要大量的时间来调试这个程序，当这个 程序能够

10、运行时，可能花费掉一个星期或者更长的时间，而下 一次在进行另一种优化方法的运算时，需要同样的时间工作， 也就是说，使用这些语言编程时，大量时间花在了编程序上， 而不是研究人员应当做的思考工作，大大降低了工作效率。如 果使用MATLAB编程，一个优化程序只需要10行以下的程序， 因此基本不会出现错误，这样在1分钟左右就完成了编程，并 且马上就可以运行看到结果，如果想改变优化算法，只需要把 优化的函数名改掉就可以了，也就是说使用MATLAB，工作效 率可能有成百上千倍的提高，使得研究工作真正是在做研究， 而不是在编程。 matlab软件介绍u 系统与建模例1、应用matlab绘制参数方程y=sin

11、(t); y1=sin(t+0.25);y2=sin(t+0.5)的二维平面曲线。t=0:pi/100:2*pi;y=sin(t);y1=sin(t+0.25);y2=sin(t+0.5);plot(t,y,r,t,y1,g,t,y2,b)程序：例2、应用matlab绘制参数方程x=t; y=sin(t); z=cos(t)的空间曲线。t=0:0.05:100;x=t;y=sin(t);z=cos(t);plot3(x,y,z,g:)程序：x=0:pi/100:2*pi;y1=sin(x);y2=cos(x);plot(y1,y2,r)例3、绘制圆x,y,z=sphere(30);surf(x

12、,y,z)例4、绘制球体例5、绘制三维陀螺锥面t1=0:0.1:0.9;t2=1:0.1:2;r=t1 -t2+2;x,y,z=cylinder(r,30);surf(x,y,z);grid计算机软件生成的数学模型（图像）计算机软件生成的数学模型（图像） 数学建模中要注意的几个问题l数学建模的意义在于用数学工具来解决实际问题，因此建 模的目标要十分清楚并保持适度水平；l学习建模要不怕出错和失败，要大胆尝试，勇于实践；l数学模型必须接受检验，比较符合实际才算是成功的；l在模型成功之后进一步假设来改进模型，使模型更好；l建立数学模型常用到许多其它学科，所需数学手段也多种 多样。*u 系统与建模连续

13、系统模型与离散系统模型的状态轨迹描述方式系统数学模型的分类l真正的连续系 统，对应模型一 般为常微分和偏 微分方程 l常称为采样系 统，对应模型为 离散时间的偏微 分方程和系统动 力学模型l离散事件模型 ，用流程图、表 等非数学模型形 式表示 l差分方程模型 ，有限状态自动 机，马尔可夫链 模型 数学模型一览表 数学模型特征方程式随机模型系统统有确定的输输入时时，得到的输输出是不 确定的随机方程确定模型确定输输入得到确定的输输出非随机方程微观观模型系统统在局部或瞬时时范围围内存在规规律微分方程、差分方 程宏观观模型系统统在全局或一段时间时间 范围围内存在规规律联联立方程、积积分方 程线线性模型

14、系统统的输输入输输出满满足齐齐次性和叠加性线线性方程非线线性模型系统统的输输入输输出不满满足齐齐次性和叠加性非线线性方程数学模型特征方程式连续连续 模型系统统的输输入输输出是连续时间连续时间 的函数微分方程等连连 续续方程 离散模型系统统的输输入输输出是时间时间 的整标标函数差分方程集中参数模型系统统的输输入能立刻到达系统统内各点常微分方程等分布参数模型系统统的输输入要经过经过 一段时间时间 才能传传播到系 统统内各点偏微分方程定常系统统输输出的形状取决于输输入形状，与输输入时间时间 无关常系数方程时变时变 系统统输输出的形状与输输入的形状和输输入时间时间 有关变变系数方程非存储储系统统输输出

15、仅仅与同时时刻的输输入有关代数方程存储储系统统某时时刻输输出依赖赖于到该时该时 刻为为止的某区间间 上的输输入非代数方程 连续系统数学模型 常微分方程模型 传递函数模型 状态方程形式 状态变量技术是利用n个微分方程去替换一个n阶微分方程。 连续系统数学模型实例 微分方程的最早应用出现在解决动力学、电磁学等领域的问题中，但近年来发现微分方程用来描述生态学中的作物生长、人口学中的人口增长规律以及经济和军事领域中存在的现象也非常适用。u 系统与建模 实体的概念 在离散事件系统中，实体的概念可以分为两类，临时性实体和永久性实体。 事件概念 事件是系统状态发生变化的行为，只有在事件的作用下，系统状态才发

16、生变化。 活动的概念 离散事件中的活动用于表示两个相邻的引起系统状态变化的过程，它标志着系统状态的转移。 进程 系统的进程是描述实体在系统中经历的整个过程，包括若干个事件和活动及其间的相互逻辑关系和时序关系。 仿真时钟 仿真时钟用于设置仿真的时间变量。 离散事件系统模型u 系统与建模 系统数学模型的作用 建立系统模型的依据 系统模型的可信性 系统建模的途径u 系统建模的方法论 系统数学模型的作用u 系统建模的方法论 系统模型为人们提供一个准确地、易于理解的形式； 辅助人们思考。当系统模型被综合成公理或定律时，使人们对类似的系统更容易理解； 系统模型能够帮助人们不断加深对客观现象的认识，并启发人们进行能获得满意结果的试验； 在系统的管理、控制和设计方面也起着主要作用。 建立系统模型的依据u 系统建模的方法论 建模的目的：建立系统模型的目的是建模过程的主要信息来源之一； 先验